高性能混凝土体积稳定性综述

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　　摘要：在查阅大量文献的基础上，对高性能混凝土与普通混凝土的特征进行了全面对比，系统归纳了影响高性能混凝土体积稳定性的塑性收缩、温度收缩、化学收缩、自收缩和干燥收缩，总结了高性能混凝土体积稳定性的特点。
　　关键词：高性能混凝土；体积稳定性；收缩
　　1高性能混凝土的定义
　　高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在严格的质量管理的条件下制成的；除了水泥、水、集料以外，必须掺加足够数量的细掺料与高效外加剂，HPC重点保证下列性能：耐久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性以及经济合理性。HPC不仅在性能上对传统混凝土有很大突破，在节约资源、能源、改善劳动条件、经济合理等方面，尤其对环境，有着十分重大的意义，因此是一种可持续发展的绿色材料。
　　2高性能混凝土的特征
　　现从特征指标、组成材料、水胶比、微观结构及宏观性能等方面对普通混凝土与高性能混凝土进行分析比较。
　　2.1普通混凝土与高性能混凝土的特征指标不同
　　虽然高性能混凝土是在普通混凝土的基础上发展起来的，但二者的特征指标截然不同。普通混凝土是以（抗压）强度作为其最基本的特征，或者说强度是普通混凝土配合比设计和生产需要的唯一指标。而高性能混凝土则以耐久性作为首要指标，同时兼顾强度、工作性和体积稳定性等。
　　2.2普通混凝土与高性能混凝土的组成材料不同
　　普通混凝土是传统的四组分混凝土，而高性能混凝土则是六组分混凝土，即在普通混凝土的四组分基础上增加了化学外加剂和矿物掺合料。由于上述两种组分的超叠加效应，使高性能混凝土与普通混凝土相比产生了质的变化。
　　（l）外加剂的引入使混凝土由于工作性不足而采取高水胶比的措施成为历史。外加剂（尤其是高效减水剂）作为一种表面活性剂解决了低水胶比与工作性的矛盾，它具有高度分散水泥颗粒、消除絮凝结构的作用，也使混凝土的水胶比突破理论水胶比（0.38）的愿望成为现实，甚至能大大低于理论水胶比而不必挂心工作性不良。
　　（2）高性能混凝土中的掺合料有别于普通混凝土中的掺合料。出于经济和环保的需要在普通混凝土中掺加的掺合料。作为高性能混凝土第六组分的掺合料，是品质优良（硅灰）或经过再加工的工业副产品（粉煤灰或水淬矿渣），其细度一般达到400~800m2/kg，甚至1200m2/kg，因此具有极高的活性。这些超细掺合料在高性能混凝土中的作用主要有：可以代替相当比例的水泥，改善混凝土的体积稳定性；改善了混凝土中粉体集料的级配组成，增加了密实度；能与水泥水化产物中的薄弱结晶臼不邢处发生火山灰反应，形成对强度和耐久性有益的水化硅酸钙凝胶，有抑制有害化学反应的作用。
　　2.3普通混凝土与高性能混凝土的水胶比不同
　　普通混凝土与高性能混凝土在耐久性和强度方面的本质区别，源于二者的水胶比不同，其分界为水泥的理论水灰比0.38（或0.4）。普通混凝土为满足工作性需要普遍采用0.4~0.8的水胶比，而高性能混凝土由于加入了高效减水剂使水胶比降低至0.38（或0.4）以下，甚至可以达到0.2或更小。
　　高性能混凝土由于普遍采用了低水胶比，拌合物内没有多余水分存在，混凝土硬化后毛细孔隙数量大大减少，而且毛细孔的孔径也比普通混凝土的孔径小（一般在10~50nm范围内或更小）。此外超细掺合料的粒径小于水泥颗粒，能填充水泥颗粒之间的空隙，改善了粉体材料之间级配，进一步减少了混凝土中的毛细孔隙数量。上述因素的共同作用，使高性能混凝土形成了致密的微观结构，耐久性和强度明显增加。图1-1是高水胶比和低水胶比在水化开始前及结束后的微结构示意图。
　　
　　图1-1普通强度和高强度混凝土在水化开始前和结束后的微结构示意图
　　2.4普通混凝土与高性能混凝土的微观结构不同
　　从宏观上看，混凝土包括水泥石、粗细集料、微集料（主要指混合材料）、孔隙和水。而从微观上看，水泥石中包含水化产物、未水化水泥颗粒及毛细孔等，水化产物又包含晶体、凝胶和凝胶孔。因此，混凝土是一种具有不同孔隙的多孔体。在这个体系中，毛细孔和凝胶体数量是决定混凝土强度和耐久性的重要因素。
　　普通混凝土由于水胶比大，使硬化混凝土中毛细孔体积占混凝土总体积的比例高以及界面过渡区的存在，混凝土的密实性差。
　　高性能混凝土采用低水胶比，硬化后毛细孔数量显著减少，而超细掺合料又改善粉体集料的级配，也能大幅度降低毛细孔数量，使高性能混凝土形成高度致密的微观结构，此外超细掺合料活性大，火山灰反应强烈，消耗掉大量的Ca(OH)2结晶，产生的凝胶体数量多，因此对强度的贡献大，Ca(OH)2的减少相应也提高了高性能混凝土的抗腐蚀性能。
　　2.5普通混凝土与高性能混凝土的宏观性能不同
　　混凝土的宏观性能主要包括强度、耐久性及工作性等。普通混凝土因水胶比大、其强度较低（<C50）；耐久性也因毛细孔及集料界面过渡区的存在而难以提高；工作性则维持在塑性混凝土（坍落度≤100mm）基础上。宏观性能的缺陷限制了普通混凝土的应用范围和发展前景。
　　而高性能混凝土的强度随其水胶比的降低显著提高，目前一般将高性能混凝土的强度下限定在C50，通过合理的配合比设计C100以上的高性能混凝土也已大量应用于工程实践。高性能混凝土耐久性比其高强度更有优势。因毛细孔的减少和粉料的合理级配使其微观结构达到相当致密的状态，外界有害介质很难侵入，即使对遭受海水腐蚀的海上钻井平台和跨海大桥也能达到很高的耐久性。
　　3高性能混凝土的各种收缩
　　“收缩”简单地说，就是混凝土失水造成体积缩小的现象。严格地说，它是三维的变形，但通常以线性变形表示，因为多数情况下，混凝土构件一个或两个方向的尺寸往往要比第三个方向小很多，尺寸最大的方向收缩也最大。
　　混凝土的收缩发生在两个明显的时期：早期和后期。在收缩的这两个时期又分别包含各种类型不同的线性体积改变，这些体积改变能够在试样上得以物理测量，主要包括干燥收缩和自收缩（如图1-2所示），这两种收缩类型都发生在收缩的两个时期。