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浅谈改善高强混凝土使用性能的途径
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摘 要：目前高强混凝土在结构中被广泛应用，但开裂等耐久性问题严重影响着高强混凝土的使用性。通过改善微观结构可以提高高强混凝土的使用性能。
关键词：高强混凝土；裂缝；硅粉；钢纤维
目前，在国内外对混凝土材料的研究下，通过结合高强混凝土的实际使用条件，可以通过改变混凝土的微观结构来达到提高高强混凝土使用性能的目的。
1 硅粉混凝土
硅铁合金厂和硅金属厂在冶炼金属时，极细的粉末随气体从烟道排出，通过收尘装置收集的粉尘称为硅粉。硅粉中二氧化硅（SiO2）含量极高，颗粒为极小的球形玻璃体。硅粉掺入混凝土中，具有良好的火山灰效应和微粒充填效应，能改善混凝土的孔结构和密实性。新拌的硅粉混凝土泌水小，和易性好；能提高混凝土的强度和抗渗能力；提高混凝土抗化学腐蚀能力等。
1.1 矿粉混凝土的耐久性
（1）抗冻性。
当硅粉掺量少时，硅粉混凝土的抗冻性与普通混凝土基本相同，当硅粉掺量超过15%时，硅粉混凝土的抗冻性较差。
水科院结材所曾对C20，C50，C80三种强度等级的硅粉混凝土和普通混凝土进行抗冻试验。试验结果表明，掺硅粉5%的C20级混凝土，抗冻性优于普通混凝土，经50次冻融循环，相对弹性模数分别为71.6%和52.2%；C50级混凝土，掺硅粉5～15%，均达到300次冻融循环，而普通混凝土只达到250次循环；C80级混凝土，掺硅粉20%与普通混凝土一样，均有较高的抗冻性，达460次冻融循环。以上现象主要是因为C80混凝土水胶比低，混凝土密实，毛细管孔径小，混凝土中可冻水较少，因此混凝土的抗冻能力大大提高。
（2）抗渗性。
由于硅粉颗粒小，比水泥颗粒小20～100倍，可以充填到水泥颗粒中间的空隙中，使混凝土密实，同时硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中渗透通道，所以硅粉混凝土的抗渗能力很强。
（3）抗化学侵蚀性。
①抗酸类侵蚀：在混凝土中掺入硅粉，能减少Ca(OH)2含量，增加混凝土密实性，可有效的提高对氮盐、硫酸盐及弱酸的腐蚀能力，但在强酸或高浓度的弱酸中不行，因为混凝土中的CSH（水化硅酸钙）在酸中分解。
②抗盐类侵蚀：因硅粉混凝土较密实，孔结构得到改善，减少了有害离子在混凝土中的传递速度以及减少了可溶性的Ca(OH)2和钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）的生成，而增加了水化硅酸钙（C-S-H）晶体的结果，抗盐类侵蚀性提高。
（4）抗钢筋锈蚀能力。
钢筋的锈蚀主要取决于混凝土中Ca(OH)2浓度和氯离子含量，混凝土中Ca(OH)2浓度低，Cl-含量多，将破坏钢筋的钝化膜，产生化学侵蚀，引起钢筋锈蚀，诚然，硅粉掺入混凝土中，SiO2与Ca(OH)2结合使混凝土中的Ca(OH)2浓度降低，pH值下降，对抵抗钢筋锈蚀不利。但是，根据C.L.Page等人的研究认为，硅粉掺量为10～20%时，混凝土中Ca(OH)2浓度仍处于饱和状态，pH值仍能保持在12.5以上，即使混凝土胶材中掺硅粉30%，pH值仍保持11.5以上，此值被认为是保持钢筋具备良好钝性的极限值。另一方面，出于硅粉混凝土密实，抗渗性好，碳化慢，故钢筋能保持钝性状态，对抗腐蚀能力是有利的。
结合工程实际经验，使用硅粉混凝土时应注意以下事项：
①在混凝土中掺入硅粉，必需与高效减水剂联合使用才能取得良好的效果。
②硅粉的掺入方法分内掺和外掺两种。内掺法是掺入硅粉，同时减少水泥用量，外掺法是掺入矿粉并不减少水泥，高强混凝上中一般采用外掺法。
③硅粉的掺量一般为5～10%，在此范围内硅粉有效系数最大，各种性能都能充分地反映出来，而又避免其不利的一面。
④由于硅粉混凝土很稠，设计混凝土坍落度应比普通混凝土的大2～3cm。
⑤硅粉混凝土的搅拌时间应比普通混凝土延长0.5～1min，以便使细料完全搅拌均匀。
⑥最后，使用硅粉混凝土时，必须加强早期养护，否则易引起塑性收缩裂缝。 2 纤维混凝土
纤维混凝土，是纤维增强混凝土的简称，通常是指以普通混凝土为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作增强相所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。
纤维在混凝土中的作用，取决于纤维自身的性质以及它在混凝土基体当中散布混合的状态。纤维加人水泥基体中主要有以下作用：
①阻裂 阻止水泥基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现。尽管从更微观的形态上说，以水泥为基材的混凝土当中必定存在裂隙，但是由于纤维的作用可以大大减少甚至彻底消除宏观（肉眼可见的）裂缝产生。
②防渗 由于大大减少了水泥基体中的连通裂缝，故可有效阻止外界水分侵入。
③耐久 改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性。
④增韧与抗冲击 提高水泥基体耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性。
⑤增强 在使用高弹性模量纤维的前提下，可以起到提高基体的抗拉（剪）强度的作用。
⑥减重 使用高弹性模量纤维，因基体抗拉（剪）强度的提高，可减少预制件或浇筑体的截面尺寸，因而降低它们的自重。
⑦美观 改善水泥构造物的表观质量，使其致密、细润、平整与美观。
高强混凝土的最大缺点是脆性大，混凝土作为一种非均质材料，内部存在着微细裂隙，根据格列费斯（Griffith）理论，混凝土在外力作用下，微细裂隙的尖端产生拉应力集中，而混凝土的抗拉强度较低，拉应力很容易超过混凝土抗拉强度，裂缝迅速扩展，以致混凝土破坏。
钢纤维是目前应用最为广泛的一种纤维，它的抗压、抗拉强度和弹性模数都高。由于纤维在混凝土中是不连续的，并且是随机分布的，各方向均有纤维。例如钢纤维尺寸φ0.5×35mm，按混凝土的体积计算，掺量为1%时，每m3混凝土中就含钢纤维约150万根，也就是说，混凝土中的微细裂隙均有可能被钢纤维所跨越，故能有效的阻止裂缝扩展，达到增强的目的。另外钢纤维在混凝土中钝化，不易锈蚀，稳定性好。
结合以上两种方法的钢纤维硅粉混凝土兼有硅粉混凝土和普通钢纤维混凝土的优点，提高了混凝土的力学强度和变形能力，持别是提高了混凝土的抗冲击、抗磨蚀能力，对防止混凝土裂缝，减少混凝土的冲刷、磨蚀特别有利。
在建筑质量与经济效益并重的现今，高强混凝土的强度及耐久性能都同样重要，因此改善了韧性的和具有实际使用性能的高强混凝土材料必将得到更广泛的应用。
参考文献
［1］（德）F. H. Wittmann，P. Schwesinger 编著［M］.高性能混凝土——材料特性与设计，北京：中国铁道出版社，1998.
［2］惠荣炎,王秀军编著.硅粉混凝土及其应用［M］.北京：中国铁道出版社,1995.
［3］Use of Fly Ash，Silica fume，Slay and Other Mineral By-Products in Concrete，ACI，1989.
［4］张振铎译.掺粉煤灰和硅粉的混凝土性能［J］.建筑科技情报,1984，（2）.
2 纤维混凝土
纤维混凝土，是纤维增强混凝土的简称，通常是指以普通混凝土为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作增强相所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。
纤维在混凝土中的作用，取决于纤维自身的性质以及它在混凝土基体当中散布混合的状态。纤维加人水泥基体中主要有以下作用：
①阻裂 阻止水泥基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现。尽管从更微观的形态上说，以水泥为基材的混凝土当中必定存在裂隙，但是由于纤维的作用可以大大减少甚至彻底消除宏观（肉眼可见的）裂缝产生。
②防渗 由于大大减少了水泥基体中的连通裂缝，故可有效阻止外界水分侵入。
③耐久 改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性。
④增韧与抗冲击 提高水泥基体耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性。
⑤增强 在使用高弹性模量纤维的前提下，可以起到提高基体的抗拉（剪）强度的作用。
⑥减重 使用高弹性模量纤维，因基体抗拉（剪）强度的提高，可减少预制件或浇筑体的截面尺寸，因而降低它们的自重。
⑦美观 改善水泥构造物的表观质量，使其致密、细润、平整与美观。
高强混凝土的最大缺点是脆性大，混凝土作为一种非均质材料，内部存在着微细裂隙，根据格列费斯（Griffith）理论，混凝土在外力作用下，微细裂隙的尖端产生拉应力集中，而混凝土的抗拉强度较低，拉应力很容易超过混凝土抗拉强度，裂缝迅速扩展，以致混凝土破坏。
关键词：高强混凝土；裂缝；硅粉；钢纤维
目前，在国内外对混凝土材料的研究下，通过结合高强混凝土的实际使用条件，可以通过改变混凝土的微观结构来达到提高高强混凝土使用性能的目的。
1 硅粉混凝土
硅铁合金厂和硅金属厂在冶炼金属时，极细的粉末随气体从烟道排出，通过收尘装置收集的粉尘称为硅粉。硅粉中二氧化硅（SiO2）含量极高，颗粒为极小的球形玻璃体。硅粉掺入混凝土中，具有良好的火山灰效应和微粒充填效应，能改善混凝土的孔结构和密实性。新拌的硅粉混凝土泌水小，和易性好；能提高混凝土的强度和抗渗能力；提高混凝土抗化学腐蚀能力等。
1.1 矿粉混凝土的耐久性
（1）抗冻性。
当硅粉掺量少时，硅粉混凝土的抗冻性与普通混凝土基本相同，当硅粉掺量超过15%时，硅粉混凝土的抗冻性较差。
水科院结材所曾对C20，C50，C80三种强度等级的硅粉混凝土和普通混凝土进行抗冻试验。试验结果表明，掺硅粉5%的C20级混凝土，抗冻性优于普通混凝土，经50次冻融循环，相对弹性模数分别为71.6%和52.2%；C50级混凝土，掺硅粉5～15%，均达到300次冻融循环，而普通混凝土只达到250次循环；C80级混凝土，掺硅粉20%与普通混凝土一样，均有较高的抗冻性，达460次冻融循环。以上现象主要是因为C80混凝土水胶比低，混凝土密实，毛细管孔径小，混凝土中可冻水较少，因此混凝土的抗冻能力大大提高。
（2）抗渗性。
由于硅粉颗粒小，比水泥颗粒小20～100倍，可以充填到水泥颗粒中间的空隙中，使混凝土密实，同时硅粉的二次水化作用，新的生成物堵塞混凝土中渗透通道，所以硅粉混凝土的抗渗能力很强。
（3）抗化学侵蚀性。
①抗酸类侵蚀：在混凝土中掺入硅粉，能减少Ca(OH)2含量，增加混凝土密实性，可有效的提高对氮盐、硫酸盐及弱酸的腐蚀能力，但在强酸或高浓度的弱酸中不行，因为混凝土中的CSH（水化硅酸钙）在酸中分解。
②抗盐类侵蚀：因硅粉混凝土较密实，孔结构得到改善，减少了有害离子在混凝土中的传递速度以及减少了可溶性的Ca(OH)2和钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）的生成，而增加了水化硅酸钙（C-S-H）晶体的结果，抗盐类侵蚀性提高。
（4）抗钢筋锈蚀能力。
钢筋的锈蚀主要取决于混凝土中Ca(OH)2浓度和氯离子含量，混凝土中Ca(OH)2浓度低，Cl-含量多，将破坏钢筋的钝化膜，产生化学侵蚀，引起钢筋锈蚀，诚然，硅粉掺入混凝土中，SiO2与Ca(OH)2结合使混凝土中的Ca(OH)2浓度降低，pH值下降，对抵抗钢筋锈蚀不利。但是，根据C.L.Page等人的研究认为，硅粉掺量为10～20%时，混凝土中Ca(OH)2浓度仍处于饱和状态，pH值仍能保持在12.5以上，即使混凝土胶材中掺硅粉30%，pH值仍保持11.5以上，此值被认为是保持钢筋具备良好钝性的极限值。另一方面，出于硅粉混凝土密实，抗渗性好，碳化慢，故钢筋能保持钝性状态，对抗腐蚀能力是有利的。
结合工程实际经验，使用硅粉混凝土时应注意以下事项：
①在混凝土中掺入硅粉，必需与高效减水剂联合使用才能取得良好的效果。
②硅粉的掺入方法分内掺和外掺两种。内掺法是掺入硅粉，同时减少水泥用量，外掺法是掺入矿粉并不减少水泥，高强混凝上中一般采用外掺法。
③硅粉的掺量一般为5～10%，在此范围内硅粉有效系数最大，各种性能都能充分地反映出来，而又避免其不利的一面。
④由于硅粉混凝土很稠，设计混凝土坍落度应比普通混凝土的大2～3cm。
⑤硅粉混凝土的搅拌时间应比普通混凝土延长0.5～1min，以便使细料完全搅拌均匀。
⑥最后，使用硅粉混凝土时，必须加强早期养护，否则易引起塑性收缩裂缝。 2 纤维混凝土
纤维混凝土，是纤维增强混凝土的简称，通常是指以普通混凝土为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作增强相所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。
纤维在混凝土中的作用，取决于纤维自身的性质以及它在混凝土基体当中散布混合的状态。纤维加人水泥基体中主要有以下作用：
①阻裂 阻止水泥基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现。尽管从更微观的形态上说，以水泥为基材的混凝土当中必定存在裂隙，但是由于纤维的作用可以大大减少甚至彻底消除宏观（肉眼可见的）裂缝产生。
②防渗 由于大大减少了水泥基体中的连通裂缝，故可有效阻止外界水分侵入。
③耐久 改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性。
④增韧与抗冲击 提高水泥基体耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性。
⑤增强 在使用高弹性模量纤维的前提下，可以起到提高基体的抗拉（剪）强度的作用。
⑥减重 使用高弹性模量纤维，因基体抗拉（剪）强度的提高，可减少预制件或浇筑体的截面尺寸，因而降低它们的自重。
⑦美观 改善水泥构造物的表观质量，使其致密、细润、平整与美观。
高强混凝土的最大缺点是脆性大，混凝土作为一种非均质材料，内部存在着微细裂隙，根据格列费斯（Griffith）理论，混凝土在外力作用下，微细裂隙的尖端产生拉应力集中，而混凝土的抗拉强度较低，拉应力很容易超过混凝土抗拉强度，裂缝迅速扩展，以致混凝土破坏。
钢纤维是目前应用最为广泛的一种纤维，它的抗压、抗拉强度和弹性模数都高。由于纤维在混凝土中是不连续的，并且是随机分布的，各方向均有纤维。例如钢纤维尺寸φ0.5×35mm，按混凝土的体积计算，掺量为1%时，每m3混凝土中就含钢纤维约150万根，也就是说，混凝土中的微细裂隙均有可能被钢纤维所跨越，故能有效的阻止裂缝扩展，达到增强的目的。另外钢纤维在混凝土中钝化，不易锈蚀，稳定性好。
结合以上两种方法的钢纤维硅粉混凝土兼有硅粉混凝土和普通钢纤维混凝土的优点，提高了混凝土的力学强度和变形能力，持别是提高了混凝土的抗冲击、抗磨蚀能力，对防止混凝土裂缝，减少混凝土的冲刷、磨蚀特别有利。
在建筑质量与经济效益并重的现今，高强混凝土的强度及耐久性能都同样重要，因此改善了韧性的和具有实际使用性能的高强混凝土材料必将得到更广泛的应用。
参考文献
［1］（德）F. H. Wittmann，P. Schwesinger 编著［M］.高性能混凝土——材料特性与设计，北京：中国铁道出版社，1998.
［2］惠荣炎,王秀军编著.硅粉混凝土及其应用［M］.北京：中国铁道出版社,1995.
［3］Use of Fly Ash，Silica fume，Slay and Other Mineral By-Products in Concrete，ACI，1989.
［4］张振铎译.掺粉煤灰和硅粉的混凝土性能［J］.建筑科技情报,1984，（2）.
2 纤维混凝土
纤维混凝土，是纤维增强混凝土的简称，通常是指以普通混凝土为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作增强相所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。
纤维在混凝土中的作用，取决于纤维自身的性质以及它在混凝土基体当中散布混合的状态。纤维加人水泥基体中主要有以下作用：
①阻裂 阻止水泥基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现。尽管从更微观的形态上说，以水泥为基材的混凝土当中必定存在裂隙，但是由于纤维的作用可以大大减少甚至彻底消除宏观（肉眼可见的）裂缝产生。
②防渗 由于大大减少了水泥基体中的连通裂缝，故可有效阻止外界水分侵入。
③耐久 改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性。
④增韧与抗冲击 提高水泥基体耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性。
⑤增强 在使用高弹性模量纤维的前提下，可以起到提高基体的抗拉（剪）强度的作用。
⑥减重 使用高弹性模量纤维，因基体抗拉（剪）强度的提高，可减少预制件或浇筑体的截面尺寸，因而降低它们的自重。
⑦美观 改善水泥构造物的表观质量，使其致密、细润、平整与美观。
高强混凝土的最大缺点是脆性大，混凝土作为一种非均质材料，内部存在着微细裂隙，根据格列费斯（Griffith）理论，混凝土在外力作用下，微细裂隙的尖端产生拉应力集中，而混凝土的抗拉强度较低，拉应力很容易超过混凝土抗拉强度，裂缝迅速扩展，以致混凝土破坏。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200905/12597.htm
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