摘要：随着高层建筑的发展，高强度混凝土的应用越来越被人们所重视。本文详细分析了高强度混凝土原材料选择的相关问题和原理，给出了一些高强度混凝土的常见配合比，给出了一些高强度混凝土配置和使用过程中的问题和建议。
关键词：高强度混凝土；配合比设计；集料；外加剂；减水剂；硅灰
1. 引言
近年来，随着高层建筑的发展，高强度混凝土的应用也越来越广泛。高强度混凝土是指强度等级为C60以上的混凝土，多用于高层建筑底层柱，一般体积较大（ 断面最小尺寸超过1m）。高强度混凝土是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规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，在妥善的质量控制下制成的，除了对水泥、集料和水的质量进行有效的控制外，配置高强度混凝土还必须采用低水胶比和掺加足量的矿物细掺料与高效外加剂，以保证混凝土的耐久性、工作性、各种力学性能、实用性、体积稳定性和经济合理性。
提高混凝土的性能是当今混凝土技术发展的主要方向之一。随着混凝土结构物的大型化、高层化及使用机械的大型化，对混凝土的性能也提出了更高的要求。
2． 高强度混凝土的原材料
高强度混凝土所用的原材料包括水泥、砂石集料、外加活性材料及高效减水剂等等。
2.1 水泥
配制高强度混凝土在选择水泥时应注意它与可能选用的高效减水剂之间的相容性，一般所选用的水泥应该是42.5级以上的且质量稳定的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，最好采用纯硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的强度因矿物组分而异，而且其矿物成分的水化反应也受各种因素的影响，即使水泥品种相同，早期养护温度不同，强度的发展也不同。如在反应初期提高温度，可以加速水化反应，但由于水泥粒子表面被析出的硅酸钙水化物C-S-H包裹着，妨碍水泥粒子内部的进一步水化，后期强度受到影响。高细度水泥能获得早期强度，但后期强度很少增加，且水化热严重。所以单纯增加细度并不合适。
混凝土的强度主要取决于集料和水泥浆强度，以及集料与水泥浆体之间的界面过渡区的强度。为了获得高强度，应尽量降低其孔隙率。在配制高强度混凝土时，降低孔隙率通常采用的办法有：降低水灰比，提高水泥浆的稠度，或使水泥水化完全，降低内部孔隙率，这就需要选择适当的外加剂，使水泥粒子分散，充分水化，此外还需要在适当的温度与湿度下养护。
配制高强度混凝土的水泥用量较多，但过大的水泥用量不但增加成本，而且会产生多种不利后果。如过量的水化热、收缩增大、增加混凝土的脆性等。因此最合理的方法是外加活性矿料替代部分水泥。许多资料表明在配制高强度混凝土时，水泥用量最好控制在550kg/m3以内， 这时可通过掺加硅灰、粉媒粉等矿物料来提高混凝土强度。
2.2 集料
对于粗集料，在水灰比相同时，表观密度大的粗集料混凝土强度高， 吸水率低的粗集料混凝土强度高。强度高的石料一定有其优越性，但它并不是最关键的因素。粗集料是和包裹它的水泥砂浆共同受力的，如何减小混凝土孔隙率使它达到更加密实的状态才是决定混凝土强度的最关键因素。这里的孔隙包括集料之间的，集料与水泥浆之间的和水泥浆内部的。
对于中低强度混凝土，适当加大粗集料粒径可在同一坍落度情况下减少水的用量，因而对混凝土的强度有利。但对于高强度混凝土来说，加大集料粒径并不能增加混凝土的强度， 反而可能影响混凝土的强度。大粒径的集料内部存在着更多的薄弱环节， 其薄弱环节是按层理分布的，这样就形成一个较大较长的薄弱面，如果混凝土的某一部分有多个有相近方向的薄弱面的话就形成了一个影响混凝土强度的薄弱区。然而集料粒径较小，在破碎的过程中这样的薄弱环处往往分开， 这就使小粒径集料的薄弱环节减少，由于集料粒径小，形成的薄弱面较小，在混凝土中的分布较为均匀， 很难在混凝土中形成影响强度的薄弱区。另外，粒径较小的集料有较大的表面积，故能增加其与水泥浆的粘结面积，从而界面受力比较均匀。由于高强度混凝土水灰比较小， 采用连续级配能使混凝土获得更好的工作性能。当其他条件相同时，卵石配制的高强度混凝土强度明显小于碎石，因此不宜采用卵石配制很高强度的混凝土， 但采用卵石时，混凝土拌和料的和易性比较好。
在高强度混凝土中，细集料应选用洁净的砂子， 最好是圆形颗粒的天然河砂，细度模数为2.7～3.1。根据资料和经验，在高强度混凝土中粗细集料的比值可取2.0，即砂率为0.33。因为粗集料的表面积相对砂来讲比较小，需要包裹在它周围的水泥浆量要少， 这样在相同水灰比相同水泥用量的情况下，可以增大新拌混凝土的坍落度。更小的砂率还有可能提高混凝土强度，但那将损害混凝土的工作度。
2.3 外加剂
利用矿物外加剂与高效减水剂内超迭效应来制备高强度混凝土是它与传统高强度混凝土的基本区别，在矿物外加剂取代部分水泥的前提下，水泥与高效减水剂的相容性得到改善，高效减水剂含碱所造成的副作用可能转化为有利的碱激发作用，带来正效应，当然也引发施工配料过程复杂化的问题，这可以通过专用的复合外加剂或混合水泥来解决。如果外加剂选择合适的话，还可以降低混凝土内孔隙率，提高混凝土密实度，增加混凝土强度。常见的外加剂有硅灰、粉媒灰和磨细矿渣等。
硅灰是电炉生产工业或硅铁合金的副产品。硅灰的回收利用不仅解决了空气污染问题，而且还给配制高强度混凝土带来了有效的途径。用硅灰能够配制出很高强度且早强的混凝土，但必须与减水剂一起使用。硅灰的通常用量为水泥的5～10％。但对于C80以下的高强度混凝土酌情降低。由于硅灰细度很高，所以按一定比例等量替代水泥后， 为了保证同样的工作度就需增加用水量或减水剂用量。但当拌和料的水灰比很低（0.3）时，情况正好相反，这是有了硅灰以后能使水泥均匀分布， 在同样坍落度的情况下，可以减少减水剂的投放量，而且水灰比越低减少得越多。试验表明，掺加了硅灰的混凝土的工作性能得到了明显的改善，粘聚性和保水性都比较好。
粉煤灰是配制高强度混凝土常用的另外一种外加剂，当粉煤灰与高效减水剂复合使用时，也会产生超迭效应，获得这种效应的前提是水胶比低，当高效减水剂掺量大，混凝土水胶比低的条件下， 粉煤灰对新拌混凝土和硬化混凝土的各种性能都产生有利的作用， 为使粉煤灰对早期强度不受影响，可加少量的硅灰或沸石粉，磨细矿渣、页岩灰等，另外，粉煤灰混凝土硬化期间温度越高，则强度发展越快，这也为大量的研究与应用所证实。
磨细矿渣的作用是能水化并生成凝胶，能改善混凝土的微观结构，并使之密化，对强度和耐久必起着有利的作用，超细矿渣不仅有很高活性，而且能明显改善全部胶凝材料的颗粒配级，使之更为密实。
2.4 高效减水剂
高效减水剂是配制高强度混凝土所必不可少的一种外加剂。配制高强度混凝土应选用非引气性高效减水剂，使坍落度损失速度减慢，这是高强混凝土制备中的一个特殊性质。
3. 配合比设计
高强度混凝土配合比计算，一般可按普通混凝土的配合比设计方法进行， 先算出当不加外加剂时每m3混凝土中各种材料用量， 然后用外加剂替换部分水泥。配制时水胶比，水：（水泥＋外加剂）应控制在0.28～0.38 范围内，对水泥用量：当混凝土强度等级为C60时，宜取用400～500kg/m3， 当强度等级为C70～C80时， 宜取用450～550 kg/m3。水泥与外加剂总用量不宜超过600 kg/m3。砂率一般为0.28～0.32，泵送时砂率一般在0.32～0.40范围内，当强度等级较低时砂率可适当放大。配制时对坍落度大小的要求，是根据混凝土的运输和浇筑时所需的时间而定的，具体可通过高效减水剂的掺量进行调整。高效减水剂的掺量一般为胶结料的0.5～1.8％。
4. 结论和建议
4.1 配制高强度混凝土时，水泥要求选用42.5或更高标号的硅酸盐或普通硅酸盐水泥为宜；砂为中粗砂为宜；石子应级配均匀，含泥量小等等。硅灰的掺入会对混凝土的工作性能起到明显的改善作用，粘聚性和保水性都比较好。
4.2 控制水灰比和减少用水量是配制高强度混凝土的关键之一，施工时如果水灰比和用水量不加严格控制，水灰比增大混凝土强度会明显下降。
4.3 高强度混凝土早强性能显著，后期强度增长较慢，使用时应加以注意。
4.4 高强度混凝土的坍落度随时间的损失而增大，泵送时应掺合适量的泵送剂。对泵送剂的泵送效果的研制，是做好高强度混凝土应用的重要一环。
4.5 高强度混凝土的质量受各种环境因素和人为因素的影响比较大，施工时稍有差错就会带来比较严重的后果，尤其是过高的温度、远距离运输以及水化热等问题更要引起重视。
随着科技进步和建筑市场的繁荣，高强度混凝土的应用与发展必将越来越多地被人们所关注。可以预见随着高强度混凝土被人们的广泛认同和普遍应用，它必将成为21世纪非常重要的建筑材料。
