高密實混凝土(HDC)機理探討
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1.1 HDC的高耐久性
混凝土結構耐久性，是指混凝土結構在自然環境，使用環境及材料內部因素的作用下，在設計要求的目標使用期內，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全，使用功能和外觀要求的能力。
本文所討論的HDC是高性能混凝土的一個分支，是一種新型的高技術混凝土，它是應用現代混凝土科學技術，來增加混凝土結構的安全使用壽命，減少因修補或拆除陳舊混凝土結構物質所造成的浪費和建筑垃圾。 降低水泥用量和單位用水量，用水膠比代替水灰比作為控制強度的指標是混凝土配合比設計的主要方向，也是高密實混凝土主要解決的問題。這里主要論述依據骨料致密堆積的技術路線，減少水泥與用水量，節約成本，提高混凝土的耐久性。
1.2高密實混凝土的設計理念
混凝土的耐久性對整個結構安全性是相當重要的，部分學者專家甚至認為耐久性是混凝土最重要的性能。雖然有相當多的研究信息可考，但混凝土在實際配合比及施工上，仍然無法達到理論上耐久性的“境界”，以至混凝土問題叢生，主要原因是沒有將既有的耐久性知識融入混凝土配合比設計中，施工時也沒有考慮到施工可行性及品質穩定的技術，因此在配比設計中，不能只單獨考慮到“安全性”或“經濟性”，必須同時考慮到“耐久性”及“工作性”。為能達到耐久性的要求，有必要減少拌和水量及水泥量，但要如何減少拌和水量及水泥量，而不影響工作性及安全性，通過試驗，我們認為可通過以下三種策略。
?。?）調整級配達到最小孔隙率
調整骨料的級配使得不同大小粒徑的骨料可以互相填充，必能將空隙縮小，這種觀念如同材料科學中原子的堆積，堆積密度愈大，其性質愈佳。減少水泥漿量的唯一辦法就是將“骨料級配最佳化”，使空隙率Vv降低。另外，就是降低潤滑漿量厚度（T），或放大骨料粒徑以降低表面積（S）。
骨料的級配最佳化可透過大小粒徑相互混合的方式達到，這種技術有很多理論，而水泥漿厚度的減少，可以透過添加減水劑或強塑劑等界面活性劑而使剪力降低，使骨料間的互動性較佳。達到同一坍落度及坍流度下，剪力仍然會隨水泥漿量增加而相對降低。另外就是降低水泥漿的濃度，換言之，就是提高水膠比（W/B），降低剪力，然而這又有可能降低強度。添加圓形顆粒的粉煤灰，也可以因“球層滑動”的作用而增加骨材間的滑移性。表面積（S）的降低，針對粗骨料常受限于模板、鋼筋間距的約束，只有針對放大顆粒最多的砂來處理，似乎最有效，所以，調高砂的細度模數至2.8~3.2的范圍，所得效益最明顯。
?。?）添加高效泵送劑
在相同坍落度下，添加高效泵送劑，等于增加“虛擬拌和水量”，而實際上水量（W）并不增加，因此在同一強度下，W/B是固定的，所以，水泥量相對會降低，添加高效泵送劑可以大量減少拌和水量。
（3）添加活性摻和料（例如粉煤灰等摻和料）
添加活性摻和料，在過去被嚴重誤解，以為添加活性摻和料，對品質會有不利影響。事實上，就混凝土的品質而言，添加活性摻和料策略的改變可以達到預期的特性。添加活性摻和料，在達到預期強度情況下，都可以減少水泥的用量，其主要機能為添加活性摻和料反應交換作用，轉換易溶性的氫氧化鈣或其它堿性物質，成為穩固的C-S-H膠體，增進材料的穩定性。然而，依據致密混凝土配比設計的理念，活性摻和料加入的方法，是以填塞骨料的空隙，達到混凝土致密效果的原則下，才可以不限制其用量，而達到更佳的效果。
3、高密實混凝土的技術路線
致密配比法是以大量穩定的集料為骨架，并提升骨架的緊密度，降低空隙量，利用摻合料的潤滑技術，把混凝土最主要的劣化成分―水泥漿量盡可能降至最低，使得可透水的毛細孔隙降至最少或迫使路徑拉長，透過活性外加劑反應，改變水泥漿體的空間網絡，并給予致密化，同時改善了骨材界面的密實性。
依據致密混凝土配比設計方案，混凝土中骨料與水泥界面是最弱的一環。對于泌水、離析及骨料與水泥漿變形不一致等問題，要如何改善才能增加鍵接性是相當重要的。
1.3.1降低水膠比
降低水膠比可以提高長期強度，并且使界面強化。
1.3.2降低水泥漿量及添加活性摻和料用量
降低水泥漿量對混凝土耐久性是有利的。以非破壞檢測方法檢驗混凝土，音速越高，表示品質越佳；音速降低，表示有劣化現象。水泥漿量高，在早期可獲得較高的超音波速，然而晚期則非常不利，由超音波速的降低可預期內部產生的裂縫，此與水泥漿集料變形不一致有關。齡期愈長，則愈明顯。減少水泥漿量，可以同時加強活性摻和料界面固化作用，這對混凝土而言是有利的。
1.3.3降低電阻系數及降低毛細孔滲透性
有害物質在混凝土中滲透或擴散，都是通過電動勢的趨動。傳統混凝土降低滲透性的方法，純粹是由降低水灰比（W/C）而達成的。然而純粹降低水灰比（W/C），只對“水泥漿”而言是有意義的。對于水泥漿只占20%~40%的混凝土而言，只采用降低水灰比是不足的。在ACI318―95《結構混凝土規范》的新觀點，采用W/B的耐久性設計是非常有益的。然而更重要的是“拌和水量”的影響更不容忽視。否則，在同一拌和水量下，電阻系數大體上相類似，而添加活性摻和料，則電阻系數會有很大提升，此點對混凝土結構相當有利。降低拌和水量有益于混凝土很多性質。所以，針對耐久性而言，降低拌和水量是很值得進行的工作。
降低水固比（W/S）
對整體而言，降低拌和水量而增加固態材料的總重量是有益的，其意義如同水泥漿的水灰比（W/C）。因為對水泥漿而言，如果沒有添加活性摻和料，則W/C=W/B,而添加了活性摻和料，則各不相同。在此更加強調了使用強塑劑及減水劑降低拌和水量的重要性。
(2)使孔隙細致化
如果混凝土由W/C控制，而不添加任何活性摻和料，即P=0，則滲透性會隨W/C降低而降低，然而長期滲透性會隨內部裂縫增加而增加。所以有必要添加活性摻和料，利用活性摻和料反應，其膨脹物填塞微孔隙的策略，使得孔隙變細且減少，因此而增加電阻系數，尤其粉煤灰的添加更是使電阻系數大幅度提升。
4、機理與探討
?。?）高密實混凝土中水泥對于強度貢獻率高的原因。高密實混凝土具有較高的抗壓強度。首先，骨料之間空隙小，孔隙率低，密實度比普通混凝土有大幅度提高，從而抗壓強度提高。其次，雖然水膠比低，但是水灰比并不低，水泥用量少，可以充分水化。大摻量的粉煤灰起到了一定的膠凝作用，水膠比越低，強度越高，因此強度有較大提高。最后，大摻量粉煤灰的加入強化了骨料界面，提高了骨料之間的鍵結性，使得骨料與膠凝材料之間形成一個有機的整體，也提高了強度。
?。?）高密實混凝土具有優異和易性的機理。高密實混凝土多用于泵送混凝土，因此一般要求具有較高的工作性，坍落度大于200mm很常見。與相同坍落度普通混凝土相比，高密實混凝土更易于泵送，有著更為優異的和易性。首先，高密實混凝土的骨料之間顆粒堆積緊密，細骨料在粗骨料之間緊密排列，減小了空隙，增大了骨料的表面積，其在粗骨料間的潤滑作用得到最大提升，流動性得到加強，在泵送的時候，骨料之間能夠形成一種“互推”的作用，這樣整體性和均勻性更好。其次，由于減少水泥用量和粉煤灰的大量加入，使得新拌混凝土的內阻力較小，坍落度損失小，和易性因此較好。
?。?）粉煤灰對高密實混凝土耐久性的影響。在高密實混凝土中摻粉煤灰可以大幅度降低混凝土的Cl-1離子滲透系數，從而可以改善混凝土的強度和耐久性能。摻粉煤灰可以使混凝土Cl-1離子滲透系數降低一個數量級，從而使其抗凍性能提高3倍，抗硫酸鹽侵蝕 能力提高4倍、而強度卻僅提高了14％。大幅度提高纖維混凝土耐久性能可以通過改善混凝土滲透性能來加以實現，而提高混凝土的抗沖擊性能及降低其脆度 則由摻加網狀聚丙烯纖維來實現。
?。?）高密實混凝土水化熱低，混凝土缺陷少。高密實混凝土的水泥用量較低，水化熱主要由水泥產生，因此水化熱會較少。使得混凝土的早期溫升比較低，和外界的溫度差減小，很大程度避免了由于內外溫差導致的熱應力裂縫和缺陷的產生。
?。?）高密實混凝土抵抗堿骨料反應的理論分析。堿骨料反應是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿(Na2O或K2O)與骨料中的堿活性成分反應，在混凝土澆筑成型后若干午(數年至二、三十年)逐漸反應，反應生成物吸水膨脹使混凝土產生內部應力， 膨脹開裂、導致混凝土失去設計性能。由于活性骨料經攪拌后大體上呈均勻分布。所以一旦 發生堿骨料反應、混凝土內各部分均產生膨脹應力，將混凝土自身脹裂、發展嚴重的只能拆除，無法補救，因而被稱為混凝土的癌癥。
分析高密實混凝土有較強的抵抗堿骨料反應能力的原因：首先高密實混凝土中水泥用量低，所以混凝土含堿量低；其次是由于骨料之間非常密實，空隙很小，孔隙率很低，使得堿-硅酸凝膠很難在空隙中存在，因此更加難以吸水膨脹，形成裂縫；同時高密實混凝土中粉煤灰用量非常大，粉煤灰中的活性顆粒能夠有效抑制骨料中活性二氧化硅與堿形成堿-硅酸凝膠的幾率，因此對于堿骨料反應有抵抗作用。
4、結論
⑴高密實混凝土對比傳統混凝土配合比方法，傳統混凝土在低水灰比情況下，混凝土中的水泥用量大，容易引起混凝土的富貴病，使耐久性降低。而高密實混凝土降低水泥用量和單位用水量，用水膠比代替水灰比作為控制強度的指標，提高了混凝土的耐久性。
⑵高密實混凝土在低水泥用量的情況下同樣可配制出滿足強度要求的混凝土。例如從水灰比的角度看，28天強度為55MPa水膠比為0.4的高密實混凝土水泥用量僅為249Kg/m3，而同水灰比的普通混凝土水泥用量為380Kg/m3。再從強度的角度看，28天強度達到54.6mpa的普通混凝土水泥用量為422 Kg/m3；而28天強度達到59.1mpa的高密實混凝土水泥用量僅為295 Kg/m3。
⑶高密實混凝土較傳統混凝土每立方米材料成本可降低10~15元，經濟性得到很大提高。
⑷高密實混凝土顆粒結構堆積致密，空隙小，孔隙率低，接觸點多，密度大，在抗滲性，抵抗硫酸鹽侵蝕，干縮方面都優于傳統混凝土。
⑸高密實混凝土具有優異的和易性，坍落度損失小，適合在商品混凝土攪拌站應用。
⑹此次試驗研究進一步證明了低用量水泥和低用量水，骨料和粉煤灰等物質密實堆積，制備的高密實混凝土是一種新型健康的混凝土。無論在強度、耐久性還是經濟方面都絕對優于傳統混凝土，它將是今后常規混凝土發展的一個方向。
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