高性能混凝土的研究與發展現狀

引言

從1824年波特蘭水泥發明開始，混凝土材料至今已有100多年的歷史，以水泥為膠結材的混凝土也取得了具大的發展，由普通混凝土向高性能混凝土發展。從20世紀以來，混凝土就己成為房屋建筑、橋梁、水利、公路等現代工程結構首選材料，混凝土作為土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。據統計，當今我國每年混凝土用量約109m3，并且隨著我國近年來工業化、城市化進程的加快，其用量將繼續快速增長。人類進入21世紀，隨著科學技術的快速發展，一種又一種新型混凝土涌現出來。混凝土能否長期作為最主要的建筑結構材料，其本身必須具有高強度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能混凝土是現代混凝土技術發展的必然結果，是混凝土的發展方向。

高性能混凝土(High

Performance

Concrete，HPC)是20世紀80年代末90年代初，一些發達國家基于混凝土結構耐久性設計提出的一種全新概念的混凝土，它以耐久性為首要設計指標，這種混凝土有可能為基礎設施工程提供100混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性等許多優良特性，被認為是目前全世界性能最為全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特別是在橋梁、高層建筑、海港建筑等工程中顯示出其獨特的優越性，在工程安全使用期、經濟合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益，因此被各國學者所接受，被認為是今后混凝土技術的發展方向。一、高性能混凝土產生的背景和研究現狀

（一）背景

當代大跨、高層、海洋、軍事工程結構的發展對混凝土提出的更高的要求;處在惡劣環境下既有建筑不斷劣化、退化導致過早失效、退役甚至出現惡性事故造成巨大損失的嚴重后果;原材料生產、開采造成的生態環境惡化以及砂石料枯竭、資源短缺嚴重影響進一步發展的嚴酷現實。這就要求混凝土不斷提高以耐久性為重點的各項性能,

多使用天然材料及工業廢渣保護環境,

走可持續發展的道路,

高性能混凝土就是在這種背景下出現并逐步完善與發展的。

混凝土作為用量最大的人造材料，不能不考慮它的使用對生態環境的影響。傳統1t0.6t以上的潔凈水，2t砂、3t以上的石子；每生產1t硅酸鹽水泥約需1.5t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產混凝土所消耗的能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴重影響環境和天然景觀。有些大城市現已難以獲得質量合格的砂石。另一方面1.由于混凝土過早劣化，如何處置費舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環境帶來威脅。因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，必須更多地利用各種工業廢渣作為其原材料；必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強都意味著節約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產生的。（二）研究現狀及發展方向針對混凝土的過早劣化，發達國家在20世紀80年代中期掀起了一個以改善混凝土材料耐久性為主要目標的“高性能混凝土”開發研究的高潮，并得到了各國政府的重視。從20世紀80年代開始，各國混凝土結構設計規范中逐漸突出了耐久設計的考慮，從只重視20世紀90后代以后，混凝土結構耐久性設計方法成為土木工程領域中的研究重點。針對不同環境類別的侵蝕作用，提出材料性能劣化的理論或經驗模式，并據此估算結構的使用壽命，成為發展和研究耐久性設計方法的主流。高性能混凝土的發展有以下幾個方向：(1)綠色高性能混凝土

水泥混凝土是當代最大宗的人造材料，對資源、能源的消耗和對環境的破壞十分巨大，與可持續發展的要求背道而馳。綠色高性能混凝土研究和應用較多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土與基準混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明顯降低混凝土硬化階段的水化熱，提高混凝土強度特別是后期強度。而且，節約水泥，減少環境污染，成為綠色高性能混凝土的代表性材料。(2)超高性能混凝土

超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（Reactive

Powder

con-crete,RPC）,其特點是高強300MPa

(3)智能混凝土智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎上復合智能型組分，使混凝土材料具有自感知、自適應、自修復特性的多功能材料，對環境變化具有感知和控制的功能。隨著損傷自診斷混凝土、溫度自調節混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機敏混凝土的出現，為智能混凝土的研究、發展和智能混凝土結構的研究應用奠定了基礎。二、高性能混凝土的性能研究和應用分析

（一）高性能混凝土的概念高性能混凝土是近20余年發展起來的一種新型混凝土。歐洲混凝土學會和國際預應力混凝土協會將HPC定義為水膠比低于0.40的混凝土；在日本，將高流態的自密實混凝土（即HPC；中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會將HPC定義為以耐久性和可持續發展為基本要求并適合工業化生產與施工的混凝土。雖然在不同的國家，不同的學者或工程技術人員，對HPC的理解有所不同。比如美國學者更強調高強度和尺寸穩定性，歐洲學者更注重耐久性，而日本學者偏重于高工作性。但是他們的基本點都是高耐久性，這方面的認識是一致的。

（二）高性能混凝土的性能否則,容易影響混凝土的工作性能。同時,根據減水劑性能及需求的減水需求來選擇合適的摻量。②比表面積和活性SiO2含量是硅粉的重要指標SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需選擇具有良好性能的硅粉。③硅粉混凝土的干縮一般比普通混凝土大,配制高性能混凝土時應采取補償收縮的措施,如摻加粉煤灰等。（二）配合比設計控制要點1.設計思路有很大區別耐久性的要求，首先根據環境作用等級確定電通量指標，由此來選擇水膠比、控制膠凝材料最小用量以及摻和料的比例。由于客專隧道的襯砌和仰拱設計強度等級為C30或C35般來說，為滿足電通量要求和水膠比限值要求，混凝土的強度一般都是超強的。膠凝材料用量及粉煤灰所占比例在進行配合比參數設計時，為保證混凝土的耐久性，混凝土中膠凝材料總量應處在一個適宜范圍內，不僅有最低限要求，同時，對于C30及以下混凝土，膠凝材料總量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。鐵路客運專線大力提倡使用粉煤灰、礦渣粉等礦物摻和料，與普通硅酸鹽水泥一起作為膠凝材料。使用粉煤灰等礦物摻和料，并不是單純地考慮降低混凝土成本，首先是為了混凝土耐久性的需要，特別是可以有效改善混凝土究表明，粉煤灰的摻量在20%以上時，改善混凝土耐久性的效果較佳，更有研究資料表明，粉煤灰的最大摻量可達到50%左右。在《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》中明確規定，一般情況下，礦物摻和料摻量不宜小于膠凝材料總量的20%30%水膠比不得大于0.45。

3.含氣量的要求含氣量的要求也是客運專線高性能混凝土與普通混凝土的重要區別之一。以往工程僅在有抗凍要求時才考慮適當提高混凝土的含氣量，這是對混凝土耐久性的規律認識不足的表現。實際上，混凝土中適量的引氣，不僅能改善抗凍性，同時可顯著減輕混凝土的泌水性，使水在拌合物中的懸浮狀態更加穩定，從而提高混凝土材料的均勻性和穩定性。客運專線規定，即使配制非抗凍混凝土時，含氣量也應不小于2%的必檢項目之一。為適當提高混凝土的含氣量，并獲得較佳的減水和保塑效果，可使用新型聚羧酸鹽減水劑。

4.電通量指標該指標是客運專線對混凝土耐久性最重要、最具體的指標。目前我國尚無電通量試驗的國家標準，鐵路行業電通量試驗方法是以美國ASTMC1202

快速電量測定方法為基礎制定的，其所測指標可以最大程度地區分和評價混凝土的密實度，而密實度正是影響混凝土耐久性最為關鍵的因素。以往多是以抗滲性來評價混凝土的密實程度，但實踐證明，抗滲試驗只適合于判定較低強度等級混凝土的密實性，當強度等級超過C30后，抗滲等級幾乎都能達到P20以上，再往下試驗比較困難。這正是用電通量指標取代抗滲標號作為混凝土耐久性控制的主要原因。混凝土的電通量主要取決于水膠比，通過大量試驗得到規律，一般水膠比小于0.5時基本可滿足電通量小于2000

0.45時基本可滿足電通量小于1500的要求。

四、高性能混凝土的特點（一）高耐久性能高性能混凝土的重要特點是具有高耐久性,

而耐久性則取決于抗滲性;抗滲性又與混凝土中的水泥石密實度和界面結構有關。由于高性能混凝土摻加了高效減水劑,其水膠比很低(≤0138),水泥全部水化后,混凝土沒有多余的毛細水,孔隙細化,最可幾孔徑很小,

總孔隙率低;再者高性能混凝土中摻加礦物質超細粉后,混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區孔隙能得到明顯的降低,而且礦物質超細粉的摻加還能改善水泥石的孔結構,

使其≥100μm的孔含量得到明顯減少,礦物質超細粉的摻加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上這些措施對于混凝土的抗凍融、抗中性化、抗堿-

酸鹽腐蝕,以及其它酸性和鹽類侵蝕等性能都能得到有效的提高。

2.膠凝材料用量及粉煤灰所占比例在進行配合比參數設計時，為保證混凝土的耐久性，混凝土中膠凝材料總量應處在一個適宜范圍內，不僅有最低限要求，同時，對于C30及以下混凝土，膠凝材料總量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。鐵路客運專線大力提倡使用粉煤灰、礦渣粉等純地考慮降低混凝土成本，首先是為了混凝土耐久性的需要，特別是可以有效改善混凝土抵抗化學侵蝕的能力（包括氯化物侵蝕、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應等）。國內外的大量研究表明，粉煤灰的摻量在20%粉煤灰的最大摻量可達到50%左右。在《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》中明確規定，一般情況下，礦物摻和料摻量不宜小于膠凝材料總量的20%30%水膠比不得大于0.45。

3.含氣量的要求

含氣量的要求也是客運專線高性能混凝土與普通混凝土的重要區別之一。以往工程僅在有抗凍要求時才考慮適當提高混凝土的含氣量，這是對混凝土耐久性的規律認識不足的表現。實際上，混凝土中適量的引氣，不僅能改善抗凍性，同時可顯著減輕混凝土的泌水性，使水在拌合物中的懸浮狀態更加穩定，從而提高混凝土材料的均勻性和穩定性。因此，客運專線規定，即使配制非抗凍混凝土時，含氣量也應不小于2%，并且作為施工質量控制的聚羧酸鹽減水劑。一）高耐久性能

高性能混凝土的重要特點是具有高耐久性,

而耐久性則取決于抗滲性;抗滲性又與混凝土中的水泥石密實度和界面結構有關。由于高性能混凝土摻加了高效減水劑,其水膠比很低(≤0138),水泥全部水化后,混凝土沒有多余的毛細水,孔隙細化,最可幾孔徑很小,

總孔隙率低;再者高性能混凝土中摻加礦物質超細粉后,混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區孔隙能得到明顯的降低,而且礦物質超細粉的摻加還能改善水泥石的孔結構,

使其≥100μm的孔含量得到明顯減少,礦物質超細粉的摻加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上這些措施對于混凝土的抗凍融、抗中性化、抗堿-

集料反應、抗硫酸鹽腐蝕,以及其它酸性和鹽類侵蝕等性能都能得到有效的提高。

.膠凝材料用量及粉煤灰所占比例在進行配合比參數設計時，為保證混凝土的耐久性，混凝土中膠凝材料總量應處在一個適宜范圍內，不僅有最低限要求，同時，對于C30及以下混凝土，膠凝材料總量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。鐵路客運專線大力提倡使用粉煤灰、礦渣粉等礦物摻和料，與普通硅酸鹽水泥一起作為膠凝材料。使用粉煤灰等礦物摻和料，并不是單純地考慮降低混凝土成本，首先是為了混凝土耐久性的需要，特別是可以有效改善混凝土抵抗化學侵蝕的能力（包括氯化物侵蝕、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應等）。國內外的大量研究表明，粉煤灰的摻量在20%以上時，改善混凝土耐久性的效果較佳，更有研究資料表明，粉煤灰的最大摻量可達到50%左右。在《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》中明確規定，一般情況下，礦物摻和料摻量不宜小于膠凝材料總量的20%30%水膠比不得大于0.45。

3.含氣量的要求含氣量的要求也是客運專線高性能混凝土與普通混凝土的重要區別之一。以往工程僅在有抗凍要求時才考慮適當提高混凝土的含氣量，這是對混凝土耐久性的規律認識不足的表現。實際上，混凝土中適量的引氣，不僅能改善抗凍性，同時可顯著減輕混凝土的泌水性，使水在拌合物中的懸浮狀態更加穩定，從而提高混凝土材料的均勻性和穩定性。客運專線規定，即使配制非抗凍混凝土時，含氣量也應不小于2%的必檢項目之一。為適當提高混凝土的含氣量，并獲得較佳的減水和保塑效果，可使用新型聚羧酸鹽減水劑。

一）高耐久性能高性能混凝土的重要特點是具有高耐久性,

而耐久性則取決于抗