高性能混凝土的发展和应用

耐久性混凝土（一）

前言

从1824年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有100多年的历史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。从20世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。并且随着我国近年来工业化、城市化进程的加快，其用量将继续快速增长。人类进入21世纪，随着科学技术的快速发展，一种又一种新型混凝土涌现出来。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。

高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。

一、高性能混凝土产生的背景和研究现状

1.1 背景

当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求;处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果;原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能, 多使用天然材料及工业废渣保护环境, 走可持续发展的道路, 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。

高性能混凝土的研究与发展现状

摘 要：本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，列举了高性能混凝土在国内外研究应用中的重要成果，并对其发展趋势作出展望。随着我国建筑向高层化、大型化、现代化的发展，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。

关键词：高性能混凝土；耐久性；体积稳定性

引 言

高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。

一高性能混凝土产生研究现

（一）研究现状及发展方向

针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。从20世纪80年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久设计的考虑，从只重视强度设计向强度与耐久性并重。进入20世纪90后代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。目前，高性能混凝土的发展有以下几个方向：

(1)绿色高性能混凝土

水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，对资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求背道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。

高性能混凝土技术发展与应用初探

【摘 要】高性能混凝土具有优良的高强度、高耐久性能、高体积性能、高工艺性、力学性能和施工性能，并能长期保持其强度，有降低工程造价、方便施工、美化城市建设空间等诸多优点，其社会、经济性能益显著，是适应城市化、现代化基本建设的一项重大的技术举措，具有积极、深远的现实意义和实用价值。

【关键词】高强度混凝土；强度；耐久性；工艺；应用

0 概述

高性能混凝土（high performance concrete，hpc）是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。随着现代科学技术和生产的发展，城市人口数量逐渐增多，建筑物的高层化与超高层化不可避免；公路网和高速公路网、铁路网和高速铁路等基础设施的大规模建设，跨越大江、大河、深谷、海峡的大跨和超大跨桥，混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。

高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，它是某种特性适合于特殊工程应用和环境的一种混凝土。对于一定的工程应用可考虑的特性实例为：易于浇筑，振捣不离析，早强，长期力学性能，抗渗性、密实性，水化温升，韧性，体积稳定性，严酷环境下的较长寿命。它是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点的予以保证；耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高性能外加剂。高性能混凝土应更多地掺加以工业废渣为主的掺合料，更多地节约水泥熟料，提出了绿色高性能混凝土（ghpc）的概念。

施工技术　建材发展导向２０１２年４月　浅谈高性能混凝土特性及发展应用　王磊　（杭州建工混凝土有限公司）　摘　要：本文介绍了高性能混凝土的特点和组成材料，并对高性能混凝土的发展及推广应用进行了展望，可供参考。　关键词：高性能混凝土；特性；材料组成；发展应用　１高强混凝土的定义及特性　１．１高强混凝土的定义　混凝土的强度级别≥Ｃ６０的混凝土称之为高强度混凝土。　１．２高强混凝土的特性　（１）强度高。与普通混凝土相比，由于高强度混凝土的强度以及弹性　模量比较高，能利用这一特性大幅度的降低高层和超高层工程纵向受力　结构的截面尺、扩大了工程的使用面积，较大程度上提高了工程的使用　功能；并且由于结构截面尺寸的降低，大大减少了工程结构的自重，从而　解决了工程的结构自重占主要因素的问题。不仅如此，由于混凝十强度　的提高，还能节约混凝土的原材料、加快施工进度提高建筑工程的经济　效益。　（２）耐久性好。与普通混凝土相比，高强混凝土的密实性较好，其抗　渗性和抗冻性比普通混凝土要好很多，因此高强混凝土的耐久性能优于　普通混凝土。　（３）变形小。与普通混凝土相比，由于高强混凝土的强度高，因此其　变形较小，这使高强混凝土的刚度大为增加，降低了混凝土预应力的损　失。所以，高强混凝土可以适应现代建筑结构向大跨度、重载、超高层及　承受恶劣环境条件的需要。　２高性能混凝土的定义及特性　２．１高性能混凝土的定义　高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上，采用现代　混凝土工艺制成的混凝土。　２．２高－陛能混凝土的特性　高性能混凝土采用的是高性能外加剂，如高效减水剂或者缓凝高效　减水剂及掺合足够的超细活性掺合料，如：硅灰、优质粉煤灰、超细磨矿　渣等达到低水胶比状态，并且具有耐久性、工作性、各种力学性能的新型　混凝土。高性能混凝土以耐久性作为设计的主要技术指标，针对各种用　途的要求，能保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久：陛、高工作性、高　体积稳定性和经济性。需要知道的是，强度高的混凝土不一定就是高强　混凝士，高性能混凝土也不一定就是高强混凝土。强度高了如果性能不　好，也不是高性能混凝土。建设部大力推广的不但强度高并且性能好的　新型混凝土。在实际推广应用中需避免重强度、轻性能的错误做法。　３高性能混凝土的组成材料　高性能混凝土的技术要求是在符合强度要求的前提下，达到高工作　性和高耐久性。如何达到高工作性和高耐久性，即采用掺人高性能混凝　土外加剂的方法来改善混凝土拌合物的特性，确保混凝土拌合物的特性　和稳定性；其组成材料包括水泥、粗细骨料、多种矿物掺和料、水和超塑　化剂，其组成和配比要比普通混凝土复杂，要求也高得多。　３．１水泥和水泥用量　高性能混凝土的特点之一是低水灰比，为了确保其流动性，需要掺　入高效减水剂。所以，需选择适宜于低水灰比特性的水泥，一方面是细度　及粒子的组成，另一方面是加水后的早期水化。还需使用强度等级４２．５　级以上的水泥。配制ＨＰＣ可以使用普通硅酸盐水泥、早强硅酸盐水泥、　中热水泥等，其水泥等级为４２．５级或更高。水泥矿物组成中ｃ含量不应　超过８％，比表面积不要太高，通常比表面积为３２００ｃｍＶｇ。　３．２矿物掺含料　矿物掺合料主要有沸石粉、粉煤灰、磨细矿渣、硅粉等。高性能混凝　土用矿物掺合料，通常作为胶凝材料（代替部分水泥）加入到混凝土中。　其主要作用有以下三个：①滚球润滑作用：由于颗粒比水泥细，增加了水　分子与水泥颗粒之间的过渡，在水泥混凝土混合料中有滚球润滑作用，　・７４・　改善了混凝土的工作性；②微集料作用：高性能混凝土中胶凝材料用量　大，有较大部分不能完全水化而取微集料作用。由于矿物掺合料很细，能　置换出混凝土中更小空间中的水，使混凝土更密实，于是强度、抗渗性、　抗冻性、抗腐蚀性等提高，而干缩及徐变降低；③胶凝材料及火山灰反应　作用：矿物掺合料不仅是胶凝材料，还可以水化凝结硬化，产生强度，更　重要的是能与水泥水化产物Ｃａ（０Ｈ），发生火山灰反应，改善水化物组成　与过渡区微观结构。另外，大多数细矿物掺合料水化放热低，因此有利于　制备高性能混凝土。某些矿物掺合料，如掺粉煤灰及磨细矿渣的混凝土，　对提高混凝土强度效果并不明显，却可使混凝土的密实性得到改善，大　大降低其渗透性，从而提高其耐久性。　３－３骨料及其用量　在配制ＨＰＣ时，水泥浆与骨料的体积比为Ｏ．３５：０．６５。除此之外，骨　料种类对混凝土的体积稳定性也有很大影响。在制作高性能混凝土时，　对集料的技术要求有：　（１）粗集料：①粗集料需选用质地坚硬、级配优良的石灰岩、花岗岩、　辉绿岩等碎石或碎卵石；强度等级为Ｃ６０的混凝土也可以用卵石配制。　集料母材的抗压强度应比所配制的混凝土强度高２０％以上；粗集料压碎　指标值：Ｃ６０级混凝土宜小于１０％，Ｃ８０混凝土宜小于６％。⑦粗集料最　大粒径：Ｃ６０不宜超过３１．５ｒａｍ，Ｃ８０级以上不宜超过２５ｍｍ。③粗集料颗　粒中针片状颗粒含量不应超过５％，且不得混入风化颗粒。④粗集料的含　泥量不应超过１％，Ｃ８０级以上不应超过０．５％。如含泥基本是非粘土质的　石粉时，含泥量可由１．Ｏ％、０．５％分别提高到１．５％、ｌ％，且不允许有泥块存　在。⑤粗集料的其他标准，应符合《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及　检验方法》（ＪＧＪ５３—９２）的规定。　（２）细集料：①细集料应选用洁净、质地坚硬、级配良好的河砂；其细　度模数：Ｃ６０混凝土不宜小于２－３，Ｃ８０混凝土不宜小于２．７⑦细集料中的　含泥量不应超划２％，Ｃ８０以上混凝土不应超过１．５％，且不允许有泥块存　在。必要时，可冲洗干净再使用。③细集料的其他标准，应符合《普通混凝　土用砂质量标准及检验方法》（ＪＧＪ５３—９２）的规定。　３．４外加并０　（１）配制ＨＰＣ不能缺少的是超塑化剂，而普通的减水剂无法达到ＨＰＣ　减水率和提高工作度的要求。超塑化剂对水泥浆有很强的分散作用，但　是这种作用持续的时间不长。所以使用超塑化剂配制大流动性混凝土存　在塌落度随时损失的问题。解决塌落度损失的好的办法是将超塑化剂与　缓凝剂（或缓凝减水剂）组成复合外加剂。这样配制的新拌混凝土流动性　能保持９０～１２０ｍｉｎ，完全可以满足混凝土搅拌运输、泵送、浇筑工艺过程　的要求。　（２）缓凝剂的作用就是抑制水泥初期水化，延缓水泥水化过程，使结　合水减少，而满足工艺要求的游离水增多，所以可达到控制混凝土塌落　度损失的目的。通常缓凝剂的掺入量为水泥重量的０．０２～０．１％。在ＨＰＣ　中缓凝剂的掺入量需控制在既能抑制初期水化．又不影响早期强度的范　围。从考虑将超塑化剂与缓凝剂复合是能解决塌落度损失的问题。ＨＰＣ　对新拌混凝土要求具有大流动性、可泵性、均匀性、稳定性的特点，这可　以通过掺入增稠剂来完成。　（３）增稠剂是一种可以显著增加水的粘度的物质，它们是天然和合　成的水溶性高分子化合物，如纤维素衍生物、聚丙烯酸纳、聚丙烯酰胺、　聚乙烯醇、藻朊酸纳等。例如，只要有３％的甲基纤维素就可以将水的粘　度增加１万倍。使用增粘剂的目的在于提高分散介质的粘度，增加分散　体系的稳定性，减少分层和离析。增稠剂的最佳掺量是由作为固体的摩　擦机理和作为粘性液体抗剪机理的相互关系决定的。减小抗剪力不仅能