淺析高性能混凝土的特點及其工程應用

摘要：從混凝土的組成引出高性能混凝土的形成機理，介紹了水灰比、礦物摻合料及高效外加劑對高性能混凝土的作用，歸納了高性能混凝土的性能特點及工程應用，并提出了高性能混凝土在研究和應用領域存在的不足。

關鍵詞：高性能混凝土，機理，特點，工程應用

1990年5月，美國國家標準與技術研究院(NIST)與美國混凝土協會(ACI)召開會議，首次提出“高性能混凝土（High performance concrete，HPC）”概念[1]，與傳統的混凝土相比，高性能混凝土以其優良的耐久性、工作性和強度特點，已經成為惡劣環境條件下建設重大土木工程所必須的主要結構材料，目前正被廣泛的應用于各種大跨度、服役環境惡劣的橋梁、碼頭、大壩、高鐵等基礎設施當中，并取得了明顯的經濟效益和技術效益。

1、高性能混凝土的機理

我們知道，大多數固體材料的理論強度為0.1 E～0.2E（E為彈性模量），而實際強度僅為0.0001 E～0.0002E，造成這種差距的原因是實際材料中存在著許多結構缺陷。硬化混凝土材料主要由硬化水泥漿體、界面過渡區和骨料三個部分組成，如圖1所示。

圖1硬化混凝土的結構組成

混凝土的性能則由上述三個部分的性質、各部分之間的關系及整體的均勻性所決定，其中，硬化水泥漿體是最為基本。硬化水泥漿體主要由水泥的水化產物、未水化水泥顆粒或礦物摻合料顆粒、孔隙和水組成?；炷恋膹姸壤碚撋先Q于水泥水化產物或骨料中最弱顆粒的強度。因此要從原理上提高混凝土的強度，關鍵問題是減少基體中的孔、微裂紋和大且弱的晶體結構，而且還要改進集料界面過渡區的強度與質量。

作者介紹：沈開敏（1964.10-），安徽省龍河口水庫管理處，本科，工程師，主要從事水利工程施工管理。

高性能混凝土中的硬化水泥漿體、界面過渡區以及骨料三個部分的性質接近均勻，礦物

顆?；静粎⒓臃磻亩?，未水化的水泥及礦物顆粒、粗細骨料、結晶相等構成高性能混凝土的骨架，由水泥水化物、礦物摻合料等形成凝膠膠結，形成高性能混凝土的主體[2]。根據吳中偉提出高性能凝土配制的特點是：低水膠比，選用優質材料，另外，必須摻加足夠數量的礦物外加劑和高效外加劑[2] 。圖2 給出了配制高性能混凝土所采取的措施及其影響。

圖2高性能混凝土配制與性能的關系

其中采用低水膠比可以使混凝土內部孔隙率變好，使結構更加密實，從而改善混凝土的強度和耐久性。另外，低水膠比的可以在一定程度上降低混凝土溫升、增強硬化前后混凝土的體積穩定性。高性能混凝土的水膠比一般低于0.38。

通常，普通混凝土的骨料與硬化水泥漿體之間的界面過渡區會生成大量的Ca(OH)2，Ca(OH)2在界面上結晶并定向排列，造成了混凝土的薄弱區，降低了混凝土的強度及耐久性。礦物摻合料一般屬超細粉，這些超細粉中含有活化的SiO2成分，可以與Ca(OH)2發生反應生成CaSiO3填充界面空洞改善界面結構[3]。而且且由于摻合料的顆粒一般都比水泥顆粒要小的多，能使混凝土達到一個良好的級配，以達到減少空隙，使混凝土更加密實，對于其強度和耐久性的提高具有重要的作用。試驗表明[4]，以復合超細粉等量取代水泥，制成的混凝土試件的強度要明顯大于不摻超細粉的混凝土試件。另外，摻用優質礦物摻合料可以提高漿體的施工性、體積穩定性、密實性和抗化學侵蝕性等。

高效減水劑可以使混凝土在工作性相近的情況下，減低水膠比，從而改善混凝土內部結構，提高混凝土的強度和耐久性[5,6]。高效減水劑大都屬于高分子陰離子表面活性劑它摻入到混凝土中，吸附于水化的水泥顆粒表面，形成了雙電層，使Zeta電位增大，水泥顆粒之間的排斥力增加，促進水泥漿體中的絮凝結構分散解體釋放出自由水，使水泥漿流動性增加，從而使混凝土達到在低水膠比的情況下也能具有很好的工作性的目的。

2、高性能混凝土的特點

高性能混凝土的內部結構更加密實，各相的組成與它們之間的連接更加均勻，能更好地滿足結構功能要求，特別是海港工程以及高腐蝕性環境中，高性能混凝土更具巨大的優勢。因此，與普通混凝土相比，高性能混凝土應具有以下特點：

（1）高性能混凝土可以具有較高的強度，但這不是必須條件。高性能混凝土的高性能體現在其具有較高的耐久性，而不是一定具有很高的強度，只要工作性、耐久性及功能性滿足要求，高性能混凝土也可以是中、低強度。

（2）高性能混凝土具有良好的工作性?；炷涟韬臀飸哂休^高的流動性，混凝土在成型過程中不分層、不離析，易充滿模型；泵送混凝土、自密實混凝土還具有良好的可泵性、自密實性能。

（3）高性能混凝土應具有較高的密實性和抗滲性。由于高性能混凝土的服役環境大多是腐蝕性強、條件惡劣的環境，較高的密實性和抗滲性是混凝土耐久性的重要保證。

（4）高性能混凝土應具有較長的使用壽命。對于一些特護工程的特殊部位，控制結構設計的不是混凝土的強度，而是耐久性。能夠使混凝土結構安全可靠地服役50~100年以上，是高性能混凝土設計的主要目標。

（5）高性能混凝土應具有較高的體積穩定性。高性能混凝土大多應用于混凝土用量比較大或跨度比較的構件，大的體積變形容易引起裂縫和結構破壞。因此，高性能混凝土在硬化早期應具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。

3、高性能混凝土在工程中的應用

3.1 在橋梁上的應用

高性能混凝土具有很好的工作性性、易于澆注、不離析、且能長期保持的結構的力學性能，韌性高和體積穩定性好，在惡劣環境下耐久性好、使用壽命長。高性能混凝土在橋梁工程中應用的優點是：跨徑更長、主梁間距更大、構件更薄、.耐久、力學承載力高。目前，高性能混凝土已廣泛的用于各種離岸結構物和橋梁構件中，包括主梁、橋墩、墩基等。

例如，上海的東海大橋，東海大橋是我國建造的第一座跨海大橋，全長32km。設計壽命為100年，由于長期處于海水侵蝕的環境中，對混凝土保護層厚度要求高，對混凝土的性能要求高，主要以高耐久性為出發點，要求混凝土具備高施工性、高抗滲性、高體積穩定性（硬化過程中不開裂，收縮徐變?。?、較高強度，并保持其強度持續增長，最終獲得高耐久性能。另外，采用粉煤灰、礦粉作為摻和材料，提高了混凝土施工的工作性，降低了成本達，取得了一定的經濟效益。另一個比較著名的工程實例是杭州灣大橋 [7]。

3.2在公路上的應用

公路高性能混凝土應根據公路混凝土的特點，結合高性能混凝土的優點，綜合考慮其各方面的性能要求來進行開發。從公路混凝土的施工工藝出發，需采用高流態的混凝土（坍落度要求達到240~270mm）來進行施工，而普通的混凝土在滿足強度要求的情況下很難得到這個要，因此，采用高性能混凝土是必然的選擇。從公路混凝土的服役環境出發，要求混凝土具有較高的韌性，能夠承載的疲勞損傷能力強，如果采用普通的混凝土，雖然強度可以達到設計的要求，但是混凝土的彈性模量等參數會相應提高，不利于混凝土在復變荷載環境下的使用，采用高性能混凝土就可以滿足這個要求。

另外，高性能混凝土以其高強、高耐久性的有點，還被廣泛的應用于碼頭、高鐵、隧道、大壩等惡劣環境下的土建設施，并發揮著巨大的作用。

4、高性能混凝土研究及應用存在的問題

從上個世紀90年代高性能混凝土的提出到現在，雖然高性能混凝土已在各個領域得到了廣泛的應用，其研究也取得了一定成果，但是還存在一定的問題，主要有以下兩點：

（1）針對性能的研究較少，主要包括高性能混凝土自干燥引起的自收縮；高性能混凝土的脆性；礦物微細粉的科學分類和品質標準及其與混凝土外加劑之間的相容性；高性能混凝土多組分復合材料的效應；高強高性能混凝土的韌性等方面。

（2）工程應用的推廣受到一定的研制。目前，高性能混凝土主要應用于大跨度橋梁、高層建筑的基柱及某些要求高強度、高性能的構件與部位，不僅大大限制了高性能混凝土的擴大使用，而且其諸多優勢性能，尤其是現在所大為提倡的綠色優勢的發揮亦是相當有限的，這與國家要大力發展和推廣“節能與綠色建筑”更是不相符。

參考文獻

[1] 趙國藩. 高性能混凝土發展簡介[J]. 施工技術, 2002(4):1～2,16

[2] 吳中偉, 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1999

[3] 孟濤等. 含有復合膠凝材料的砼力學性能及其微觀機理分析[J]. 浙江大學學報, 2002 (5): 553～558

[4] 馮乃謙. 高性能混凝土的發展與應用[J]. 施工技術, 2003, (4):1～6

[5] 劉秉京. 國內外混凝土外加劑現狀[J]. 中國港灣建設, 2002, (2): 7～10

[6] 徐清. 高效減水劑在高性能混凝土中的應用[J]. 化學建材, 2000: 20～22

[7] 李兆海, 劉子全等. 高性能混凝土的應用發展[J]. 福建建材, 2008(1): 5~11