關于高性能混凝土的研究探討

■王國輝 ■南昌市第一建筑工程公司，江西 南昌 330009

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。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。

1 高性能混凝土的研究現狀

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。目前，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。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)，其特點是高強度，抗壓強度高達300MPa，且具有高密實性，已在軍事、核電站等特殊工程中成功應用。

(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，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。

2 高性能混凝土的性能研究和應用分析

2．1 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;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。但是他們的基本點都是高耐久性。

2．2 高性能混凝土的性能

與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨特的性能:

(1)耐久性。高效減水劑和礦物質超細粉的配合使用，能夠有效的減少用水量，減少混凝土內部的空隙，能夠使混凝土結構安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土應用的主要目的。

(2)工作性。坍落度是評價混凝土工作性的主要指標，HPC的坍落度控制功能好，在振搗的過程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振動時間內，下沉距離短，穩定性和均勻性好。同時，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且摻入超細粉，基本上無泌水，其水泥漿的粘性大，很少產生離析的現象。

(3)力學性能。由于混凝土是一種非均質材料，強度受諸多因素的影響，水灰比是影響混凝土強度的主要因素，對于普通混凝土，隨著水灰比的降低，混凝土的抗壓強度增大，高性能混凝土中的高效減水劑對水泥的分散能力強、減水率高，可大幅度降低混凝土單方用水量。在高性能混凝土中摻入礦物超細粉可以填充水泥顆粒之間的空隙，改善界面結構，提高混凝土的密實度，提高強度。

(4)經濟性。高性能混凝土較高的強度、良好的耐久性和工藝性都能使其具有良好的經濟性。高性能混凝土良好的耐久性可以減少結構的維修費用，延長結構的使用壽命，收到良好的經濟效益;高性能混凝土的高強度可以減少構件尺寸，減小自重，增加使用空間;HPC良好的工作性可以減少工人工作強度，加快施工速度，減少成本。前蘇聯學者研究發現用C110～C137的高性能混凝土替代C40～C60的混凝土，可以節約15%～25%的鋼材和30% ～70%的水泥。雖然HPC本身的價格偏高，但是其優異的性能使其具有了良好的經濟性。

2．3 高性能混凝土發展和應用中所面臨的問題

在高性能混凝土的應用過程中也存在一些問題，在高性能混凝土的原材料方面，我國水泥質量不穩定，離散性大;在骨料方面，粗骨料質量低劣，含泥量大，級配較差，細骨料細度模數不合要求。在高性能混凝土的施工過程中，施工人員的技術水平有限，養護措施不到位，使HPC的密實性和質量不穩定;在高性能混凝土的耐久性方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸發與凝聚而產生的收縮，使混凝土表面產生裂縫，這對HPC的抗碳化、抗凍融循環作用以及抗氯離子擴散等都是不利的，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后長期處于水中時，水分通過微管擴散到內部，未水化的水泥粒子進一步水化，產生微膨脹也會使混凝土表面產生裂縫，為各種有害介質滲透提供通道，給氯離子侵入、堿骨料反應的發生和鋼筋銹蝕創造可能;在高性能混凝土的設計方面，由于高性能混凝土的后期強度增長不及普通混凝土，而且脆性大，需要特別注意。同時，在高性能混凝土的研究方面，現在的研究以實驗室研究為主，但是實驗室的情況與實際工況相差較大，這不利于今后高性能混凝土的推廣應用。

3 高性能混凝土的特點

3．1 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。

3．2 高工作性能

高性能混凝土具有良好的流變學性能，高流動性，不泌水，不離析，能在正常施工條件下保證混凝土結構的密實性和均勻性，對于某些結構的特殊部位(如梁柱接頭等鋼筋密集處)還可采用自流密實成型混凝土，從而保證該部位的密實性，這樣就可以減輕施工勞動強度，節約施工能耗。

3．3 其它

高性能混凝土的高韌性要求其具有能較好地抵抗地震荷載、疲勞荷載及沖擊荷載的能力，混凝土的韌性可通過在混凝土摻加引氣劑或采用高性能纖維混凝土等措施得到提高。高性能混凝土的體積穩定性表現在其優良的抗初期開裂性，低的溫度變形、低徐變及低的自收縮變形。