高性能混凝土的研究和發(fā)展現狀

李業(yè)斌　朱朝艷　王建華　杜松遙

(1.遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州　121001；　2.錦州市大通公路勘察設計院，遼寧 錦州　121004)

?

高性能混凝土的研究和發(fā)展現狀

李業(yè)斌1朱朝艷1王建華2杜松遙1

(1.遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州121001；2.錦州市大通公路勘察設計院，遼寧 錦州121004)

介紹了高性能混凝土的概念和發(fā)展現狀，從力學性能、耐久性、經濟性等方面，闡述了高性能混凝土的性能特點，并結合其在工程中的應用現狀，預測了高性能混凝土的發(fā)展方向。

高性能混凝土，力學性能，耐久性，發(fā)展趨勢

0　引言

以波蘭特水泥為膠凝材料的混凝土的應用到目前為止已經有100多年的歷史了[1]。理論上講在50年至150年內波蘭特水泥混凝土結構都可以正常使用，但目前的混凝土結構顯然達不到這個理論值，混凝土的破壞問題已經相當普遍。因此，現代社會迫切需要具備更高耐久性、更高強度的混凝土。十八大召開以來，國家大力提倡建立綠色節(jié)約環(huán)保型社會，這就對建筑業(yè)提出了更高的要求。高性能混凝土(High Performance Concrete,HPC)是解決這些問題的好方法，其發(fā)展前景非常廣闊。

高性能混凝土是基于混凝土結構耐久性設計提出的一種全新理念的混凝土。不同于舊理念混凝土，它以耐久性為主要設計目的而不再單一地追求強度，這正是混凝土材料研究的進步[2]。HPC由普通砂石、摻合料和高性能外加劑組成，具有高耐久性、高強度、高工作性和高體積穩(wěn)定性等特性，目前在國內外許多重大工程中得到大量應用。

1　高性能混凝土的概念和發(fā)展現狀

高性能混凝土自誕生至今已有十幾年的歷史了，目前國內外尚沒有對其有統(tǒng)一的定義。

1998年美國ACI將高性能混凝土定義為：“高性能混凝土是符合特殊性能組合和均質性要求的混凝土”[2]。也就是說當混凝土的某些特性是為某一特定的用途和環(huán)境而制定時就是高性能混凝土。在我國，著名的科學家吳中偉院士[3]提出：高性能混凝土為一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土的性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的首要目標，針對不同用途要求，對下列性能有重點地予以保證：耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性以及經濟合理性。

自高性能混凝土被認知后，許多國家都對其投入了巨大的人力、物力進行研究，隨著政府政策的支持和科學技術的進步，研究的進程也逐步加快。歐美等發(fā)達國家最早開始對高性能混凝土的研究，顯然這些國家在HPC的應用上也走在了世界的前列。其中，加拿大在建筑工程中大量應用大摻量粉煤灰混凝土；英國、法國將HPC應用在建設海峽隧道和機場上[4]；德國對C110級高強混凝土的應用已經相當熟練并建立健全了相應規(guī)范，這是世界上其他國家所不能及的[5]；美國政府拿出2億美元支持將高性能混凝土應用在基礎設施建設中[6]。

我國高性能混凝土的研究與外國相比起步較晚，起初也并沒有在全國范圍內展開，而是由部分科研單位和高校帶頭開始[1]。通過多年的努力，我國在高性能混凝土的性能研究上已基本追趕上世界的腳步。目前HPC在我國主要應用在超高層、高鐵、跨海大橋等對使用安全壽命要求高或是處于惡劣環(huán)境中的重點工程[7]。為了推廣和規(guī)范HPC的使用，國家各行業(yè)近幾年也制定出了一些相應的規(guī)范。早在2002年，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局制定了GB/T 18736—2002高強高性能混凝土用礦物外加劑標準，中國建設標準化協(xié)會于2006年編制了CECS 207—2006高性能混凝土應用技術規(guī)程。

2　高性能混凝土的性能研究和應用現狀

2.1性能研究

1)力學性能。

由于混凝土的不均勻性，所以影響混凝土強度的因素有很多，諸多因素中水膠比是最重要的。水膠比與強度一般成反比，在其他條件不變時水膠比越小強度越大。相比普通混凝土，高性能混凝土具有更高強度的原因是：高性能混凝土中高效減水劑的使用大大減少了用水量，在水泥和摻合料用量不變的情況下降低了水膠比。除此之外，高性能混凝土對粗細骨料的粒徑要求更為嚴格，配制出更理想的顆粒級配。并且，高性能混凝土摻入粉煤灰等礦物超細粉來替代部分水泥，不僅增加粘聚力還可以填充水泥間的空隙[2]。這兩點通過增強混凝土的密實度進一步提高了混凝土的強度。

2)高耐久性。

混凝土的耐久性包括抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性等內容，研究起來相當復雜。Neville[8]指出：耐久性是指一定的混凝土結構在規(guī)定的或預期的服務壽命期限內，保持設計所需要功能的性能，也就是說耐久性是相對于一定環(huán)境條件而定的。

高性能混凝土通過摻加的摻合料和外加劑有效提高了強度和抗裂抗?jié)B等性能。比如超細粉的填充作用和高效減水劑的減水作用可以提高混凝土的密實度，超細粉本身也可以增強混凝土的后期強度，纖維可以提高混凝土的抗折抗裂和延性。另外，高性能混凝土中混凝土密實、鋼筋的電化學腐蝕也難以進行，鋼筋不易銹蝕[8]。高性能混凝土因為有礦物摻合料的摻加和低水膠比，故幾乎不考慮堿骨料病害[9]。綜上所述，高性能混凝土具有高耐久性。

3)高工作性。

在工程建設過程中，混凝土良好的工作性使混凝土的施工更加方便。混凝土的工作性包括流動性、粘聚性和保水性，這三種性能相互影響。一般來說流動性越好保水性就會差一點，流動性用坍落度等指標來測定，粘聚性和保水性的好壞則是在測流動性的同時由經驗判斷。

大量的實驗證明HPC由于高效減水劑和礦物超細粉的使用使其獲得較大的坍落度[10，11]，因此HPC具有良好的工作性，這為HPC在大型工程及復雜工程中的應用提供了有利條件。

4)經濟性。

高性能混凝土具有高耐久性，可以延長建筑物的安全期，避免重復建設和減少后期維護費用，節(jié)省大量資金。在拌制混凝土的過程中適量摻入了粉煤灰等摻合物，有效利用了廢棄資源，既保護了環(huán)境又提高了資源的利用率。高強度能夠在保證結構穩(wěn)定性和可靠度的前提下減小構件的尺寸，合理利用資源、減輕結構自重。即使高性能混凝土本身造價比較高，但綜合比較后，HPC仍然是很經濟的建筑材料。HPC能更好地滿足未來建筑的發(fā)展需求，更好地延長建筑使用壽命，降低成本。

2.2應用現狀

直到現在，高性能混凝土已在建筑領域有了大量的應用。國際上，法國西瓦克斯核電站2號反應堆殼采用了C50高性能混凝土，美國加州大學伯克利分校建造的會堂所用的混凝土大量摻入粉煤灰至少代替了50%的水泥。在我國，高性能混凝土近幾年也得到了相應的應用，香港青馬大橋橋塔在澆筑時使用摻加礦物超細粉的高性能混凝土，90 d后強度達到了100 MPa，不僅方便了施工而且滿足了強度要求。正在建設的廈漳大橋也在嘗試使用HPC。除此之外，“水立方”、首都機場、上海金融環(huán)球中心等工程也都大量應用了高性能混凝土。

并不是所有的應用都是成功的。很多研究表明高性能混凝土的耐火性顯著不如普通混凝土。正是因為這個原因，英吉利海峽隧道火災和杜塞爾多夫機場火災給人們帶來了嚴重的財產損失[4]。當然，就耐火性而言HPC并沒有像媒體報道的那么差，其仍然是一種安全的建筑材料。

3　高性能混凝土的發(fā)展預測

高性能混凝土優(yōu)良的性能決定了它必定是混凝土行業(yè)的未來，定會在建筑領域得到更廣泛應用，并逐步向綠色、超高強、自密實和智能化發(fā)展[12]。現代人們需要建設“綠色”型社會，綠色高性能混凝土可以將廢棄資源變廢為寶，這給它的發(fā)展帶來了良好的機遇。超高強混凝土是目前市場上急需的，可以節(jié)約資源、減輕結構自重，獲得更大社會效益。自密實混凝土的研究目前是比較多的，它可以加快施工速度，消除振搗噪聲[13]。研究表明對HPC引入引氣劑能否提高其抗凍性現在仍有爭議[4]。所以，對HPC抗凍性的研究仍有大量工作要做。

在我國高性能混凝土面臨最大的問題是難以大范圍推廣應用。如果說HPC是混凝土的革命，那么HPC的推廣就會帶動整個行業(yè)的革命。如果沒有嚴格的生產、澆筑、養(yǎng)護過程就得不到高性能混凝土，這就需要整個行業(yè)的共同監(jiān)督[14]。隨著砂、石、水泥生產原材料等資源的短缺，在提升技術、節(jié)約資源上又對科學工作者提出了更高要求。當然，目前還需要研發(fā)出更高效、適應性更好的減水劑，雖然困難重重，但前景依舊光明。

4　結語

高性能混凝土以高耐久性、高強度、高工作性(“三高”)被譽為目前全世界性能最全面的混凝土[15]。高性能混凝土能有效增加建筑的安全使用壽命、保護環(huán)境、提高資源利用率、降低生產成本并減少后期維護費用，獲得更大的綜合效益。即使目前高性能混凝土仍然存在一定問題，但它依舊是混凝土未來發(fā)展的重要方向，將來定會在建筑領域大量應用，推動建筑業(yè)的大發(fā)展。

[1]張敏,劉玉玲.淺談高性能混凝土的應用與發(fā)展現狀[J].橋梁工程，2012,5(89)：74-76.

[2]劉娟紅,宋少民.綠色高性能混凝土技術與工程應用[M].北京:中國電力出版社,2010.

[3]吳中偉.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[4]P.C.Aitcin.Review of high performance concrete durability[J].Ready-mixed Concrete，2011(2)：114-116.

[5]王振軍,陳平,尚紀歌.綠色高性能混凝土的耐久性研究進展[J].混凝土，2009(11)：212-215.

[6]陳家輝.高性能混凝土應用現狀及其前景[J].廣東土木與建筑,2000(5)：7-9.

[7]成厚昌.高性能混凝土的力學性能分析[J].重慶建筑大學學報,1999,21(3)：41-43.

[8]A.M.Neville.Carbonation of Containing blended cements properties of Concrete[Z].

[9]余紅發(fā),劉俊龍,張云升,等.高性能混凝土微觀結構及其高耐久性形成機理[J].南京航空航天大學學報,2007,39(2)：312-314.

[10]李崇智,何光明.綠色高性能混凝土工作性的簡易量化及其意義[J].科技導航,2011(31)：72-74.

[11]李清富,薛延信,張海洋.不同摻合料對高性能混凝土工作性能影響的實驗研究[J].混凝土,2012(1)：32-35.

[12]馮麗娜.高性能混凝土發(fā)展現狀與展望綜述[J].河南建材,2011(2)：107-109.

[13]楊歡,牛季收.自密實高性能混凝土的研究現狀[J].硅酸鹽通報,2015,34(10)：55-56.

[14]閻培渝.高性能混凝土的現狀與發(fā)展[J].專家論壇,2014(66)：51-55.

[15]唐建華,蔡基偉,周明凱.高性能混凝土的研究與發(fā)展現狀[J].國外建材科技,2006(21)：92-95.

Research and development of high performance concrete

Li Yebin1Zhu Chaoyan1Wang Jianhua2Du Songyao1

(1.DepartmentofCivilEngineeringofLiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China;2.JinzhouDatongHighwaySurveyandDesignInstitute,Jinzhou121004,China)

The paper introduces the concept and development status of high performance concrete, illustrates its features from the dynamic performance, durability and economical feature, and forecasts its development orientation by combining with its application in projects.

high-performance concrete, dynamic performance, durability, development tendency

1009-6825(2016)23-0117-02

2016-06-07

李業(yè)斌(1992- )，男，在讀碩士；朱朝艷(1968- )，女，教授

TU528

A