李業(yè)斌　朱朝艷　王建華　杜松遙

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州　121001；　2.錦州市大通公路勘察設(shè)計(jì)院，遼寧 錦州　121004)

?

高性能混凝土的研究和發(fā)展現(xiàn)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(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州121001；2.錦州市大通公路勘察設(shè)計(jì)院，遼寧 錦州121004)

介紹了高性能混凝土的概念和發(fā)展現(xiàn)狀，從力學(xué)性能、耐久性、經(jīng)濟(jì)性等方面，闡述了高性能混凝土的性能特點(diǎn)，并結(jié)合其在工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，預(yù)測了高性能混凝土的發(fā)展方向。

高性能混凝土，力學(xué)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(yīng)用到目前為止已經(jīng)有100多年的歷史了[1]。理論上講在50年至150年內(nèi)波蘭特水泥混凝土結(jié)構(gòu)都可以正常使用，但目前的混凝土結(jié)構(gòu)顯然達(dá)不到這個理論值，混凝土的破壞問題已經(jīng)相當(dāng)普遍。因此，現(xiàn)代社會迫切需要具備更高耐久性、更高強(qiáng)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(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)目的而不再單一地追求強(qiáng)度，這正是混凝土材料研究的進(jìn)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(qiáng)度、高工作性和高體積穩(wěn)定性等特性，目前在國內(nèi)外許多重大工程中得到大量應(yīng)用。

1　高性能混凝土的概念和發(fā)展現(xiàn)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(nèi)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(zhì)性要求的混凝土”[2]。也就是說當(dāng)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(xué)家吳中偉院士[3]提出：高性能混凝土為一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土的性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，它以耐久性作為設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，針對不同用途要求，對下列性能有重點(diǎn)地予以保證：耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)合理性。

自高性能混凝土被認(rèn)知后，許多國家都對其投入了巨大的人力、物力進(jìn)行研究，隨著政府政策的支持和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，研究的進(jìn)程也逐步加快。歐美等發(fā)達(dá)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(yīng)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(yīng)用大摻量粉煤灰混凝土；英國、法國將HPC應(yīng)用在建設(shè)海峽隧道和機(jī)場上[4]；德國對C110級高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)熟練并建立健全了相應(yīng)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(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(nèi)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(yīng)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(diǎn)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(yīng)的規(guī)范。早在2002年，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局制定了GB/T 18736—2002高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑標(biāo)準(zhǔn)，中國建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會于2006年編制了CECS 207—2006高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程。

2　高性能混凝土的性能研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1性能研究

1)力學(xué)性能。

由于混凝土的不均勻性，所以影響混凝土強(qiáng)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(qiáng)度一般成反比，在其他條件不變時水膠比越小強(qiáng)度越大。相比普通混凝土，高性能混凝土具有更高強(qiáng)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(xì)骨料的粒徑要求更為嚴(yán)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(xì)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(diǎn)通過增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度進(jìn)一步提高了混凝土的強(qiáng)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(nèi)容，研究起來相當(dāng)復(fù)雜。Neville[8]指出：耐久性是指一定的混凝土結(jié)構(gòu)在規(guī)定的或預(yù)期的服務(wù)壽命期限內(nèi)，保持設(shè)計(jì)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(qiáng)度和抗裂抗?jié)B等性能。比如超細(xì)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(shí)度，超細(xì)粉本身也可以增強(qiáng)混凝土的后期強(qiáng)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(shí)、鋼筋的電化學(xué)腐蝕也難以進(jìn)行，鋼筋不易銹蝕[8]。高性能混凝土因?yàn)橛械V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(shè)過程中，混凝土良好的工作性使混凝土的施工更加方便?；炷恋墓ぷ餍园鲃有?、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(diǎn)，流動性用坍落度等指標(biāo)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(jīng)驗(yàn)判斷。

大量的實(shí)驗(yàn)證明HPC由于高效減水劑和礦物超細(xì)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(fù)雜工程中的應(yīng)用提供了有利條件。

4)經(jīng)濟(jì)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(fù)建設(shè)和減少后期維護(hù)費(fèi)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(hù)了環(huán)境又提高了資源的利用率。高強(qiáng)度能夠在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠度的前提下減小構(gòu)件的尺寸，合理利用資源、減輕結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)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(yīng)用現(xiàn)狀

直到現(xiàn)在，高性能混凝土已在建筑領(lǐng)域有了大量的應(yīng)用。國際上，法國西瓦克斯核電站2號反應(yīng)堆殼采用了C50高性能混凝土，美國加州大學(xué)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(yīng)的應(yīng)用，香港青馬大橋橋塔在澆筑時使用摻加礦物超細(xì)粉的高性能混凝土，90 d后強(qiáng)度達(dá)到了100 MPa，不僅方便了施工而且滿足了強(qiáng)度要求。正在建設(shè)的廈漳大橋也在嘗試使用HPC。除此之外，“水立方”、首都機(jī)場、上海金融環(huán)球中心等工程也都大量應(yīng)用了高性能混凝土。

并不是所有的應(yīng)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?yàn)檫@個原因，英吉利海峽隧道火災(zāi)和杜塞爾多夫機(jī)場火災(zāi)給人們帶來了嚴(yán)重的財產(chǎn)損失[4]。當(dāng)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(yù)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(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用，并逐步向綠色、超高強(qiáng)、自密實(shí)和智能化發(fā)展[12]?，F(xiàn)代人們需要建設(shè)“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(jī)遇。超高強(qiáng)混凝土是目前市場上急需的，可以節(jié)約資源、減輕結(jié)構(gòu)自重，獲得更大社會效益。自密實(shí)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(xiàn)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(yīng)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(yán)格的生產(chǎn)、澆筑、養(yǎng)護(hù)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(chǎn)原材料等資源的短缺，在提升技術(shù)、節(jié)約資源上又對科學(xué)工作者提出了更高要求。當(dāng)然，目前還需要研發(fā)出更高效、適應(yīng)性更好的減水劑，雖然困難重重，但前景依舊光明。

4　結(jié)語

高性能混凝土以高耐久性、高強(qiáng)度、高工作性(“三高”)被譽(yù)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(hù)環(huán)境、提高資源利用率、降低生產(chǎn)成本并減少后期維護(hù)費(fèi)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(lǐng)域大量應(yīng)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(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)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(shù)與工程應(yīng)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(jì)歌.綠色高性能混凝土的耐久性研究進(jìn)展[J].混凝土，2009(11)：212-215.

[6]陳家輝.高性能混凝土應(yīng)用現(xiàn)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(xué)性能分析[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)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?jiān)粕?等.高性能混凝土微觀結(jié)構(gòu)及其高耐久性形成機(jī)理[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)研究[J].混凝土,2012(1)：32-35.

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

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

[14]閻培渝.高性能混凝土的現(xiàn)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(xiàn)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