高性能混凝土的研究与发展现状

高性能混凝土的研究与发展现状

引言

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。据统计，当今我国每年混凝土用量约109m3，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

（一）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。

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1t0.6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1.5t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。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1.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。因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。（二）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。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。(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）,其特点是高强300MPa

(3)智能混凝土智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。二、高性能混凝土的性能研究和应用分析

（一）高性能混凝土的概念高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。

（二）高性能混凝土的性能否则,容易影响混凝土的工作性能。同时,根据减水剂性能及需求的减水需求来选择合适的掺量。②比表面积和活性SiO2含量是硅粉的重要指标SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需选择具有良好性能的硅粉。③硅粉混凝土的干缩一般比普通混凝土大,配制高性能混凝土时应采取补偿收缩的措施,如掺加粉煤灰等。（二）配合比设计控制要点1.设计思路有很大区别耐久性的要求，首先根据环境作用等级确定电通量指标，由此来选择水胶比、控制胶凝材料最小用量以及掺和料的比例。由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为C30或C35般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，混凝土的强度一般都是超强的。胶凝材料用量及粉煤灰所占比例在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土究表明，粉煤灰的掺量在20%以上时，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%30%水胶比不得大于0.45。

3.含气量的要求含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。实际上，混凝土中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻混凝土的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于2%的必检项目之一。为适当提高混凝土的含气量，并获得较佳的减水和保塑效果，可使用新型聚羧酸盐减水剂。

4.电通量指标该指标是客运专线对混凝土耐久性最重要、最具体的指标。目前我国尚无电通量试验的国家标准，铁路行业电通量试验方法是以美国ASTMC1202

快速电量测定方法为基础制定的，其所测指标可以最大程度地区分和评价混凝土的密实度，而密实度正是影响混凝土耐久性最为关键的因素。以往多是以抗渗性来评价混凝土的密实程度，但实践证明，抗渗试验只适合于判定较低强度等级混凝土的密实性，当强度等级超过C30后，抗渗等级几乎都能达到P20以上，再往下试验比较困难。这正是用电通量指标取代抗渗标号作为混凝土耐久性控制的主要原因。混凝土的电通量主要取决于水胶比，通过大量试验得到规律，一般水胶比小于0.5时基本可满足电通量小于2000

0.45时基本可满足电通量小于1500的要求。

四、高性能混凝土的特点（一）高耐久性能高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性,

而耐久性则取决于抗渗性;抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关。由于高性能混凝土掺加了高效减水剂,其水胶比很低(≤0138),水泥全部水化后,混凝土没有多余的毛细水,孔隙细化,最可几孔径很小,

总孔隙率低;再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后,混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构,

使其≥100μm的孔含量得到明显减少,矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱-

酸盐腐蚀,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。

2.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力（包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在20%粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%30%水胶比不得大于0.45。

3.含气量的要求

含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。实际上，混凝土中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻混凝土的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。因此，客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于2%，并且作为施工质量控制的聚羧酸盐减水剂。一）高耐久性能

高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性,

而耐久性则取决于抗渗性;抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关。由于高性能混凝土掺加了高效减水剂,其水胶比很低(≤0138),水泥全部水化后,混凝土没有多余的毛细水,孔隙细化,最可几孔径很小,

总孔隙率低;再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后,混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构,

使其≥100μm的孔含量得到明显减少,矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱-

集料反应、抗硫酸盐腐蚀,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。

.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力（包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在20%以上时，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%30%水胶比不得大于0.45。

3.含气量的要求含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。实际上，混凝土中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻混凝土的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于2%的必检项目之一。为适当提高混凝土的含气量，并获得较佳的减水和保塑效果，可使用新型聚羧酸盐减水剂。

一）高耐久性能高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性,

而耐久性则取决于抗