高性能混凝土的研究与发展

高 柯 孟云芳（宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

1 高性能混凝土的研究现状与热点

长期以来，混凝土一直被认为是坚固耐久的材料，但实践证明普通混凝土并不总是耐久的。 许多国家当初修建的一些基础设施工程已进入老化期，其维修和更新不仅耗资巨大而且影响社会生产和生活秩序。 因此,如何改善混凝土的耐久性和解决混凝土的脆性问题，配制出工作性能优良、使用寿命长于100年甚至达到200～300年的HPC，成为非常迫切的重要课题。

配制HPC，一般从以下两方面着手:(1)从组成材料入手，改善普通混凝土中各组份材料的性能，并掺加高效减水剂、活性矿物掺合料等外掺料，充分发挥矿物细掺料的减水效应、增浆效应、分散效应、活化效应和微集料效应等作用，使混凝土内部结构更为致密，其混凝土的强度、耐久性以及尺寸稳定性都大幅度提高；(2)进行混凝土配合比优化设计，降低水胶比，减少混凝土内部水份富余量，从根本上减少渗水的通道，使混凝土的抗渗性能提高，其耐久性必然得到提高。各国学者在提高混凝土耐久性，配制HPC 方面作了大量的研究工作。 实验中，普遍采用盐冻剥落量、DF 值、氯离子扩散深度和钢筋锈蚀率4个耐久性参数进行耐久性设计优化。比较优化后混凝土与按传统设计混凝土的性能的优劣，从而确定出耐久性最为优良的高性能混凝土。

2 高性能混凝土材料的结构特征

HPC的特征首先应是具有良好的耐久性。 耐久性可以从HPC 水泥石、结构和界面特征加以表述。从普通混凝土的水泥石的亚微观结构可以看出它直接影响混凝土的性能。 混凝土的强度、体积稳定性都是由水泥石的微观结构决定的。在水泥石中应消灭或尽可能消灭100 nm 以上的有害孔，使水泥石的孔结构对混凝土的性能不造成负面影响。具有最佳孔隙率和最佳水泥结晶度的水泥石才具有最佳的结构。而最佳孔隙率和最佳水泥结晶度又与水泥品种、掺合料种类、养护条件、使用环境等因素有关。所以对不同用途、不同使用部位、不同施工方法、不同使用环境的混凝土应对其材料组成、制备方法都有不同的要求，以取得最佳性能。 界面微结构也是影响混凝土性能的主要因素之一，彻底改善混凝土的界面结构才能达到高性能。 HPC 集料和水泥石的界面应消除如同普通混凝土界面薄弱层，并使其界面粘结强度大于或等于水泥石或集料母体的强度，彻底消除因界面而影响混凝土性能的不利因素。

综上所述，HPC的结构特征如下:

(1)孔隙率低，而且基本上不存在大于100nm的大孔；

(2)水化物中Ca(OH)2减少，C-S-H 和AFt 增多；

(3)未水化颗粒多（H/L 粒子比增大），各中心质间距离缩短，中心质网络骨架得到强化；

(4)消除了集料和水泥石界面薄弱层，使界面强度接近于水泥石或集料强度。

3 高性能混凝土的性能

3.1 耐久性

混凝土的耐久性破坏主要有:冻融循环作用、钢筋锈蚀作用、碳酸盐化作用、淡水溶蚀作用、盐类侵蚀作用、碱-集料反应、酸碱腐蚀作用、冲击、磨损等机械破坏作用等【2】。 绝大多数结构的破坏是由于氯离子侵入混凝土钢筋表面，引起钢筋锈蚀，破坏钢筋与混凝土间粘结力，同时产生膨胀破坏混凝土保护层，导致结构破坏。

目前，对于HPC 耐久性的评定没有统一的指标和方法，对其进行试验和评价基本仍沿用普通混凝土的方法和指标【3】。 对于HPC的耐久性的安全使用期限，HPC 可以保证重要建筑在不利环境中使用100年，在正常环境使用200年，在特殊环境使用300年，而混凝土建筑的使用寿命可以预期达到500年。

3.2 工作性

坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，反应混凝土拌和物在重力作用下的流动和变形能力[5]。HPC的坍落度控制功能好，但由于其在配制过程中加入了减水剂和矿物质超细粉，在与普通混凝土在坍落度相同的情况下，粘度较大，这使其在泵送过程中需施加更大的压力。目前仅采用坍落度尚不足以完全反应HPC的施工性能，但目前尚未有专门针对HPC的检测标准。 在振捣的过程中，HPC粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。 同时，由于HPC的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。

3.3 力学性能

水胶比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，但对于HPC，由于低水胶比下存在搅拌困难、振捣不充分等问题。高效减水剂是HPC 必需成分，其对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。 在HPC 中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，从而使其强度提高。 HPC 对力学性能的要求不仅体现在高强度上，还体现在高强度质量上，即要求强度的分散性小，后期的强度增长稳定。

3.4 体积稳定性

体积稳定性不良的混凝土会产生收缩开裂，使混凝土的抗渗性及其物理、化学、力学性能降低，耐久性下降。 影响混凝土体积稳定性的因素很多，包括水泥颗粒的细度、用水量、骨料情况等。 HPC的干缩随着水胶比的增大而略有增大，骨料情况是影响干缩的最主要因素，骨料的体积含量越大、粒径越大,混凝土的干缩越小，不同种类高效减水剂对干缩的影响也不同，硅粉、粉煤灰等会降低干缩，沸石、页岩灰等灰增大干缩[5]。混凝土在使用过程中会发生徐变，HPC的徐变较普通混凝土明显减低，并随强度的提高，最终单位徐变减小。

4 高性能混凝土的发展趋势

4.1 HPC 向GHPC的转化

粉煤灰混凝土是一种HPC，由于其环保效应，又称为绿色高性能混凝土(GHPC)。 粉煤灰具有三项比较公认的基本效应，即形态效应、活性效应和微集料效应，它使粉煤灰混凝土与基准混凝土(即强度等级相同的普通混凝土)相比，其性能从拌制、施工到硬化整个过程都发生了很大变化，其优异的性能使粉煤灰混凝土成为优质HPC：大大提高新拌混凝土的工作性能，即流动性、粘聚性和保水性；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，GHPC 更多节约熟料水泥，减少环境污染，使得发展GHPC 成为发展趋势。

4.2 UHPC 发展

目前已出现超高性能混凝土(UIt ra High Performance concrete UHPC)，如活性混凝土(ReactivePowder concrete,RPC)。 其特点是高强度、高密实性，以大量纤维增强来克服混凝土材料的脆性。 这种超高性能混凝土造价高，首先用于一些特殊工程，如军事工程、核电站中。 加拿大已将RPC-200 用在了一座桥上，法国准备在一个核废料罐中研究应用RPC。

4.3 智能混凝土

智能混凝土是在混凝土原有的组份基础上复合智能型组份，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。 80年代末【8】，日本土木工程界的研究人员着手开发构筑高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”的智能建筑材料。1993年，美国开办了与土木建筑有关的智能材料与智能结构的工厂。 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和发展打下了基础。

5 结语

HPC 诞生时间虽短、各国研究有限，尚无统一标准和结论，但因其自身优异的性能，已得到迅速发展和一定范围的应用。今后，必须加强对HPC 及其结构性能进行系统研究，完善理论体系，制定相关规范和文件，总结应用经验，优化使用方法，提高使用的有效性和可靠性。 那么，HPC 定能克服现存不足和问题，向更加高效、环保和经济的方向发展，走优质、低耗、高效、可持续发展之路，必将成为混凝土工程的主导材料，在工程实践中得到更为广泛的应用。

[1]黄世敏，刘连新.高性能混凝土的发展及应用[J].青海大学学报，2001，19（6）:39-41

[2]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.27-30

[3]唐建华等.高性能混凝土的研究与发展现状[J].国外建材科技，2006，27（3）：11-15

[4]王子英，张盼吉.高性能混凝土的耐久性[J].山西建筑，2008，34（2）：183-184

[5]初少凤，施养杭.高性能混凝土的研究现状与应用前景[J].低温建筑技术，2007，（6）：4-6

[6]张伟军等.高性能混凝土的应用与混凝土耐久性的发展[J].山西建筑，2007，140：33-35

[7]冯乃谦.高性能混凝土与超高性能混凝土的发展和应用[J].施工技术，2009，38（4）：1-6

[8]刘斌.高性能混凝土的研究应用与发展[J].荆门职业技术学院学报，2003，18（6）：93-95