高性能混凝土的研究和发展现状

李业斌　朱朝艳　王建华　杜松遥

(1.辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州　121001；　2.锦州市大通公路勘察设计院，辽宁 锦州　121004)



高性能混凝土的研究和发展现状

李业斌1朱朝艳1王建华2杜松遥1

(1.辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州121001；2.锦州市大通公路勘察设计院，辽宁 锦州121004)

介绍了高性能混凝土的概念和发展现状，从力学性能、耐久性、经济性等方面，阐述了高性能混凝土的性能特点，并结合其在工程中的应用现状，预测了高性能混凝土的发展方向。

高性能混凝土，力学性能，耐久性，发展趋势

0　引言

以波兰特水泥为胶凝材料的混凝土的应用到目前为止已经有100多年的历史了[1]。理论上讲在50年至150年内波兰特水泥混凝土结构都可以正常使用，但目前的混凝土结构显然达不到这个理论值，混凝土的破坏问题已经相当普遍。因此，现代社会迫切需要具备更高耐久性、更高强度的混凝土。十八大召开以来，国家大力提倡建立绿色节约环保型社会，这就对建筑业提出了更高的要求。高性能混凝土(High Performance Concrete,HPC)是解决这些问题的好方法，其发展前景非常广阔。

高性能混凝土是基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新理念的混凝土。不同于旧理念混凝土，它以耐久性为主要设计目的而不再单一地追求强度，这正是混凝土材料研究的进步[2]。HPC由普通砂石、掺合料和高性能外加剂组成，具有高耐久性、高强度、高工作性和高体积稳定性等特性，目前在国内外许多重大工程中得到大量应用。

1　高性能混凝土的概念和发展现状

高性能混凝土自诞生至今已有十几年的历史了，目前国内外尚没有对其有统一的定义。

1998年美国ACI将高性能混凝土定义为：“高性能混凝土是符合特殊性能组合和均质性要求的混凝土”[2]。也就是说当混凝土的某些特性是为某一特定的用途和环境而制定时就是高性能混凝土。在我国，著名的科学家吴中伟院士[3]提出：高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土的性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的首要目标，针对不同用途要求，对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。

自高性能混凝土被认知后，许多国家都对其投入了巨大的人力、物力进行研究，随着政府政策的支持和科学技术的进步，研究的进程也逐步加快。欧美等发达国家最早开始对高性能混凝土的研究，显然这些国家在HPC的应用上也走在了世界的前列。其中，加拿大在建筑工程中大量应用大掺量粉煤灰混凝土；英国、法国将HPC应用在建设海峡隧道和机场上[4]；德国对C110级高强混凝土的应用已经相当熟练并建立健全了相应规范，这是世界上其他国家所不能及的[5]；美国政府拿出2亿美元支持将高性能混凝土应用在基础设施建设中[6]。

我国高性能混凝土的研究与外国相比起步较晚，起初也并没有在全国范围内展开，而是由部分科研单位和高校带头开始[1]。通过多年的努力，我国在高性能混凝土的性能研究上已基本追赶上世界的脚步。目前HPC在我国主要应用在超高层、高铁、跨海大桥等对使用安全寿命要求高或是处于恶劣环境中的重点工程[7]。为了推广和规范HPC的使用，国家各行业近几年也制定出了一些相应的规范。早在2002年，国家质量监督检验检疫总局制定了GB/T 18736—2002高强高性能混凝土用矿物外加剂标准，中国建设标准化协会于2006年编制了CECS 207—2006高性能混凝土应用技术规程。

2　高性能混凝土的性能研究和应用现状

2.1性能研究

1)力学性能。

由于混凝土的不均匀性，所以影响混凝土强度的因素有很多，诸多因素中水胶比是最重要的。水胶比与强度一般成反比，在其他条件不变时水胶比越小强度越大。相比普通混凝土，高性能混凝土具有更高强度的原因是：高性能混凝土中高效减水剂的使用大大减少了用水量，在水泥和掺合料用量不变的情况下降低了水胶比。除此之外，高性能混凝土对粗细骨料的粒径要求更为严格，配制出更理想的颗粒级配。并且，高性能混凝土掺入粉煤灰等矿物超细粉来替代部分水泥，不仅增加粘聚力还可以填充水泥间的空隙[2]。这两点通过增强混凝土的密实度进一步提高了混凝土的强度。

2)高耐久性。

混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等内容，研究起来相当复杂。Neville[8]指出：耐久性是指一定的混凝土结构在规定的或预期的服务寿命期限内，保持设计所需要功能的性能，也就是说耐久性是相对于一定环境条件而定的。

高性能混凝土通过掺加的掺合料和外加剂有效提高了强度和抗裂抗渗等性能。比如超细粉的填充作用和高效减水剂的减水作用可以提高混凝土的密实度，超细粉本身也可以增强混凝土的后期强度，纤维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实、钢筋的电化学腐蚀也难以进行，钢筋不易锈蚀[8]。高性能混凝土因为有矿物掺合料的掺加和低水胶比，故几乎不考虑碱骨料病害[9]。综上所述，高性能混凝土具有高耐久性。

3)高工作性。

在工程建设过程中，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动性、粘聚性和保水性，这三种性能相互影响。一般来说流动性越好保水性就会差一点，流动性用坍落度等指标来测定，粘聚性和保水性的好坏则是在测流动性的同时由经验判断。

大量的实验证明HPC由于高效减水剂和矿物超细粉的使用使其获得较大的坍落度[10，11]，因此HPC具有良好的工作性，这为HPC在大型工程及复杂工程中的应用提供了有利条件。

4)经济性。

高性能混凝土具有高耐久性，可以延长建筑物的安全期，避免重复建设和减少后期维护费用，节省大量资金。在拌制混凝土的过程中适量掺入了粉煤灰等掺合物，有效利用了废弃资源，既保护了环境又提高了资源的利用率。高强度能够在保证结构稳定性和可靠度的前提下减小构件的尺寸，合理利用资源、减轻结构自重。即使高性能混凝土本身造价比较高，但综合比较后，HPC仍然是很经济的建筑材料。HPC能更好地满足未来建筑的发展需求，更好地延长建筑使用寿命，降低成本。

2.2应用现状

直到现在，高性能混凝土已在建筑领域有了大量的应用。国际上，法国西瓦克斯核电站2号反应堆壳采用了C50高性能混凝土，美国加州大学伯克利分校建造的会堂所用的混凝土大量掺入粉煤灰至少代替了50%的水泥。在我国，高性能混凝土近几年也得到了相应的应用，香港青马大桥桥塔在浇筑时使用掺加矿物超细粉的高性能混凝土，90 d后强度达到了100 MPa，不仅方便了施工而且满足了强度要求。正在建设的厦漳大桥也在尝试使用HPC。除此之外，“水立方”、首都机场、上海金融环球中心等工程也都大量应用了高性能混凝土。

并不是所有的应用都是成功的。很多研究表明高性能混凝土的耐火性显著不如普通混凝土。正是因为这个原因，英吉利海峡隧道火灾和杜塞尔多夫机场火灾给人们带来了严重的财产损失[4]。当然，就耐火性而言HPC并没有像媒体报道的那么差，其仍然是一种安全的建筑材料。

3　高性能混凝土的发展预测

高性能混凝土优良的性能决定了它必定是混凝土行业的未来，定会在建筑领域得到更广泛应用，并逐步向绿色、超高强、自密实和智能化发展[12]。现代人们需要建设“绿色”型社会，绿色高性能混凝土可以将废弃资源变废为宝，这给它的发展带来了良好的机遇。超高强混凝土是目前市场上急需的，可以节约资源、减轻结构自重，获得更大社会效益。自密实混凝土的研究目前是比较多的，它可以加快施工速度，消除振捣噪声[13]。研究表明对HPC引入引气剂能否提高其抗冻性现在仍有争议[4]。所以，对HPC抗冻性的研究仍有大量工作要做。

在我国高性能混凝土面临最大的问题是难以大范围推广应用。如果说HPC是混凝土的革命，那么HPC的推广就会带动整个行业的革命。如果没有严格的生产、浇筑、养护过程就得不到高性能混凝土，这就需要整个行业的共同监督[14]。随着砂、石、水泥生产原材料等资源的短缺，在提升技术、节约资源上又对科学工作者提出了更高要求。当然，目前还需要研发出更高效、适应性更好的减水剂，虽然困难重重，但前景依旧光明。

4　结语

高性能混凝土以高耐久性、高强度、高工作性(“三高”)被誉为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寿命、保护环境、提高资源利用率、降低生产成本并减少后期维护费用，获得更大的综合效益。即使目前高性能混凝土仍然存在一定问题，但它依旧是混凝土未来发展的重要方向，将来定会在建筑领域大量应用，推动建筑业的大发展。

[1]张敏,刘玉玲.浅谈高性能混凝土的应用与发展现状[J].桥梁工程，2012,5(89)：74-76.

[2]刘娟红,宋少民.绿色高性能混凝土技术与工程应用[M].北京:中国电力出版社,2010.

[3]吴中伟.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

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

[5]王振军,陈平,尚纪歌.绿色高性能混凝土的耐久性研究进展[J].混凝土，2009(11)：212-215.

[6]陈家辉.高性能混凝土应用现状及其前景[J].广东土木与建筑,2000(5)：7-9.

[7]成厚昌.高性能混凝土的力学性能分析[J].重庆建筑大学学报,1999,21(3)：41-43.

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

[9]余红发,刘俊龙,张云升,等.高性能混凝土微观结构及其高耐久性形成机理[J].南京航空航天大学学报,2007,39(2)：312-314.

[10]李崇智,何光明.绿色高性能混凝土工作性的简易量化及其意义[J].科技导航,2011(31)：72-74.

[11]李清富,薛延信,张海洋.不同掺合料对高性能混凝土工作性能影响的实验研究[J].混凝土,2012(1)：32-35.

[12]冯丽娜.高性能混凝土发展现状与展望综述[J].河南建材,2011(2)：107-109.

[13]杨欢,牛季收.自密实高性能混凝土的研究现状[J].硅酸盐通报,2015,34(10)：55-56.

[14]阎培渝.高性能混凝土的现状与发展[J].专家论坛,2014(66)：51-55.

[15]唐建华,蔡基伟,周明凯.高性能混凝土的研究与发展现状[J].国外建材科技,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

李业斌(1992- )，男，在读硕士；朱朝艳(1968- )，女，教授

TU528

A