高性能混凝土的研究与发展现状

朱立伟

一、高性能混凝土产生的背景和研究现状

（一）背景

随着大跨、高层、海洋、军事工程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、退化导致过早失强度、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料保护环境， 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，不得不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自然资源。每用1t水泥，大概需要0.61t以上的洁净水，2.1t砂、3.1t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1.6t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1.2tCO2，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，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

进入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。相对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论和经验模式，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。目前，高性能混凝土的发展有以下几个大方向：

（1）绿色高性能混凝土

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，极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，成为绿色环保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，其特點是高强度，抗压强度高达300MPa，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。

（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。随着损伤自诊断的混凝土、温度自调节的混凝土、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一定基础。

二、高性能混凝土的性能研究

与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：

1.耐久性

高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，减少混凝土内部得空隙，能够有效的减少用水量能够使混凝土结构安全可靠地工作50年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。

2.力学性能

由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，在高性能混凝土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，提高混凝土密实度，提高强度。

3.经济性

高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；高性能混凝土良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究发现用C110～C137的高性能混凝土替代C40～C60的混凝土，可以节约15%～25%的钢材和30%～70%的水泥。虽然高性能混凝土本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。

三、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较高耐久性， 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（≤0.138），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。

（二）高工作性能

高性能混凝土具有良好的流变学性能， 高流动性，不泌水，不离析，能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性，对于某些结构的特殊部位（如梁柱接头等钢筋密集处）还可采用自流密实成型混凝土，从而保证该部位的密实性，这样就可以减轻施工劳动强度，节约施工能耗。

四、高性能混凝土的发展前景

随着高性能混凝土的开发和应用， 建筑对生态环境产生的影响正引起社会的关注。建筑物在建造和运行的过程中需消耗大量的自然资源和能源，并对环境产生不同程度的影响。21世纪，提出了绿色混凝土的概念：1）节约资源、能源；2）不破坏环境，更有利于环境；3）可持续发展， 既要满足当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力，应大力开展绿色高性能混凝土的研究和应用高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，对混凝土的发展将起重要作用， 并为高性能混凝土的发展指明了非常明确的方向。中国高性能混凝土发展形势一片良好，但是要使高性能混凝土在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程。随着我国建筑基础建设的不断增强，高性能混凝土必将成为新世纪的重要建筑工程材料。基于上述特点，高性能混凝土成为我国混凝土技术的主要发展方向。