浅析高性能混凝土在太行山高速公路建设中的应用

李朋雨 肖华仙 刘昌捷 王广洲

（成都华川公路建设集团有限公司，四川 成都 610041）

混凝土自问世以来，经历了强度由低到高乃至超高强的发展历程，人们似乎总是乐于不断地提高其强度，但近年来混凝土结构物因材质劣化导致过早损坏而失效崩塌的事故时有发生，其耐久性问题受到了社会的普遍关注和工程界的高度重视，于是以高耐久性为核心内容的高性能混凝土便应运而生。高性能混凝土的定义目前业界各说纷纭，但公认其核心内容是优异的耐久性，同时兼顾良好的工作性、经济型和适宜的强度。随着我国基建工程速度加快，高性能混凝土在我国的高速铁路、水工建筑、高速公路等领域得到应用，太行山高速公路全线永久性结构物工程也是采用的高性能混凝土施工。

1 高性能混凝土配合比设计原理

普通混凝土以强度作为控制指标，而高性能混凝土以耐久性作为控制指标，以强度为校核指标。在定义耐久性时通常要考虑环境因素，针对不同用途，对耐久性、工作性、强度、体积稳定性和经济性综合考虑。从混凝土劣化实践经验表明：引起混凝土劣化的主要原因都与混凝土渗透性和水分子联系在一起，抗渗性问题是混凝土自身提高耐久性的核心所在，因此，若使混凝土高性能化就必须降低水胶比和单位用水量。混凝土配合比设计的总目标概括为：在通常易得的材料里选择合适的组成材料并确定满足特定要求的最经济组合。配合比设计强调的重点将由过去水胶比-强度关系转化为用水量-耐久性关系，并将推动颗粒填充概念进入混凝土配合比设计方法，而外加剂和矿物掺合料的掺入则可以大大降低拌和所需用水量、改善混凝土界面微观结构，提高混凝土的致密性和抗渗性。因此，高性能混凝土设计的主要技术路径是低水胶比条件下选用优质矿物掺合料和高效外加剂。

高性能混凝土配合比设计基本原则为：①适量掺加优质粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料，尽可能减少胶材中水泥用量；②采用高效外加剂、适量引气，尽量降低的单位用水量；③满足最大水胶比和胶凝材料（最大和最小）用量的要求；④满足碱活性试验和氯离子总含量的要求。

2 高性能混凝土施工控制特点

高性能混凝土的特点是低水胶比、低用水量、高矿物掺合料、复掺外加剂，其在施工质量控制、养护等方面都与普通混凝土不同。低水胶比、低用水量决定了混凝土黏性变大，在拌制、运输、浇筑、振捣工艺上要求更加严格控制。高矿物掺合料要求高性能混凝土的养护必须到位，相比较普通混凝土对养护更敏感，对矿粉、粉煤灰混凝土潮湿养护分别要14 d和21 d才能达到预期效果，否则易出现表面掉面、耐磨性差、回弹强度低等；复掺外加剂要求搅拌时间必须延长，外加剂用量很小，若不能保证搅拌时间，根本分散不开，使混凝土均匀性变差。总之，高性能混凝土相比普通混凝土在施工过程中要特别强调：（1）延长搅拌时间，保证时间≥120 s；（2）严格控制混凝土振捣分层厚度不大于30 cm，振捣棒插捣间距适当缩小；（3）适当延长振捣时间，并注意二次振捣和二次搓压表面；（4）振捣完成后及时覆盖保湿，尽早进行养护并延长养护时间。

3 高性能混凝土技术分析

3.1 工作性良好，易于泵送施工

混凝土泵送是提倡采用的施工方法，该方式运料速度快、易布料、便于保证混凝土下料入仓后的匀质性。本工程配比的混凝土经检测粘聚性良好、设计坍落度大（160～200 mm和180～220 mm两种，扩展度≥420 mm），能够很好地满足泵送施工，施工效率高。

3.2 耐久性优异，延长混凝土使用寿命

高性能混凝土不仅具备了普通混凝土所有的力学性能，还具备其所欠缺的耐久性能，如高填充性、抗渗性、抗侵蚀性和体积稳定性等，高耐久性是高性能混凝土区别于普通混凝土的最大特点。高性能混凝土与普通混凝土技术指标对比如表1所示。

表1 高性能混凝土与普通混凝土技术指标对比

3.3 存在的应用技术问题

高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优势，但在应用施工中也存在所有混凝土共有的问题，即混凝土抗裂收缩的问题。不均匀地收缩将在混凝土制品和构件中产生内应力，甚至发生裂缝，影响其质量和耐久性。因此，改善高性能混凝土的抗裂性也是高性能混凝土使用中需要研究的另一个问题。

表2 不同混凝土材料成本分析表

4 高性能混凝土的经济分析

4.1 成本对比分析

以C30混凝土为例，采用高性能砼、集中拌制普通砼以及现场拌制的普通混凝土砼三个配合比进行成本分析，材料单价采用工程当地市场供应到货价格，对三者做混凝土材料成本的比对分析如表2所示。

从表2中的数据对比分析来看，在考虑拌制、运输、浇筑条件基本相同的情况下，高性能砼相比采用现场（或集中）拌制的普通砼，成本都有较大幅度地降低。分析主要原因：高性能混凝土虽然增加了粉煤灰、矿渣粉和高性能减水剂，但降低了水泥用量和总胶凝材料用量，反而使其经济成本得到了降低。仅就混凝土原材料单价而言，本项目全线水泥混凝土总量约170 万m3，采用高性能混凝土可节约成本4 740 万元。高性能混凝土较普通混凝土对原材料质量、施工过程控制、养护条件等管理要求更加严格和精细化，会适当地增加部分管理成本，但管理要求对二者并无本质区别。因此，综合来看高性能混凝土从经济、使用效益来看价值更高。

4.2 寿命周期成本分析

混凝土成本是一个综合概念，而非只是用最便宜的材料组成最低成本的混凝土，因为这往往隐藏着巨大的质量风险，这需要跳出其原材料的桎梏，以系统的角度来看待混凝土工程。在工业发达国家，据估算，建筑业约40%的资源都用于修复和维护既有结构，仅60%用于新建。美国学者形象地用“五倍定律”说明了耐久性的重要性，砼结构使用中的维修、更新成本远高于建造成本，迫使工程建设中日益重视寿命周期费用而非初始造价。即使高性能混凝土与普通混凝土初始建造成本相当，高性能混凝土也会因其优良的耐久性能在使用中省去大量修复、维护费用，寿命周期内费用显著低于普通混凝土的相关费用。对于河北太行山高速公路这种采用社会资本与政府资本参与的PPP模式项目，其对整个工程的维护成本和寿命周期更加注重，因此，使用高性能混凝土的意义更显得格外重要。

5 结语

高性能混凝土目前已经在工程各个行业应用，在节能、节料、工程经济及环境保护方面具有重要意义，是国内外工程界研究的热点。其在降低水泥用量的同时，掺合料利用工业废渣进行循环再利用，有重要的环保意义和社会价值，是一种绿色的材料符合社会和行业发展的趋势。同时，在强度、耐久性、工作性和经济性方面也具较大优势。可以预见，高性能混凝土将凭借其优异的综合性取代普通混凝土，成为未来较长一段时间内混凝土发展的主要方向。