高效能混凝土现状分析

张冬原

摘   要：文章从高效能混凝土的定义与认知、高效能混凝土的研究与应用现状以及针对高效能混凝土研究的相关问题这3个方面进行深入的分析和探究。

关键词：混凝土;高效能;发展现状;问题探究

高效能混凝土是二十世纪八九十年代被国外专家学者提出的一种混凝土新概念，是建立在混凝土结构耐久性设计基础之上的。因此，高效能混凝土的一个显著特征和优势就是混凝土的耐久性，相关调查和研究证明，高效能混凝土可以确保基础设施工程保持至少百年以上的使用寿命。除耐久性这一优势外，高效能混凝土还具有高强度、高工作性和高体积稳定性等诸多优势，这都是传统混凝土不可替代的优点。笔者结合自己多年相关工作经验，就此议题展开具体阐述。

1    高效能混凝土的研究背景分析

近些年来，全世界范围内各个领域的建筑工程结构的发展都对混凝土提出了更高的效能要求，必须正视现实生活中出现的建筑问题。受各种因素的影响，各类建筑物都出现了不同程度的劣化和退化现象，一些建筑物甚至在使用寿命达到极限之前就已经完全失效了。这些问题的出现所带来的负面影响远不止于经济层面，这将导致整个产业链条的脱节，随之而来的问题涉及资源、环境、生态甚至政治层面。因此，加强对高效能混凝土的研究工作势在必行。必须通过不断创新与升级提升混凝土的整体效能，全面提升混凝土的各项效能指标，借助高效能混凝土确保建筑工程的整体质量。

在建筑工程中，混凝土是用量最大的人造材料代表之一，因此，需要充分考虑混凝土生产、制造以及应用过程中可能会对人们赖以生存的生态环境造成的影响。众所周知，之前的混凝土原材料基本都取自于天然资源，通常是1 t水泥配置0.6 t的纯净水、3 t左右的石子以及2 t左右的砂，而每生产1吨的硅酸盐水则需要搭配1.5 t的石灰石和大量的燃煤和电能，大概会排放出1 t左右的二氧化碳，大大增加了空气中二氧化碳的含量，加剧全球变暖的速度。生产混凝土与生产其他建筑材料相比，其无论是在能源消耗还是在生态污染层面的影响都相对较小，因为混凝土自身可以算作是洁净材料，可是任何一种建筑工程都需要大量的混凝土作为材料支持，这就意味着生产混凝土必须开采大量的砂石、矿石、石骨料等，必然会在很大程度上影响资源的可持续利用，使传统混凝土的质量和效能不能得到有效保障，混凝土材料在长时间的应用过程中逐渐暴露出很多问题，严重影响建筑工程的正常使用寿命。

所以，现在的高效能混凝土研究工作必须立足实际情况，正视当前混凝土建筑工程中出现的各种问题，尽可能借助各种先进技术和设备的力量减少水泥的使用量，尝试应用各种各样的工业废渣、废料作为替代材料。与此同时，在高效能混凝土的研究工作中，还应高度重视废弃混凝土的再生利用工作，竭尽全力确保未来建筑工程中所使用混凝土的高效能，提升混凝土的耐久性和强度，高效能混凝土的使用不仅可以有效提升建筑工程的整体质量，更重要的是，可以在很大程度上节省各类资源，对整个自然圈和社会圈的可持续发展都能起很大的推动作用。

2    高效能混凝土的定义和认知分析

虽然高效能混凝土从出现到应用的时间并不长，但高效能混凝土已经凭借自身强大的优势逐步取代传统的混凝土，全世界范围的专业领域都在不断加强对高效能混凝土的研究，高效能混凝土时代指日可待。下面是国内外给予高效能混凝土的几个代表性定义：

（1）最具代表性的定义是在美国国家标准与技术研究所与美国混凝土协会合力召开的讨论会上提出的，高效能混凝土的定义是：满足一些特性需求的匀质混凝土，经过严格的施工，采用优质材料配制的，便于浇捣，不离析，力学性能稳定，早期强度非常高，具有韧性和体积稳定性等耐久性能的混凝土。高效能混凝土在桥梁、高层建筑以及暴露在严酷环境中的建筑结构等领域的应用效果非常理想。

（2）国内对高效能混凝土给出的最具代表性的定义来自吴中伟院士。他认为高效能混凝土指的是一种新型高技术混凝土，其不但超越普通混凝土的性能，而且采用的是优质材料和先进混凝土技术，在非常严格的质量管理条件下制作而成的混凝土。高效能混凝土最主要的设计指标当以耐久性莫属，此外，高效能混凝土与普通的混凝土相比，在其他性能方面也均占有優势，诸如工作性、强度、适用性、经济性以及体积稳定性。

3    高效混凝土的研究与应用现状分析

表1是关于几个代表性国家对高效能混凝土的研究与应用情况的对比与总结。

当前国际对高效能混凝土的认可程度非常高，其广泛认识到高效能混凝土所具备的强耐久性、高强度以及高工作性等优势。高效能混凝土在实际应用过程中也展现出非常高的应用价值，同时也体现出非常显著的经济效益。目前，高效能混凝土在全世界范围内都得到了充分认可，世界上多个国家也在不断加强对高效能混凝土的研究，并且很多国家都取得了非常理想的研究成果。以美国、法国、加拿大、日本等发达国家为代表的多个国家都选择将高效能混凝土看作跨世纪的新材料，一直都在不断加大对高效能混凝土资源的投入力度，包括财力、物力、人力等多方面的资源。高效能混凝土的确与现阶段的生产发展以及科学技术有着高度的一致性和适应性，其也将会成为未来混凝土技术领域的重点研究方向。

4    高效能混凝土研究工作中出现的代表性问题分析

4.1  关于高效能混凝土的高强度解析

最开始的高效能混凝土研究工作曾经一度追求高强度。研究认为高效能的混凝土强度越高，其耐久性会更长，高效能混凝土的强度与耐久性在一定情况下呈正比。但是，这不是绝对的，而是片面的。因为高效能混凝土的耐久性不只有强度这一影响因素，而且现在高效能混凝土中也包含着中等强度的混凝土。关于如何界定高效能混凝土的高强度问题，还需要得到进一步的研究和验证。

4.2  高效能混凝土的开裂问题解析

其实，我国一些大型混凝土企业已经具备提供超高强混凝土的能力，可是在高效能混凝土应用过程中却不断出现结构开裂或者是早期开裂的问题。之所以出现这些问题，其原因主要在于高效能混凝土在配制中一般会掺入大量的高胶凝材料、活性掺合料等物质，这些物质的掺入会使高效能混凝土在内部结构和硬化特点层面和之前应用的普通混凝土产生非常大的差异，最终导致高效能混凝土在早期容易出现开裂或者是体积稳定性差的问题，其耐久性也会因此受到影响。

5    高效能混凝土的具体研究内容和方向分析

5.1  高效能混凝土原材料的选择与配置研究

众所周知，在高效能混凝土中，最核心的原材料便是水泥。现阶段制作混凝土时采用的都是传统的水泥，传统水泥自身存在很大局限，在很大程度上影响混凝土制作质量和使用效率。因此，当前关于混凝土主要原材料之一的水泥原料的研究工作，更加看重水泥和外加剂的相容性能和效果，会更倾向于选择使用硅酸盐水泥，硅酸盐水泥中C3A含量相对较低。

现阶段，全世界范围内诸多国家也在积极致力于对新型高性能水泥的研究，比如，日本的小野田水泥公司正在和清水建设共同研究一种新型的水泥，即球状水泥。这种水泥要比之前制作混凝土所使用的普通水泥拥有着更加优越的物理力学性能。球状水泥，顾名思义，就是将水泥粒子加工成球的形状，之前所使用的传统水泥基本上都是以碎石型为主。球状水泥的应用可以大大提高混凝土的强度、流动性以及耐久性，其应该归属于高性能水泥范畴。之前意大利的一家水泥厂也生产出一种塑形非常强的水泥，这种水泥是在意大利525型硅酸盐水泥生产时掺入超塑化剂制成的，该水泥最大的优势和特性在于其在提高混凝土流动性层面有非常显著的作用。瑞典也研制出了一种新型水泥，其是利用中热水泥、硅灰和超塑化剂研制出了一种强力改性水泥，其优势和特点在于，使用这种水泥可以在极大程度上降低水灰比，制作出来的混凝土的强度和性能却非常理想。

5.2  高效能混凝土外加剂和矿物掺合料的研究

众所周知，在生产和制作高效能混凝土的过程中必然离不开各种外加剂和矿物掺合料，因此，外加剂和矿物掺合料的研究，也是高效能混凝土研究工作中非常重要一项的内容。当前世界各国都在积极加强对高效能混凝土外加剂和矿物掺合料的研究，目前已经取得一些较为理想的研究成果，诸如萘系、多羧酸系、三聚氰胺系及氨基磺酸系等系列高效减水剂、AE型引气剂等。这些研究成果在实际应用过程中也呈现出比较理想的效果，其在提高高效能混凝土的耐久性、强度等方面都呈现出极高的利用价值。

在矿物掺合料研究工作中，现阶段也已经研制出了一系列高效、优质复合型矿物掺合料，且已经全面投入到高效能混凝土的制备工作当中去。

5.3  高效能混凝土配合比设计的研究

在高效能混凝土的设计目标中，最首要的衡量指标便是混凝土的耐久性能。目前，在高效能混凝土研究工作中，最受关注的一项内容也是高效能混凝土的配合比设计。现阶段，世界各国在此研究工作中都已经获得了比较理想的成果，比如，法国路桥实验中心建议的有关高性能混凝土设计方法、P.K.Mehta和Aitcin推荐的高强度高性能混凝土配合比确定方法、日本阿部道彦采用的高性能混凝土配合比計算方法等，这些具体计算方法的实际应用效果也得到了很好的验证。

高效能混凝土配合比设计必须要保持对原材料质量和配合比参数变化的敏感意识，一定要全力提高配合比计算的精确性，一处很小的参数差别都可能造成非常大的影响，进而影响到高效能混凝土各项指标的实践效果。

6    结语

综上所述，现阶段，有越来越多的国家对高效能混凝土表示出了更高的关注程度，高效能混凝土作为新材料研发的重要对象获得了非常多人力、物力、资源的支持，相信伴随着研究工作的不断深入，高效能混凝土的应用空间和应用价值将会得到更大的提升。

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