高性能混凝土應(yīng)用與改善性研究

肖志強 齊幸寶

摘要：建筑工程結(jié)構(gòu)中混凝土可謂是最主要的材料，對混凝土的性能研究可以直接關(guān)系到建筑工程的質(zhì)量和壽命。本文介紹了新型高性能混凝土的概念及其應(yīng)用中所遇到的問題及改善措施，并對這種材料的應(yīng)用前景予以展望。

關(guān)鍵詞：建筑 土木工程 高性能混凝土

近些年來，我國改革開放和現(xiàn)代化建設(shè)的步程日漸加快，建設(shè)規(guī)模也日益增大，工程質(zhì)量與工程結(jié)構(gòu)的耐久性越來越受到人們的廣泛關(guān)注。在眾多的土木工程建設(shè)中，混凝土是最主要的建筑結(jié)構(gòu)工程材料，使用范圍之廣，應(yīng)用之多也體現(xiàn)出了其不可替代性。當前，高性能混凝土得到了較為快速的發(fā)展并且逐漸運用到各種工程項目。

一、高性能混凝土產(chǎn)生的背景

我國目前正處在高速發(fā)展時期，每年的混凝土用量逾30億立方米，一批重點工程正在興建和籌劃，跨海跨江的大型橋梁、飛速建設(shè)的高速鐵路、大型飛機場等都要求混凝土有良好的耐久性能，確保重點工程混凝土的安全性和長壽命。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是國際工程界關(guān)心的重大課題，全世界因為混凝土的耐久性造成的經(jīng)濟和社會損失十分巨大。

當代大跨、高層、海洋、軍事工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展對混凝土提出的更高的要求；處在惡劣環(huán)境下既有建筑不斷劣化、退化導(dǎo)致過早失效、退役甚至出現(xiàn)惡性事故造成巨大損失的嚴重后果；原材料生產(chǎn)、開采造成的生態(tài)環(huán)境惡化以及砂石料枯竭、資源短缺嚴重影響進一步發(fā)展的嚴酷現(xiàn)實。這就要求混凝土不斷提高以耐久性為重點的各項性能，多使用天然材料及工業(yè)廢渣保護環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展的道路，高性能混凝土就是在這種背景下出現(xiàn)并逐步完善與發(fā)展的。

二、高性能混凝土的概念

高性能混凝土是近20余年發(fā)展起來的一種新型混凝土。高性能混凝土應(yīng)該有高耐久性、工作性、各種力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性以及經(jīng)濟合理性 。歐洲混凝土學(xué)會和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會將HPC定義為水膠比低于0.40的混凝土；在日本，將高流態(tài)的自密實混凝土稱為HPC；中國土木工程學(xué)會高強與高性能混凝土委員會將HPC定義為以耐久性和可持續(xù)發(fā)展為基本要求并適合工業(yè)化生產(chǎn)與施工的混凝土。簡單地說，高性能混凝土就是能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求的混凝土，能最大限度地延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限，降低工程造價。

三、高性能混凝土發(fā)展和應(yīng)用中所面臨的問題

在高性能混凝土的應(yīng)用過程中也存在一些問題，在高性能混凝土的原材料方面，我國水泥質(zhì)量不穩(wěn)定，離散性大；在骨料方面，粗骨料質(zhì)量低劣，含泥量大，級配較差，細骨料細度模數(shù)不合要求；在外加劑和外摻料的選擇上，尚缺乏充分的適用性的研究。在高性能混凝土的施工過程中，施工人員的技術(shù)水平有限，養(yǎng)護措施不到位，使HPC的密實性和質(zhì)量不穩(wěn)定；在高性能混凝土的耐久性方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸發(fā)與凝聚而產(chǎn)生的收縮，使混凝土表面產(chǎn)生裂縫，這對HPC的抗碳化、抗凍融循環(huán)作用以及抗氯離子擴散等都是不利的，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后長期處于水中時，水分通過微管擴散到內(nèi)部，未水化的水泥粒子進一步水化，產(chǎn)生微膨脹也會使混凝土表面產(chǎn)生裂縫，為各種有害介質(zhì)滲透提供通道，給氯離子侵入、堿骨料反應(yīng)的發(fā)生和鋼筋銹蝕創(chuàng)造可能；在高性能混凝土的設(shè)計方面，由于高性能混凝土的后期強度增長不及普通混凝土，而且脆性大，需要特別注意。同時，在高性能混凝土的研究方面，現(xiàn)在的研究以實驗室研究為主，但是實驗室的情況與實際工況相差較大，這不利于今后高性能混凝土的推廣應(yīng)用。

四、高性能混凝土應(yīng)用改善對策分析

1.混凝土的自收縮改善措施

近年來，國外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強混凝土、高性能混凝土存在早期收縮開裂的問題。其原因是由于在低水灰比或水膠比并摻入較多的具有相當活性的礦物細摻合料的混凝土中會產(chǎn)生自干燥從而引起混凝土的自收縮，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷而產(chǎn)生微裂縫。自收縮對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴展造成的損傷是一個值得重視的問題。

由于硬化后高強或高性能混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時，也阻礙了外部養(yǎng)護水對混凝土的濕養(yǎng)護作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護措施來改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無明顯的效果。國內(nèi)外學(xué)者曾提出一些技術(shù)措施如：摻入一定量的膨脹劑；以部分粉煤灰等量取代水泥；配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對降低混凝土的自收縮都有一定的作用效果。最近，國外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時，盡快地立即進行水霧養(yǎng)護，對減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的作用效果。

混凝土的自收縮一般發(fā)生在混凝土初凝之后。由于硬化后高強或高性能混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時，也阻礙了外部養(yǎng)護水對混凝土的濕養(yǎng)護作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護措施來改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無明顯的效果。國內(nèi)外學(xué)者曾提出一些技術(shù)措施如：摻入一定量的膨脹劑；以部分粉煤灰等量取代水泥；配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時，盡快地立即進行水霧養(yǎng)護，對減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的效果。

2.高性能混凝土脆性改善措施

混凝土的脆性可以描述為混凝土無法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴展與增長。從混凝土承受軸向壓荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，峰值后下降曲線段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。眾多的試驗已表明，混凝土的強度愈高，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線過峰值后的下降段曲線愈陡斜，意思就是該混凝土的脆性愈大。因此，高強混凝土的脆性已引起廣泛的重視，而高強的高性能混凝土也同樣呈較大的脆性。在高強度混凝土中的脆性破壞，其裂縫往往貫穿粗集料。由于高性能混凝土能提高集料與硬性水泥漿體的粘結(jié)，即改善了界面過渡區(qū)，也使脆性有所增大。中等強度的高性能混凝土，雖然脆性比高強混凝土有所降低，但是其脆性仍然是個問題。

混凝土脆性的增大會給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來很大的危害。在高性能混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。免振自密實混凝土是近十多年來由日本首先研究開發(fā)并付諸工程應(yīng)用的一項近代混凝土技術(shù)。由于免振自密實混凝土在工程上應(yīng)用可以取得提高混凝土質(zhì)量、改善混凝土施工操作、養(yǎng)活施工噪音以及提高勞動生產(chǎn)率、加快施工進度降低工程費用等技術(shù)經(jīng)濟效果，近年來世界各國對此給予很大的重視與關(guān)注。

五、高性能混凝土的未來

隨著高性能混凝土的開發(fā)和應(yīng)用，建筑對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響正引起社會的關(guān)注。建筑物在建造和運行的過程中需消耗大量的自然資源和能源，并對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。高性能混凝土的未來會隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，逐漸形成用途多元化的發(fā)展方向。其中綠色混凝土、生態(tài)混凝土、導(dǎo)電混凝土、功能混凝土、智能混凝土等就是未來混凝土的主要發(fā)展方向。大力開展綠色高性能混凝土的研究和應(yīng)用高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優(yōu)良性能，對混凝土的發(fā)展將起重要作用，并為HPC的發(fā)展指明了非常明確的方向。

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