淺析高性能混凝土的特點(diǎn)及其工程應(yīng)用

摘要：從混凝土的組成引出高性能混凝土的形成機(jī)理，介紹了水灰比、礦物摻合料及高效外加劑對(duì)高性能混凝土的作用，歸納了高性能混凝土的性能特點(diǎn)及工程應(yīng)用，并提出了高性能混凝土在研究和應(yīng)用領(lǐng)域存在的不足。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土，機(jī)理，特點(diǎn)，工程應(yīng)用

1990年5月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)與美國混凝土協(xié)會(huì)(ACI)召開會(huì)議，首次提出“高性能混凝土（High performance concrete，HPC）”概念[1]，與傳統(tǒng)的混凝土相比，高性能混凝土以其優(yōu)良的耐久性、工作性和強(qiáng)度特點(diǎn)，已經(jīng)成為惡劣環(huán)境條件下建設(shè)重大土木工程所必須的主要結(jié)構(gòu)材料，目前正被廣泛的應(yīng)用于各種大跨度、服役環(huán)境惡劣的橋梁、碼頭、大壩、高鐵等基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效益。

1、高性能混凝土的機(jī)理

我們知道，大多數(shù)固體材料的理論強(qiáng)度為0.1 E～0.2E（E為彈性模量），而實(shí)際強(qiáng)度僅為0.0001 E～0.0002E，造成這種差距的原因是實(shí)際材料中存在著許多結(jié)構(gòu)缺陷。硬化混凝土材料主要由硬化水泥漿體、界面過渡區(qū)和骨料三個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1硬化混凝土的結(jié)構(gòu)組成

混凝土的性能則由上述三個(gè)部分的性質(zhì)、各部分之間的關(guān)系及整體的均勻性所決定，其中，硬化水泥漿體是最為基本。硬化水泥漿體主要由水泥的水化產(chǎn)物、未水化水泥顆粒或礦物摻合料顆粒、孔隙和水組成?；炷恋膹?qiáng)度理論上取決于水泥水化產(chǎn)物或骨料中最弱顆粒的強(qiáng)度。因此要從原理上提高混凝土的強(qiáng)度，關(guān)鍵問題是減少基體中的孔、微裂紋和大且弱的晶體結(jié)構(gòu)，而且還要改進(jìn)集料界面過渡區(qū)的強(qiáng)度與質(zhì)量。

作者介紹：沈開敏（1964.10-），安徽省龍河口水庫管理處，本科，工程師，主要從事水利工程施工管理。

高性能混凝土中的硬化水泥漿體、界面過渡區(qū)以及骨料三個(gè)部分的性質(zhì)接近均勻，礦物

顆粒基本不參加反應(yīng)。從而，未水化的水泥及礦物顆粒、粗細(xì)骨料、結(jié)晶相等構(gòu)成高性能混凝土的骨架，由水泥水化物、礦物摻合料等形成凝膠膠結(jié)，形成高性能混凝土的主體[2]。根據(jù)吳中偉提出高性能凝土配制的特點(diǎn)是：低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)材料，另外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物外加劑和高效外加劑[2] 。圖2 給出了配制高性能混凝土所采取的措施及其影響。

圖2高性能混凝土配制與性能的關(guān)系

其中采用低水膠比可以使混凝土內(nèi)部孔隙率變好，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而改善混凝土的強(qiáng)度和耐久性。另外，低水膠比的可以在一定程度上降低混凝土溫升、增強(qiáng)硬化前后混凝土的體積穩(wěn)定性。高性能混凝土的水膠比一般低于0.38。

通常，普通混凝土的骨料與硬化水泥漿體之間的界面過渡區(qū)會(huì)生成大量的Ca(OH)2，Ca(OH)2在界面上結(jié)晶并定向排列，造成了混凝土的薄弱區(qū)，降低了混凝土的強(qiáng)度及耐久性。礦物摻合料一般屬超細(xì)粉，這些超細(xì)粉中含有活化的SiO2成分，可以與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成CaSiO3填充界面空洞改善界面結(jié)構(gòu)[3]。而且且由于摻合料的顆粒一般都比水泥顆粒要小的多，能使混凝土達(dá)到一個(gè)良好的級(jí)配，以達(dá)到減少空隙，使混凝土更加密實(shí)，對(duì)于其強(qiáng)度和耐久性的提高具有重要的作用。試驗(yàn)表明[4]，以復(fù)合超細(xì)粉等量取代水泥，制成的混凝土試件的強(qiáng)度要明顯大于不摻超細(xì)粉的混凝土試件。另外，摻用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料可以提高漿體的施工性、體積穩(wěn)定性、密實(shí)性和抗化學(xué)侵蝕性等。

高效減水劑可以使混凝土在工作性相近的情況下，減低水膠比，從而改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性[5,6]。高效減水劑大都屬于高分子陰離子表面活性劑它摻入到混凝土中，吸附于水化的水泥顆粒表面，形成了雙電層，使Zeta電位增大，水泥顆粒之間的排斥力增加，促進(jìn)水泥漿體中的絮凝結(jié)構(gòu)分散解體釋放出自由水，使水泥漿流動(dòng)性增加，從而使混凝土達(dá)到在低水膠比的情況下也能具有很好的工作性的目的。

2、高性能混凝土的特點(diǎn)

高性能混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，各相的組成與它們之間的連接更加均勻，能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求，特別是海港工程以及高腐蝕性環(huán)境中，高性能混凝土更具巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，與普通混凝土相比，高性能混凝土應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

（1）高性能混凝土可以具有較高的強(qiáng)度，但這不是必須條件。高性能混凝土的高性能體現(xiàn)在其具有較高的耐久性，而不是一定具有很高的強(qiáng)度，只要工作性、耐久性及功能性滿足要求，高性能混凝土也可以是中、低強(qiáng)度。

（2）高性能混凝土具有良好的工作性?；炷涟韬臀飸?yīng)具有較高的流動(dòng)性，混凝土在成型過程中不分層、不離析，易充滿模型；泵送混凝土、自密實(shí)混凝土還具有良好的可泵性、自密實(shí)性能。

（3）高性能混凝土應(yīng)具有較高的密實(shí)性和抗?jié)B性。由于高性能混凝土的服役環(huán)境大多是腐蝕性強(qiáng)、條件惡劣的環(huán)境，較高的密實(shí)性和抗?jié)B性是混凝土耐久性的重要保證。

（4）高性能混凝土應(yīng)具有較長的使用壽命。對(duì)于一些特護(hù)工程的特殊部位，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不是混凝土的強(qiáng)度，而是耐久性。能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地服役50~100年以上，是高性能混凝土設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。

（5）高性能混凝土應(yīng)具有較高的體積穩(wěn)定性。高性能混凝土大多應(yīng)用于混凝土用量比較大或跨度比較的構(gòu)件，大的體積變形容易引起裂縫和結(jié)構(gòu)破壞。因此，高性能混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。

3、高性能混凝土在工程中的應(yīng)用

3.1 在橋梁上的應(yīng)用

高性能混凝土具有很好的工作性性、易于澆注、不離析、且能長期保持的結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，韌性高和體積穩(wěn)定性好，在惡劣環(huán)境下耐久性好、使用壽命長。高性能混凝土在橋梁工程中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)是：跨徑更長、主梁間距更大、構(gòu)件更薄、.耐久、力學(xué)承載力高。目前，高性能混凝土已廣泛的用于各種離岸結(jié)構(gòu)物和橋梁構(gòu)件中，包括主梁、橋墩、墩基等。

例如，上海的東海大橋，東海大橋是我國建造的第一座跨海大橋，全長32km。設(shè)計(jì)壽命為100年，由于長期處于海水侵蝕的環(huán)境中，對(duì)混凝土保護(hù)層厚度要求高，對(duì)混凝土的性能要求高，主要以高耐久性為出發(fā)點(diǎn)，要求混凝土具備高施工性、高抗?jié)B性、高體積穩(wěn)定性（硬化過程中不開裂，收縮徐變小）、較高強(qiáng)度，并保持其強(qiáng)度持續(xù)增長，最終獲得高耐久性能。另外，采用粉煤灰、礦粉作為摻和材料，提高了混凝土施工的工作性，降低了成本達(dá)，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。另一個(gè)比較著名的工程實(shí)例是杭州灣大橋 [7]。

3.2在公路上的應(yīng)用

公路高性能混凝土應(yīng)根據(jù)公路混凝土的特點(diǎn)，結(jié)合高性能混凝土的優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮其各方面的性能要求來進(jìn)行開發(fā)。從公路混凝土的施工工藝出發(fā)，需采用高流態(tài)的混凝土（坍落度要求達(dá)到240~270mm）來進(jìn)行施工，而普通的混凝土在滿足強(qiáng)度要求的情況下很難得到這個(gè)要，因此，采用高性能混凝土是必然的選擇。從公路混凝土的服役環(huán)境出發(fā)，要求混凝土具有較高的韌性，能夠承載的疲勞損傷能力強(qiáng)，如果采用普通的混凝土，雖然強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但是混凝土的彈性模量等參數(shù)會(huì)相應(yīng)提高，不利于混凝土在復(fù)變荷載環(huán)境下的使用，采用高性能混凝土就可以滿足這個(gè)要求。

另外，高性能混凝土以其高強(qiáng)、高耐久性的有點(diǎn)，還被廣泛的應(yīng)用于碼頭、高鐵、隧道、大壩等惡劣環(huán)境下的土建設(shè)施，并發(fā)揮著巨大的作用。

4、高性能混凝土研究及應(yīng)用存在的問題

從上個(gè)世紀(jì)90年代高性能混凝土的提出到現(xiàn)在，雖然高性能混凝土已在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其研究也取得了一定成果，但是還存在一定的問題，主要有以下兩點(diǎn)：

（1）針對(duì)性能的研究較少，主要包括高性能混凝土自干燥引起的自收縮；高性能混凝土的脆性；礦物微細(xì)粉的科學(xué)分類和品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及其與混凝土外加劑之間的相容性；高性能混凝土多組分復(fù)合材料的效應(yīng)；高強(qiáng)高性能混凝土的韌性等方面。

（2）工程應(yīng)用的推廣受到一定的研制。目前，高性能混凝土主要應(yīng)用于大跨度橋梁、高層建筑的基柱及某些要求高強(qiáng)度、高性能的構(gòu)件與部位，不僅大大限制了高性能混凝土的擴(kuò)大使用，而且其諸多優(yōu)勢(shì)性能，尤其是現(xiàn)在所大為提倡的綠色優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮亦是相當(dāng)有限的，這與國家要大力發(fā)展和推廣“節(jié)能與綠色建筑”更是不相符。

參考文獻(xiàn)

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