關(guān)于高性能混凝土的研究探討

■王國(guó)輝 ■南昌市第一建筑工程公司，江西 南昌 330009

當(dāng)代大跨、高層、海洋、軍事工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展對(duì)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(guò)早失效、退役甚至出現(xiàn)惡性事故造成巨大損失的嚴(yán)重后果;原材料生產(chǎn)、開(kāi)采造成的生態(tài)環(huán)境惡化以及砂石料枯竭、資源短缺嚴(yán)重影響進(jìn)一步發(fā)展的嚴(yán)酷現(xiàn)實(shí)。因此，未來(lái)的混凝土必須從根本上減少水泥用量，必須更多地利用各種工業(yè)廢渣作為其原材料;必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來(lái)的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。

1 高性能混凝土的研究現(xiàn)狀

針對(duì)不同環(huán)境類(lèi)別的侵蝕作用，提出材料性能劣化的理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并?jù)此估算結(jié)構(gòu)的使用壽命，成為發(fā)展和研究耐久性設(shè)計(jì)方法的主流。目前，高性能混凝土的發(fā)展有以下幾個(gè)方向:

(1)綠色高性能混凝土。水泥混凝土是當(dāng)代最大宗的人造材料，對(duì)資源、能源的消耗和對(duì)環(huán)境的破壞十分巨大，與可持續(xù)發(fā)展的要求背道而馳。而且，節(jié)約水泥，減少環(huán)境污染，成為綠色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(Reactive Powder con-crete，RPC)，其特點(diǎn)是高強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度高達(dá)300MPa，且具有高密實(shí)性，已在軍事、核電站等特殊工程中成功應(yīng)用。

(3)智能混凝土。智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，對(duì)環(huán)境變化具有感知和控制的功能。隨著損傷自診斷混凝土、溫度自調(diào)節(jié)混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機(jī)敏混凝土的出現(xiàn)，為智能混凝土的研究、發(fā)展和智能混凝土結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 高性能混凝土的性能研究和應(yīng)用分析

2．1 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(lái)的一種新型混凝土。歐洲混凝土學(xué)會(huì)和國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)將HPC定義為水膠比低于0.40的混凝土;中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)高強(qiáng)與高性能混凝土委員會(huì)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。雖然在不同的國(guó)家，不同的學(xué)者或工程技術(shù)人員，對(duì)HPC的理解有所不同。但是他們的基本點(diǎn)都是高耐久性。

2．2 高性能混凝土的性能

與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨(dú)特的性能:

(1)耐久性。高效減水劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉的配合使用，能夠有效的減少用水量，減少混凝土內(nèi)部的空隙，能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土應(yīng)用的主要目的。

(2)工作性。坍落度是評(píng)價(jià)混凝土工作性的主要指標(biāo)，HPC的坍落度控制功能好，在振搗的過(guò)程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振動(dòng)時(shí)間內(nèi)，下沉距離短，穩(wěn)定性和均勻性好。同時(shí)，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且摻入超細(xì)粉，基本上無(wú)泌水，其水泥漿的粘性大，很少產(chǎn)生離析的現(xiàn)象。

(3)力學(xué)性能。由于混凝土是一種非均質(zhì)材料，強(qiáng)度受諸多因素的影響，水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素，對(duì)于普通混凝土，隨著水灰比的降低，混凝土的抗壓強(qiáng)度增大，高性能混凝土中的高效減水劑對(duì)水泥的分散能力強(qiáng)、減水率高，可大幅度降低混凝土單方用水量。在高性能混凝土中摻入礦物超細(xì)粉可以填充水泥顆粒之間的空隙，改善界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)度，提高強(qiáng)度。

(4)經(jīng)濟(jì)性。高性能混凝土較高的強(qiáng)度、良好的耐久性和工藝性都能使其具有良好的經(jīng)濟(jì)性。高性能混凝土良好的耐久性可以減少結(jié)構(gòu)的維修費(fèi)用，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益;高性能混凝土的高強(qiáng)度可以減少構(gòu)件尺寸，減小自重，增加使用空間;HPC良好的工作性可以減少工人工作強(qiáng)度，加快施工速度，減少成本。前蘇聯(lián)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)用C110～C137的高性能混凝土替代C40～C60的混凝土，可以節(jié)約15%～25%的鋼材和30% ～70%的水泥。雖然HPC本身的價(jià)格偏高，但是其優(yōu)異的性能使其具有了良好的經(jīng)濟(jì)性。

2．3 高性能混凝土發(fā)展和應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題

在高性能混凝土的應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，在高性能混凝土的原材料方面，我國(guó)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(jí)配較差，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)不合要求。在高性能混凝土的施工過(guò)程中，施工人員的技術(shù)水平有限，養(yǎng)護(hù)措施不到位，使HPC的密實(shí)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(duì)HPC的抗碳化、抗凍融循環(huán)作用以及抗氯離子擴(kuò)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(zhǎng)期處于水中時(shí)，水分通過(guò)微管擴(kuò)散到內(nèi)部，未水化的水泥粒子進(jìn)一步水化，產(chǎn)生微膨脹也會(huì)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(jì)方面，由于高性能混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不及普通混凝土，而且脆性大，需要特別注意。同時(shí)，在高性能混凝土的研究方面，現(xiàn)在的研究以實(shí)驗(yàn)室研究為主，但是實(shí)驗(yàn)室的情況與實(shí)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。

3 高性能混凝土的特點(diǎn)

3．1 高耐久性能

高性能混凝土的重要特點(diǎn)是具有高耐久性，而耐久性則取決于抗?jié)B性;抗?jié)B性又與混凝土中的水泥石密實(shí)度和界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于者高性能混凝土中摻加礦物質(zhì)超細(xì)粉后，混凝土中骨料與水泥石之間的界面過(guò)渡區(qū)孔隙能得到明顯的降低，而且礦物質(zhì)超細(xì)粉的摻加還能改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)，使其≥100μm的孔含量得到明顯減少，礦物質(zhì)超細(xì)粉的摻加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上這些措施對(duì)于混凝土的抗凍融、抗中性化、抗堿-集料反應(yīng)、抗硫酸鹽腐蝕，以及其它酸性和鹽類(lèi)侵蝕等性能都能得到有效的提高。

3．2 高工作性能

高性能混凝土具有良好的流變學(xué)性能，高流動(dòng)性，不泌水，不離析，能在正常施工條件下保證混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和均勻性，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)的特殊部位(如梁柱接頭等鋼筋密集處)還可采用自流密實(shí)成型混凝土，從而保證該部位的密實(shí)性，這樣就可以減輕施工勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約施工能耗。

3．3 其它

高性能混凝土的高韌性要求其具有能較好地抵抗地震荷載、疲勞荷載及沖擊荷載的能力，混凝土的韌性可通過(guò)在混凝土摻加引氣劑或采用高性能纖維混凝土等措施得到提高。高性能混凝土的體積穩(wěn)定性表現(xiàn)在其優(yōu)良的抗初期開(kāi)裂性，低的溫度變形、低徐變及低的自收縮變形。