高性能混凝土的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

朱立偉

一、高性能混凝土產(chǎn)生的背景和研究現(xiàn)狀

（一）背景

隨著大跨、高層、海洋、軍事工程的發(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)致過早失強(qiáng)度、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)。這就要求混凝土不斷提高以耐久性為重點(diǎn)的各項(xiàng)性能， 多使用天然材料及工業(yè)廢料保護(hù)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。

混凝土作為用量最大的人造材料，不得不考慮它的使用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。傳統(tǒng)混凝土的原材料都來自然資源。每用1t水泥，大概需要0.61t以上的潔凈水，2.1t砂、3.1t以上的石子；每生產(chǎn)1t硅酸鹽水泥約需1.6t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1.2tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應(yīng)的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產(chǎn)混凝土所消耗能源和造成的污染相對(duì)較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石料已在不少地方造成資源破壞并嚴(yán)重影響環(huán)境和天然景觀。有些大城市現(xiàn)已難以獲得質(zhì)量合格的砂石。另一方面，由于混凝土過早劣化，如何處置費(fèi)舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環(huán)境帶來威脅。

因此，未來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，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強(qiáng)都意味著節(jié)約資源?！案咝阅芑炷痢闭窃谶@種背景下產(chǎn)生的。

（二）研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

進(jìn)入20世紀(jì)90后代以后，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法成為土木工程領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。相對(duì)不同環(huán)境類別的侵蝕作用，提出材料性能劣化的理論和經(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)大方向：

（1）綠色高性能混凝土

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。綠色高性能混凝土研究和應(yīng)用較多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土與基準(zhǔn)混凝土相比，極大提高了新拌混凝土的工作性能，明顯降低混凝土硬化階段的水化熱，提高混凝土強(qiáng)度特別是后期強(qiáng)度。而且，節(jié)約水泥，減少環(huán)境污染，成為綠色環(huán)保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，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，使混凝土材料具有自感知、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料，對(duì)環(huán)境變化具有感知和控制的功能。隨著損傷自診斷的混凝土、溫度自調(diào)節(jié)的混凝土、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)用奠定了一定基礎(chǔ)。

二、高性能混凝土的性能研究

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，減少混凝土內(nèi)部得空隙，能夠有效的減少用水量能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50年以上，是高性能混凝土應(yīng)用的主要目的。

2.力學(xué)性能

由于混凝土是一種非均質(zhì)材料，強(qiáng)度受諸多因素影響，水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素，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)，提高混凝土密實(shí)度，提高強(qiáng)度。

3.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；高性能混凝土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。雖然高性能混凝土本身的價(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。概括起來說，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(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限，降低工程造價(jià)。

三、高性能混凝土的特點(diǎn)

（一）高耐久性能

高性能混凝土的重要特點(diǎn)是具有較高耐久性， 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)。由于高性能混凝土摻加了高效減水劑，其水膠比很低（≤0.138），水泥全部水化后，混凝土沒有多余的毛細(xì)水，孔隙細(xì)化，最可幾孔徑很小， 總孔隙率低；再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侵蝕等性能都能得到有效的提高。

（二）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。

四、高性能混凝土的發(fā)展前景

隨著高性能混凝土的開發(fā)和應(yīng)用， 建筑對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響正引起社會(huì)的關(guān)注。建筑物在建造和運(yùn)行的過程中需消耗大量的自然資源和能源，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。21世紀(jì)，提出了綠色混凝土的概念：1）節(jié)約資源、能源；2）不破壞環(huán)境，更有利于環(huán)境；3）可持續(xù)發(fā)展， 既要滿足當(dāng)代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力，應(yīng)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(duì)混凝土的發(fā)展將起重要作用， 并為高性能混凝土的發(fā)展指明了非常明確的方向。中國(guó)高性能混凝土發(fā)展形勢(shì)一片良好，但是要使高性能混凝土在建筑工程中推廣使用還需一個(gè)認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的過程。隨著我國(guó)建筑基礎(chǔ)建設(shè)的不斷增強(qiáng)，高性能混凝土必將成為新世紀(jì)的重要建筑工程材料?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，高性能混凝土成為我國(guó)混凝土技術(shù)的主要發(fā)展方向。