高性能混凝土的研究与发展现状.doc

1、1高性能混凝土的研究与发展现状【摘 要】 随着我国改革开放和现代化进程的加快，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久的安全使用下去，日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。在众多的土木工程建设中，混凝土的应用面之广，使用次数之多是很少见的。尤其中近年来，一种较新的混凝土技术正在快速发展并且运用到许多实际工程项目中，那就是高性能混凝土。 高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC) 由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、

2、海港建筑等工程。 本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，列举了高性能混凝土在国内外研究应用中的重要成果，并对其发展趋势作出展望。随着我国建筑向高层化、大型化、现代化的发展，HPC 必将成为新世纪的重要建筑工程材料。 【关键词】高性能混凝土；耐久性；体积稳定性 中图分类号：TU375 文献标识码：A 【引 言】 从 1824 年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有 100 多年的历2史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。从 20 世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，

3、混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。据统计，当今我国每年混凝土用量约 109m3，并且随着我国近年来工业化、城市化进程的加快，其用量将继续快速增长。人类进入 21 世纪，随着科学技术的快速发展，一种又一种新型混凝土涌现出来。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。 高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是 20 世纪 80 年代末 90 年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指

4、标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供 100 年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。 第 1 章 高性能混凝土产生的背景和研究现状 1.1 背景 当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高3的要求；处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退

5、役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果；原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能， 多使用天然材料及工业废渣保护环境， 走可持续发展的道路， 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。 混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用 1t 水泥，大概需要0.6t 以上的洁净水，2t 砂、3t 以上的石子；每生产 1t 硅酸盐水泥约需1.5t 石灰石和大量燃煤与电能，并排放 1tCO2，而大气中 CO2 浓度增加是造成地球温室效应的原

6、因之一。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。 因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。 “高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。 1.2 研究现状及发展

7、方向 针对混凝土的过早劣化，发达国家在 20 世纪 80 年代中期掀起了一4个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。从 20 世纪 80 年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久设计的考虑，从只重视强度设计向强度与耐久性并重。进入 20 世纪 90 后代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。目前，高性能混凝土的发展有以下几个方向： (1)绿色高性能混凝土 水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，对

8、资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求背道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿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） ，其特点是高强度，抗压强度高达 300MPa，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。 (3)智能混凝土 智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混

9、凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具5有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。 第 2 章高性能混凝土的性能研究和应用分析 2.1 高性能混凝土的概念 高性能混凝土是近 20 余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将 HPC 定义为水胶比低于 0.40 的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为 HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将 HPC 定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工

10、业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对 HPC 的理解有所不同。比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。 2.2 高性能混凝土的性能 与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能： 2.2.1.耐久性。高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作 50100 年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。 2.2.2.工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC 的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，

11、高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉6速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。 2.2.3.力学性能。由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。 2.2.4.体积稳定性。高性能混凝土具有较高的

12、体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。 2.2.5.经济性。高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC 良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究 发现用 C110C137 的高性能混凝土替代 C40C60 的混凝土，可以节约 15%25%的钢材和 30%70%的水泥。虽然 HPC 本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起

13、来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。 72.3 高性能混凝土发展和应用中所面临的问题 在高性能混凝土的应用过程中也存在一些问题，在高性能混凝土的原材料方面，我国水泥质量不稳定，离散性大；在骨料方面，粗骨料质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，尚缺乏充分的适用性的研究。在高性能混凝土的施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使 HPC 的密实性和质量不稳定；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发与凝聚而产生的收缩，使混凝土表面产生裂缝，

14、这对 HPC的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使混凝土表面产生裂缝，为各种有害介质渗透提供通道，给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀创造可能；在高性能混凝土的设计方面，由于高性能混凝土的后期强度增长不及普通混凝土，而且脆性大，需要特别注意。同时，在高性能混凝土的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际工况相差较大，这不利于今后高性能混凝土的推广应用。 第 3 章高性能混凝土质量与施工控制 3.1 高性能混凝土原材料及其选用 3.

15、1.1.细集料。细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂，其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响，一般情况下，砂子越粗，混凝土的强8度越高。配制 C50C80 的混凝土用砂宜选用细度模数大于 2.3 的中砂，对于 C80C100 的混凝土用砂宜选用细度模数大于 2.6 的中砂或粗砂。 3.1.2.粗集料。高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石，级配符合规范要求。由于高性能混凝土要求强度较高，就必须使粗集料具有足够高的强度，一般粗集料强度应为混凝

16、土强度的 115 倍210 倍或控制压碎指标值10。最大粒径不应大于 25mm，以 10mm20mm 为佳，这是因为，较小粒径的粗集料，其内部产生缺陷的几率减小，与砂浆的粘结面积增大，且界面受力较均匀。另外，粗集料还应注意集料的粒型、级配和岩石种类，一般采取连续级配，其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎石为最好。粗集料的线膨胀系数要尽可能小，这样能大大减小温度应力，从而提高混凝土的体积稳定性。 3.1.3.细掺合料。配制高性能混凝土时，掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善，空隙得到充分填充，使硬化后的水泥石强度有所提高。更重要的是，加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与骨料的界面结构，

17、使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。活性细掺合料是高性能混凝土必用的组成材料。在高性能混凝土中常用的活性细掺合料有硅粉(SF)、磨细矿渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排出的烟道灰，它能有效提高混凝土的抗渗性，显著改善混凝土拌合物的工作性，大掺量粉煤灰混凝土还对环境保护和节约资源有重要意义。配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、9细度低、需水量低的优质粉煤灰。矿渣是高炉炼铁排出的熔融矿渣在高温状态下迅速水淬冷却而成的，用于高性能混凝土的磨细矿渣细度大于水泥，能提高混凝土的工作性和耐久性。硅粉是电炉法生产硅铁合金所排放的烟道灰，SiO2 含量大于

18、90，平均粒径约 011m，比表面积20000/kg，借助大剂量高效减水剂和强力搅拌作用，可以填充到水泥或其他掺合料的间隙中去，并且具有很高的活性，在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著，是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料。 3.1.4.减水剂及缓凝剂。由于高性能混凝土具有较高的强度，且一般混凝土拌合物的坍落度较大(1520左右)，在低水胶比(一般0.35)一般的情况下，要使混凝土具有较大的坍落度，就必须使用高效减水剂，且其减水率宜在 20以上。有时为减少混凝土坍落度的损失，在减水剂内还宜掺有缓凝的成份。此外，由于高性能混凝土水胶比低，水泥颗粒间距小，能进人溶液的离子数量也少，因

19、此减水剂对水泥的适应性表现更为敏感。因大部分高性能混凝土施工时采用泵送，故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不能太快太大，否则影响泵送。 学成分为二氧化硅，其含量在 90%以上。在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥，结合应用减水剂，可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高，硅粉的适 5.矿物掺合料。(1)粉煤灰，粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细微粉末，又称“飞灰”(Fly Ash)，其颗粒多呈球形，表面光滑。大量的实践证明:掺用粉煤灰的混凝土，其长期性能可得到大幅度的改善，对延长构筑物的使用寿命有重要意义。粉煤10灰在混凝土中的主要作用包括以下几个方面:填充骨料颗粒的空隙并包裹

20、它们形成润滑层，产生“滚珠润滑”效应；对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀；粉煤灰和聚集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，生成具有胶凝性质的产物，加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用；粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利；可减小混凝土温度开裂的危险，同时由于加快了火山灰反应，还可提高28d 强度。值得注意的是，粉煤灰的水泥取代率对强度影响显著，较好的早期强度和后期强度的水泥取代率应小于 10%。当粉煤灰掺量较低时，只会对水泥早期水化热有影响，但对 7d 龄期的水化热几乎没有影响。(2)硅粉(Silica Fume，

21、简写 SF)又称硅灰，是从生产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。硅粉主要由非常微小、表面光滑的玻璃态球形颗粒组成，粒径为 0.1m1.0m，是水泥粒径的1/501/100，一般比表面积为 18500/kg20000/kg，主要化宜掺量为水泥用量的 510。硅粉的加入，对混凝土的性能的影响主要有:改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性，提高了需水量；提高了混凝土的强度，增大了弹性模量和混凝土的干缩；提高了混凝土的耐久性。另外，在配制硅粉混凝土时必须注意:由于硅粉的需水量比水泥大，在配制硅粉混凝土时，一般要掺加减水剂。在选择减水剂时，应使之与所用的水泥具有相容性，否则，容易影响混凝土的工作性能。同时，根据减水剂性能及需求的减水需求来选择合适的掺量。比表面积和活性SiO2 含量是硅粉的重要指标，硅粉比表面积越大、活性 SiO2 含量越高，