高性能混凝土的发展和应用

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高性能混凝土的发展和应用

刘怡 贵州省交通科学研究院有限责任公司

一、高性能混凝土的发展

高性能混凝土（High performance concrete,简称HPC）是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土。它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证:耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料，且必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。 1、高性能混凝土的定义

1950年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土协会（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。但是到目前为止，各国对高性能混凝土提出的要求和涵义完全不同。

美国的工程技术人员认为：高性能混凝土是一种易于浇注、捣实、不离析，能长期保持高强、韧性与体积稳定性，在严酷环境下使用寿命长的混凝土。美国混凝土协会认为：此种混凝土并不一定需要很高的混凝土抗压强度，但仍需达到55MPa以上，需要具有很高的抗化学腐蚀性或其他一些性能。

日本工程技术人员则认为，高性能混凝土是一种具有高填充能力的的混凝土，在新拌阶段不需要振捣就能完善浇注；在水化、硬化的早期阶段很少产生有水化热或干缩等因素而形成的裂缝；在硬化后具有足够的强度和耐久性。

加拿大的工程技术人员认为，高性能混凝土是一种具有高弹性模量、高密度、低渗透性和高抗腐蚀能力的混凝土。

综合各国对高性能混凝土的要求，可以认为，高性能混凝土具有高抗渗性（高耐久性的关键性能）；高体积稳定性（低干缩、低徐变、低温度变形和高弹性模量）；适当的高抗压强度；良好的施工性（高流动性、高粘聚

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性、自密实性）。

中国在《高性能混凝土应用技术规程》（CECS207-2006）对高性能混凝土定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。 2、高性能混凝土的技术路线

高性能混凝土是由高强混凝土发展而来的，但高性能混凝土对混凝土技术性能的要求比高强混凝土更多、更广乏，高性能混凝土的发展一般可分为三个阶段：

（1）振动加压成型的的高强混凝土——工艺创新

在高效减水剂问世以前，为获得高强混凝土，一般采用降低W/C（水灰比），强力振动加压成型。即将机械压力加到混凝土上，挤出混凝土中的空气和剩余水分，减少孔隙率。但该工艺不适合现场施工，难以推广，只在混凝土预制板、预制桩的生产，广泛采用，并与蒸压养护共同使用。 （2）掺高效减水剂配置高效混凝土——第五组分创新

20世纪50年代末期出现高效减水剂是高强混凝土进入一个新的发展阶段。代表性的有萘系、三聚氰胺系和改性木钙系高效减水剂，这三个系类均是目前普遍使用的高效减水剂。

采用普通工艺，掺加高效减水剂，降低水灰比，可获得高流动性，抗压强度为60~100MPa的高强混凝土，是高强混凝土获得广泛的发展和应用。但是，仅用高效减水剂配制的混凝土，具有坍落度损失较大的问题。 （3）采用矿物外加剂配制高性能混凝土——第六组分创新

20世纪80年代矿物外加剂异军突起，发展成为高性能混凝土的第六组分，它与第五组分相得益彰，成为高性能混凝土不可缺少的部分。目前，配制高性能混凝土的技术路线主要是在混凝土中同时掺入高效减水剂和矿物外加剂。

配制高性能混凝土的矿物外加剂，是具有高比表面积的微粉辅助胶凝材料。例如：硅灰、细磨矿渣微粉、超细粉煤灰等，它是利用微粉填隙作用形成细观的紧密体系，并且改善界面结构，提高界面粘结强度。

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3、高性能混凝土的特性 （1）自密实性

高性能混凝土的用水量较低，流动性好，抗离析性高，从而具有较优异的填充性。因此，配好恰当的大流动性高性能混凝土有较好的自密实性。 （2）体积稳定性

高性能混凝土的体积稳定性较高，表现为具有高弹性模量、低收缩与徐变、低温度变形。普通混凝土的弹性模量为20~25GPa，采用适宜的材料与配合比的高性能混凝土，其弹性模可达40~45GPa。采用高弹性模量、高强度的粗集料并降低混凝土中水泥浆体的含量，选用合理的配合比配制的高性能混凝土，90天龄期的干缩值低于0.04%。 （3）强度

高性能混凝土的抗压强度已超过200MPa。目前，28d平均强度介于100~120MPa的高性能混凝土，已在工程中应用。高性能混凝土抗拉强度与抗压强度值比较高强混凝土有明显增加，高性能混凝土的早期强度发展加快，而后期强度的增长率却低于普通强度混凝土。 （4）水化热

由于高性能混凝土的水灰比较低，会较早的终止水化反应，因此，水化热相应的降低。 （5）收缩和徐变

高性能混凝土的总收缩量与其强度成反比，强度越高总收缩量越小。但高性能混凝土的早期收缩率，随着早期强度的提高而增大。相对湿度和环境温度，仍然是影响高性能混凝土收缩性能的两个主要因素。 高性能混凝土的徐变变形显著低于普通混凝土，高性能混凝土与普通强度混凝土相比较，高性能混凝土的徐变总量（基本徐变与干燥徐变之和）有显著减少。在徐变总量中，干燥徐变值的减少更为显著，基本徐变仅略有一些降低。而干燥徐变与基本徐变的比值，则随着混凝土强度的增加而降低。 （6）耐久性

高性能混凝土除通常的抗冻性、抗渗性明显高于普通混凝土之外，高

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性能混凝土的Clˉ渗透率，明显低于普通混凝土。高性能混凝土由于具有较高的密实性和抗渗性，因此，其抗化学腐蚀性能显著优于普通强度混凝土。 （7）耐火性

高性能混凝土在高温作用下，会产生爆裂、剥落。由于混凝土的高密实度使自由水不易很快地从毛细孔中排出，再受高温时其内部形成的蒸汽压力几乎可达到饱和蒸汽压力。在300°C温度下，蒸汽压力可达8MPa，而在350°C温度下，蒸汽压力可达17MPa，这样的内部压力可使混凝土中产生5MPa拉伸应力，使混凝土发生爆炸性剥蚀和脱落。因此高性能混凝土的耐高温性能是一个值得重视的问题。为克服这一性能缺陷，可在高性能和高强度混凝土中掺入有机纤维，在高温下混凝土中的纤维能熔解、挥发，形成许多连通的孔隙，使高温作用产生的蒸汽压力得以释放，从而改善高性能混凝土的耐高温性能。

概括起来说，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。

二、高性能混凝土的推广应用

高性能混凝土作为一种新的建筑材料，其耐久性为普通混凝土耐久性的两倍以上，可增加混凝土结构安全使用寿命，减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾；可大量利用工业副产品和废弃物，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染；收缩徐变小，适合建造高效预应力结构；高性能混凝土适用于高层、大跨、大体积、长跨桥梁、海底隧道、高速公路及严酷环境中使用的结构物，如核反应堆、海上结构和处于有腐蚀性介质环境的结构等的建筑和修补。其他用于特殊用途的智能高性能混凝土更有着其独特的、其他混凝土难以替代的优势。

正因为高性能混凝土具有以上诸多优越性能，自从产生以来，便大放异彩，世界各国对其研究和应用势头的发展十分迅猛。 1、HPC在国外的研究应用现状

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1986～1993，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等23个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并建立了示范工程。1996年，法国公共工程部、教育与研究部又组织了为期4年的国家研究项目“高性能混凝土2000”，投入研究经费550万美元。法国修建的3座高性能混凝土的斜拉桥一佩尔蒂大桥以及最近建设的埃洛恩河大桥和诺曼底大桥也都使用了高性能混凝土。

日本不仅应用超高强高性能混凝土住宅，而且用其制造预应力混凝土桥梁、预应力混凝土柱、桁架、管、电杆等。日本在80年代后期研制开发高性能混凝土时，尤其重视混凝土的施工性能，特别是高流动性，要求浇筑混凝土后不振或微振。日本采用免振自密实混凝土超过800000m3。日本自成型混凝土的发展是实现混凝土浇筑质量控制的重要一步。这种流动性混凝土远距离泵送而不离析的特性减轻了混凝土的运输、浇筑和成型过程的人工操作。如今日本已研制出使用寿命在500年以上的超高耐久性混凝土。

1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在10年内投资2亿美元进行研究和开发各大州政府也致力于高性能混凝土的推广和应用。在纽约州已建成了100多座具有高性能混凝土桥面的桥梁。在华盛顿州，公路部门正在制定高性能混凝土梁的标准。

目前德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级，强度等级为当今世界之最。挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。丹麦的大贝尔特工程是一座大型的隧道与桥梁连接结构，规定的设计使用寿命为i00年。国外的这些抗议应用高性能混凝土的历程，对我们很有启发的参考价值。

2、HPC在国内的研究应用状况

1992年，吴中伟首次将高性能混凝土介绍到国内。近年来，我国高性能混凝土的研究、应用发展较快。我国是生产和使用混凝土的大国，混凝土的质量在不断地提高，涉足高性能混凝土的研究和应用还是近10年的事。随着高性能混凝土的优越性不断地得到认可，混凝土应用技术的进步，城市建设速度的加快，高性能混凝土获得了迅速发展。

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