试论高性能混凝土及其在工程中的应用(二)

 （二）研究现状及发展方向

自二十世纪六十年代高效减水剂的开发和应用以来，混凝土技术进入了一个高强度、高流动性的新领域。20世纪90年代的粉末工程使混凝土进入了一个高性能的时代。近年来，C60高性能混凝土在我国铁路、公路、桥梁、高层建筑、机场建设等工程中得到了广泛的应用，C80混凝土也在试点工程中得到应用。工程上采用90MPa、100MPa、110MPa、120MPa、甚至大于150MPa、200MPa的高性能混凝土。然而，工程经验证明，许多混凝土结构如桥梁、道路的过早破坏，原因不是力量不足，而是缺乏耐用性。例如，在美国，由于修复受损混凝土建筑物的费用很高，每年的劣化混凝土维护费用达2000亿美元，这使得许多设计者意识到混凝土耐久性的重要性。已经开始考虑使用使用寿命较长的高性能混凝土结构的可能性，例如100年而不是30至50年。针对混凝土的过早劣化，20世纪80年代中期，发达国家掀起了以提高混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发与研究的高潮，引起了世界各国政府的高度重视。LD。20世纪90年代以来，混凝土结构耐久性设计方法已成为土木工程研究的热点。根据不同环境类型的侵蚀，提出了材料性能退化的理论或经验模型，并据此估算了结构的使用寿命，成为耐久性设计方法开发和研究的主流。目前，高性能混凝土的发展方向有：

  (1)绿色高性能混凝土

水泥混凝土是当代最大的人造材料。它消耗巨大的资源和能源，破坏环境。它与可持续发展的要求背道而驰。粉煤灰混凝土广泛应用于绿色高性能混凝土的研究和应用。与基准混凝土相比，掺粉煤灰混凝土大大提高了新拌混凝土的工作性能，在硬化阶段明显降低混凝土水化热，提高了混凝土的强度，特别是在后期阶段。此外，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

   超高性能混凝活性粉末混凝土，如活性粉末混凝土（RPC），具有强度高，抗压强度可达300 MPa，高密度。它已成功地应用于军事、核电站等特殊工程中。

  (3)智能混凝土

智能混凝土基于复合智能组件的原始成分是混凝土，混凝土材料具有自愈功能材料特性的自适应感知、感知与控制、环境与功能的变化。随着混凝土损伤诊断的出现，仿生自修复混凝土和一系列智能混凝土的出现，为智能混凝土研究、开发和智能混凝土结构的研究和应用奠定了基础。

二、高性能混凝土的性能研究和应用分析

 （一）高性能混凝土的概念

高性能混凝土是近20年来发展起来的一种新型混凝土。欧洲和国际预应力混凝土协会协会协会将HPC定义为混凝土水灰比低于0.40；在日本，高性能自密实混凝土（即混凝土）称为HPC；中国土木工程学会高强高性能E混凝土委员会将被定义为一个耐久性和可持续发展为基本要求的混凝土，适用于工业生产和建设。虽然在不同的国家，不同的学者或工程师和技术人员，HPC的理解是不同的。例如，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，而日本学者专注于高性能。但它们的基本点是高耐久性。

 （二）高性能混凝土的性能特点

     混凝土的耐久性，能够抵抗化学风化、侵蚀、磨损等破坏过程，指出高性能混凝土不仅要有高的强度，而且具有高刚度、低容积的变化，几乎不透水，氯离子渗透、高H弹性模量、收缩徐变、热应变等。因此，在组成和结构上与普通混凝土高性能混凝土应该是不同的，首先应具有以下特点[3]：

   (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50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。

   (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，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，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。

   (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。

   (4).体积稳定性。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，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。

   (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C110~C137的高性能混凝土替代C40~C60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。

其次，高性能混凝土的配制特点是低水胶比、掺加高效减水剂和矿物细掺料，故从组成和配比来看，高性能混凝土还应具有以下特点:

  (1）水灰比（W/C）≤0. 38  

按照Rüch提出的相图[4]，当水灰比>0.38时，水泥全部水化后，水泥石中含有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。而毛细水在混凝土中是可以扩散渗透的，也就是说，W/C>0.38时，混凝土中有毛细管存在，抗渗性降低，耐久性降低。所以配制高性能混凝土时，水灰比不应大于0.38。

  (2）高效减水剂是降低混凝土中水灰比的必须材料，也是高性能混凝土不可或缺的组 分。为使混凝土具有良好的工作性能，高效减水剂除了具有高的减水率外，还应具有有效控制塌落度损失的功能。

  (3）矿物掺合料是高性能混凝土的功能组分之一，它可以填充水泥的空隙，在相同的水 胶比下，能提高流动性，硬化后也能提高强度。更重要的是能改善混凝土中水泥石与集料的界面结构，使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。