新型混凝土材料的应用

【摘要】随着HPC的开发和应用， 建筑对生态环境产生的影响正引起社会的关注。建筑物在建造和运行的过程中需消耗大量的自然资源和能源，并对环境产生不同程度的影响。有专家指出， 作为建筑工业主要原料的水泥，实际上是一种不可持续发展的产品。因此，高性能混凝土的技术核心是在限制水泥用量以获得混凝土高性能的同时，坚持其可持续性的发展原则。

【关键词】hpc 高强度 耐久性 节约材料

[正文]混凝土（由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合人造石材）造价较低，是土建工程结构中的首选材料，广泛的应用于工业与民用的土建工程、水利工程、地下工程、公路、铁路、桥梁等工程中。

普通的混凝土材料是由胶结材料（石灰、水泥）、细骨料（砂子）、粗骨料（石子）和水 按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的具有一定强度特性的人工建筑材料。过去，由于人们过分注重于混凝土的力学性能，把精力主要集中在如何提高混凝土的强度上，而用高压强度的比例关系来代表其性能的优劣，对混凝土的耐久性则不够重视，从而导致了部分工程结构的开裂，甚至崩塌，此外，由于普通混凝土材料本身的耐久性不高，致使混凝土建筑工程的维修费用急剧增大，所以如何延长混凝土材料的使用寿命，提高混凝土的性价比，发展新型高性能的混凝土材料势在必行。

一、高性能混凝土概述

混凝土技术经过多年的发展，现在新型外加剂和胶凝材料的出现使既有良好的工作性，又有优异的力学性能和耐久性能的混凝土的生产成为现实。高性能混凝土（High Performance Concrete），简称HPC。HPC的应用将对混凝土建筑施工技术和混凝土结构性能起重要作用，日益受到国际材料界和工程界的重视。

HPC组成材料包括水泥、粗细集料、多种矿物掺合料、水和超塑化剂，其组成和配比要比普通混凝土复杂，要求也高得多。HPC的优点体现在：

（1）由于HPC的高强（60Mpa～100MPa）和超高强（≥100MPa）特性，可使混凝土结构尺寸大大减少，从而减轻结构自重和对地基的荷载，并减少材料用量，增加使用空间，大幅度的降低工程造价。

（2）由于HPC具有高工作性，可以减轻施工劳动强度，节约施工能耗。

（3）HPC的高耐久性可增加对恶劣环境的抵御能力，延长建筑物的使用寿命，减少维修费用及对环境带来的影响，具有显著的社会和经济效益。

二、高性能混凝土的特性

1.新拌混凝土的工作性

新拌混凝土的工作性是一个综合指标，如流动性、可泵性、填充性、均匀性等。HPC要求新拌混凝土具有大流动性（坍落度20cm～25cm）及流动度经时损失小，以满足混凝土集中搅拌、运输、泵送、浇注的工艺要求。甚至在浇注时要求混凝土不振捣自流平，即好的填充性。最终得到均匀稳定的混凝土。这些要求是普通混凝土难以满足的。与普通混凝土相比，HPC的组分复杂，多种掺合料与超塑化剂配合使用，其目的是通过这些组分来调整性能。其中最关键的技术之一是超塑化剂及其组成。单一成分的超塑化剂（如萘系和三聚氰胺系高效减水剂）虽然对水泥浆有强的分散作用，减水率高达18以上，但并不能满足HPC对工作性的全部要求。因为单一成分的超塑化剂（SP）难以解决坍落度损失、离析分层等问题。因此，必须将高效减水剂与缓凝剂、引气剂、稳定剂等组成复合超塑化剂（CSP）才能较全面满足HPC对工作性的要求。

2.硬化混凝土的性能

现代建筑向高层化、大跨度方向发展，因此促进了高强HPC的研究和开发。在高层建筑中，混凝土强度是对应于柱子的轴力。可以说建筑物的层数是由所使用的混凝土强度来决定的。25～30层的建筑物要使用强度标号C35～C45的混凝土，30～35层要C45～C50，更高层的建筑就需要更高强的混凝土，如60层需用100MPa。目前建筑物设计和施工以30～35层（高度约100m）居多。因此，更高强度的HPC是目前研究和今后发展的方向，而大量使用的强度标号是C40混凝土。在此情况下，配合比设计可以参照普通混凝土的方法，但是主要组成材料和性能应满足HPC的要求。HPC可能比普通混凝土要耐久得多，这是因为在设计配合比时，就考虑到耐久性问题。特别是早期下沉和硬化收缩小、干缩小、水化放热低，因而提高了混凝土抗裂缝能力，无初始结构缺陷。硬化后的混凝土密实、渗透性低。这些都使混凝土抵抗外部因素的能力得到提高，最终得到耐久性好的混凝土。

三、高性能混凝土的应用与研究

每年工程上混凝土的用量非常之大，工程规模大、耗资大、应用范围广，作为现代工程主要材料的地位依然不被撼动。纵观混凝土技术的发展进程，其发展主要遵循复合化、高强化、高性能化三大技术路线长期以来，人们过分注重于混凝土的力学性能，主要集中在提高混凝土的强度上，以搞压强度的比例关系来代表其性能的优劣，而对影响混凝土耐久性则重视不够，从而导致了许多工程结构的开裂，甚至崩塌。例如，1980年3月，北海Stavanger近海钻井平台Alexander Kjell号突然破坏；乌克兰境内的切尔诺贝利核电站的泄漏；日本的一些钢筋混凝土桥梁，投入不到20年因不能使用而被炸毁；辽宁盘锦辽河大桥的断毁等等。此外，由于混凝土耐久性不高，致使混凝土工程的维修费急剧增大。如何延长混凝土的使用寿命，发展高性能混凝土势在必行。

2001年10月用高性能混凝土成功浇捣的航站楼工程第一块大面积楼板，为浇筑量约8003m的主楼南区二层楼板。该楼板呈长条型，宽约20m，长约80m，厚500mm，浇筑前沿楼板长度方向由南往北布置2条施工泵管，分别提供泵送混凝土。施工浇筑时，投入混凝土生产线2条、混凝土搅拌车22台、混凝土泵机2台，施工用时14h，施工过程顺利。其后，在检查认可了这种新型混凝土抗裂性以及总结了它的施工养护经验的基础上，陆续浇捣了其它的大面积楼板，整个航站楼施工补偿收缩纤维混凝土总量超过4万方。经检验，所有应用补偿收缩纤维混凝土施工的楼板强度均达到设计要求，没有发现任何明显的肉眼可见裂缝，抗裂效果得到各方认可和好评。

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。高性能混凝土在实际工程中获得了越来越广泛的应用，尤其是在高层建筑、大跨度桥梁、海上采油平台、矿井工程、海港码头等工程中的应用日益增多。

四、高性能混凝土的发展前景

随着HPC的开发和应用，建筑对生态环境产生的影响正引起社会的关注。建筑物在建造和运行的过程中需消耗大量的自然资源和能源，并对环境产生不同程度的影响。有专家指出，作为建筑工业主要原料的水泥，实际上是一种不可持续发展的产品。因此，高性能混凝土的技术核心是在限制水泥用量以获得混凝土高性能的同时，坚持其可持续性的发展原则。

在节材方面，如果能够将目前使用的钢材和混凝土提高一个强度等级，则可以获得明显的经济效益和社会效益。粗略计算，到2010年，仅通过推广应用高强钢和高性能混凝土，就可节省大量建设资金并且同时产生丰厚的间接经济效益。另外，采用高强材料，可以提高施工作业效率，提高建筑质量，延长使用年限，减少维护使用费用，解决了建筑结构中肥梁胖柱问题，这样不仅能增加建筑使用面积，增大建筑使用空间，也可以使结构设计更加灵活，提高建筑使用功能。推广应用高强钢和高性能混凝土，在建设阶段可以节约钢材和混凝土，减少资源和能源的消耗量，进而减少二氧化碳、二氧化硫等有害气体和废渣的排放。

任何新技术、新材料的发展，都需要经历漫长的、反复的过程。在需要克服的诸多障碍中，首先是人们的观念和认识。当前我国正处于基础设施建设的高潮，对于HPC的发展应该是一个难得的机遇。当然，任何发展迅速的新技术，都必定给相关的业界带来显著的效益。

应用大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土发展HPC是最可行的途径，因为它不仅能够提高混凝土的品质，还能有效地降低生产成本。在人们对发展HPC取得共识的基础上，注重提高骨料品质，并将大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土恰当地用于我国的基础设施建设，不仅有利于混凝土业的可持续发展，对整个国民经济建设的可持续发展都会发挥一定的促进作用。HPC的研究与应用在短短的十几年内发展很快，现在采用高效减水剂和硅粉，利用普通工艺即可很方便地配制出高强混凝土。

据报道，日本正在研制使用寿命在500年以上的超高耐久性混凝土。目前一些超高强预应力混凝土结构甚至已经可以用来代替钢结构。我国在最近几年中胭脂路超高性碱渣混凝土、沸石粉混凝土、高强粉煤灰混凝土、铁（硫）绿酸盐水泥混凝土、230MPa矿物集料混凝土、200MPa超高强钢纤维混凝土、92MPa抗冲耐磨混凝土等第一系列HPC。在保塑剂的研制方面也有进步。

五、结语

大力开展高性能混凝土的研究和应用具有重要意义，为更好的推广应用，设计人员必须及时地掌握规范，正确理解与应用，跟踪新技术的发展，而对于施工人员，必须全面掌握混凝土的技术要点，不能照搬普通混凝土的施工与养护方法，对于监理人员，必须深入理解规范、灵活运用规范，同时，相应的国家规范也必须进行适当的修改，以利于促进高性能混凝土的应用。

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