浅析高性能混凝土的特点及其工程应用

摘要：从混凝土的组成引出高性能混凝土的形成机理，介绍了水灰比、矿物掺合料及高效外加剂对高性能混凝土的作用，归纳了高性能混凝土的性能特点及工程应用，并提出了高性能混凝土在研究和应用领域存在的不足。

关键词：高性能混凝土，机理，特点，工程应用

1990年5月，美国国家标准与技术研究院(NIST)与美国混凝土协会(ACI)召开会议，首次提出“高性能混凝土（High performance concrete，HPC）”概念[1]，与传统的混凝土相比，高性能混凝土以其优良的耐久性、工作性和强度特点，已经成为恶劣环境条件下建设重大土木工程所必须的主要结构材料，目前正被广泛的应用于各种大跨度、服役环境恶劣的桥梁、码头、大坝、高铁等基础设施当中，并取得了明显的经济效益和技术效益。

1、高性能混凝土的机理

我们知道，大多数固体材料的理论强度为0.1 E～0.2E（E为弹性模量），而实际强度仅为0.0001 E～0.0002E，造成这种差距的原因是实际材料中存在着许多结构缺陷。硬化混凝土材料主要由硬化水泥浆体、界面过渡区和骨料三个部分组成，如图1所示。

图1硬化混凝土的结构组成

混凝土的性能则由上述三个部分的性质、各部分之间的关系及整体的均匀性所决定，其中，硬化水泥浆体是最为基本。硬化水泥浆体主要由水泥的水化产物、未水化水泥颗粒或矿物掺合料颗粒、孔隙和水组成。混凝土的强度理论上取决于水泥水化产物或骨料中最弱颗粒的强度。因此要从原理上提高混凝土的强度，关键问题是减少基体中的孔、微裂纹和大且弱的晶体结构，而且还要改进集料界面过渡区的强度与质量。

作者介绍：沈开敏（1964.10-），安徽省龙河口水库管理处，本科，工程师，主要从事水利工程施工管理。

高性能混凝土中的硬化水泥浆体、界面过渡区以及骨料三个部分的性质接近均匀，矿物

颗粒基本不参加反应。从而，未水化的水泥及矿物颗粒、粗细骨料、结晶相等构成高性能混凝土的骨架，由水泥水化物、矿物掺合料等形成凝胶胶结，形成高性能混凝土的主体[2]。根据吴中伟提出高性能凝土配制的特点是：低水胶比，选用优质材料，另外，必须掺加足够数量的矿物外加剂和高效外加剂[2] 。图2 给出了配制高性能混凝土所采取的措施及其影响。

图2高性能混凝土配制与性能的关系

其中采用低水胶比可以使混凝土内部孔隙率变好，使结构更加密实，从而改善混凝土的强度和耐久性。另外，低水胶比的可以在一定程度上降低混凝土温升、增强硬化前后混凝土的体积稳定性。高性能混凝土的水胶比一般低于0.38。

通常，普通混凝土的骨料与硬化水泥浆体之间的界面过渡区会生成大量的Ca(OH)2，Ca(OH)2在界面上结晶并定向排列，造成了混凝土的薄弱区，降低了混凝土的强度及耐久性。矿物掺合料一般属超细粉，这些超细粉中含有活化的SiO2成分，可以与Ca(OH)2发生反应生成CaSiO3填充界面空洞改善界面结构[3]。而且且由于掺合料的颗粒一般都比水泥颗粒要小的多，能使混凝土达到一个良好的级配，以达到减少空隙，使混凝土更加密实，对于其强度和耐久性的提高具有重要的作用。试验表明[4]，以复合超细粉等量取代水泥，制成的混凝土试件的强度要明显大于不掺超细粉的混凝土试件。另外，掺用优质矿物掺合料可以提高浆体的施工性、体积稳定性、密实性和抗化学侵蚀性等。

高效减水剂可以使混凝土在工作性相近的情况下，减低水胶比，从而改善混凝土内部结构，提高混凝土的强度和耐久性[5,6]。高效减水剂大都属于高分子阴离子表面活性剂它掺入到混凝土中，吸附于水化的水泥颗粒表面，形成了双电层，使Zeta电位增大，水泥颗粒之间的排斥力增加，促进水泥浆体中的絮凝结构分散解体释放出自由水，使水泥浆流动性增加，从而使混凝土达到在低水胶比的情况下也能具有很好的工作性的目的。

2、高性能混凝土的特点

高性能混凝土的内部结构更加密实，各相的组成与它们之间的连接更加均匀，能更好地满足结构功能要求，特别是海港工程以及高腐蚀性环境中，高性能混凝土更具巨大的优势。因此，与普通混凝土相比，高性能混凝土应具有以下特点：

（1）高性能混凝土可以具有较高的强度，但这不是必须条件。高性能混凝土的高性能体现在其具有较高的耐久性，而不是一定具有很高的强度，只要工作性、耐久性及功能性满足要求，高性能混凝土也可以是中、低强度。

（2）高性能混凝土具有良好的工作性。混凝土拌和物应具有较高的流动性，混凝土在成型过程中不分层、不离析，易充满模型；泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。

（3）高性能混凝土应具有较高的密实性和抗渗性。由于高性能混凝土的服役环境大多是腐蚀性强、条件恶劣的环境，较高的密实性和抗渗性是混凝土耐久性的重要保证。

（4）高性能混凝土应具有较长的使用寿命。对于一些特护工程的特殊部位，控制结构设计的不是混凝土的强度，而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠地服役50~100年以上，是高性能混凝土设计的主要目标。

（5）高性能混凝土应具有较高的体积稳定性。高性能混凝土大多应用于混凝土用量比较大或跨度比较的构件，大的体积变形容易引起裂缝和结构破坏。因此，高性能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。

3、高性能混凝土在工程中的应用

3.1 在桥梁上的应用

高性能混凝土具有很好的工作性性、易于浇注、不离析、且能长期保持的结构的力学性能，韧性高和体积稳定性好，在恶劣环境下耐久性好、使用寿命长。高性能混凝土在桥梁工程中应用的优点是：跨径更长、主梁间距更大、构件更薄、.耐久、力学承载力高。目前，高性能混凝土已广泛的用于各种离岸结构物和桥梁构件中，包括主梁、桥墩、墩基等。

例如，上海的东海大桥，东海大桥是我国建造的第一座跨海大桥，全长32km。设计寿命为100年，由于长期处于海水侵蚀的环境中，对混凝土保护层厚度要求高，对混凝土的性能要求高，主要以高耐久性为出发点，要求混凝土具备高施工性、高抗渗性、高体积稳定性（硬化过程中不开裂，收缩徐变小）、较高强度，并保持其强度持续增长，最终获得高耐久性能。另外，采用粉煤灰、矿粉作为掺和材料，提高了混凝土施工的工作性，降低了成本达，取得了一定的经济效益。另一个比较著名的工程实例是杭州湾大桥 [7]。

3.2在公路上的应用

公路高性能混凝土应根据公路混凝土的特点，结合高性能混凝土的优点，综合考虑其各方面的性能要求来进行开发。从公路混凝土的施工工艺出发，需采用高流态的混凝土（坍落度要求达到240~270mm）来进行施工，而普通的混凝土在满足强度要求的情况下很难得到这个要，因此，采用高性能混凝土是必然的选择。从公路混凝土的服役环境出发，要求混凝土具有较高的韧性，能够承载的疲劳损伤能力强，如果采用普通的混凝土，虽然强度可以达到设计的要求，但是混凝土的弹性模量等参数会相应提高，不利于混凝土在复变荷载环境下的使用，采用高性能混凝土就可以满足这个要求。

另外，高性能混凝土以其高强、高耐久性的有点，还被广泛的应用于码头、高铁、隧道、大坝等恶劣环境下的土建设施，并发挥着巨大的作用。

4、高性能混凝土研究及应用存在的问题

从上个世纪90年代高性能混凝土的提出到现在，虽然高性能混凝土已在各个领域得到了广泛的应用，其研究也取得了一定成果，但是还存在一定的问题，主要有以下两点：

（1）针对性能的研究较少，主要包括高性能混凝土自干燥引起的自收缩；高性能混凝土的脆性；矿物微细粉的科学分类和品质标准及其与混凝土外加剂之间的相容性；高性能混凝土多组分复合材料的效应；高强高性能混凝土的韧性等方面。

（2）工程应用的推广受到一定的研制。目前，高性能混凝土主要应用于大跨度桥梁、高层建筑的基柱及某些要求高强度、高性能的构件与部位，不仅大大限制了高性能混凝土的扩大使用，而且其诸多优势性能，尤其是现在所大为提倡的绿色优势的发挥亦是相当有限的，这与国家要大力发展和推广“节能与绿色建筑”更是不相符。

参考文献

[1] 赵国藩. 高性能混凝土发展简介[J]. 施工技术, 2002(4):1～2,16

[2] 吴中伟, 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1999

[3] 孟涛等. 含有复合胶凝材料的砼力学性能及其微观机理分析[J]. 浙江大学学报, 2002 (5): 553～558

[4] 冯乃谦. 高性能混凝土的发展与应用[J]. 施工技术, 2003, (4):1～6

[5] 刘秉京. 国内外混凝土外加剂现状[J]. 中国港湾建设, 2002, (2): 7～10

[6] 徐清. 高效减水剂在高性能混凝土中的应用[J]. 化学建材, 2000: 20～22

[7] 李兆海, 刘子全等. 高性能混凝土的应用发展[J]. 福建建材, 2008(1): 5~11