高性能混凝土的研究

摘 要：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、海港建筑等工程。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

一、高性能混凝土产生的背景

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。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。

二、高性能混凝土原材料及其选用

1.水泥。

在配置高性能混凝土配合比时，我们一般选用普通硅酸盐水泥,这是为了有效控制混凝土的质量并发挥矿料的作用。应尽可能选择那种水化速度较慢，水化发热量较小的水泥。选择水泥时不能以强度作为唯一指标，不能以为强度高的水泥就一定好。

2.骨料。

（1）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。

（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。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。

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。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。

4.外加剂

外加剂对混凝土具有良好的改性作用，掺用外加剂是制备高性能混凝土的关键技术之一。在混凝土中合理掺加具有减水率高、坍落度损失小、适量引气，质量稳定的外加剂产品能明显改善或提高混凝土耐久性能。

5.矿物掺合料。

(1)粉煤灰,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%。

(2)硅粉，。硅灰对提高混凝土抗化学腐蚀性有显著效果。

（3）磨细矿渣粉。矿渣的掺量要适度，一般在10～25之间。

6.拌合用水

如果使用符合国家标准的饮用水作拌合用水可不经检验，使用其他来源的水作拌合用水时，水的品质要经检验，符合标准才能用于混凝土。

三、配合比设计的基本原则和控制要点

1.设计思路有很大区别

在以往的配合比设计方法中，是按混凝土的强度等级要求计算水灰比，而现在则是按耐久性的要求，首先根据环境作用等级确定电通量指标，由此来选择水胶比、控制胶凝材料最小用量以及掺和料的比例。由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为C30或C35，一般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，混凝土的强度一般都是超强的。

2.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例

在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力。国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在20%以上时，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%，当大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45。

3.含气量的要求

含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于2%，并且作为施工质量控制的必检项目之一。

4.电通量指标

混凝土的电通量主要取决于水胶比，通过大量试验得到规律，一般水胶比小于0.5时基本可满足电通量小于2000的要求，水胶比小于0.45时基本可满足电通量小于1500的要求。

四、高性能混凝土的特点

（一）高耐久性能

高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性, 而耐久性则取决于抗渗性;抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关。由于高性能混凝土掺加了高效减水剂,其水胶比很低(≤0.38),水泥全部水化后,混凝土没有多余的毛细水,孔隙细化,最可几孔径很小, 总孔隙率低;再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后,混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构, 使其≥100μm的孔含量得到明显减少,矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱- 集料反应、抗硫酸盐腐蚀,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。

（二）高工作性能

高性能混凝土具有良好的流变学性能, 高流动性,不泌水,不离析,能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性,对于某些结构的特殊部位(如梁柱接头等钢筋密集处)还可采用自流密实成型混凝土,从而保证该部位的密实性,这样就可以减轻施工劳动强度,节约施工能耗。

（三）高强及体积稳定性

高性能混凝土的体积稳定性表现在其优良的抗初期开裂性, 低的温度变形、低徐变及低的自收缩变形。虽然高性能混凝土的水灰比比较低, 但是如果将新型高效减水剂和增粘剂一起使用, 尽可能地降低单方用水量, 防止离析,浇筑振实后立即用湿布或湿草帘加以覆盖养护, 避免太阳光照射和风吹, 防止混凝土的水分蒸发, 这样高性能混凝土早期开裂就会得到有效的抑制。高性能混凝土有着良好的物理力学性能，且具有较高的强度和体积稳定性。

（四）其它

高性能混凝土具有较高的韧性和长期的力学性能稳定性。高性能混凝土的高韧性要求其具有能较好地抵抗地震荷载、疲劳荷载及冲击荷载的能力,混凝土的韧性可通过在混凝土掺加引气剂或采用高性能纤维混凝土等措施得到提高。高性能混凝土比掺加了硅粉的普通混凝土在用量上得到了显著降低, 这对于大体积混凝土的温控和防裂十分有利。高性能混凝土长期的力学稳定性要求其在长期的荷载作用及恶劣环境侵蚀下抗压强度、抗拉强度及弹性模量等力学性能保持稳定。

五：结束语：

文中提出的设计方法具有准确、简捷、适用范围广及程序化的特点，采用此方法配制的混凝土具有良好的工作性、力学性及耐久性。如今我国高性能混凝土发展形势一片良好，但是要使高性能混凝土在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程。随着我国建筑基础建设的不断增强，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。

参考文献：

[1] 吴中伟.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[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] 丁大钧.高性能混凝土及其在工程中的应用[M].北京:机械工业出版社,2007.