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1、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
2、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
3、 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
4、 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
5、 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 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
6、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
7、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
8、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 60100MPa 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
9、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
10、 结 构 ， 提 高 界 面 粘 结 强 度 。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 2025GPa， 采 用 适
11、宜 的 材 料 与配 合 比 的 高 性 能 混 凝 土 ， 其 弹 性 模 可 达 4045GPa。 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100120MPa 的 高 性 能 混 凝 土 ， 已 在 工 程 中 应 用 。 高 性 能 混 凝 土 抗 拉 强 度
12、 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
13、 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
14、 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 性能 混 凝 土 的 Cl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
15、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 300C 温 度 下 ， 蒸 汽 压 力 可 达 8MPa， 而 在350C 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
16、 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
