高性能混凝土的现状与发展

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1、42专家论坛 Expert ForumCHINA CONCRETE 2014.12 NO.66一、高性能混凝土的定义高性能混凝土已成为土木工程行业一个应用十分广泛的名词。 为贯彻落实国务院化解产能严重过剩矛盾指导意见和绿色建筑行动方案 ， 住房城乡建设部、 工业和信息化部于2014年4月成立高性能混凝土推广应用技术指导组， 联合推广高性能混凝土。 今后高性能混凝土的采用情况将作为优秀建筑设计、 绿色建筑评定等活动参评或获奖条件之一。 鼓励绿色建筑、 保障性住房、 政府投资工程率先应用高性能混凝土。 一些地区也发出政府指令， 加快推广使用高性能混凝土。 例如, 新疆乌鲁木齐市建委2014年发出关

2、于在乌鲁木齐地区加快应用高性能混凝土的通知 （乌建发201446号） ， 根据批转关于推广使用高性能混凝土实施意见的通知 （乌政办2011241号）的有关要求， 为进一步规范乌鲁木齐市高性能混凝土的应用， 制定了 乌鲁木齐市高性能混凝土相关技术要高性能混凝土的现状与发展高性能混凝土的现状与发展阎培渝 （清华大学土木工程系 北京 100084）编者按：目前， 高性能混凝土已成为土木工程行业一个应用十分广泛的名词。 其内涵与定 义、 与高性能混凝土相关的主要标准规范有哪些？ 近年来高性能混凝土取得了哪些技术进 步？ 清华大学土木工程系教授阎培渝在本文中作了详细的介绍， 指出高性能混凝土是混凝土 工

3、业发展的方向， 它是一个系统工程， 需要原材料生产、 混凝土制备、 混凝土施工和结构设 计等各部门的通力合作， 才能取得预期的效果。 高性能混凝土的推广面临许多挑战， 也有大 量的机会。 广大工程技术人员应充分认识严格管控混凝土工程质量的重要性， 使高性能混 凝土的推广应用成为混凝土工程所有参与者的自觉行为。专家论坛 Expert Forum43专家论坛 Expert Forum总66期 2014.12 混凝土世界求 ， 从高性能混凝土原材料、 配合比和质量控制等方面提出了要求， 要求混凝土生产企业和应用单位遵照执行。可见高性能混凝土的推广应用已上升到政府层面关注的事情。高性能混凝土自上世纪8

4、0年代提出以来， 其含义一直较为模糊。 美国混凝土学会（ACI）给出的较为正式的定义为： 高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土， 采用传统的原材料和一般的拌和、 浇筑与养护方法， 往往不能大量地生产出这种混凝土。 所指特性如：易于浇筑， 振捣不离析， 早强， 长期力学性能， 抗渗性、 密实性， 低水化温升， 韧性， 体积稳定性， 恶劣环境下的较长寿命。 该定义特别突出了混凝土拌和物的优良均质性， 认为高性能混凝土不是混凝土的一个品种， 强调混凝土生产与施工过程中表现出的 “性能” （performance）或者其质量、 状态、水平。 该定义是一个质量目标， 是一个重视混凝土生产与

5、施工全过程质量控制的理念。 对不同的工程， 高性能混凝土有不同的性能强调重点， 即 “特殊性能组合” 。 ACI的定义提出后， 逐渐被世界各地的混凝土研究者和工程技术人员所接受， 成为混凝土研究和工程应用的行为准则。我国高性能混凝土的工程应用始于一些需要长的安全使用寿命或处于恶劣环境中的重点工程， 如高速铁路、跨海大桥、 超高层建筑、 大型水利工程和地铁等。 近年来各行业制订了一些标准规范， 指导高性能混凝土的应用。这些标准规范对于高性能混凝土的定义大同小异。海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 （JTJ275-2000）关于高性能混凝土的定义是： 用混凝土的常规材料、 常规工艺， 在常温下以低水

6、胶比、 大掺量优质掺和料和较严格的质量控制制作的高耐久性、 高尺寸稳定性、 良好工作性及较高强度的混凝土。原铁道部2005年颁布施行的客运专线铁路高性能混凝土技术条件详细规定了各种环境中使用的高性能混凝土的原材料、 配合比设计、 制备、施工与质量检验等。中国工程建设标准化协会发布的高性能混凝土应用技术规程 （CECS 2072006）关于高性能混凝土的定义是： 采用常规材料和工艺生产的能保证混凝土结构所要求的各项力学性能, 并具有高耐久性、 高工作性和高体积稳定性的混凝土, 称之为高性能混凝土。公路桥涵施工技术规范 （JTG/T F50-2011）关于高性能混凝土的定义是： 采用混凝土的常规材

7、料、 常规工艺， 在常温下以低水胶比、 大掺量优质掺和料和严格的质量控制措施制作的， 具有良好的施工工作性能且硬化后具有高耐久性、 高尺寸稳定性及较高强度的混凝土。中国建筑科学研究院正在编写的高性能混凝土应用技术指南关于高性能混凝土的定义是： 以建设工程设计和施工对混凝土性能特定要求为总体目标， 合理选用优质常规原材料， 掺加外加剂和合理掺量的矿物掺和料， 采用较低水胶比并优化配合比， 通过绿色和预拌生产方式以及严格的施工措施， 制成符合本指南技术要求的、 具有优异综合性能的混凝土。从以上标准规范关于高性能混凝土的定义可见， 中国工程界仍然强调高性能混凝土是具有优异综合性能的混凝土， 多着眼于

8、具体的原材料选择和配合比设计， 对于全过程质量控制理念关注不够， 不重视施工过程对于高性能混凝土在结构中的表现的影响。 由于许多人认为使用高性能减水剂和合理掺量的矿物掺和料所配制的混凝土就是高性能混凝土， 忽视了全过程的质量控制， 因此将一些人为因素造成的工程质量事故归咎于高性能混凝土，对高性能混凝土提出质疑， 认为应该取消 “高性能混凝土” 这个名词， 在我国混凝土学术界与建设工程技术界引起很多争论。多年来一直有人质疑 “高性能混凝土” 这个名词是否恰当地反映了其内涵， 有人提出应对高性能混凝土进行反思， 希望找到一个更科学、 更合理的新名词来表征High Performance Concr

9、ete。 “高性能混凝土” 在不同的阶段和不同的应用领域有着不同的内涵。 在现阶段， 其内涵应该落实到有利于提高混凝土质量、 有利于提高建筑品质、 有利于节约资源和能源、 有利于环保和促进可持续发展等方面。近年来， 大型建筑、 特殊结构不断出现， 对于混凝土性能提出越来越特殊的要求。 为了满足工程需要， 混凝土的配制技术不断进步。 比较突出的进步体现在自密实混凝土、 高强混凝土、 大掺量矿物掺和料混凝土、 超高超远泵送施工等具有特定性能要求的混凝土的生产与特殊施工工艺等方面。44专家论坛 Expert ForumCHINA CONCRETE 2014.12 NO.66二、自密实混凝土的工程应用

10、自密实混凝土是指具有高流动度且不离析、不泌水, 能在免振捣的情况下, 完全依靠自身重力作用, 充满模板内空间, 达到充分密实的混凝土。 自密实混凝土是一种在施工方面具有很大优越性的绿色高性能混凝土，我国已制订了国家标准自密实混凝土应用技术规程（JGJ/T283-2012）。 近年来在钢-混凝土组合结构、 高速铁路工程和大型桥梁等建设工程中自密实混凝土得到广泛应用。欧洲配制自密实混凝土时， 都使用大量的石灰石粉，以改善混凝土的颗粒级配， 提高拌和物的粘度和流动性。我国目前不能大量供应石灰石粉， 通常采用粉煤灰以及人工砂中的石粉来调整混凝土的颗粒级配， 满足混凝土自密实的性能要求。 由于粉体量大，

11、 水胶比低， 因此自密实混凝土的强度等级一般较高， 配制普通强度等级的自密实混凝土较为困难。 BASF公司开发了一种调粘剂， 与聚羧酸系减水剂共同使用， 可使用与普通混凝土相近的胶凝材料量， 配制C30自密实混凝土。我国高速铁路CRTS 型无砟轨道结构的充填层和车站道岔的充填层均设计采用强度等级为C40的自密实混凝土。 在路基地段， 自密实混凝土须按照轨道板长度一次性浇筑。 轨道板宽度2800mm， 自密实混凝土厚度100mm； 自密实混凝土层内配置12mm的构造钢筋网， 钢筋纵横间距均为200mm。 在如此狭小的空间中大面积浇筑薄层混凝土， 要求充填密实、 无气泡， 其施工条件很严酷， 对于

12、自密实混凝土的流动性要求很高。 目前我国高速铁路无砟轨道结构体系逐渐摒弃了水泥沥青砂浆充填层， 改用自密实混凝土作为轨道板下的充填层材料。 自密实混凝土成为保证工程质量的重要部分。我国在超高层建筑和山区公路桥梁建设工程中， 越来越多使用钢-混凝土组合结构， 包括钢管混凝土结构与劲性多腔钢骨混凝土结构。 钢管或钢骨内部空腔多使用自密实混凝土填充， 其施工方式包括高抛和顶升两种形式，各自特点见表1。 顶升施工是近年来逐渐发展的新施工方式。 在中国学术期刊网络出版总库中查询， 2010年迄今共发表自密实混凝土顶升施工的论文79篇， 而2010年前的10年间一共只发表了63篇。 在顶升施工时， 混凝土

13、在泵压驱动下， 由底部进入待浇筑的钢结构内部并逐渐上升， 在自重的作用下密实。 这可避免钢管内部隔板下方出现气泡或断层， 混凝土也不会离析。 顶升施工工艺对于混凝土的工作性要求高， 如果拌和物流动性或通过性不好， 顶升速度控制不好， 在顶升中途可能出现拌和物顶不动的现象， 造成钢管屈曲、 爆管等严重事故。在天津津塔、 天津于家堡金融中心、 北京财富中心、北京国贸三期A塔楼等工程中， 成功使用顶升法施工了C60C70自密实混凝土； 在深圳平安金融中心、 北京中国尊、 望京SOHU大厦、 厦门杏林湾营运中心等工程中， 则使用高抛法施工C60C70自密实混凝土。 在力学性能满足要求的前提下 ， 混凝

14、土拌和物典型的性能要求见表2。三、高强混凝土的工程应用高强混凝土具有强度高、 负荷能力大、 资源和能源消耗少以及耐久性优异等特点， 能满足高层建筑及大跨、 重载的土木工程的要求， 已在国内外众多工程中得到大量应用。 目前我国的结构设计规范中允许使用的混凝土强度等表 1 自密实混凝土顶升施工与高抛施工方法的对比浇筑方法优点缺点顶升法（1）对于内部有较多横竖隔板的钢管， 混凝土浇筑质量有保证， 横隔板下方不易形成空腔；（2）混凝土浇筑不是钢结构安装的紧后工作， 可以与钢结构安装同时进行。（1）对混凝土性能要求高， 经时和泵送坍落度损失小；（2）每根钢柱混凝土浇筑时都需要泵管与管柱有可靠的连接， 接

15、泵管的时间较长。高抛法（1）操作方便；（2）适合外侧加钢柱的肋混凝土振捣；（3）混凝土浇筑速度较快。（1）混凝土质量不易保证；（2）存在交叉作业， 影响钢结构安装进度。45专家论坛 Expert Forum总66期 2014.12 混凝土世界级为C80， 在国家标准高强混凝土应用技术规程 （JGJ/T281-2012） 中规定的最高强度等级为C100， 在实验室中使用普通混凝土原材料可以配制出C120强度等级的混凝土并可实现高层泵送。 在一些试验性工程中， 实际结构试用了一些C100强度等级的混凝土。 沈阳清华同方信息港8#楼（A、 B座） 的地下1层10层钢管混凝土柱内浇筑了C100高强混凝

16、土。 沈阳市皇朝万鑫大厦的地下2层8层钢管混凝土柱内浇筑了C100高强混凝土。在我国的一些超高层建筑工程中已实际使用了C80高强混凝土，如深圳汉国城市商业中心，地下5层46层剪力墙及大截面框架柱均采用C80混凝土， 总用量约33770m3， 每层C80混凝土用量500m3900m3。优化后的C80混凝土配合比（kg/m3）为: 水水泥砂（干料） 石（干料） 外加剂I级粉煤灰S95矿粉=142340728980 10 140 140， 水胶比0.24。 混凝土入泵坍落度240mm260mm， 坍落扩展度（65030）mm， 倒坍落筒流空时间5s15s， 混凝土初凝时间8h12h， 入泵温度32。上海卢湾107#、 108#地块为两栋24层99.9 米高的酒店。 采用钢筋混凝土结构， 其中4层22层结构使用C80高强混凝土， 总共使用C80混凝土5057m3， 是上海首次大规模使用C80高强混凝土。 通过原材料的比较选择，确定的试验配合比和力学性能见