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高性能混凝土发展趋势及在建筑工程中的应用

摘要：本文阐述了高性能混凝土的定义及发展趋势，并通过对高性能混凝土的原材料、配合比、高性能的分析，指出了其在建筑工程中的应用，在使用过程中的存在的问题及解决途径。
关键词：高性能混凝土发展趋势原材料配合比应用
1高性能混凝土的定义
高性能混凝土（HighPerformanceConcrete，简称HPC）是在高强度混凝土（HighStrengthConcrete，简称HSC）的基础上发展起来的。在不同国家，甚至是同一国家的不同应用部门，对高性能混凝土的定义都有差别。美国和加拿大的学者认为高性能混凝土应该是高耐久性的，而不仅仅是高强度；除了强度之外，高耐久性还应包括高的体积稳定性、低渗透性和高工作性。日本学者更重视混凝土的工作性，认为高流态、免振自密实混凝土就是高性能混凝土。英国和北美学者则更重视混凝土的强度。综合分析各种观点，我国学者提出：“高性能混凝土是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代（先进的预拌）混凝土技术，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土。”高性能混凝土应具有几种性能：耐久性、工作性及各种力学性能。但目前，高性能混凝土的概念又有了新的变化，清华大学冯乃谦教授提出普通混凝土也可能高性能化，其研究成果在工程实际中也得到了应用。因此，高性能混凝土并不一定强调高强，还包括普通混凝土的高性能化。
2高性能混凝土的发展趋势
笔者认为，随着社会的不断发展，节能、环保等关系人类生存和发展的重大课题，已逐渐被业界内行家所重视，因此，高性能混凝土也被称为“绿色混凝土”。绿色高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，绿色混凝土是大量采用工业废渣细掺料、水泥用量降低30%~50%的低水泥用量生态混凝土，新型高性能减水剂使超细矿物掺和料用量大大增加，实现了大掺量粉煤灰、大掺量矿渣等免振捣的自密实绿色高性能混凝土。与普通混凝土相比，水灰比极低的高强、超高强高性能混凝土强度更高，结构尺寸更小，稳定性更好，结构的维修和重建费用更省，在恶劣条件下使用寿命更长，即显示出其耐久性良好的特点。随着建筑结构向大跨度，超高层发展，为缩小结构断面，减轻结构自重，发展轻质、高强、节能的轻集料混凝土是一个大趋势。钢筋混凝土、聚合物改性砂浆和混凝土、聚合物纤维增强混凝土，都显著改善了混凝土材料的性能，在实际工程中的应用领域正在不断扩大。
3高性能混凝土的原材料和配合比
高性能混凝土的组成材料包括水泥、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。
3.1水泥及其用量配制HPC可以使用普通硅酸盐水泥、早强硅酸盐水泥、中热水泥等，其水标号大于或等于42.5R。水泥矿物组成中，C3A含量不应超过8%，比表面不宜太高，通常比表面在3200cm2/g左右。试验结果证明，C3A含量超过8%，水泥的流动度损失明显，含碱量及硫酸盐含量高的水泥更严重。
为了控制水泥水化放热量以及提高体积稳定性，配制HPC时胶凝材料（包括水泥和活性掺合料）总用量通常在300~550kg/m3范围。这样，在合适的配合比条件下，可以得到抗压强度40~120MPa的混凝土。为了适应HPC的发展，最理想的办法是生产一种低水灰比、高流动性、高标号的水泥，或者生产一种调节细度和颗粒组成的水泥，与普通水泥配合使用，这样便能保证在水灰比0.2时，砂浆流动度在200mm以上。
3.2矿物掺合料矿物掺合料主要是粉煤灰、矿渣、硅粉等，它们是辅助胶凝材料，近几年来在普通混凝土应用中越来越普遍，一方面是由于经济效益显著，另一方面是因为使用这种材料可以得到技术效果。在HPC中，应用辅助胶凝材料的作用就更为突出。
HPC的高强度部分来源于其基材的密实，即使有一部分水泥被一种或多种辅助代替，也对混凝土的早期强度不会有副作用。此外，化学活性较低的辅助胶凝材料代替部分水泥，从控制水化放热和流变性能的角度也是有益的。
3.3用水量在拌合水大大减少的情况下，获得大的流动性，使硬化混凝土具有高强度和高密实性。因此，必须使用超塑化剂破坏水泥粒子的絮凝结构，使水泥粒子分散。拌合水大大减少使水泥粒子间距缩小，因此得到比普通混凝土密实得多的水泥石结构，凭借这种高密实度的结构，水化物形成较多的水泥石结构，水化物形成较多的化学键合就能获得非常高的抗压强度。由于游离水含量较少，自干燥失水后使HPC的水泥石具有非常低孔隙率。
在配制HPC时可以两种形式即水灰比（ω/c）和水胶比ω/(c+s)两者掺有掺合料时使用，HPC的抗压强度不仅取决于水灰比，也取决于水泥石的密实度。换句话说，两个影响混凝土强度的因素即水灰比和减小水化开始时粒子的间距。
3.4集料及其用量在配制HPC时，水泥浆与集料的体积比是0.35：0.65，除此之外，集料的种类对混凝土的体积稳定性也有显著影响。例如：水泥浆与集料的弹性模量或热膨胀系数不相匹配，当结构暴露在温度变化频繁的环境中将产生开裂。同样，在一定的水泥浆、集料比时，使用弹性模量低的集料将会使混凝土的徐变增大。就长期尺寸稳定性而言，通常认为混凝土集料用石灰岩和玄岩比砂岩或河卵石好。在配合比相似时，，用花岗岩和砾石集料的混凝土比用辉绿岩或石灰岩集料的混凝土强度低得多，这是由于水泥石与集料之间的界面区的结构和粘结强度的差异造成的。
除集料的材质外，使用级配良好，洁净集料（没有泥土及脆弱颗粒）是必要的。作为细集料（小于5mm）通常采用中高细度模数（即2.5~3.0）的天然砂为好。在颗粒尺寸相同时，作为粗集料用破碎的致密石灰石或深层的岩浆岩（如花岗岩、正长岩、闪长岩和辉绿岩）通常以得到满意的结果。
粗集料的最大粒径对HPC来说以10~15mm为最佳，超过25mm时，对混凝土强度和抗渗性不利。由于HPC的集料与水泥石界面较强，集料确实是混凝土强度的制约因素，而在普通混凝土中几乎不考虑这个问题。若采用水泥熟料球作为人造集料配制HPC，可能得到高强度和高弹性模量，其原因是产生致密和牢固的集料—水泥界面区。
根据集料总体积（0.65m3），按假定A等级混凝土的细粗集料体积比为2：3，则得细粗集料体积分别为0.26m3和0.39m3。对于其它等级的混凝土（从B至E），随着强度的提高，水泥用量增大，故可以假定细粗集料的体积相应小一些。例如：B等级用1.95：3.05，C级1.90：3.10，D级1.85：3.15，E级1.80：3.20。
3.5外加剂配制HPC不可缺少的是超塑化剂，而普通减水剂达不到HPC减水率和提高工作度的要求。超塑化剂或高效减水剂是阴离子型高分子表面活性剂。通常是萘磺酸盐甲醛聚合物和三聚氰胺磺酸盐甲醛聚合物。这两个系列的超塑化剂很难说哪个好一些。三聚氰胺系超塑化剂减水率略差一些，但坍落度损失快，缓凝比萘系小得多，更适合与引气剂复合使用。
超塑化剂的掺量为水泥重量的1%~2%，对于不同等级的混凝土，随着强度的增高其掺量增大。市售的超塑化剂产品很多，产品选择通过试验来确定，因为超塑化剂与水泥和掺合料之间存在相容性问题。
超塑化剂对水泥浆有强烈的分散作用，但是这种作用持续时间不长，因此用超塑化剂配制大流动性混凝土存在坍落度随时间损失的问题，解决坍落度损失可采用后掺法，即一部分超塑化剂在混凝土拌合物运达施工现场后再加入，然后经搅拌进行混凝土泵送。后掺法虽然有效地解决了坍落度损失问题，但增加了二次搅拌工艺。因此，后掺法并不是最好的方法。解决坍落度损失的另一种方法是将超塑化剂与缓凝剂（或缓凝减水剂）组成复合外加剂。这样配制的可满足新拌搅运输、泵送、浇注工艺过程的要求。
4高性能混凝土在建筑工程中的应用
随着现代（预拌）混凝土技术发展，混凝土各种化学外加剂包括泵送剂、防水剂、防冻剂等性能要求均发生了变化，每次标准修订均反映了技术水平的提高，但国内大多使用萘系复合型的减水剂，混凝土坍落度损失的问题没有得到根本解决，各地的技术水平差异和原材料变化较大，往往达不到技术要求。中低强度等级的高性能混凝土，包括免振捣自密实混凝土，在实际工程应用中出现问题较多，C50以上的高强及C80以上超高强高性能混凝土尚未完全普及推广使用，但在国外，免振捣自密实混凝土和高强高性能混凝土在工程中应用已较为普遍。
通常聚羧酸系减水剂较萘系减水剂的减水率高，与水泥的相容性更好，用聚羧酸系减水剂配制高性能混凝土，水胶比可以降至很低，混凝土的流动性很大。由于减水剂与不同水泥存在相容性问题，混凝土容易出现流动性损失问题；另外，高性能混凝土在硬化过程中容易出现裂缝，致使混凝土耐久性降低。通过高性能减水剂与大掺量活性细掺料两者的复合作用使混凝土的性能得到改善和提高，大大减小了水泥用量和水胶比，提高了工程质量，降低了工程造价。
我国现行的混凝土配合比设计、施工质量标准，包括原材料的检验标准，主要都是针对高水灰比的普通混凝土特点制定的，如《混凝土外加剂》GB80876-1997，不能准确检验出丙酸基高效减水剂的减水率，所测结果与施工配合比中反应出的减水率之间存在较大差异。
高性能混凝土配合比设计的有关参数和耐久性检测方法与普通混凝土有所不同，其方法特点应主要突出新拌混凝土的流动性和硬化混凝土的耐久性检测。在我国，高性能减水剂的质量与国外产品有一定差距，随着对化学外加剂的深入研究，差距将会缩小，免振捣自密实混凝土及高强超高强高性能混凝土也将得到进一步发展，因此，及时开展高性能混凝土的基础研究非常必要。
5结束语
高性能混凝土从配合比设计、配料、搅拌、运输、施工、养护、检测验收各个环节都要按照相关的规范、规程和标准进行严格的检查和监控，建设行政主管部门和质量监督部门要严格控制混凝土生产管理和施工，并在本行业推行ISO9000系列质量管理体系。从政策上、工艺上和管理上确保高性能混凝土的质量，推动高性能混凝土的应用。

-全文完-