高強混凝土的研究應用和發展趨勢*

冷發光，王永海，周永祥，韋慶東

（中國建筑科學研究院建筑材料研究所，北京 100013 )

高強混凝土的研究應用和發展趨勢*

冷發光，王永海，周永祥，韋慶東

（中國建筑科學研究院建筑材料研究所，北京 100013 )

本文綜述了高強混凝土當前的技術水平及研究熱點，以及高強混凝土的工程應用情況與標準化進展。探討了高強混凝土的發展趨勢和推廣應用前景。

高強混凝土；研究現狀；應用；標準化；發展趨勢

1 前言

《普通混凝土配合比設計規程》JGJ-55-2000和《建筑材料術語標準》JGJ/T191-2009將高強混凝土定義為：強度等級不低于C60的混凝土。與普通混凝土相比，高強混凝土具有明顯的技術優勢：不僅可以減小混凝土結構尺寸，減輕結構自重和地基荷載，節約用地，減少材料用量，節省資源，降低施工能耗，而且能夠提高混凝土結構的耐久性能，延長建筑物的使用壽命，減少結構維護和修補費用。高強混凝土能夠消耗大量工業廢渣，節省水泥，符合節能、減排、環保和可持續發展的戰略要求。高強混凝土是現代混凝土技術水平的代表和未來的發展方向之一。推廣使用高強混凝土符合《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中重點領域“城鎮化與城市發展”的“建筑節能與綠色建筑”和“制造業”中“基礎原材料”兩個優先主題的任務要求，符合《中華人民共和國清潔生產促進法》和《綠色施工導則》等政策法規的指導精神。

從20世紀60年代，歐美等發達國家就已經開始推廣使用高強混凝土。當時美國已有強度等級相當于我國C50～C60的混凝土，在工程中大量應用的混凝土強度等級已達到相當于C30～C35。經過數十年發展，發達國家的多數預拌混凝土公司均能生產高強混凝土，高強混凝土已經在發達國家廣泛應用于房屋、橋梁、道路、港口等領域。目前西方發達國家結構物設計強度普遍達到C50～C60，而我國混凝土設計強度等級平均在C30左右，在大城市應用較多的也就是C30～C40。

我國政府也一直高度重視高強混凝土作為新型建筑材料，在節約資源、保護環境、提高資源綜合利用效率等方面的重要

作用。高強混凝土技術是建設部推廣的十項新技術之一，也是公路、鐵路、水工等其它行業部門研究和推廣應用的新技術之一。2004年8月25日，由建設部辦公廳發文，建設部標準定額司和科學技術司共同編制的《工程建設中鋼鐵、水泥應用的可持續發展戰略》明確提出：加大C30、C40向C40、C50升級應用，以及C70、C80高強高性能混凝土在建筑結構中的應用技術研究；并建議將C100～C160混凝土作為高端戰略，爭取把我國建設成世界高強高性能混凝土技術強國[1]。

2 高強混凝土的研究現狀

國內外針對高強混凝土進行了系統研究，其中高強混凝土的制備技術途徑和措施主要是：通過采用高效減水劑以降低水灰比；通過添加礦物摻合料，減少毛細孔隙率和毛細孔尺寸，以改善水泥石的孔結構；通過添加礦物摻合料，消耗水化產物中的薄弱部分——氫氧化鈣，以改善過渡區的界面結構；采用“水泥裹砂攪拌工藝”和 “高頻振搗成型工藝”等，以改善混凝土生產施工工藝；養護方面有蒸壓養護及濕養護等。高強混凝土的配合比設計要點是：采用優質砂石、礦物摻合料、高效減水劑和高強水泥等原材料，選擇較低單位用水量和水泥用量，降低混凝土拌合物的粘度。

為了縮短與發達國家的混凝土技術差距，近年來國內日益重視加強對高強高性能混凝土的研究和應用，對高強高性能混凝土的收縮裂縫、自收縮規律、配制技術和施工技術等進行了一系列的相關研究。我國針對和涉及到高強高性能混凝土技術領域的重大研究項目主要有：l)“七五”重點科技項目“高強混凝土結構性能、設計方法及施工工藝的研究”；2)“八五”重點科技項目“高強與高性能混凝土材料的結構與力學性態研究”；3)國家“九五”科技攻關項目“混凝土耐久性關鍵技術研究及工程應用”、“高性能混凝土的綜合研究和應用”及“重點工程混凝土安全性研究”；4)國家“十五”科技攻關項目“新型高性能混凝土及混凝土耐久性的研究與應用”；5）國家“十一五”科技支撐計劃課題“高強高性能混凝土應用技術研究”；6)國家“863”計劃項目“高性能混凝土應用技術的研究與開發”。除此之外，還包括其它一系列的大量圍繞高強高性能混凝土展開的各類專項基金課題研究[1]。

隨著活性粉末混凝土等新型混凝土的深入研究，高強混凝土的強度不斷提升。法國BOUYGUES公司Richard等人研制出的活性粉末混凝土，其抗壓強度等級達到800MPa。我國研制出來的超高強混凝土強度可達600MPa，臺灣的榮工公司與臺灣營建研究院共同研制出超高強度混凝土，其強度達到210MPa。意大利學者采用“高硅水泥+玄武巖集料+富配比+低水灰比+最佳骨料級配+蒸壓養護”的技術路線得到了抗壓強度高達300MPa的超高強混凝土。挪威的OddE.Gjorv用高質量的陶瓷集料代替礦物集料，研制出的混凝土抗壓強度由230MPa提高到460MPa[2-4]。

為了進一步推動高強混凝土的工程應用，確保工程質量，目前很多研究人員針對高強混凝土的下列性能開展了系統研究：

（1）高強混凝土的脆性

隨著高強混凝土的推廣應用，其脆性問題愈顯突出，引起了國內外學者的廣泛關注。當混凝土的應變達到3‰時，普通混凝土的承載能力仍能保持一半以上，但同樣的應變值對于高強混凝土，實際承載力已近于零，即此時在高強混凝土中可觀察到裂縫的形成[3]。國內外學者對混凝土的脆性進行了大量的研究，GProkopski等認為[5]，改善混凝土界面性能，能夠提高混凝土的斷裂能和斷裂韌度，界面過渡區的性質對混凝土的脆性有著很大的影響。徐世烺等人認為[6]，當骨料的最大粒徑小于40mm時，混凝土的斷裂韌度隨骨料的最大粒徑增大而增大；當骨料的最大粒徑大于40mm時，混凝土的斷裂韌度隨骨料的最大粒徑增大而減小。采用具有高強、高韌度的骨料也能改善混凝土的韌性[7]。目前研究與工程實踐中，通過摻入纖維、礦物摻合料、聚合物、橡膠粉等來改善混凝土的脆性。其中纖維是較理想的混凝土增韌材料，摻入混凝土中可以減少混凝土裂縫的形成、開裂、擴展，從而改善混凝土的脆性。目前在高強混凝土的脆性研究方面取得了一系列的研究成果，但高強混凝土的脆性問題仍是目前工程界重大技術難題之一，高強混凝土的增韌減脆措施和脆性評價方法仍是目前國內外的研究熱點。

（2）高強混凝土的抗裂性

混凝土結構的開裂已成為一個世界性的難題，國內外對混凝土結構非荷載裂縫的問題都非常重視。特別是高強混凝土的開裂敏感性明顯超出普通混凝土，成為限制高強混凝土推廣應用的主要障礙之一。造成開裂的原因很多，與材料性能有關，也與結構荷載有關，還與服役環境有關。近年來國內外專家對于混凝土的開裂性做了大量的研究，取得豐碩的成果，混凝土開裂的影響因素主要包括外界氣溫變化引起的變形、水泥水化熱引起的變形、混凝土收縮引起的變形和約束條件引起的變形。減小混凝土收縮是提高其抗裂性能的基本途徑。實際工程中，一般對混凝土組成和配比進行優化，在混凝土中摻加纖維、引氣劑、減縮劑、膨脹劑等減縮抗裂組分[8]。目前混凝土開裂敏感性的評價方法主要有刀口法、平板法、圓環法和溫度應力試驗機等方法。混凝土抗裂技術是一項綜合性措施，因此針對具體工程特點，采用多方位、綜合手段防裂抗裂是當前高強混凝土的研究熱點之一。

（3）高強混凝土的耐火性

近10年來國內外的研究人員對高強混凝土耐火性能進行了大量的研究。研究表明高強混凝土與傳統普通混凝土在高溫下的破壞表現及性能都有很大的不同，特別是在快速升溫的火災(高溫)下，高強混凝土常發生爆裂現象[9]。但對高強混凝土高溫下的爆裂行為的機理，國內外學者看法還未統一，仍需進一步的深入研究[10]。國內外研究人員一直在尋找各種途徑來改善高強混凝土高溫下的爆裂行為。研究表明在高強高性能混凝土中摻入少量的聚丙烯纖維和鋼纖維可以改善高強混凝土在高溫下的性能[11][9]。目前各國的規范中一般均缺少提高高強混凝土火災下性能的規定和措施，因此需要通過系統研究，并將成果反映在標準規范中。

3 高強混凝土的工程應用

高強混凝土技術發展非常迅速。早在20世紀60年代，日本學者服部健一利用超塑化劑將W/C降低到0.30以下，從而配制出坍落度為10～12cm，抗壓強度高達80～100MPa的高強混凝土。當時由于拌合物坍落度損失巨大，因此僅限于工廠生產。

在房屋建筑領域，美國芝加哥市對高強混凝土的早期發展起到非常重要的促進作用，1961年40層的Outer Drive East公寓項目突破性地使用MSC公司提供的41MPa高強混凝土。1972年52層的Mid-Continental大廈第一次應用52MPa高強混凝土。1974年當時世界最高混凝土建筑Water Tower Place使用了62MPa高強混凝土。二十世紀八十年代芝加哥涌現了大量高強混凝土工程項目，其中包括225 West Wacker住宅項目。隨后高強混凝土在北美各地得到了成功應用，包括位于西雅圖的58層、220m高的Two Union Square，該工程的實際混凝土強度達到130MPa[12]。高強混凝土在日本也得到了廣泛應用，現代日本的很多建筑物以鋼筋混凝土或鋼管混凝土形式使用130MPa高強混凝土，最高強度可達到150MPa以上[13]。目前，位于亞洲迪拜高達150層的Burj Dubai已經超越臺北101大廈成為世界最高建筑，該工程使用80MPa高強混凝土成功應用混凝土框架結構，并顯著降低工程成本[12]。

與美國芝加哥相似，沈陽市是我國最早大規模集中應用高強混凝土的城市之一，代表性工程包括沈陽富林大廈（應用C100高強混凝土）和皇朝萬鑫大廈（應用C100高強混凝土）等。我國北京、上海和廣州的許多重要工程也應用了高強混凝土。建成于1997年的上海金茂大廈高88層，高度為420.5米，采用C60高強混凝土，實現一次泵送高度229.7米。建成于2008年的上海環球金融中心高101層，高度為492米，采用C60高強混凝土。2009年底建成的廣州國際金融中心（簡稱廣州西塔）高103層，高度為437.5米，采用C60～C100高強混凝土，施工時將C100高強混凝土一次性成功泵送到411米高度，創造同類混凝土泵送新高度。2010年施工的合肥天時廣場二期工程主框架柱采用C80高強泵送混凝土，該工程為框剪結構，地下一層、地上32層，結構高度80多米，混凝土28d強度均達到90MPa以上，應用效果良好。此外，國家大劇院（采用C100高強混凝土）、中央電視臺新辦公大樓（采用C60高強混凝土）和廣州新電視塔（采用C80高強混凝土）等工程均采用高強混凝土。

在橋梁工程領域，從1989年開始，挪威的主要混凝土橋梁和高速公路均采用水膠比低于0.40、摻加硅灰的混凝土來提高抗侵蝕性能。建于1978年的Deutzer橋位于Cologne，橫跨萊茵河，使用普通容重混凝土和輕骨料混凝土的實際強度分別達到69MPa和73MPa。建于1992年的Portneuf橋位于Quebec，使用跨度24.8m的預制后張應力混凝土梁，其水灰比為0.29、含氣量5.0%～7.5%、平均強度達到75MPa。美國的第一個高強混凝土橋梁工程為位于得克薩斯休斯頓的Louetta Road Overpass工程，使用的U形混凝土梁的設計強度為69～90MPa。日本1970年建成的Kaminoshima公路橋采用69 MPa高強混凝土；1974年建成的Fukaimitsu公路橋和1976年建成Akgawa鐵路橋均采用78.6MPa高強混凝土[12]。

在我國，1980年施工的紅水河鐵路斜拉橋采用C60高強混凝土預應力箱梁，1996年施工的萬縣長江大橋采用C60鋼管混凝土，2001年竣工的大佛寺長江大橋、2004年竣工的巴東長江大橋和2008年施工的湖北武英高速公路楊柳互通A匝道橋主箱梁采用C60預應力混凝土。此外，近年來建設的東海大橋、杭州灣大橋和宜昌長江鐵路大橋等工程均采用了高強混凝土以提高混凝土耐久性能。2006年施工的天津濱海新區中央大道二期工程永定新河特大橋橋梁防撞墩采用C80鐵鋼砂混凝土[14]。

在混凝土制品領域，高強混凝土被廣泛用于制備管樁、盾構管片、橋梁構件、軌枕等制品。據報道，日本在1987年生產的混凝土樁達640萬噸，其中預應力高強混凝土占90%。我國目前也已經能夠生產C80高強混凝土管樁和高強混凝土盾構管片等高端制品。

在港口和海洋工程領域，高強混凝土被用于建造碼頭、船塢、防波堤、采油平臺，以提高耐久性。1973年在挪威北海油田建成的第一個混凝土儲油和鉆井平臺，防波堤使用70MPa高強混凝土。我國也成功地將高強混凝土應用于很多港口和海洋工程。

雖然高強混凝土在我國工程中的應用不乏很多成功的實例，但是據初步估計，我國超過C60的高強混凝土累計用量不足年產量的1%。而大部分混凝土的強度等級以C30為主。也就是說，我國雖然掌握了高強混凝土技術，但未能得到很好的推廣，未能發揮其技術、經濟優勢和應有的社會、環境效益。

4 高強混凝土的標準化進展

先進的標準是技術推廣應用的前提和基礎。以國外為例，美國混凝土協會(ACI)制定了《波特蘭粉煤灰高強混凝土配合比選用標準指南》ACI 211.4R-1993、《高強混凝土質量控制和測試指南》ACI 363.2R-98和《高強混凝土發展水平》ACI 363R-92等一系列關于高強混凝土的標準，形成了較為完善的標準體系，為高強混凝土的應用提供了技術依據。歐洲和日本也制定了完善、系統的高強混凝土標準。

我國與發達國家在高強混凝土應用方面存在較大差距，重要原因之一是我國高強混凝土標準制、修訂工作滯后，標準內容和標準體系也不完善。很多設計和施工人員反映，高強混凝土技術變數更大、更容易出問題。原因就在于這些問題沒有成熟且操作性強的解決方案，體現在標準上，就是標準中沒有針對高強混凝土做出相應的技術規定。我國現行的高強混凝土標準僅有一本協會標準《高強混凝土結構技術規程》CECS104-99，該規程發布距今已有11年。目前高強混凝土的技術又有了新的突破進展，而且該標準主要涉及高強混凝土的結構構造和設計，在生產和施工方面沒有系統規定。另外，該標準規定的混凝土強度等級僅覆蓋C60～C80，范圍過窄。各國規范中規定采用的混凝土最高強度等級分別是：歐洲規范Euro code 2為C105，德國規范DIN 1045是C115，美國設計手冊已用到C100。2000年上海市制訂了地方標準《高強泵送混凝土生產和施工規程》DG/TJ08-503-2000，貴州省則在2008年發布了《貴州省高速公路機制砂高強混凝土技術規程》。上述地方標準的制訂，充分反映了高強混凝土在工程建設中的重要性，也說明了生產部門對高強混凝土標準的實際需要。為解決此問題，2009年由中國建筑科學研究院主持制修訂的國家標準《混凝土質量控制標準》（GB50164-92）、《混凝土強度檢驗評定標準》(GB107-87)、《混凝土結構工程施工規范》、《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2000)、《混凝土泵送施工技術規程》(JGJ/T10-95)等標準均增加了高強混凝土的相關內容。

2010年，經住房和城鄉建設部批準，中國建筑科學研究院會同有關單位制定建工行業標準《高強混凝土應用技術規程》。該標準將歸納、總結現階段成熟的高強混凝土技術，涵蓋原材料、配合比設計、施工、質量控制、試驗方法和檢驗評定等技術內容，在規范層面上解決高強混凝土推廣應用的技術障礙，以適應我國高強混凝土的發展新局面，進一步提高高強混凝土應用水平，推動混凝土行業科技進步，為高強混凝土的未來發展創造條件。

5 高強混凝土的發展趨勢

（1）實現高性能化是一項系統工程

高強混凝土高性能化主要是指滿足工程特定要求的性能：高耐久性、良好的工作性、各種力學性能、適用性、良好的體積穩定性和經濟合理性。現在試驗室已經能夠設計和配制出很多種高強高性能的混凝土，但應用到工程以后，有的卻出現了不少問題，有些問題甚至比普通混凝土更嚴重。這些問題的出現告訴我們高強混凝土的高性能化不僅僅是試驗室配合比就能決定的，不僅僅是試驗研究人員的事情，而是一個系統工程，是優選出來的配合比，由生產、設計、施工和管理人員在整個工程全部環節中協調、配合共同得到的。這要求我們實現高性能化不能只重視混凝土配合比，還應足夠重視原材料控制、拌合物生產制備與整個施工的一系列過程控制[15][16]。

（2）“綠色低碳”的發展模式

高強混凝土應節約資源、能源與保護環境，降低碳排放量，朝著“綠色低碳”的方向發展。高強高性能混凝土必須盡可能少的使用水泥，同時高效利用以工業廢渣為主的摻合料，這樣不僅能適應“綠色低碳”的發展模式，而且提高了混凝土的長期耐久性能[1]。

（3）建立科學的配合比設計方法

傳統的配合比設計理論已逐漸不適用于高強混凝土，對于不同的使用目的和環境條件，對高強混凝土的內涵要求也不同，在設計與配制中應該滿足混凝土各階段的不同性能要求，如何建立科學的設計方法是高強混凝土發展的關鍵技術之一[17]。

（4）高強混凝土的標準化研究

加速我國高強混凝土標準規范方面的制修訂工作。標準規范是設計、施工人員工作的主要依據，但我國現行規范中大多是針對普通混凝土的技術規定，對于高強混凝土，國內外研究人員進行了大量的研究，取得了不少的研究成果。因此，總結、歸納現階段成熟的高強混凝土應用技術，進而納入到標準規范之中已經成為混凝土領域面臨的迫切任務之一。

6 結語

高強混凝土是當前土木工程材料的重大研究應用課題。與普通混凝土相比，存在著明顯的技術優勢。可以預見，隨著我國基礎建設規模的不斷擴大、城市化水平的不斷提高、政府相關政策的深入實施、對混凝土耐久性要求的不斷提高以及工程設計理念的創新變革，高強混凝土必將得到更多、更廣泛的應用。由于我國在該領域起步較晚，有大量的工作亟待開展，為積極推動高強混凝土的應用，歸納、總結現階段成熟的高強混凝土應用技術進而納入到相關標準規范之中，是當前我國混凝土領域面臨的一項迫切任務。

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Research Application and Development Trend of High Strength Concrete

Leng Faguang,Wang Yonghai,Zhou Yongxiang,Wei Qingdong
(Institute of Building Materials China Academy of Building Research,Beijing 100013 China)

Current technical level, research hotspot, Engineering application and Standardized progress of high strength concrete have been stated, the development trend and application prospect of that have also been discussed.

high strength concrete; research present situation; application; standardized; development trend

“十一五”國家科技支撐計劃課題(2008BAE61B05)

近年來，中國建筑科學研究院在高強混凝土方面開展了大量的研究工作，主持的相關科研項目包括國家“十一五”科技支撐計劃課題“高強高性能混凝土應用技術研究”、科技部科研院所技術開發專項基金項目“綠色高性能混凝土關鍵技術研究”等，并承擔了沈陽大西電業園C80級混凝土、沈陽富林大廈C100級混凝土、合肥天柱C80～C100級混凝土和上海中技C60～C80預應力混凝土離心方樁耐久性關鍵技術研究等眾多高強混凝土技術服務項目。

冷發光（1968-），男，工學博士，研究員， 中國建筑科學研究院建筑材料研究所總工。主要研究領域：混凝土耐久性及測試技術、綠色高性能混凝土技術、高強高性能混凝土技術、廢渣利用技術、質量控制技術、混凝土防腐技術、特種混凝土技術。主編國標《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》和《混凝土質量控制標準》等十多部標準，發表學術論文、專著100余篇/冊。

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