高性能混凝土的研究與發展現狀

朱立偉

一、高性能混凝土產生的背景和研究現狀

（一）背景

隨著大跨、高層、海洋、軍事工程的發展對混凝土提出的更高的要求；處在惡劣環境下既有建筑不斷劣化、退化導致過早失強度、甚至出現惡性事故造成巨大損失的嚴重后果；原材料生產、開采造成的生態環境惡化以及砂石料枯竭、資源短缺嚴重影響進一步發展的嚴酷現實。這就要求混凝土不斷提高以耐久性為重點的各項性能， 多使用天然材料及工業廢料保護環境， 走可持續發展的道路， 高性能混凝土就是在這種背景下出現并逐步完善與發展的。

混凝土作為用量最大的人造材料，不得不考慮它的使用對生態環境的影響。傳統混凝土的原材料都來自然資源。每用1t水泥，大概需要0.61t以上的潔凈水，2.1t砂、3.1t以上的石子；每生產1t硅酸鹽水泥約需1.6t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1.2tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產混凝土所消耗能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石料已在不少地方造成資源破壞并嚴重影響環境和天然景觀。有些大城市現已難以獲得質量合格的砂石。另一方面，由于混凝土過早劣化，如何處置費舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環境帶來威脅。

因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，必須更多地利用各種工業廢渣作為其原材料；必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強都意味著節約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產生的。

（二）研究現狀及發展方向

進入20世紀90后代以后，混凝土結構耐久性設計方法成為土木工程領域中的研究重點。相對不同環境類別的侵蝕作用，提出材料性能劣化的理論和經驗模式，并據此估算結構的使用壽命，成為發展和研究耐久性設計方法的主流。目前，高性能混凝土的發展有以下幾個大方向：

（1）綠色高性能混凝土

混凝土是當代最大宗的人造材料，對資源、能源的消耗和對環境的破壞十分巨大，與可持續發展的要求背道而馳。綠色高性能混凝土研究和應用較多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土與基準混凝土相比，極大提高了新拌混凝土的工作性能，明顯降低混凝土硬化階段的水化熱，提高混凝土強度特別是后期強度。而且，節約水泥，減少環境污染，成為綠色環保高性能混凝土的代表性材料。

（2）超高性能混凝土

超高性能混凝土，如活性粉末混凝土，其特點是高強度，抗壓強度高達300MPa，且具有高密實性，已在軍事、核電站等特殊工程中成功應用。

（3）智能混凝土

智能混凝土是在混凝土原有的組分基礎上復合智能型組分，使混凝土材料具有自感知、自適應、自修復特性的多功能材料，對環境變化具有感知和控制的功能。隨著損傷自診斷的混凝土、溫度自調節的混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列機敏混凝土的出現，為智能混凝土的研究、發展和智能混凝土結構的研究應用奠定了一定基礎。

二、高性能混凝土的性能研究

與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨特的性能：

1.耐久性

高效減水劑和礦物質超細粉的配合使用，減少混凝土內部得空隙，能夠有效的減少用水量能夠使混凝土結構安全可靠地工作50年以上，是高性能混凝土應用的主要目的。

2.力學性能

由于混凝土是一種非均質材料，強度受諸多因素影響，水灰比是影響混凝土強度的主要因素，在高性能混凝土中摻入礦物超細粉可以填充水泥顆粒之間的空隙，改善界面結構，提高混凝土密實度，提高強度。

3.經濟性

高性能混凝土良好的耐久性可以減少結構的維修費用，延長結構的使用壽命，收到良好的經濟效益；高性能混凝土的高強度可以減少構件尺寸，減小自重，增加使用空間；高性能混凝土良好的工作性可以減少工人工作強度，加快施工速度，減少成本。前蘇聯學者研究發現用C110～C137的高性能混凝土替代C40～C60的混凝土，可以節約15%～25%的鋼材和30%～70%的水泥。雖然高性能混凝土本身的價格偏高，但是其優異的性能使其具有了良好的經濟性。概括起來說，高性能混凝土就是能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的混凝土，能最大限度地延長混凝土結構的使用年限，降低工程造價。

三、高性能混凝土的特點

（一）高耐久性能

高性能混凝土的重要特點是具有較高耐久性， 而耐久性則取決于抗滲性；抗滲性又與混凝土中的水泥石密實度和界面結構有關。由于高性能混凝土摻加了高效減水劑，其水膠比很低（≤0.138），水泥全部水化后，混凝土沒有多余的毛細水，孔隙細化，最可幾孔徑很小， 總孔隙率低；再者高性能混凝土中摻加礦物質超細粉后，混凝土中骨料與水泥石之間的界面過渡區孔隙能得到明顯的降低，而且礦物質超細粉的摻加還能改善水泥石的孔結構， 使其≥100μm的孔含量得到明顯減少，礦物質超細粉的摻加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上這些措施對于混凝土的抗凍融、抗中性化、抗堿- 集料反應、抗硫酸鹽腐蝕，以及其它酸性和鹽類侵蝕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變學性能， 高流動性，不泌水，不離析，能在正常施工條件下保證混凝土結構的密實性和均勻性，對于某些結構的特殊部位（如梁柱接頭等鋼筋密集處）還可采用自流密實成型混凝土，從而保證該部位的密實性，這樣就可以減輕施工勞動強度，節約施工能耗。

四、高性能混凝土的發展前景

隨著高性能混凝土的開發和應用， 建筑對生態環境產生的影響正引起社會的關注。建筑物在建造和運行的過程中需消耗大量的自然資源和能源，并對環境產生不同程度的影響。21世紀，提出了綠色混凝土的概念：1）節約資源、能源；2）不破壞環境，更有利于環境；3）可持續發展， 既要滿足當代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力，應大力開展綠色高性能混凝土的研究和應用高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優良性能，對混凝土的發展將起重要作用， 并為高性能混凝土的發展指明了非常明確的方向。中國高性能混凝土發展形勢一片良好，但是要使高性能混凝土在建筑工程中推廣使用還需一個認識和實踐的過程。隨著我國建筑基礎建設的不斷增強，高性能混凝土必將成為新世紀的重要建筑工程材料。基于上述特點，高性能混凝土成為我國混凝土技術的主要發展方向。