高性能混凝土發展綜述

魯國夫　魯新建

【摘 要】 土本文主要介紹了國內外學者對高性能混凝土的認識與定義，闡明了它的主要性能，并且詳細介紹了高性能混凝土在國內外的研究和發展現狀，列舉了高性能混凝土在國內外研究應用中的重要成果，同時，還針對高性能混凝土研究與發展中的一些問題進行了探討，并對其發展趨勢作出了展望。

【關鍵詞】 高性能混凝土；研究現狀；存在問題；趨勢

【Abstract】 This article mainly introduces the understanding and definition of high-performance concrete by scholars at home and abroad， clarifies its main performance， and details the research and development status of high-performance concrete at home and abroad， and lists the research and application of high-performance concrete at home and abroad. In the meantime， the important results in the course of the research and development of high performance concrete were also discussed， and the development trend of the high performance concrete was forecasted.

【Key words】 High-performance concrete；Research status；Existing problems；Trends

1. 引言

隨著現代化進程的加快，我國的建設規模正日益擴大，如何在保證建筑工程能安全長久地使用下去受到了社會各界的廣泛關注。而混凝土作為當今世界使用量最大、使用面最廣的建筑材料之一，其性能倍受人們的重視。高性能混凝土由于具有高耐久性、高強度、高體積穩定性和高工作性等許多優良特性，被認為是目前全世界性能最為全面的混凝土。特別是近年來，這種混凝土技術正在快速發展并且被運用到很多實際工程項目中。因此，研究高性能混凝土的性能和發展歷程，了解它存在的問題和發展趨勢，對今后建筑的安全性和穩定性有著不可忽視的作用。

2. 高性能混凝土的定義和性能

（1）高性能混凝土是20世紀80年代末90年代初，部分發達國家基于混凝土結構耐久性設計而提出的一種全新概念的混凝土。“高性能混凝土”一詞最初是由美國國家標準與技術研究所（NIST）與美國混凝土協會（ACI） 于1990年在美國馬里蘭州召開的混凝土討論會上提出。高性能混凝土有多種定義，不同國家，甚至是同一個國家的不同行業，對高性能混凝土的定義都有差別。美國和加拿大的學者認為高性能混凝土不僅要高強度，而且要高耐久性；除了強度外，高耐久性還應包括高體積穩定性、低滲透性和高工作性。日本學者更重視混凝土的工作性，認為高流態、免振自密實混凝土就是高性能混凝土。英國和北美學者則更重視混凝土的強度。綜合分析各種觀點，我國學者提出：“高性能混凝土是在大幅度提高常規混凝土性能的基礎上采用現代（先進的預拌）混凝土技術，選用優質原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數量的活性細摻料和高效外加劑的一種新型高技術混凝土[1]。

（2）與普通的混凝土相比，高性能混凝土具有以下幾種主要性能：高強度（包括高早期強度）、體積穩定性、高抗磨損性能、低水和化學離子滲透性、高耐化學性、高抗凍性能、殺菌和抑菌活性[2]。它們已經被列入多項國家標準，而且是在FIB，RILEM，ASCE和ACI這樣的國際組織的基本文件里被提及。

3. 高性能混凝土的研究應用現狀

雖然高性能混凝土概念的提出至今不久，但是鑒于其優良性能，用其替代傳統的混凝土以及建造在惡劣環境中的特殊結構物，具有顯著的經濟效益和環境效益，因此高性能混凝土的開發和應用得到了各國的重視，并且取得了巨大成果。

3.1 高性能混凝土在國外的研究應用現狀

（1）關于高性能混凝土的研究在上世紀90年代就開始了，其中美國、日本等國家在高性能混凝土配制方法、耐久性能檢驗方法和提高混凝土耐久性技術途徑方面進行了大量的研究，并在橋梁、碼頭等易腐蝕結構中成功地應用了外摻活性摻合料的高性能混凝土。

（2）1994年，美國提出了一個在基礎設施建設中應用HPC的建議，并決定在10年內投資2億美元對其進行研究和開發。1999年，美國NIST的建筑與防火研究實驗室在國際互聯網上公布了一個“高性能混凝土技術的伙伴關系”，由工業界四個大企業和國家預制混凝土協會、波特蘭水泥協會合作，實施“商品高性能混凝土結構項目中計算機集成知識系統（CIKS）的開發”的國家重點研究計劃[3]。

（3）日本在80年代后期研制高性能混凝土時，特別重視混凝土的施工性能，尤其是高流動性，要求澆筑混凝土后不振或微振，日本自成型混凝土的發展是實現混凝土澆筑質量控制的重要一步，這種流動性混凝土在遠距離泵送的情況下而不離析的特性減少了混凝土的運輸、澆筑和成型過程中的人工操作[4]。

（4）法國在1986年～1993年開展了“混凝土新方法”的研究項目，對HPC進行研究，并建成了示范工程。1996年，法國公共工程部、教育與研究部又組織了為期4年的國家研究項目“高性能混凝土2000”，并投入550萬美元研究經費。此外，法國修建的佩爾蒂大橋以及埃洛恩河大橋和諾曼底大橋也都使用了高性能混凝土。

（5）挪威皇家科技研究院的科學與工程研究基金（SINEF）不斷資助HPC研究。

瑞典在1991年～1997年間，由政府和企業聯合出資5200萬克朗，實施HPC研究計劃。

3.2 高性能混凝土在國內的研究應用現狀。

（1）我國是以混凝土作為主要建筑材料的國家，而高性能混凝土與普通混凝土相比有很多優越性，因此它是我國混凝土技術發展的一個主要方向。盡管高性能混凝土在我國的研究和應用起步較晚，但發展速度較快。

（2） 清華大學于1992年開始進行有關高性能混凝土的研究，并得到各部門的重視與支持。1994年～1997年，清華大學主持由國家自然科學基金委員會、國家建設部、國家鐵道部及國家建材局聯合資助的重點項目“高強與高性能混凝土材料的結構與力學性態研究”，有鐵道科學研究院、中國建材科學研究院、原重慶建筑大學、東南大學共同承擔，成果卓著。近年來，我國許多重大工程中都不同程度應用了高性能混凝土，尤其是在高層建筑、大跨度橋梁、海上采油平臺、礦井工程、海港碼頭等工程中的應用日益增多。l995至1997年間，我國最高的上海金茂大廈，總高度達到了420.5 m，該建筑使用了C50，C60等高性能混凝土[5]。此外，我國的其他大型建筑，例如：北京靜安中心大廈（C80）、遼寧物產大廈（C80）、南京希爾頓國際大酒店（C30和C50）、長春國際商貿城（C55）、廣州虎門大橋（C50）、上海楊浦大橋（C50）等都是高性能混凝土應用的典范。全國很多研究單位已經研制出了普通泵送高性能混凝土、高流態自密實高性能混凝土、大摻量粉煤灰高性能混凝土、纖維增加高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土、輕骨料高性能混凝土、港工與海工高性能混凝土、高拋纖維高性能混凝土等，并且研制出了C30-C80的各種強度等級的高性能混凝土和完備的混凝土耐久性檢測設備，以及掌握了成套的施工技術和各種混凝土耐久性檢測技術等[6]。

4. 高性能混凝土在發展和應用中所面臨的問題

4.1 高性能混凝土的開裂問題。

近年來在國內外出現較多“高性能混凝土”結構開裂，特別是早期開裂的問題。影響混凝土早期開裂的因素很多，除了自收縮和干燥收縮外，還有早期的彈性模量、抗拉強度、極限拉應變、徐變等，除此又與水蒸發速率、降溫速率、結構約束程度有較大的關系[7]。由于高性能混凝土一般具有高膠凝材料用量、低水膠比與摻入大量活性摻合料等配制特點，致使高性能混凝土的硬化特點、內部結構同傳統的普通混凝土相比差異很大，隨之帶來了它的早期體積穩定性差、容易開裂等問題[8]。高性能混凝土在國內外的應用實踐表明，早期開裂問題已成為制約其在工程中應用的重要因素。因此，改善高性能混凝土的抗裂性是高性能混凝土研究中急待解決的問題。

4.2 坍落度損失大。

高性能混凝土的坍落度在摻加超塑化劑后的流動度可大大提高，可以由初始坍落度5cm增加到20cm，可是這種大坍落度只能保持十幾分鐘，此后坍落度逐漸減少，至1h左右就可能減少到初始坍落度，這種超塑化劑只能在工地用于拌制流動混凝土，否則會因坍落度減少給工程施工帶來困難并影響工程質量[9]。

4.3 高性能混凝土的強度檢測問題。

長期以來，標準養護條件下，標準尺寸小試件的28天抗壓強度一直作為混凝土質量的主要指標，但隨著混凝土技術和結構類型的發展，這一指標已較難準確反映實際結構中的混凝土強度。溫度和濕度等環境條件對高強混凝土的強度影響更為顯著，實際結構中混凝土和標準試件所處的環境有很大不同，另外高強混凝土小試件的抗壓強度因機器加壓板的尺寸和構造、試驗機的剛度、立方試塊鋼模的平整程度、試件混凝土的內外濕度等差異而有所不同[10]，因此在高強混凝土的質量檢驗及性能評定方法上，還需要做大量的基礎性工作，除強度測試外，還應包括抗裂性、抗滲性測試等，現行的適用于普通混凝土的一些測試標準，許多都已經不適用于高強混凝土。

4.4 如何使用高效減水劑的問題。

目前，減水劑主要是在配制混凝土時摻入，其中與拌合水同時加入的效果最差，國外多采用液體高效減水劑后摻法，可提高減水率，減少混凝土坍落度損失。但最有效的方法是在生產水泥時與水泥共同粉磨，然而，高效減水劑的品種和摻量對水泥性能的影響規律如何？水泥檢驗標準如何與之相適應？如何使用以便更好地發揮其效率，還有很多工作要做。

4.5 評價方法不足。

高性能混凝土以耐久性為主進行配合比設計，為保證其向高體積穩定性、高工作性、高強和高耐久性的方向均衡發展由此產生了很多先進技術，如摻加合成纖維技術、復合摻合料技術、減縮外加劑技術等。但是由于高性能混凝土的耐久性測試和評價技術還不能滿足要求，同時缺乏配套的設計、試驗、施工和應用標準規范，致使高性能混凝土的推廣應用受到了一定限制。

5. 高性能混凝土的發展前景與趨勢

高性能混凝土由于具有高體積穩定性、高工作性能、高強、高耐久性和安全性等優良性能，發展前景十分廣闊，是未來混凝土產業發展的方向和必然趨勢。然而，隨著社會的不斷發展，節能、環保等關系人類生存和發展的重大課題已逐漸被業界內行家所重視，因此，高性能混凝土必將會向“綠色混凝土”方向發展。綠色高性能混凝土是現代混凝土技術發展的必然結果，具有以下特點[11]：

（1）更多地節約熟料水泥，減少污染。

（2）更多地摻加以工業廢渣為主的細摻料。

（3）更大地發揮高性能優勢，節約混凝土的用量，提高混凝土的使用壽命。

（4）進一步完善高性能混凝土耐久性的評價技術和方法。

（5）更多地提高技術含量，適應環境保護和可持續發展的需要。

（6）提高混凝土拌合物的早期抗裂性能、降低混凝土的早期收縮。

（7）使用新型高效減水劑和塑性劑。

6. 結束語

高性能混凝土的研究與開發利用，對傳統混凝土的技術來說是一個重大的突破，隨著社會生產生活的發展和需要，對高性能混凝土技術的研究會越來越深入，高性能混凝土將會得到更進一步的發展。從當前高性能混凝土在其相關工程領域的應用上看，依舊存在著一些無法避免的小問題，對于這些問題進行針對性的解決，發展可持續的環保型綠色高性能混凝土，能使其在接下來的應用與發展道路上走得更遠、更穩。

參考文獻

[1] 曹躍明. 高性能混凝土發展趨勢及在建筑工程中的應用 [J]. 中小企業管理與科技，2010（6）：163～164.

[2] Viatceslav Konkov. Principle Approaches to High Performance Concrete Application in Construction [J]. Procedia Engineering ， 2013，57：589～596.

[3] 柴俊， 王沛欽， 劉歡. 高性能混凝土發展的回顧與展望 [J]. 山西建筑，2007，33（10）：211～212.

[4] 林申正， 羅恒勇. 淺談高性能混凝土的發展現狀與面臨的問題 [J]. 科技致富向導， 2011（18）：119.

[5] 薛曉霞. 高性能混凝土發展中存在的問題與對策 [J]. 科技創新導報，2014（16）：88.

[6] 徐源， 周松. 高性能混凝土發展現狀和前景 [J]. 科技致富向導，2010（7）：64.

[7] Indrajit Ray， Zhiguo Gong ， Julio F. Davalos ， Arkamitra Kar. Shrinkage and cracking studies of high performance concrete for bridge decks [J]. Construction and Building Materials，2012，28（1）：244～254.

[8] 張松丹. 高性能混凝土的研究與發展現狀 [J]. 科技致富向導，2014（8）：128.

[9] 張晨霞. 高性能混凝土的發展現狀及趨勢 [J]. 科學時代，2013（3）：375～376.

[10] 朱晶晶. 高性能混凝土問題與發展研究 [J]. 現代商貿工業，2011（14）：279.

[11] 李龍梅， 高光. 試論高性能混凝土的發展趨勢 [J]. 民營科技，2009（1）：186.

[文章編號] 1619-2737（2018）01-18-639

[作者簡介] 魯國夫（1968.11-），男，籍貫：浙江諸暨。