淺析高性能混凝土在太行山高速公路建設中的應用

李朋雨 肖華仙 劉昌捷 王廣洲

（成都華川公路建設集團有限公司，四川 成都 610041）

混凝土自問世以來，經歷了強度由低到高乃至超高強的發展歷程，人們似乎總是樂于不斷地提高其強度，但近年來混凝土結構物因材質劣化導致過早損壞而失效崩塌的事故時有發生，其耐久性問題受到了社會的普遍關注和工程界的高度重視，于是以高耐久性為核心內容的高性能混凝土便應運而生。高性能混凝土的定義目前業界各說紛紜，但公認其核心內容是優異的耐久性，同時兼顧良好的工作性、經濟型和適宜的強度。隨著我國基建工程速度加快，高性能混凝土在我國的高速鐵路、水工建筑、高速公路等領域得到應用，太行山高速公路全線永久性結構物工程也是采用的高性能混凝土施工。

1 高性能混凝土配合比設計原理

普通混凝土以強度作為控制指標，而高性能混凝土以耐久性作為控制指標，以強度為校核指標。在定義耐久性時通常要考慮環境因素，針對不同用途，對耐久性、工作性、強度、體積穩定性和經濟性綜合考慮。從混凝土劣化實踐經驗表明：引起混凝土劣化的主要原因都與混凝土滲透性和水分子聯系在一起，抗滲性問題是混凝土自身提高耐久性的核心所在，因此，若使混凝土高性能化就必須降低水膠比和單位用水量。混凝土配合比設計的總目標概括為：在通常易得的材料里選擇合適的組成材料并確定滿足特定要求的最經濟組合。配合比設計強調的重點將由過去水膠比-強度關系轉化為用水量-耐久性關系，并將推動顆粒填充概念進入混凝土配合比設計方法，而外加劑和礦物摻合料的摻入則可以大大降低拌和所需用水量、改善混凝土界面微觀結構，提高混凝土的致密性和抗滲性。因此，高性能混凝土設計的主要技術路徑是低水膠比條件下選用優質礦物摻合料和高效外加劑。

高性能混凝土配合比設計基本原則為：①適量摻加優質粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料，盡可能減少膠材中水泥用量；②采用高效外加劑、適量引氣，盡量降低的單位用水量；③滿足最大水膠比和膠凝材料（最大和最小）用量的要求；④滿足堿活性試驗和氯離子總含量的要求。

2 高性能混凝土施工控制特點

高性能混凝土的特點是低水膠比、低用水量、高礦物摻合料、復摻外加劑，其在施工質量控制、養護等方面都與普通混凝土不同。低水膠比、低用水量決定了混凝土黏性變大，在拌制、運輸、澆筑、振搗工藝上要求更加嚴格控制。高礦物摻合料要求高性能混凝土的養護必須到位，相比較普通混凝土對養護更敏感，對礦粉、粉煤灰混凝土潮濕養護分別要14 d和21 d才能達到預期效果，否則易出現表面掉面、耐磨性差、回彈強度低等；復摻外加劑要求攪拌時間必須延長，外加劑用量很小，若不能保證攪拌時間，根本分散不開，使混凝土均勻性變差。總之，高性能混凝土相比普通混凝土在施工過程中要特別強調：（1）延長攪拌時間，保證時間≥120 s；（2）嚴格控制混凝土振搗分層厚度不大于30 cm，振搗棒插搗間距適當縮小；（3）適當延長振搗時間，并注意二次振搗和二次搓壓表面；（4）振搗完成后及時覆蓋保濕，盡早進行養護并延長養護時間。

3 高性能混凝土技術分析

3.1 工作性良好，易于泵送施工

混凝土泵送是提倡采用的施工方法，該方式運料速度快、易布料、便于保證混凝土下料入倉后的勻質性。本工程配比的混凝土經檢測粘聚性良好、設計坍落度大（160～200 mm和180～220 mm兩種，擴展度≥420 mm），能夠很好地滿足泵送施工，施工效率高。

3.2 耐久性優異，延長混凝土使用壽命

高性能混凝土不僅具備了普通混凝土所有的力學性能，還具備其所欠缺的耐久性能，如高填充性、抗滲性、抗侵蝕性和體積穩定性等，高耐久性是高性能混凝土區別于普通混凝土的最大特點。高性能混凝土與普通混凝土技術指標對比如表1所示。

表1 高性能混凝土與普通混凝土技術指標對比

3.3 存在的應用技術問題

高性能混凝土具有普通混凝土無法比擬的優勢，但在應用施工中也存在所有混凝土共有的問題，即混凝土抗裂收縮的問題。不均勻地收縮將在混凝土制品和構件中產生內應力，甚至發生裂縫，影響其質量和耐久性。因此，改善高性能混凝土的抗裂性也是高性能混凝土使用中需要研究的另一個問題。

表2 不同混凝土材料成本分析表

4 高性能混凝土的經濟分析

4.1 成本對比分析

以C30混凝土為例，采用高性能砼、集中拌制普通砼以及現場拌制的普通混凝土砼三個配合比進行成本分析，材料單價采用工程當地市場供應到貨價格，對三者做混凝土材料成本的比對分析如表2所示。

從表2中的數據對比分析來看，在考慮拌制、運輸、澆筑條件基本相同的情況下，高性能砼相比采用現場（或集中）拌制的普通砼，成本都有較大幅度地降低。分析主要原因：高性能混凝土雖然增加了粉煤灰、礦渣粉和高性能減水劑，但降低了水泥用量和總膠凝材料用量，反而使其經濟成本得到了降低。僅就混凝土原材料單價而言，本項目全線水泥混凝土總量約170 萬m3，采用高性能混凝土可節約成本4 740 萬元。高性能混凝土較普通混凝土對原材料質量、施工過程控制、養護條件等管理要求更加嚴格和精細化，會適當地增加部分管理成本，但管理要求對二者并無本質區別。因此，綜合來看高性能混凝土從經濟、使用效益來看價值更高。

4.2 壽命周期成本分析

混凝土成本是一個綜合概念，而非只是用最便宜的材料組成最低成本的混凝土，因為這往往隱藏著巨大的質量風險，這需要跳出其原材料的桎梏，以系統的角度來看待混凝土工程。在工業發達國家，據估算，建筑業約40%的資源都用于修復和維護既有結構，僅60%用于新建。美國學者形象地用“五倍定律”說明了耐久性的重要性，砼結構使用中的維修、更新成本遠高于建造成本，迫使工程建設中日益重視壽命周期費用而非初始造價。即使高性能混凝土與普通混凝土初始建造成本相當，高性能混凝土也會因其優良的耐久性能在使用中省去大量修復、維護費用，壽命周期內費用顯著低于普通混凝土的相關費用。對于河北太行山高速公路這種采用社會資本與政府資本參與的PPP模式項目，其對整個工程的維護成本和壽命周期更加注重，因此，使用高性能混凝土的意義更顯得格外重要。

5 結語

高性能混凝土目前已經在工程各個行業應用，在節能、節料、工程經濟及環境保護方面具有重要意義，是國內外工程界研究的熱點。其在降低水泥用量的同時，摻合料利用工業廢渣進行循環再利用，有重要的環保意義和社會價值，是一種綠色的材料符合社會和行業發展的趨勢。同時，在強度、耐久性、工作性和經濟性方面也具較大優勢。可以預見，高性能混凝土將憑借其優異的綜合性取代普通混凝土，成為未來較長一段時間內混凝土發展的主要方向。