淺談超高強(qiáng)及高性能混凝土性能研究現(xiàn)狀

肖熠晴 謝小芳 徐晶晶 崔卓逸 陸鏡先

宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院（223800）

0 前言

混凝土按照強(qiáng)度值可分為普通混凝土與高強(qiáng)混凝土。普通與高強(qiáng)的區(qū)別主要體現(xiàn)在強(qiáng)度、耐久性等方面。混凝土的力學(xué)性能是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)點(diǎn)。超高強(qiáng)混凝土的性能研究將對(duì)建筑行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生重要影響[1]。文章系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)及纖維高性能混凝土的研究現(xiàn)狀，并提出建議。

1 國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)混凝土的研究現(xiàn)狀

1993年，基于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高強(qiáng)與高性能混凝土的結(jié)構(gòu)域力學(xué)性態(tài)研究”，蒲心誠(chéng)教授成功配置出超高強(qiáng)混凝土，提出高強(qiáng)高性能混凝土應(yīng)具備以下性能[2]:①養(yǎng)護(hù)后混凝土強(qiáng)度高；②新拌混凝土施工性能好；③混凝土后期的耐久性好。

2000年，黃政宇[3]在200℃高溫養(yǎng)護(hù)條件下，研制出298 MPa高強(qiáng)度RPC材料。次年，謝友均等[4]用水泥、硅灰和超細(xì)粉煤灰以1∶0.25的膠凝材料比例，以100℃的熱水養(yǎng)護(hù)制備了超高性能混凝土。隨后，龍廣成等[5]通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論:當(dāng)骨料參數(shù)和水泥性能相匹配時(shí)，超高性能混凝土可達(dá)到最佳性能。徐巍峰等通過(guò)136.3 MPa超高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)指出:加入鋼纖維可以提高混凝土抗壓性能，同時(shí)提高混凝土塑性。

2005年，重慶大學(xué)[6]指出:在水膠比過(guò)小時(shí)，超強(qiáng)高性能混凝土?xí)驗(yàn)楣┧蛔銓?dǎo)致特中膠凝材料水化程度低，從而影響其力學(xué)性能。2008年，田予東等[7]經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)配置研究，最終制成了齡期為28 d、抗壓強(qiáng)度達(dá)100 MPa的超高強(qiáng)混凝土材料。隨后，王成啟等[8]在對(duì)C100超高強(qiáng)高性能混凝土的配合比試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)礦渣粉具有一定的減水和塑化作用，可以改善混凝土的工作性能。

超高強(qiáng)混凝土得到廣泛應(yīng)用的標(biāo)志為2009年建成的廣州國(guó)際金融中心，其采用了C60～C100等級(jí)的高強(qiáng)混凝土，創(chuàng)造了同種混凝土的最新高度。超高強(qiáng)混凝土的廣泛應(yīng)用引發(fā)了國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其性能與發(fā)展的深入研究，通過(guò)加入鋼纖維、聚丙烯、聚乙烯醇等材料，研究出具有不同性能特點(diǎn)的纖維高強(qiáng)混凝土。

2 國(guó)內(nèi)纖維超高強(qiáng)混凝土研究現(xiàn)狀

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)除了對(duì)超高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能與配合比進(jìn)行試驗(yàn)研究外，對(duì)纖維超高強(qiáng)混凝土也進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)其配置和配合比整合研究，得出鋼纖維混凝土的性能特點(diǎn)。鋼纖維混凝土與普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法類似，不同之處體現(xiàn)在三個(gè)方面:①?gòu)?qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)不同；②增加了鋼纖維體積率控制方法；③不同參數(shù)對(duì)強(qiáng)度影響更敏感，如砂率、單位用水量等[9]。

我國(guó)的鋼纖維基本理論研究始于20世紀(jì)70年代，80年代后得到迅速發(fā)展。因鋼纖維為金屬材料，其具有金屬材料特性，如高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)，由此可知摻入鋼纖維能夠提高混凝土材料的強(qiáng)度及韌性。從斷裂力學(xué)理論出發(fā)，趙國(guó)藩教授推導(dǎo)出了摻入鋼纖維后的混凝土強(qiáng)度公式，并分析了此時(shí)的破壞形態(tài)和機(jī)理。隨后，針對(duì)鋼纖維混凝土更為基礎(chǔ)的研究逐漸深入，包括材料本構(gòu)、數(shù)值分析，這些研究極大地推進(jìn)了鋼纖維混凝土的發(fā)展及應(yīng)用。

另外，對(duì)于新材料的研究往往要從其材料組成入手，黃政宇通過(guò)去除粗骨料，同時(shí)增加活性成分，如礦渣、粉煤灰等，并以高溫養(yǎng)護(hù)的方式成功配制出強(qiáng)度超過(guò)200 MPa的鋼纖維高強(qiáng)混凝土。

眾所周知，除了鋼纖維外，化學(xué)纖維的應(yīng)用也很廣泛，聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維就在很多材料里面得到了應(yīng)用。其在混凝土材料中的應(yīng)用也是屢見(jiàn)不鮮，應(yīng)用的價(jià)值主要體現(xiàn)在這兩種材料的韌性可以提高混凝土的抗裂能力。我們國(guó)家對(duì)于這兩種材料的研究成果較多，中國(guó)建筑材料研究院早期就提出了聚丙烯纖維的增強(qiáng)效果。但是，纖維的摻量并不是越多越好，其在一定的摻量范圍內(nèi)才能更好地發(fā)揮作用，從整體的材料體積率來(lái)考慮，往往摻量較低，一般為1%。隨著數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，針對(duì)纖維混凝土的強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題也得到了一定程度上的解決，大連理工大學(xué)通過(guò)計(jì)算剩余強(qiáng)度提出了纖維混凝土構(gòu)件的抗彎承載力計(jì)算方法。同時(shí)，大量的試驗(yàn)證明，不同強(qiáng)度的聚丙烯纖維，其增強(qiáng)效果也不同，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該區(qū)別看待，如高強(qiáng)度的聚丙烯纖維在提高混凝土彎曲韌性和抗沖擊性能上效果更加顯著。

與聚丙烯纖維不同，聚乙烯醇纖維有更好的親和力及耐磨性，有更強(qiáng)的抗拉性能，如果在水泥基中添加適量的聚乙烯醇纖維可以增強(qiáng)其力學(xué)性能，增加水泥基的抗裂能力，進(jìn)而提高混凝土的一系列性能，而且增強(qiáng)效果會(huì)比聚丙烯纖維更為出眾。但目前而言，針對(duì)這方面的研究在我國(guó)還處于初級(jí)發(fā)展階段，前景廣闊。

3 結(jié)論與展望

隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步及新型材料的不斷研發(fā)，超高強(qiáng)及高性能混凝土的應(yīng)用必將更加廣泛。今后在超高強(qiáng)纖維混凝土的研究領(lǐng)域，除了應(yīng)繼續(xù)深入研究特種纖維混凝土和特殊成型工藝以外，還要充分考慮發(fā)揮普通混凝土成本低廉的優(yōu)勢(shì)，利用常規(guī)材料和普通工藝來(lái)制備超高強(qiáng)及高性能纖維增強(qiáng)混凝土。