高性能混凝土及其应用

高性能混凝土及其应用内容摘要:混凝土材料，被认为是耐久性最好的传统建筑材料，在我国工程建设中应用极其广泛。

据报道，我国每年混凝土用量约109m3，其规模之巨，居世界前列。

随着社会的发展和科技的进步，人们对混凝土的性能提出了更高的要求，普通混凝土已不能完全满足现代化建设的需要。

于是，“高性能混凝土”这一新名词便走上了历史的舞台。

关键词：高性能混凝土；结构特征；性能；工程应用1、高性能混凝土的概念高性能混凝土（High Performance Concrete-HPC）是从高强混凝土（High Strength Concrete-HSC）发展而来。

高性能混凝土是指具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面优越性能的混凝土，进而提出，高强度、高工作性能、高耐久性这三项指标，构成了高性能混凝土“三高”（3H）的性能指标。

也有专家将高性能混凝土的内涵概括为：高性能混凝土是一种的新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性。

为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、水、骨料外，必须掺加足够数量的磨细矿物掺和料和高性能外加剂，即配合为5组份或6组份。

2、高性能混凝土的结构特征高性能混凝土首先应具有良好的耐久性。

良好的耐久性来自于高性能混凝土水泥石、孔结构和界面的结构特征。

将高性能混凝土的结构特征概括如下：⑴孔隙率低，有良好的孔分布，不存在或有极少量的大的有害孔；⑵包括矿物掺和料在内的未水化颗粒多，且具有最佳孔隙率和最佳水泥结晶度；⑶消除了集料和水泥石界面薄弱层，使界面强度接近于水泥石或集料强度。

3、高性能混凝土的物理力学性能1. 强度高性能混凝土通常水灰比（W/C）低，高效减水剂用量大以及使用硅粉，而这些都不同程度的影响水泥水化，因此，高性能混凝土的水化热和强度的发展都与普通混凝土不同。

研究发现，当降低水灰比时，总水化热降低，而早期相对强度增长较快。

高效减水剂通常推迟水化进程，但会使水化峰值速度增加。

硅粉会明显提高性能混凝土的强度，参与早期的水化反应，使放热速度增大；另一方面，与纯水泥混凝土比较，加硅粉混凝土的总水化热较低，早期相对强度也较低。

高性能混凝土的抗压强度比普通混凝土大得多，而抗拉强度的增加则相对较小。

试验研究发现，对一个67天的圆柱体标准试件，其抗拉强度与抗压强度之比为1/23，而对普通混凝土，这个比值约为1/10。

2. 弹性模量高性能混凝土的弹性模量较大，其与圆柱体抗压强度的关系为[3]：（3-2）另外，试验还发现，由普通混凝土到高性能混凝土，弹性模量的增大幅度要比抗压强度的增大幅度小得多。

另外，试验中的高性能混凝土与参考普通混凝土的抗压强度和弹性模量，发现两者的抗压强度之比为2.7，而弹性模量之比仅为1.4。

3. 泊松比混凝土的泊松比对变形模量和杨氏模量均有影响，这些模量随的增大而减小。

普通混凝土的泊松比一般为0.18左右。

4. 抗冻性在严寒地区，混凝土受冻融循环作用而破坏。

普通混凝土可通过掺加引气剂在硬化混凝土中形成微气泡，从而获得必要的抗冰冻——除冰盐侵蚀的能力。

然而在高性能混凝土中因微气泡会降低强度，故而一般不使用引气剂。

试验表明，在水胶比小于0.3，并掺入适量的磨细矿物掺和料，能使界面结构得到很好改善的不加引气剂的高性能混凝土，比加入引气剂的混凝土的抗冻性还要好得多。

5. 抗渗性混凝土的各种破坏，几乎都与水的渗透有关。

高性能混凝土具有很高的密实度。

目前世界上多采用直流电法评定高性能混凝土的抗渗性。

该方法是把直径为100mm、高为50mm的圆柱体混凝土试件，在真空的条件下浸水饱和后，两个侧面分别安装在两个带有铜网电极的试验箱中，带正极的试验箱中倒入0.3mol的NaOH溶液，带负极的试验箱中装入3%的NaCl溶液，测量在60V的电压下，通电6h所通过的电量。

其评价范围见表1。

表1 混凝土渗透性与通过混凝土的电量的关系通过混凝土的电量混凝土的渗透性混凝土类型＞4000 高W/C≥0.6的普通混凝土2000～4000 中W/C=0.4～0.6的普通混凝土1000～2000 低W/C＜0.4的普通混凝土100～1000 极低改性乳胶混凝土＜100 可忽略聚合物混凝土由上表知，高性能混凝土属于后两类，其抗渗性是极好的。

6. 抗疲劳性能研究发现，循环荷载作用下的应变与静态峰值荷载产生的应变处于同一数量级。

第一次循环后发现能量耗散，此后耗散逐步增长直至破坏。

对高性能混凝土梁在周期荷载作用下的性能进行研究，发现和普通混凝土梁相比，高性能混凝土梁在周期荷载作用下在塑性铰区剥落较少，强度降低不多，能量耗散能力更好。

7. 收缩和徐变徐变是在应力作用下产生的，而收缩的产生与应力无关。

但一般认为收缩和徐变是由一些共同的因素决定的。

凡是收缩大的混凝土徐变也大，都可与水化水泥浆的特性联系起来。

高性能混凝土为了达到低水灰比，常加入硅灰、尤其是高效减水剂等特殊添加剂。

这使得其收缩徐变性能与普通混凝土有较大不同。

8. 高性能混凝土的收缩特点混凝土的收缩有三种：自发收缩，干燥收缩和碳化收缩。

自发收缩是在没有水分转移下的收缩，其原因是水泥水化物的体积小于参与水化反应的水泥和水的体积，是一种由水化反应所产生的固有收缩。

干燥收缩的原因是混凝土内部吸附水的消失。

碳化收缩是混凝土中水泥水化物与空气中CO2发生化学反应的结果。

高性能混凝土由于水灰比较低及其高效减水剂能促进水泥的早期水化作用使其早期的自发收缩较大。

高强混凝土的初期收缩虽比较大，但最终收缩量与普通混凝土大体相同。

高性能混凝土与普通混凝土的干燥过程的主要差异在于前者的湿度分布较均匀和与环境达到水分平衡需要更多的时间。

高性能混凝土的徐变特点有研究报告将徐变的主要机理分为：⑴在应力作用和吸附水的润滑作用下，水泥胶凝体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形；⑵在应力的作用下，由于吸附水的渗流或层间水的转移而导致的紧缩；⑶由水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性变形；⑷由于局部破裂（在应力作用下发生微裂及结晶破坏）以及重新结晶与新的联接而发生的永久变形.。

混凝土的徐变特性受外界因素如加载龄期、环境条件和内在因素如混凝土各阶段材料性能、混凝土组成的影响，特别是硬化水泥浆的性能更是起主要作用，而硬化水泥浆的性能由其微观结构决定。

高性能混凝土的微观结构与普通混凝土有很大区别，主要体现在更低的气孔率、更均匀的硬化水泥浆结构及硬化水泥浆和骨料的界面结构的差别上。

对高强混凝土，一般认为在相同的相对应力（加载时应力/混凝土强度）下，高强混凝土的徐变变形比普通混凝土小得多，高强混凝土徐变的应力比例极限较高，线性范围可到抗压强度值的65%，而中、低强混凝土中只有45%，高强混凝土的徐变系数也要比普通混凝土小很多。

通过研究认为高性能混凝土的徐变与普通混凝土的徐变的基本区别有两点：⑴高性能混凝土的总徐变应变量，即干燥徐变和基本徐变之和，要比普通混凝土低得多，原因是高性能混凝土硬化水泥浆强度和刚度高；⑵高性能混凝土的干燥徐变相比普通混凝土要低得多，而基本徐变则略低一些，随着强度的增大，干燥徐变和基本徐变值的影响都减少。

四、高性能混凝土的应用及其展望高性能混凝土作为一种新的建筑材料，其耐久性为普通混凝土耐久性的两倍以上，可增加混凝土结构安全使用寿命，减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾；可大量利用工业副产品和废弃物，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染；收缩徐变小，适合建造高效预应力结构；高性能混凝土还具有优异的施工性能，便于施工，可节省劳力，减少振捣用电，降低环境噪声。

高性能混凝土适用于高层、大跨、大体积、长跨桥梁、海底隧道、高速公路及严酷环境中使用的结构物，如核反应堆、海上结构和处于有腐蚀性介质环境的结构等的建筑和修补。

据报道，按照结构物全寿命成本分析，用高性能混凝土修建的结构物的造价和维护成本总和远低于普通混凝土修建的结构物。

其它用于特殊用途的智能高性能混凝土，更有着其独特的、其它混凝土难以替代的优势。

正因为高性能混凝土具有以上诸多优越性能，自从产生以来，便大放异彩，世界各国对其研究和应用势头的发展十分迅猛。

近年来，我国高强高性能混凝土的研究、应用在有限的经费支持下也有了较快的发展。

随着一些大型工程的建设、人们对耐久性这一指标的认识以及包括高效减水剂在内的高效外加剂的研制和施工工艺的改进，高性能混凝土在我国工程建设中的应用日益广泛，特别在大型工程的建设中取得了较好的效益。

现在，我国各地都在加紧高性能混凝土的推广应用，在科技界高性能混凝土已成研究的热点。

活性细粉混凝土（也称超高强混凝土）、钢纤维混凝土、轻骨料混凝土、免振捣混凝土、碾压混凝土、内养护混凝土、防爆裂混凝土及智能检测混凝土等概念也被相继提出，高性能混凝土将朝着环保、智能、优质方向发展，其研究应用前景十分广阔。

参考文献1 赵国藩《高性能混凝土发展简介.施工技术》20022 吴之乃，王有为，吴慧娟主编《建筑业10项新技术及其应用》北京：中国建筑工业出版社2001年10月3 P.Schwesinger著，冯乃谦等译《高性能混凝土--材料特性与设计》北京：中国铁道出版社1997年6月4 P.Schwesinger著，冯乃谦等译. 《高性能混凝土--材料特性与设计》北京：中国铁道出版社1997年6月5 P.Schwesinger著冯乃谦等译《高性能混凝土--材料特性与设计》北京：中国铁道出版社1997年6月7 陈肇元，朱金铨，吴佩刚著《高强混凝土及其应用》北京：清华大学出版社1992年12月8 P.Schwesinger著，冯乃谦等译. 《高性能混凝土--材料特性与设计》北京：中国铁道出版社1997年6月9 周履，陈永春《收缩徐变》中国铁道出版社1994年.11 P.Schwesinger著，冯乃谦等译《高性能混凝土--材料特性与设计》中国铁道出版社1997年6月12 王海超，何世钦，仲伟秋《高性能混凝土的结构工程应用与设计方法概述》2002年。