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1、高性能混凝土的研究与发展现状摘 要随着我国改革开放和现代化进程的加快，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久的安全使用下去，日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。在众多的土木工程建设中，混凝土的应用面之广，使用次数之多是很少见的。尤其中近年来，一种较新的混凝土技术正在快速发展并且运用到许多实际工程项目中，那就是高性能混凝土。高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC) 由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等
2、工程。本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，列举了高性能混凝土在国内外研究应用中的重要成果，并对其发展趋势作出展望。随着我国建筑向高层化、大型化、现代化的发展，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。关键词：高性能混凝土；耐久性；体积稳定性Research and Development of HPCAbstractWith Chinas reform and opening up policy and modernization the quickening of the process，Our country the constructi
3、on scale is enlarging, how to ensure the quality of construction projects also can make long-term safety engineering can use go，Increasingly influenced by the governments at various levels and of social concern. In many of the civil engineering construction, the concrete application of the wide, use
4、 times is rare。Especially in recent years, in a relatively new concrete technology is rapid development and applied to many practical engineering projects, that is the high performance concrete.This paper mainly introduces the history of the development of high performance concrete background and th
5、e present situation of the research at home and abroad, and expounds the characteristics of the high performance concrete, cited the high performance concrete in the domestic and foreign research in the application of important achievements, and its development tendency. Along with our country build
6、ing to top the, large-scale, the development of modern, HPC will become the new century important building of engineering materials.Keywords: high performance concrete Durability Volume stability目 录引 言1一、高性能混凝土产生的背景和研究现状31.1 背景31.2 研究现状及发展方向31.2.1 绿色高性能混凝土41.2.2 超高性能混凝土41.2.3 智能混凝土4二、高性能混凝土的性能研究和应用分
7、析62.1 高性能混凝土的概念62.2 高性能混凝土的性能62.3 高性能混凝土技术的应用现状82.3.1 高性能混凝土在高层建筑中的应用92.3.2 高性能混凝土在桥梁道路中的应用92.3.3 高性能混凝土在海洋工程中的应用102.4 高性能混凝土发展和应用中所面临的问题11三、高性能混凝土质量与施工控制133.1 高性能混凝土原材料及其选用133.2 配合比设计控制要点183.2.1 设计思路有很大区别183.2.2 胶凝材料用量及粉煤灰所占比例183.2.3 含气量的要求183.2.4 电通量指标203.3高性能混凝土的施工控制20四、高性能混凝土的特点254.1 高耐久性能254.2
8、高工作性能254.3 其它特点26五、绿色高性能混凝土295.1 研发绿色高性能混凝土的必要性295.2 绿色高性能混凝土的可行性295.3 绿色高性能混凝土的发展30六、高性能混凝土的配制与浇筑316.1 水泥标号的“标志”作用淡化与选用316.2矿物掺合料的作用显著改善326.3拌合物的高粘聚性及其浇筑336.4 混凝土收缩和徐变性能的变化与养护34七、高性能混凝土的发展前景37八、结论38参考文献39致谢40高性能混凝土的研究与发展现状引 言混凝土正在向高强、高性能和生态化的方向发展。其应从1824年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有100多年的历史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具
9、大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。从20世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。据统计，当今我国每年混凝土用量约109m3，并且随着我国近年来工业化、城市化进程的加快，其用量将继续快速增长。人类进入21世纪，随着科学技术的快速发展，一种又一种新型混凝土涌现出来。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世纪80年
10、代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。高性能混凝土是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代化水泥技术制作的混凝土。它以
11、耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能重点予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配置上的特点是采用低水胶比，选用优质原材料（除水泥、水、集料外），且必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂。高性能混凝土是20世纪90年代初提出的，是一种新型的高技术混凝土，它不仅具有优良的工作性和高耐久性，而且在节约资源、保护环境、提高经济效益和社会效益等方面具有诸多优势，符合人类寻求与自然和谐、可持续发展的趋势。本文通过对高性能混凝土技术发展及应用的初探，综合分析目前国内外高性能混凝土的应用现状，探究高性能混凝土的发展方向，对高性能混凝土的发展及应用具
12、有重大的意义。一、高性能混凝土产生的背景和研究现状1.1 背景当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求;处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果;原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能, 多使用天然材料及工业废渣保护环境, 走可持续发展的道路, 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用1t水泥，大概需要0.6t
13、以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1.5t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃
14、混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。1.2 研究现状及发展方向针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。从20世纪80年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久设计的考虑，从只重视强度设计向强度与耐久性并重。进入20世纪90后代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐
15、久性设计方法的主流。目前，高性能混凝土的发展有以下几个方向：1.2.1 绿色高性能混凝土水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，对资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求背道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。1.2.2 超高性能混凝土超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（Reactive Powder con-crete,RPC）,其特点是高强度，抗压强度高达300MPa，且具有高
16、密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。超高性能混凝土与普通混凝土相比具有如下优势：可以替代部分钢结构，降低成本，特别是用在预应力结构上，可以减轻结构重量，并提高产品的安全性能。用于预制薄壁构件、细长构件以及其它特殊形式的构件，可以不配筋或者少配筋，降低生产造价。用于大型民用建筑，可以大幅度缩减结构尺寸，增大使用空间，使结构更美观。用于基础建设，比如水库大坝等。可以大大减少混凝土用量，降低建筑成本，节约资源，减少生产、运输和施工能耗，提高工程质量。其超高的抗渗性和高抗冲击韧性，用在制作压力管道、腐蚀性介质输送管道以及制造中低放射线核废物储藏容器，可延长使用寿命并降低发生泄露的概率。1.2
17、.3 智能混凝土智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。智能混凝土是智能化时代的产物，它在对重大土木基础设施应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安全和长期耐久性都具有重要性。而且在现代建筑向智能化发展的背景下，对传统建筑材料的研究、制造、缺陷、预防和修复等都提出了强烈的挑战。智能混凝土材料
18、做为建筑材料领域的一种高新技术，为传统材料未来的发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。其发展必将使混凝土材料的应用具有更广阔的前景和产生巨大的社会经济效益。二、高性能混凝土的性能研究和应用分析2.1 高性能混凝土的概念高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向，国外学者曾称之为21世纪混凝土。挪威于1986年首先对此进行了研究，在1990年由美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土学会（ACI）共同主办的一次研讨会上正式定名。由于高性能混凝土具有综合的优异技术特性，引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。十多年来，世界上许多国家相继投入了大量的人力、财力、物力进行该项研究与
19、开发应用，使高性能混凝土技术取得了很大的进展，在原料的选择、配合比设计、物理力学性能、耐久性、工作性、结构性能以至应用技术等方面都取得了既有理论基础又有实用价值的科技成果。高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性
20、，而日本学者偏重于高工作性。但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。2.2 高性能混凝土的性能高性能混凝土可以认为是在高强混凝土基础上的发展和提高，也可说是高强混凝土的进一步完善。由于近些年来，在高强混凝土的配制中，不仅加入了超塑化剂，往往也掺入了一些活性磨细矿物掺合料，与高性能混凝土的组分材料个似，而且在有的国家早期发表的文献报告中曾提到：“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗压强度，但仍需达到55MPa（8000psi）以上”。因此，至今国内外有些学者仍然将高性能混凝土与高强混凝土在概念上有所混淆。在欧洲一些国家常常把高性能混凝土与高强混凝土并提（HPC/HSC）。高强混凝土仅仅
21、是以强度的大小来表征或确定其何谓普通混凝土、高强混凝土与超高强混凝土，而且其强度指标随着混凝土技术的进步而不断有所变化和提高。而高性能混凝土则由于其技术物性的多元化，诸如良好的工作性（施工性），体积稳定性、耐久性、物理力学性能等等而难以用定量的性能指标给该混凝土一定义。与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：耐久性。在以往的混凝土配合比设计中，主要考虑的是强度指标；对耐久性考虑较少。高性能混凝土以高工作性、高强度、高耐久性为特征，区别于普通混凝土。对于海洋工程、喷洒化冰盐的公路与桥梁工程、盐渍地区的工程，由于氯盐侵入混凝土导致钢筋锈蚀，引起混凝土膨胀开裂，严重影响了建筑物使用寿命。提
22、高其耐久性的最重要的技术措施就是采用高抗氯离子渗透性的高性能混凝土，从根本上提高混凝土本身的护筋性能。采用常规材料、常规工艺可以在常温下配制出抗氯离子渗透能力和抗冻融能力都较的高性能混凝土。配制的关键在于选用与水泥相匹配的高效减水剂，在水胶比不大于035的条件下，使用粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等矿物掺和料替代部分水泥作胶凝材料。这些磨细矿物掺和料在拌制的混凝土中发挥填充效应和火山灰反应，使混凝土变得更加致密，从而降低混凝土的渗透性。降低混凝土拌和物的用水量；采用低水胶比是提高混凝土耐久性的关键。高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可
23、靠地工作50100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。力学性能。由于混凝土是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物
24、超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。体积稳定性。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。经济性。高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究发现用C110C137的高性能混凝土替代C40C60的混凝土，可以节约15%25%的钢材和30%70%的
25、水泥。虽然HPC本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。2.3 高性能混凝土技术的应用现状高性能混凝士技术工正在世界各地成功地用于很多离岸结构物和长大跨桥粱的建造，Langley等人叙述了几种加拿大长大跨桥梁所用的拌合物。它们用于主粱、墩部和墩基，硅粉混合水泥用量为450 Kg/m3。水153L/m3，引气剂160mL/m3和高效减水剂3L/m3。其坍落度大约在200mm；含气量61%：1d、3d、28d抗压强度分别为35、52和82 MPa；基础和其
26、他大块混凝土的混合水泥用量为307 Kg/m3，粉煤灰133 Kg/m3，用水量接近。但引气剂和高效减水剂掺量大幅度减小，坍落度约在185mm；含气量7%；ld、3d、28d和90d抗压强度分别为10、20、50和76MPa。根据加拿大和美国的透水性与氯离子快速渗透标准方法实验结果表明：两部分混凝上都呈现非常低的渗透性。对高性能混凝土结构的施工，需要强调加强现场实验室试验和质量验收。高性能混凝土发展的另一领域是高性能轻混凝土，相对于钢材，普通混凝土的强度自重比很低，掺有高效减水剂的高强混凝土则大大提高了该比例；用有大量微孔的轻骨料代替部分普通骨科，就能进一步提高这个比例。由于骨料的质量不同，密
27、度为2000 Kg/m3、抗压强度在7080 MPa的高性能轻混凝土在一些国家已经商品化并用于构件生产。在澳大利亚、加拿大、日本、挪威和美国，高性能轻混凝土已用于固定式和漂浮式钻井平台；因为水泥浆和骨料之问的界面粘结强度高，它可以不透水，所以在侵蚀环境中能够很耐久。采用掺10%15%硅粉其至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土，具有优良的粘附力，因此适用于湿喷的喷射混凝土进行结构修补，这也是高性能混凝土的应用领域之一。2.3.1 高性能混凝土在高层建筑中的应用高性能混凝上（60MPa）首先用于30层以上高层建筑物的钢筋混凝土结构，因为这种建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土时断面很大。除节省材
28、料费用外，与钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点，自美国芝加哥在1965年以50MPa混凝土浇注Lake Point Tower的一些柱子以来，北美和其他国家到处都在用高性能混凝土建造高层建筑。芝加哥79层的Water Tower P1ace大楼柱子采用了60MPa混凝土；多伦多的Scotia Plaza Building和西雅图的Two Union Square Building（1998年建）两座建筑物则分别有90和120MPa强度的高性能混凝土柱子。另外，世界上最深的钻井平台即1998年建成的比著名的埃菲尔铁塔还高的挪威Troll平台使用的就是超高强混凝土，其立方体抗压强
29、度超过100MPa；当今世界第三高的建筑物马来西亚首都吉隆坡的双子塔(petronas towers)，采用的是C80混凝土；我国的上海东方明珠电视塔也是采用C60混凝土建造而成。例如：北京第五住宅公司承接的南线阁商住楼，基础平面尺寸32m*40m，厚度1.5m，局部达到3.0m，设计混凝土强度C50，抗渗等级S8，属于大体积混凝土。混凝土配合比设计时不仅要考虑混凝土强度，而且需要考虑大体积混凝土的水化热和抗渗性能。混凝土所用水泥强度等级高，水泥用量大会造成水泥水化块并释放大量水化热，混凝土浇筑厚度大，浇筑速度快，会使水化热散失较慢而蓄积，混凝土中心温度会越来越高形成于混凝土表面温差较大产生裂
30、缝。为达到设计强度和降低混凝土水化热，选用高标号水泥和与水泥相容性较好的复合高效减水剂，在保证混凝土水胶比的前提下，降低混凝土用水量和水泥用量，同时掺入矿物掺和料取代部分水泥用量，掺入矿物料后减少了水泥用量，而水胶比不变或减小，提高了混凝土的和易性，降低了混凝土的水化热，保证了混凝土强度和抗渗性能。2.3.2 高性能混凝土在桥梁道路中的应用国外发展情况第十六届国际混凝土路面会议，提出路面设计不仅要提出平均强度要求，还应提出耐久性要求。在未来发展方向中提出抗拉强度达17MPa的超高强混凝土，用于铺筑连续的混凝土路面。捉商混凝土道面表面盼致密性、抗渗性都是很重要的，而这是需要通过高性能混凝土来实现
31、的。国内发展情况我国近几年来在大力建设高速铁路，正在建设的武广客运专线、广珠城际轨道等十一条高速铁路工程设计使用年限长达100年，普通混凝土已不能满足耐久性要求，因此高性能混凝土在高速铁路建设中开始了尝试性应用。因无具体标准，我国铁道部科学技术司于2005年发布了客运专线高性能混凝土暂行技术条件作为客运专线高性能混凝土质量的参考依据，技术条件中对高性能混凝土的技术指标、原材料质量都提出了一些要求，成为国内工程建设中第一个高性能混凝土执行依据。这对我国的铁路建设中高性能混凝土的应用起到了一定的作用。2.3.3 高性能混凝土在海洋工程中的应用提高港口水工建筑物耐久性，研究提出技术经济合理、便于推广
32、应用的新型海工高性能混凝土，大跨桥粱、海底隧道和离岸采油平台，是这种应用的实例如：汕头港外深水航道治理工程；珠江口伶仃洋深水航道治理工程；青岛、宁波北仑等港口建成了能靠泊二十万吨级油轮和矿石船的深水泊位。例如：、东海大桥东海大桥是我国第一次在海上建造的特大桥梁，采用高性能混凝土来抵抗海水的侵蚀。要想低于海水中的氯离子对混凝土的侵蚀，就得提高混凝土的密实性，杜绝和减少混凝土裂缝。在配合比设计是首先优选级配良好的集料，使得集料混合后的空隙率最小，然后考虑掺加超细硅粉来填充混凝土中的孔隙，通过掺加粉煤灰或其他矿物料来提高混凝土的体积稳定性，减少混凝土裂缝。掺入高效减水剂，降低混凝土用水量，减少混凝土
33、固化后的水孔隙，使混凝土具有良好的密实性和体积稳定性。、苏通大桥桥塔苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州(常熟)市之间，西距江阴大桥82公里，东距长江入海口108公里，是交通部规划的国家高速公路沈阳至海口通道和江苏省公路主骨架的重要组成部分。苏通大桥工程规模浩大，其主跨跨径达到1088米，是世界最大跨径的斜拉桥；其主塔高达300.4米，为世界最高的桥塔。为解决主塔混凝土的浇筑问题，指挥部专门成立课题研究组。科研组经过多次试验，最终采用添加高效减水剂和掺加优质粉煤灰的方法大大提高了混凝土的可泵性，使主塔顺利浇筑完成。苗岭一号高架桥江苏连云港港区苗岭一号高架桥地处连云港集装箱码头前，与黄海毗邻，海
34、边时常刮风且风力较大，容易引起混凝土干缩裂缝。该桥桥面调平层设计厚度6cm，设计强度C50.当地地产两种石子，一种是片麻岩，石子压碎值达到11%；一种是玄武石，压碎值为6%左右，根据设计厚度选用516粒级的玄武岩为粗集料。为了保证混凝土的强度和降低水泥用水量，选用P.0 52.5水泥。在保持一定水胶比不变的前提下，用优质级粉煤灰等量取代10%水泥，采用高效减水剂来降低混凝土用水量。为防止海洋性气候引起混凝土裂缝，按每方混凝土掺加1kg的聚丙烯纤维。在混凝土中加入聚丙烯纤维后，混凝土的流动性较差，坍落度减小。为提高混凝土的流动性，适当掺加引气剂，掺入引气剂的混凝土含气量不得超过规范要求。最终混凝
35、土坍落度满足设计的120mm140mm要求，而且可泵性良好，混凝土流动性、粘聚性均得到很好的效果；混凝土浇筑后不但强度满足设计要求，混凝土采用了覆盖和养护措施，表面基本无干缩裂缝。2.4 高性能混凝土发展和应用中所面临的问题高性能混凝土发展的另一领域是高性能轻混凝土，相对于钢材，普通混凝土的强度自重比很低，掺有高效减水剂的高强混凝土则大大提高了该比例；用有大量微孔的轻骨料代替部分普通骨科，就能进一步提高这个比例。由于骨料的质量不同，密度为2000 Kg/m3、抗压强度在7080 MPa的高性能轻混凝土在一些国家已经商品化并用于构件生产。在澳大利亚、加拿大、日本、挪威和美国，高性能轻混凝土已用于
36、固定式和漂浮式钻井平台；因为水泥浆和骨料之问的界面粘结强度高，它可以不透水，所以在侵蚀环境中能够很耐久。采用掺10%15%硅粉其至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土，具有优良的粘附力，因此适用于湿喷的喷射混凝土进行结构修补，这也是高性能混凝土的应用领域之一。在高性能混凝土的应用过程中也存在一些问题，在高性能混凝土的原材料方面，我国水泥质量不稳定，离散性大；在骨料方面，粗骨料质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，尚缺乏充分的适用性的研究。在高性能混凝土的施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使HPC的密实性和质量不稳定；在高性能混凝土的耐久性
37、方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩，使混凝土表面产生裂缝，这对HPC的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使混凝土表面产生裂缝，为各种有害介质渗透提供通道，给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀创造可能；在高性能混凝土的设计方面，由于高性能混凝土的后期强度增长不及普通混凝土，而且脆性大，需要特别注意。同时，在高性能混凝土的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际工况相差较大，这不利于今后高性能混凝土的推广应用。三
38、、高性能混凝土质量与施工控制3.1 高性能混凝土原材料及其选用1、水泥一般地，对普通混凝土来说，只需考虑水泥的强度,而对于高性能混凝土来说水泥性能有其特殊要求。高性能混凝土水胶比很低，要满足施工工作性的要求，水泥用量就要大。但为了尽量降低混凝土的内部温升和减小收缩，又应当尽量降低水泥的用量，同时，为了使混凝土有足够的弹性模量和体积稳定性，对胶凝材料总量也要加以限制。因此，用于高性能混凝土的水泥的流变性能比强度更重要。为了获得高性能混凝土，对水泥性能的要求，除了确保最低限度的流动性之外，还要求水泥在低的水灰比下，能促进水泥的水化反应，使水泥石的结构密实化。这是至关重要的。高性能混凝土所用水泥最好
39、是强度高且同时具有良好的流变性能，并与目前大量使用的高效减水剂有很好的相容性。高性能混凝土水胶比较低，其强度发展较快，水泥早强的要求并不重要。如果没有相应的措施，最好不用早强型的水泥，以免影响混凝土的流变性能和后期强度的发展。一般来说，可以应用中等强度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，混凝土强度等级大于60MPa 时，宜用62.5 号水泥。为了混凝土的高强化与高性能化，在国外出现了球状水泥，调粒水泥，以及活化水泥等。这些新品种水泥的一个很大的特点是，达到相同的标准稠度下，需水量很低。高性能混凝土为了确保其流动性，必须掺入高效减水剂。因此，必须选择适宜低水灰比特性的水泥。其一是细度及粒子的组成，
40、另一方面是加水后的早期水化。同时应注意与外加剂的适应性，水泥与超塑化剂的相容性不好时，不仅会影响超塑化剂的减水率，更重要的是会造成混凝土坍落度的严重损失，有的混凝土拌和物搅拌后经半小时坍落度就可损失一半以上。影响水泥与超塑化剂相容性的主要因素，对高效减水剂来说，是其化学性质、分子量、交联度、磺化程度和平衡离子等；对水泥来说，是SO3 含量同水泥中C3A、细度和碱含量的匹配。除水泥标号外，水泥矿物组成和细度都对混凝土的性能有较大的影响。一般而言，配制高性能混凝土不得使用立窑水泥，应避免使用早强、水化热较高和高C 3 A含量的水泥，同时水泥中f-CaO，f-MgO，S0 3和C1 等有害成分应尽可
41、能的少。由于混凝土耐久性的实现，必须有良好的施工质量为保证，这就要求所配制的混凝土要具有良好的施工和易性，因而水泥必须与所用高效减水剂应具有良好的适性，使混凝土拌合物在满足工作性条件下用水量尽可能的低，坍落度损失小。2、水混凝土拌合用水是在混凝土搅拌时，加入其中赋予混凝土的流动性，和水泥发生水化反应，使混凝土凝结、硬化及满足其强度发展。拌合用水对拌合料的性能混凝土的凝结、硬化、强度发展、体积变化以及工作度等方面都有很大影响。拌制或养护混凝土用水，不能含有对混凝土中钢筋产生有害影响的物质。通常使用清洁的能饮用的河水、井水、自来水、湖水及溪涧水(pH 值不得小于4)等。但沼泽水、工厂废水以及含矿物
42、质较多的硬水则不得使用；至于水中含有脂肪、糖类、酸类等有害物质比则应禁止使用。混凝土拌合用水标准(JGJ63-89)对混凝土拌合水有如下技术要求：(1)对凝结时间的影响；用待检验水和生活用水，进行水泥凝结时间试验。两者的初凝和终凝时间差不得大于30min，而且要符合水泥国家标准的规定。(2)对抗压强度的影响；用待检验水配制的水泥砂浆或混凝土的28d 抗压强度，不得低于用饮用水拌制的砂浆或混凝土抗压强度的90%。(3)杂质含量不能超过标准规定。3、细集料细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂,其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响,一般情
43、况下,砂子越粗,混凝土的强度越高。配制C50C80的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂,对于C80C100的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。4、粗集高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石,级配符合规范要求。由于高性能混凝土要求强度较高,就必须使粗集料具有足够高的强度,一般粗集料强度应为混凝土强度的115倍210倍或控制压碎指标值10。最大粒径不应大于25mm,以10mm20mm为佳,这是因为,较小粒径的粗集料,其内部产生缺陷的几率减小,与砂浆的粘结面积增大,且界面受力较均匀。另
44、外,粗集料还应注意集料的粒型、级配和岩石种类,一般采取连续级配,其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎石为最好。粗集料的线膨胀系数要尽可能小,这样能大大减小温度应力,从而提高混凝土的体积稳定性。5、细掺合料使用矿物细掺料是配制高性能混凝土的一个重要手段。其目的是为了抑制混凝土中碱骨料反应的危害。吴中伟教授认为，矿物细掺料是高性能混凝土的主要组成材料之一，它起着根本改变常规混凝土性能的作用。在配制高性能混凝土时，掺入部分活性矿物细掺料可以促进水泥水化生成物的进一步转化。改善硬化混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性能。应该注意，矿物细掺料的使用不是简单的对水泥的代替。应该根据具体情况确定矿物细掺料的品
45、种与掺量。研究表明，将两种以上的矿物细掺料复合使用时，其综合效果优于其分别单独使用的总和，这就是所谓的超叠加效应。配制高性能混凝土时,掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善,空隙得到充分填充,使硬化后的水泥石强度有所提高。更重要的是,加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与骨料的界面结构,使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。活性细掺合料是高性能混凝土必用的组成材料。在高性能混凝土中常用的活性细掺合料有硅粉(SF)、磨细矿渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排出的烟道灰,它能有效提高混凝土的抗渗性,显著改善混凝土拌合物的工作性,大掺量粉煤灰混凝土
46、还对环境保护和节约资源有重要意义。配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、细度低、需水量低的优质粉煤灰。矿渣是高炉炼铁排出的熔融矿渣在高温状态下迅速水淬冷却而成的,用于高性能混凝土的磨细矿渣细度大于水泥,能提高混凝土的工作性和耐久性。硅粉是电炉法生产硅铁合金所排放的烟道灰,SiO2含量大于90,平均粒径约011m,比表面积20000/kg,借助大剂量高效减水剂和强力搅拌作用,可以填充到水泥或其他掺合料的间隙中去,并且具有很高的活性,在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著,是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料。6、外加剂外加剂主要指在混凝土拌合过程中掺入的，并能按要求改善混凝土性能的材
47、料，一般情况掺量不超过水泥质量的5%。外加剂主要是有机的，也有无机的。目前，国内外使用的外加剂品种繁多，功能迥异。按功能分为减水剂、引气剂、膨胀剂、早强剂、速凝剂等。从某种意义上说，混凝土技术的发展在很大程度上依赖于外加剂，在普通混凝土中或者有特殊要求的混凝土中，外加剂日益成为不可缺少的组分。选择外加剂时应注意与水泥的适应性，试验说明，同一种外加剂，对于不同品种的水泥，其增加混凝土流动度与强度的性能均有很大的差别，由于水泥品种不同，掺外加剂引起的混凝土的凝结时间和坍落度损失也不同，同一品种，同一强度等级的水泥，由于生产厂家不同，其水泥活性也不一样。因此，外加剂的掺加效果与水泥的适应性(协调匹配
48、性)有关，应做适应性试验，主要包括减水率试验和坍落度经时损失试验两项，选择与水泥适应性好的优良外加剂。外加剂与矿物质掺合料也存在同样的问题。减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少用水量的外加剂，又称塑化剂。根据减水能力大小分为普通减水剂和高效减水剂。相对于普通减水剂，高效减水剂的减水能力更强，引气量低，也叫超塑化剂或流化剂。减水剂在减少拌合用水量的同时，往往还具有引气、缓凝或早强等效果，所以减水剂有标准型、引气型、缓凝型和早强型等，在使用时应根据需要和混凝土的技术要求合理选择。减水剂的主要技术性质包括减水率、泌水率比、含气量比、凝结时间差和各龄期的抗压强度等。工程中使用时应根据所用的类型和品种，按照标准要求进行有关性能的试验。减水剂主要用于改善混凝土拌合物的性能，即减少用水量，控制坍落度的损失，改善工作性；也有减水剂兼有引气、缓凝或膨胀等其他性能。减水剂的主要功能及技术经济指标：1)提高混凝土拌合物的流动性。在拌合水量不变的条件下，掺入减水剂可使混凝土的坍落度提高100200mm。2)减少用水量，降低水胶比，提高混凝土强度。在保持拌
