高性能混凝土的研究进展

摘要：混凝土是土木建筑工程中最大宗材料，但传统的混凝土今天却面临严峻的挑战。本文介绍了高性能混凝土，指出高性能混凝土的主要目标是获得高耐久性，并介绍了高性能混凝土的研究和开发现状。最后，提出了我国发展高性能混凝土需要研究的基础课题。

关键词：高性能混凝土; 耐久性;研究;发展

1前言

传统的混凝土虽然已有近200年的历史，也经历了几次大的飞跃，但今天却面临着前所未有的严峻挑战。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，尤其是耐久性能。耐久和高强都意味着节约资源。所以高性能混凝土已被看成是二十一世纪的混凝土，是混凝土技术发展的必然方向。

2 高性能混凝土的定义

对高性能混凝土的定义或含义，国际上迄今为止尚没有一个统一的理解，各个国家不同人群有不同的理解。一般说来，高性能混凝土是指高强度性、高耐久性、高工作性。一些美国学者更强调高强度和尺寸稳定性(北美型)，欧洲学者更注重耐久性(欧洲型)，而日本学者偏重于高工作性(日本型)，从而推广不需振捣的自密实混凝土。在我国，中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将高性能混凝土定义为：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。

目前，比较科学的高性能混凝土定义应该是强调混凝土的性能或者质量、状态、水平，或者说是一种质量目标，对不同的工程，高性能混凝土有不同的强调重点，即特殊性能组合。

3 混凝土的耐久性和配制

高性能混凝土的主要目标是耐久性，而获得耐久性的核心问题是获得水泥基材料的密实填充结构。硅粉、粉煤灰及高炉矿渣微粉等掺合料拌和在混凝土中，会产生填充效应、润滑效应及增强效应，使混凝土更加密实，大大降低水分及有害物质的渗透，有利于提高其工作性、体积稳定性和抗化学侵蚀性;也有利于提高混凝土的强度和耐久性。

高效外加剂是配制高性能混凝土的必备材料。在混凝土中掺入较大量的超细矿物粉料，加大了胶结料的需水量。因此应加入高效减水剂以满足工程结构对高性能混凝土的要求，即在大幅度减水的同时获得满意的和易性及较高的强度，同时使混凝土在低水灰比条件下获得很高的坍落度。目前，高性能混凝土一般采用"双掺"技术制备，即在混凝土[3]中加入矿物掺合料及高效减水剂，使混凝土的工作性、强度得到很大地改善。

4 高性能混凝土的研究开发现状

针对混凝土的过早劣化，发达国家在二十世纪八十年代中期，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。各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久性设计的考虑，从只重视强度设计向强度及耐久性并重的方向进行设计。进入二十世纪九十年代以后，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，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。在国内，自从二十世纪九十年代初清华大学向国内介绍高性能混凝土以来，高性能混凝土的研究与应用在我国得到了空前的重视。1993年国家自然科学基金会、建设部、铁道部和国家建材局联合资助了重点科研项目《高强与高性能混凝土材料的结构力学性态研究》，随后许多省、市科委和建委也资助了高强、高性能混凝土方面的研究课题。

5 发展我国的高性能混凝土需要研究的基础课题

5.1 如何制造绿色高性能混凝土材料

(1)硅酸盐水泥的性能应该符合高性能混凝土制备的要求。因此需要研究高性能混凝土所需要的水泥的性能，由此决定硅酸盐水泥的组成与制造工艺。需要大力研究利用低品味的原材料生产符合高性能混凝土要求的硅酸盐水泥的可能性。

(2)绿色高性能混凝土所用胶凝材料中含有大量的矿物掺合料，在低水胶比条件下这种胶凝材料的水化硬化机制与普通硅酸盐水泥有很大不同，如何发挥其特性，以及如何评价其性能是需要首先解决的问题。

(3)高性能混凝土的组成复杂。含多种化学外加剂、矿物掺合料，以及根据特殊的性能要求所加入的膨胀剂、增强剂和各种纤维等。这使得高性能混凝土的水化硬化过程中的物理化学变化非常复杂，各种组分的作用有可能相互促进，也可能相互抑制。需要对这个复杂系统中的物理化学变化规律及对混凝土性能的影响进行深入的研究，以指导高性能混凝土的正确应用。

(4)探讨再生材料性能变化的基本规律，探寻提高再生材料品质的方法，研究再生土木工程材料性能评价方法所应遵循的原则，建立统一的评价标准。开发利用再生原料配制高性能混凝土的共性技术，研究再生原料对混凝土性能的影响及提高性能的技术措施。

(5)绿色高性能混凝土的配合比设计方法也需要相应的变化。建立一个科学的、基于性能的配合比设计方法;在先进的信息技术帮助下，建立配合比设计专家系统和相应的数据库。

(6)针对特殊的使用目的，开发新型的特种混凝土。

5.2 如何保证结构物具有较长的安全使用寿命

在结构设计、施工工程组织与结构质量验收等环节需要考虑高性能混凝土与普通混凝土性能上的差异。为此需要研究：

(1) 混凝土结构内温度与湿度在早龄期的变化规律，建立基于水泥水化放热速率、结构形式及环境条件的混凝土结构内部时变温度场、湿度场。

(2) 对典型混凝土结构进行应力分布及开裂全过程仿真，并对各种可能的影响因素进行敏感性分析，探明混凝土结构开裂的机理和规律，特别是施工过程的影响。

(3) 在各种应力和外部约束叠加而成的复杂应力环境中混凝土积分的开裂风险及评价方法。

(4) 控制混凝土结构开裂的材料和结构措施。

(5) 开发混凝土材料的增韧与抗裂措施，以期大幅度降低混凝土结构的开裂风险。

5.3 如何科学合理的评价材料或结构的性能

我们的材料性能检测方法数十年来基本不变，传统的检测方法已不能完全满足评价现代高性能混凝土在实际结构中的性能。因此，目前急需解决的问题有：

(1) 胶凝材料性能的评价。

(2) 现行混凝土体积变化的评价方法没有考虑自干燥收缩的影响。在高性能混凝土中，自干燥收缩可占总收缩的一半，不可忽视。应该系统研究混凝土的自干燥收缩的规律与检测方法。需要建立评价约束条件下混凝土的变形特性的检测方法。

(3) 为了建立混凝土结构耐久性设计方法，需要了解混凝土在各种侵蚀环境中的结构与性能蜕化规律，掌握侵蚀介质在混凝土中的传输状态，提出混凝土在各种侵蚀性环境中的结构与性能的时变模型。

(4) 目前只有通过回弹或超声探测的方法，或钻芯取样进行强度的检测。这些方法误差较大，而且对混凝土结构的耐久性无法评判。我国应该发展相应的混凝土结构质量评价方法，对于已建成的混凝土结构性能进行检测与评价，这种评价也是进行混凝土结构使用寿命预测的基础。

6 结语

综上所述，国内外对高强、高性能混凝土性能的研究，取得了令人瞩目的成就，但无论在理论分析上和试验研究工作系统化上都有所欠缺，还远远不能满足实际工程的需要，因而进一步的研究工作是必要的。

参考文献：

[1] 冯乃谦.高性能混凝土[M].北京：机械工业出版社.2004.1.

[2] 邱小坛.我国混凝土结构的耐久性与安全问题[J].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] 洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[4] 陈肇元.高强混凝土与高性能混凝土 [M].北京：中国城市出版社，1998.

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