复合超高强高性能混凝土的研究进展

摘要：高性能混凝土是在普通混凝土基础上新问世的材料，是国家经济建设所用的主导材料，尤其是随着混凝土材料科学技术的迅速发展，高性能混凝土先后解决了工程中遇到的许多疑难问题，具有广阔的发展前景。本文对高强混凝土的重要性能及其研究动态作了论述。

关键词：超高强混凝土；高性能混凝土；复合高性能混凝土

　　高性能混凝土(High Performance Concrete 以下简称HPC) 是以其“三高”而著称，即耐久性高、工作性高、强度高，被称为21 世纪混凝土[1 ，2 ] 。在我国可持续发展战略中，随着绿色混凝土工程材料的推进和发展，超高强高性能混凝土在改善环境、提高经济效益、增加新的增长点、解决工程中的疑难问题等方面引起了专家们的极大关注。

    HPC 是由日本土木工程师协会混凝土专业委员会主席、东京大学土木工程系冈村甫(Okamura) 教授及其助手新近研制的一种全新的特殊混凝土。这项研究工作大约始于1988 年。在我国[3 ] ，1988 年高强混凝土开始发展，1990 年提出了HPC。近年来，HPC 的使用越来越多，特别是混凝土的强度越来越高，使用C60 及其以上(即高强) HPC 的工程与日俱增。可以预见，不久的将来，C100 及其以上(习惯上称之为超高强) HPC 也会从目前的试验性尝试应用扩展到正式推广应用。HPC 技术以及高强、超高强高性能混凝土技术，是目前混凝土技术的核心和重要发展方向。因此，迫切需要我们更进一步的探索与研究， 并将之应用于实践当中。

1 　研究与开发超高强高性能混凝土的意义

　　随着现代建筑物的高层化、大跨化、轻型化、地下化以及使用环境的严酷化，在建筑工程中所使用的混凝土的强度逐渐增高。目前，人们已在海洋深处建造大型的结构物，在辽阔的海面上建造巨大的工作平台，在城市里建造垂直城市(超高层大厦) ，也正在建造跨越大江、深谷、海峡的大跨度桥梁，穿越海峡的海底隧道，现代化的高速火车栈桥，以及各种大型的地下建筑物及井巷工程等，所有这些新奇建筑和巨型工程都对混凝土的强度和耐久性提出了更高的要求。为了适应这种要求，进一步研究和开发超高强高性能混凝土(C100 以上) 具有重要的意义。与普通中低等级的混凝土相比，使用超高强高性能混凝土具有一定的优越性。

2 　对超高强高性能混凝土的评价

2.1 　有效地减轻结构自重并大幅度地提高混凝土的耐久性

    众所周知，钢筋混凝土的最大缺点是自重大，在一般建筑中，结构自重为有效荷载的8～10 倍。当混凝土强度、性能提高时，结构自重降低。国际预应力钢筋混凝土协会前主席C·格维克教授与世界著名预应力混凝土专家美籍华人林同炎教授曾预言， 80 %～90 %的钢结构工程可用预应力钢筋混凝土结构，应与钢结构一样轻，因为这时两者的比强度(即强度与重量的比值) 大致相等。同时，由于超高强高性能混凝土内部结构的改善和胶凝物质组成的优化，其耐久性将极大地改善，其收缩大大减少，抗渗标号达40 号以上，实际上不渗水，超高强高性能混凝土不碳化，抗冻性将达1000 次冻融循环以上，建筑物的使用期限将达数世纪，从而使混凝土的耐久性有了明显的提高。

2.2 　材料用量及建筑成本将大量减少，生产、运输和施工能耗将大量降低

    超高强混凝土是新的用于大规模建筑的材料，它的价格比普通混凝土贵。但在很多结构中，采用超高强混凝土的经济效益大于其本身成本的提高。屈志中[4]介绍，根据美国的研究，在受压构件中，当混凝土的强度为40 MPa 时承受荷载10 KN 需耗用1.1 美元； 当强度为52 MPa 时需耗用0.45 美元；而当强度为62 MPa 时则更为经济了。在美国，从35 MPa 算起，混凝土强度每提高10 MPa ，每1 m3 混凝土拌合物的价格大约提高20 美元，即强度100 MPa 的混凝土确定为200 美元，相应140 MPa 的混凝土为280 美元。在采用超高强混凝土的条件下经济效果为:即使混凝土本身比低强度混凝土贵，但其差价可用减少构件的断面尺寸所补偿。超高强混凝土的建筑技术性能优点决定了最好是把它用于高层建筑的柱。根据前苏联的研究(取决于钢筋混凝土的应力状态) ，当使用C110～ C137 的混凝土代替C40～C60的混凝土时，可节约水泥30 %～70 %、钢材15 %～25 %。由于复合高强混凝土具有明显的技术经济效益，因而其应用在逐步扩大。在各类建筑结构中，超高强混凝土广泛地应用于高层建筑、电视塔、桥梁、原子能反应堆的罩和外壳、开采石油和天然气的海上采油平台中的事实，证明了它独特的建筑技术效果。在发达国家，出现了专门生产高强和超高强混凝土的建筑企业，并与生产建筑钢材的公司形成竞争局面，这充分显示高强和超高强混凝土的优越性。

3 　高强高性能混凝土的研究应用现状

    高强化是混凝土技术发展的必由之路，各国对于混凝土高强化的理论研究和实践正在进行。高性能混凝土伴随着高强混凝土而问世，且各国对高性能混凝土的要求不完全一样。根据目前国际上对混凝土的研究与使用情况及各国多数学者的习惯，在我国，蒲心诚教授认为[5 ]把C10～C50 强度等级的混凝土称为普通强度混凝土，C60～C90 强度等级的混凝土称为高强混凝土，C100 及C100 以上的混凝土称为超高强混凝土。本文所论述的超高强高性能混凝土即是指强度等级≥C100 且有很好的耐久性能的混凝土。

    高强度混凝除全面地改善混凝土的质量外，主要应减少其收缩、徐变，提高其抗渗性、抗冻性、抗蚀性等。一般来说，高性能混凝土也有普通强度等级的，但对超高强混凝土而言，两者是一致的。超高强混凝土同时也是高性能混凝土，为了更直观、更全面，我们称这样的混凝土为超高强高性能混凝土(Supper strength High Performance Concrete 以下简称SHPC) 。近年来，人们探索与研究这一性能更好、强度更高、经济效益更优的混凝土的热忱正在升起。我国对抗压强度为100 MPa 以上的SHPC 研究较少。重庆大学蒲心诚教授曾用碱矿渣混凝土技术制成了28 d 抗压强度为100 MPa ，110 MPa ，120 MPa 的SHPC ，一年后强度增至11213 Mpa～13212 Mpa ， 这是当时我国超高强混凝土的最高强度记录[7 ] 。90 年代，美国、加拿大、日本、挪威、前苏联各国、德国、澳大利亚等，成为应用SHPC 最多的国家，在我国几乎没有应用。美国的芝加哥、西雅图、纽约、休斯敦， 加拿大的多伦多，德国的法兰克福等均有多幢SHPC 建筑；日本不仅应用SHPC 建造高层住宅，而且用其制造预应力混凝土桥梁、预应力混凝土桩、桁架、管、电杆等。目前应用SHPC 最好的国家是挪威，其已有C105 级超高强混凝土结构设计规范，此为目前世界上强度等级第二高的混凝土结构设计规范(德国现行的混凝土结构设计规范已达C110 级，强度等级为当今世界之最) 。挪威已在建造北海油田的钻井平台中使用SHPC ，并将SHPC 广泛用于道路工程， 明显提高了混凝土路面的耐磨性，适应了挪威严寒地区汽车带钉轮胎对路面的强磨蚀作用。这种路面，用普通混凝土，其寿命短得难以接受[6 ，8 ] 。超高强混凝土在工程实践中已经得到了应用，有代表性的为:法兰克福BFG行政大楼建造并应用了B115 的SHPC[9 ] ；挪威在使用高强混凝土和超高强混凝土方面更是走在世界前列，他们在北海油田的海上钻井平台上，曾进行了立方体抗压强度超过100 MPa 的超高强混凝土施工，并于1989 年就制订和实施了抗压强度高达105 MPa 的SHPC 结构设计标准[10 ] ； 英国帝国公司与牛津大学合作研制成功的无宏观缺陷(MDF) 水泥，其抗压强度达300 MPa ，抗折强度达50 Mpa～200 MPa 。近几年来，国际上又出现了活性粉末混凝土，其抗压强度已达800 MPa[11 ] 。

4 　超高强高性能混凝土(SHPC) 的主要性能

　　尽管人们已积极从事SHPC 的研究开发工作， 但是，与普通混凝土和高强度混凝土相比，这种研究还是初步性的，远不及对普通强度混凝土研究的广泛和深入，所积累的资料也还不多，有待进一步地探索和研究。

4.1 　超高强混凝土的收缩

     混凝土在使用过程中出现的体积收缩，容易引起混凝土开裂。超高强混凝土配合比设计的主要技术途径是采用低水灰比，高水泥用量，高标号水泥， 掺入超细矿粉及高效减水剂等。因此，超高强混凝土的收缩由浇注初期塑性收缩，发生于混凝土内部的化学收缩、自干缩、干缩、碳化收缩和温度收缩等六部分组成。国内外一些学者对高强、超高强混凝土的收缩进行了研究。严吴南、蒲心诚认为[12 ] ，超高强混凝土长期干缩并不比普通混凝土大；李家和等认为[13 ] ，高强混凝土早期收缩大于普通混凝土， 长期收缩小于普通混凝土；覃维祖等认为[14 ] ，高强混凝土水胶比低，内部结构密实，因此早期产生很大的自收缩；ArshedA1khan 认为[15 ] ，早于24 小时脱模的高强混凝土的收缩应变和热应变比普通混凝土大得多， 且总应变的稳定较普通混凝土慢； E1J1sellevold 认为[16 ] ，高强混凝土的自生收缩导致自干燥，在密封情况下，随水化的进行，混凝土内部相对湿度下降，即使在水中养护，也很难达到水饱和状态，且相对湿度的下降主要受水胶比的影响，是导致高强混凝土可能开裂的主要原因。总的说来，高强、超高强混凝土的收缩具有其自身的特点。在我国，研究高强混凝土的收缩及其补偿的较多，而对超高强混凝土的收缩及其补偿的研究尚不多见。要补偿混凝土的收缩，常用的方法是掺入膨胀剂。在我国，常用膨胀剂为UEA。

4.2 　超高强高性能混凝土( SHPC) 的耐久性

    已有的研究表明[5 ] ，超高强混凝土具有优异的耐久性。超高强混凝土的抗冻性在1000 次冻融循环以上。用浓度100 %的CO2 气在0.4 Mpa 压力下对超高强混凝土碳化40 小时，其碳化深度为0 ，而同条件下的普通混凝土的碳化深度为715 mm。文献[17 ]的试验也证实，水胶比为0.2～0.3 的超高强混凝土人工碳化一年，其碳化深度为0。超高强混凝土抗渗标号达40 时，其渗水高度可以认为是0。因此，可以认为，超高强混凝土不渗水、不透气、水分及有害离子都不可能进入混凝土的内部，其耐久性必然提高。

5 　研制超高强混凝土的技术途径及活性掺料对其产生的作用

　　SHPC 由于其强度极高，耐久性优异，能满足超高层、超大跨、超重载工程建设对材料性能的要求， 在未来必定得到相应的应用。因此，100 Mpa～150 MPaSHPC 正成为世界各国的研究热点。目前，研制SHPC的基本技术途径是硅酸盐水泥+ 高效减水剂+ 活性矿物掺料。      但是，活性矿物掺料对混凝土强度的贡献到底有多大，至今，只有一些概念性的认识，并无定量的分析，因此，也就不能了解混凝土的强度构成。有鉴于此，本文作者曾用比强度指标对活性矿物掺料的火山灰效应的强度贡献率进行了分析[18～20 ] 。

6 　超高强高性能混凝土的研究趋势

    SHPC 目前还处于尝试阶段，还存在着一些问题有待于我们来解决。例如:脆性问题、体积稳定性问题等。还有，究竟应该在SHPC 中掺加何种矿物掺合料以及如何掺入才能使配置的混凝土既经济，又能达到超高强；同时，还能使混凝土的耐久性得到显著提高。为此，迫切希望从事混凝土的研究人员能够致力于研究和开发强度更高、性能更好的SHPC 的方向努力发展。

6.1 　超高强高性能混凝土存在的问题

6.1.1 　脆性问题

    随着混凝土强度的进一步提高，脆性亦相应增加，这是SHPC 实际存在的问题。因此，一些研究者认为，由于SHPC 脆性增加，应用这种材料的可靠性令人担心。但是笔者认为，既然一百年来，人们从未因担心混凝土的脆性而拒绝使用钢筋混凝土作结构材料，那么，人们又有什么理由拒绝使用配筋超高强混凝土作结构材料呢? 只要人们注意到了这一问题，在应用的时候，可以扬长避短[21 ] 。所在实验室用钢管与SHPC 复合产生的钢管超高强混凝土，不仅象钢筋混凝土一样克服了混凝土的脆性，而且使钢材与混凝土相互补充，相互加强，达到更加完美的组合，在更大程度上具有了延性，其性能之优越，是钢筋混凝土无可比拟的。SHPC 在钢管约束或三维配筋后应用，其脆性应该能得到有效的控制[22 ] 。

6.1.2 　体积稳定性问题

    当SHPC 的单方水泥用量比普通混凝土高时， 有可能导致最终收缩增大。因此在选好材料的基础上需采用合理的配比与工艺以获得体积稳定的SH2 PC。严吴南等[23 ] 所在科研组制备的SHPC ，其180 天干缩值就小于500 ×106 ，只是其化学收缩(自缩) 在干缩中所占的份额由普通混凝土的10 %～20 % 上升到50 %～60 % ，而普通混凝土的干缩值为200 ×10^－6～1000 ×10^－6 ，说明SHPC 的最终收缩可以控制在一个较低的范围内(与普通混凝土相当) ，能满足体积稳定性的要求。

7 　解决方案构想

    笔者认为，要想解决SHPC 的脆性问题，能否用更为经济的纤维材料复合掺入SHPC 当中，替代钢材来解决SHPC 的脆性问题，是目前值得我们研究的热点。不过期望这些研究能成为一激发剂，激发起我国广大材料、结构、施工领域的科技工作者和企业家对SHPC 的研究与开发热忱，并期望能引起各级科技领导部门的关注，以使我国的混凝土科技水平得以迅速提高，并适应我国大规模基础设施建设的需要。

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