浅议高性能混凝土

摘　要： 着重探讨了高性能混凝土的定义以及一些量化指标。

关键词： 高性能；混凝土；定义；依据

　　随着科学技术的发展， 为适应不同的环境要求， 建筑材料界对混凝土性能的要求亦由普通波特兰水泥混凝土到高强混凝土至而发展到20 世纪80 年代提出的能够满足不同工程背景、性能各异的混凝土。而各国对高性能混凝土的研究与发展， 主要是在提高耐久性的基础上， 通过掺加超塑化剂， 往往也掺入一些活性磨细矿物掺合物， 以改变混凝土的内部结构， 改善其不同材料间相互作用的化学机理， 使其使用性能有所提高， 以适应特定的工况要求。由于对高性能混凝土的认识和研究角度不同， 因此， 有关高性能混凝土的定义、发展、探究也存在着较大的差异； 就从工程实际角度出发， 对高性能混凝土的定义及当前有关研究状况加以讨论。

1　当前高性能混凝土的定义及存在的问题

　　(1) 由于对高性能混凝土在不同的工况下的要求具有各向异性； 因此， 不同方向的研究者给予的定义亦概不相同。如： 1990 年美国N IST 与AC I 对高性能混凝土命名时， 曾提出一个定义： 高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土， 必须采用严格的施工工艺， 采用优质材料配制， 便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、具有韧性和体积稳定性等性能的耐久混凝土， 特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。近年来， 美国混凝土学会又给出一个文字上较精练的定义：“高性能混凝土是一种要能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土， 此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。

    国外的建筑材料界认为高性能混凝土的定性与发展要以结构性能的提高、经济成本的节减及环境的保护角度来研究； 一般而言， 它的主要指标可概括为： 超高的强度； 低渗透性； 良好的结构性能； 优越的耐久性； 可观的经济效益； 环保性； 而有关常规的混凝土物理、力学性能指标亦要根据不同的使用要求而有所提高或改善。由于发达国家的技术力量雄厚、科研资金充足、工程经验丰富， 因此对高性能混凝土的研究， 主要在强调环保的基础上， 从开发材料的不同特性角度出发， 对混凝土的多功能化、高环保性等方面加以改进和提高。如日本， 它从该国的能源、材料、经济、环保等角度出发， 开发出较多类型的高性能混凝土(防磁、防辐射混凝土， 导电混凝土， 超耐磨混凝土等) ， 以满足本国建筑材料市场的需要， 并取得丰富的研究经验。

     我国的高性能混凝土研究事业起步亦较早， 在实际生产中亦有较多的投入， 并取的一定的成果。根据本国建筑材料的发展需要， 对高性能混凝土的定义及规范主要包括以下内容： 如中国工程院士吴中伟教授认为： 高性能混凝土是一种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， 以耐久性作为主要设计指标的混凝土； 它要根据不同使用要求， 满足下列性能： 耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等。由此可见， 当前我国对混凝土的高性能定义与研究， 主要是从经济的角度出发； 通过不同的材料掺加， 改善和提高现行国标规范的混凝土各项性能， 以满足不同工况， 适应不同的建筑要求。一般而言， 对混凝土使用性能的改善， 主要从混凝土结构组成部分人手， 它包括以下几大块： 水泥、沙、石、水、化学添加剂和细粉混合材料。而高性能的混凝土规范， 从国内外研究资料来看， 主要从上述6 点出发， 根据实际工况和经验积累， 给出定性指标及一定的量化指标。如： 强度、抗渗性、自收缩等。在实际应用中， 到底以什么样的指标去定性所设计的混凝土来达到高性能混凝土要求? 却没有明确的定义。如高性能混凝土的主要衡量目标是提高其使用的耐久性， 但在不同的工况中却缺乏一定的量化指标。按正常的要求一般20～ 50 年为普通混凝土使用的年限， 而三峡工程则要求可能在500～1000年； 因此， 高性能混凝土的定义就耐久性方面来说， 具有很大的模糊性， 只能是个概规范； 而对实际的生产和推广， 则更难有明确的衡量系数。参照有关文献材料及实际工程生产需要， 笔者认为当前有关高性能混凝土的定义， 在不同的应用背景下， 存在一定的局限， 并具有相对的共性问题， 如： (1) 定义高性能砼的主要依据应以什么为基础? (2) 高性能砼定性的物理力学特性应以什么的量化指标衡量? (3) 高性能砼定性的依据需要不需要量化? 量化的指标达到多少为限? (4) 有关高性能砼定义的主要定性及量化衡量指标与实际工程相结合时， 应以什么为基准? (5) 无定性设计砼规范思路在实际应用中， 其适用的经济、环保性应以什么样的指标来度量? 等等。

2　高性能混凝土定义之探讨

      根据当前研究资料， 国内外建筑材料界给予高性能混凝土的定义主要是从提高混凝土以下各项性能出发， 以达到所相对规范的量化大致指标为依据； 通过其使用性能在某种程度上符合工况要求为立足点， 从而对混凝土的高性能定义的思路形成固定模式： 工况要求——满足要求混凝土的标准——设计兼顾经济、环保性——对混凝土定性——确定为高性能。对高性能混凝土的该定性方法， 在一定程度上符合科研要求， 有利于学术研究及未来发展的探讨； 但从工程应用角度方面， 有关定性却较为有限。因此， 笔者以上述思路为基础， 对高性能混凝土的定义从实际生产角度出发， 加以探讨： 高性能混凝土是一种以满足实际工况要求为基准， 根据工程规模等级， 以外部经济、环境的量化规范为依据， 采用新技术、新工艺、新材料等来提高普通混凝土的某些性能指标， 以达到该工程要求的混凝土. 因此， 在实际的生产运用中， 高性能混凝土应在保证一般混凝土使用性能的标准基础上， 通过采用高技术手段， 有选择的满足工程特殊要求， 提高其使用效益， 以更好地发挥混凝土物理力学特性。

2.1　高性能混凝土定性依据

      笔者认为， 高性能混凝土之确定应依从以下几个方面， 才能体现其研究与发展符合社会与技术进步的需求： 即根据工程所在地的经济、技术条件基础， 以工程的需要为目标， 选择合理的混凝土组合材料， 大量的运用新型高科技材料， 进行科学的配合比设计、试验； 不断地研发、引进新型施工工艺， 采用高技术以提高普通混凝土的性能， 满足特定工况。

2. 1. 1　以工况变化作为高性能混凝土定性之基础

      高性能混凝土性能的变化与提高， 主要是通过内部结构的改变， 组成成份的化学机理优化来实现某些功能的高性能化， 以满足工程需要。因此， 任何混凝土性能的提高都以实际工程问题的解决为前提， 把工况变化作为高性能混凝土的前提基础， 直接使混凝土的特殊功能加强体现在实际的生产建设中， 既符合社会经济发展需要， 亦符合材料科学的发展要求。如： 水工建筑物对混凝土的防渗性要求， 因建筑物运行周期的延长， 气蚀、水蚀、氯离子渗透等因素常造成混凝土表面脱落、裂缝、内部钢筋锈蚀等破坏。而采用现代新技术、新材料、新工艺手段， 通过活性材料的掺加、现场施工工艺的改进可大大提高普通混凝土内部结构的密实性及各化学组成成份的作用机理， 加强其抗渗功能， 使普通混凝土的物理性能得到极大改善， 亦实现了一般混凝土在其特定功能上的高性能化。而这一混凝土性能的变化正是以解决实际工程问题为根本目标的。因此， 以满足工程需求变化为高性能混凝土定性的基础之一， 具有一定的可行性。

2.1.2　以新材料、新工艺、新技术的采用作为高性能混凝土定性之依据

      由于高性能混凝土的研究与发展是建筑材料界近30 年的重要攻关课题， 为解决人类社会与环境协调发展的关系， 各国在混凝土性能的提高与改进方面侧重点亦有所不同。为满足一些物理力学需要， 可使用常规的技术手段提高混凝土的某些性能以达到工程需求； 但作为长期的研究课题， 必须以新材料、新技术、新工艺等手段的选择来作为高性能混凝土定义与发展的一个基本依据。

      现行对高性能混凝土的研究一方面是不断开发普通混凝土的多功能及高功能化潜力； 另一方面则是在降低成本、提高经济效益的同时， 如何实现环境优化， 以改变整个混凝土材料界的旧局面， 适应新的社会生态需求。由此可见， 以高科技作为高性能混凝土的依据， 是进行混凝土材料研究的必然因素。

2. 1. 3　经济性与环保性协调一致是高性能混凝土定性的重要依据

      混凝土材料运用于建筑工程约有一百多年的历史， 它在造富人类社会的同时， 亦带来一定的问题。随着科学技术的进步， 人类社会在需要新材料以适应建设需要的同时， 更强调与环境的协调性发展。而混凝土材料作为一个传统的建筑原料， 在耗能、污染环境、建筑垃圾等方面具有较大的破坏作用。因此， 作为新型材料的高性能混凝土必须把经济性与环保性结合起来， 作为混凝土高性能定性的一个重要依据。

      由于受各国经济、技术条件限制， 在高性能混凝土的研究中， 课题的攻关重点存在着差异。发达国家因经济基础雄厚， 投于环保方面的混凝土材料研究的比重较大， 亦取得长足的进步： 如美国和加拿大， 它们利用高技术手段， 对工业垃圾(包括建筑垃圾) 进行再加工， 以提高材料的利用率， 改善环境质量。作为发展中的中国， 应受经济技术条件限制， 高性能混凝土材料的研究和使用主要以经济性为主， 适当兼顾环保性。在这一点， 我国建筑材料界必须迎头赶上， 通过对比分析与研究， 借鉴国外同行的经验， 吸收先进成果， 把经济性与环保性相协调发展作为研究的重要目标， 对混凝土材料性能加以改善和提高。

2. 2　高性能混凝土定义的量化指标探讨

      由于高性能混凝土其性能的优化在不同的工况要求下具有差异性， 而且在定义中很难给高性能混凝土的各项指标以明确的标值； 因此， 对高性能混凝土的指标量化， 只能是外部的规范要求与内在的物理力学特性指标相结合， 加以量化， 使高性能混凝土的定义有个粗略的衡量标准。笔者就当前一些材料研究成果， 提出自己的看法。

2. 2. 1　定义混凝土高性能的外部量化指标

(1) 以工程规模等级作为定义的外部量化指标。

      由于工程规模等级的不同， 在设计、生产过程中， 对混凝土材料要求的性能亦有所不同， 而特定的工程状况亦决定了混凝土材料的选择： 如三峡水库大坝的混凝土材料选择高于一般的建筑物所需的混凝土材料性能。因此， 在定义某一混凝土性能是否具有高性能指标的时候， 可以把该工程规模等级作为外部一量化参考指标。如某工程使用C80 泵送混凝土， 由于采用新工艺、新材料， 且在实际工程中， 各项物理力学指标都达到建筑要求； 在混凝土设计时， 根据该工程规模等级， 可选择常规混凝土材料， 但预算将远大于投资能力； 而根据工况选择C80 泵送混凝土， 可节省大量资金， 同时各项指标皆优于常规混凝土， 但设计时必须面对较多的技术材料空白， 作大量的新型材料掺加试验， 选择合理的现场施工工艺， 以达到混凝土的各项高性能要求； 最终， 工程优质完工. 由此可见， 以工程规模等级要求作为高性能混凝土的外部量化指标， 是符合实际工况需要的； 而作为高性能混凝土定义的外部量化指标亦是可行的。

(2) 经济效益、环保标准为定义高性能混凝土的外部量化指标。

      在实际工程生产中， 无论采用什么等级的混凝土其施工目标皆主要是以完成设计要求， 以最小成本获取最大经济效益为基础， 而为了达到这一目标， 对环境因素影响则考虑甚少； 往往是工程结束、生产运营之日， 也就是对该地环境污染之时。因此， 随着人类社会生活环境质量要求的提高， 在施工设计阶段就应把环保因素考虑进去。而作为高性能混凝土的外部量化指标， 其目的就在于保证混凝土优良使用性能的同时， 必须以施工的单位最大经济效益和施工当地的环保要求标准为目标。以此为外部量化指标， 有利于解决人类社会发展与环保相协调一致的关系， 也是新型材料发展的必然趋势。

2. 2. 2　高性能混凝土的自身量化指标

      现见于学报期刊的混凝土高性能量化的指标多从混凝土内部结构变化所引起的强度、耐久性、耐磨性、高流动性、结构优异性等角度出发， 以在实际运用中达到或超过国内、国外的既定标准为量化依据。而对涉及高性能混凝土所采用的技术、材料、工艺的量化指标却谈之甚少； 对高强、高功能研究甚为广泛， 对实际生产中， 满足工况要求的基本标准则探讨较少。因此根据有关资料， 就高性能混凝土的自身量化指标加以讨论：

(1) 新技术、新材料、新工艺为定义高性能混凝土的量化指标。

      在研究混凝土有关特性并衡量是否称之为高性能时， 笔者认为应以新技术、新材料、新工艺的含量为基准， 作为定义高性能混凝土的依据。在获得研究新成果的同时， 考虑所取得的突破点， 有多少高技术的含量， 采用何种新型材料， 工艺方法有何改进， 它们在混凝土性能的改进方面应以什么样的数学方式建立模型， 存在何种联系， 占有多少比重? 通过对这些问题的解决， 采用相应的对比方法， 仔细分析、研究该混凝土高性能化的各项参数， 及各化学组成成份的作用机理， 从而为进一步的研究提供相关理论数据。

(2) 耐久性为定义混凝土高性能的量化指标。

       一般而言， 耐久性研究主要包括以下几点： ①温差收缩膨胀； ②冻融破坏； ③化学浸蚀； ④流动水气浸蚀； ⑤ 外力及流动气体磨蚀； ⑥内部碱集料及脱水收缩等方面在这些研究中， 针对某一工况可能包括的某几种破坏作用的分析研究， 找出对策， 通过对混凝土性能的改善， 以达到解决问题的目的。因此， 可根据工程状况、等级要求： 对该工程提出综合耐久性年限的量化指标， 作为衡量混凝土性能达到的标准。如： 日本学者对耐久性提出的量化指标， 分若干等级； 一般混凝土材料为30 年， 高性能混凝土材料为60 年， 超高性能混凝土则大于100 年。因此， 以耐久性作为衡量混凝土高性能的量化指标具有一定的科学性。

(3) 高功能化作为衡量高性能混凝土的量化指标。

      高性能化、高功能化作为混凝土研究发展的必然趋势， 二者相互联系、紧密作用。以混凝土所达到的特定高功能作为衡量混凝土的高性能指标， 具有不可替代的作用。而在实际材料运用中， 混凝土某一领域所达到的高功能化是工况要求的必然结果。因此， 以高功能达到的标准作为量化指标具有一定的实用性。如： 日本东京的高层建筑要求的吸收电波的混凝土幕墙， 其电波吸收性能为90～ 450MHz 范围， 达到150 dB 以上； 通过建材合理设计配合比， 严格生产工艺， 在新型的混凝土材料生产中， 各项指标皆达到此要求， 实现了该种混凝土的高性能化。

(4) 其它量化指标

　  在以外部和自身因素作为衡量高性能混凝土的量化指标同时， 亦可根据实际需要选定若干常规指标作为量化依据。如常用的强度、结构体积、掺料等作为评析高性能混凝土的量化指标。由于高性能混凝土是各国建筑材料界研究的一个重要课题， 且正处在技术研发阶段； 因此， 在进一步的规律探讨过程中， 需不断的摸索和总结， 找出适宜于定义高性能混凝土的新规范。

3　结　论

       通过上述分析和讨论， 笔者认为当前的高性能混凝土定义、发展与研究从实际工程角度出发， 以经济、技术、环保等方面因素为研究方向， 找出一定的定性量化依据， 符合当前混凝土高性能化研究的趋势， 亦为进一步的深化探讨提供一定的思路。

李卫东： 男， 1963 年生， 工程师； 新疆， 新疆阿克苏市塔里木建安总公司(843400).