淺議高性能混凝土及其在橋梁工程中的應用

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混凝土是我國建筑工程中的主要結(jié)構(gòu)材料。隨著技術的進步，混凝土結(jié)構(gòu)工程向更高建筑、更大跨度和更高承載力方向發(fā)展，同時，人們對結(jié)構(gòu)的耐久性等要求也不斷提高，這些都使得高性能混凝土的研制和應用成為必然。

1 高性能混凝土的含義

高性能混凝土一詞是1990年在美國的一次國際學術會議上公開提出來的。高性能混凝土是在研究發(fā)展高強混凝土的過程中發(fā)展起來的。

什么是高性能混凝土，至今國際上還沒有一個公認的定義，1994年在新加坡召開的第一屆高性能混凝土國際會議上，許多研究人員認為高性能混凝土應是具有高質(zhì)量和高耐久性的混凝土，但未定出具體的質(zhì)量指標和耐久性指標。根據(jù)國際上目前發(fā)表的文章和研究成果，可以認為HPC是在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎上采用現(xiàn)代混凝土技術，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的活性細摻料和高效外加劑的一種新型高技術混凝土。其高性能包括：易澆搗而不離析，力學性能穩(wěn)定，高強度，高耐久性，高體積穩(wěn)定性和高工藝性。

2 高性能混凝土的性能

2.1 高強度

混凝土強度對結(jié)構(gòu)來說是最基本的性能要求。不同的結(jié)構(gòu)，對混凝土強度要求也不一樣，有的結(jié)構(gòu)要求有較高的抗壓強度與抗剪強度;有的結(jié)構(gòu)希望在短期內(nèi)有較高的強度;有的結(jié)構(gòu)需要有較高的抗拉強度;有的結(jié)構(gòu)在28天后才承受荷載，希望后期強度有較大的增長可以利用;有的結(jié)構(gòu)需要抗沖切，抗磨損，抗疲勞強度等等。所以對混凝土的強度也需要有一個全面的了解。

在大跨度結(jié)構(gòu)物允許減小斷面的構(gòu)件部位，應盡量采用強度高的混凝土。資料顯示，混凝土強度從C40提高到C80時，造價約增加50%，而承載能力可提高1倍左右。由于具有減小斷面、降低結(jié)構(gòu)物自重等優(yōu)勢，高強混凝土在國外發(fā)展很快。出于耐久性的考慮，高強混凝土又逐漸發(fā)展成高強度的高性能混凝土。

目前普遍認為高性能混凝土必須是高強混凝土，而高強混凝土未必是高性能混凝土。但另一觀點認為，高強混凝土必須是高性能混凝土，而高性能混凝土不一定非要強度高，如水工結(jié)構(gòu)物，對強度要求并不高，但對耐久性要求卻很高。

劃分高強混凝土的標準，是與各國的混凝土工程技術水平相關的。表1列出了各個國家規(guī)定的高性能混凝土的強度極限值?？梢钥闯觯撼绹?，幾乎每個國家都規(guī)定了一個抗壓強度的上限值。此外，大多數(shù)國家都規(guī)定了最小強度標準為50 MPa左右，美國采用的最低強度標準為41 MPa。

表1各規(guī)范規(guī)定的高性能混凝土強度極限值

規(guī)　范 　強度

美國混凝土協(xié)會 ≥41

歐洲混凝土委員會 50～100

挪威 44～94

芬蘭 60～100

日本 50～80

德國 65～115

荷蘭 65～105

瑞典 60～80

法國 50～80

我國在普通工業(yè)與民用建筑中，現(xiàn)場澆注混凝土的強度等級大量低于C30，預制混凝土構(gòu)件普遍低于C40;而在橋梁工程中，現(xiàn)澆C50混凝土已是常事?？紤]到其它因素，我國將強度等級為C50及以上的混凝土劃分為高強混凝土，這樣劃分與歐洲CEB、美國ACI、日本等國的標準大體相當。

2.2 高耐久性

長期以來，混凝土一直被看成堅固耐久的材料，實踐證明，普通混凝土并不總象當初應用時所認為的那樣耐久，許多國家早期修建的一些混凝土基礎設施工程已相繼步入老化期。以美國為例，美國現(xiàn)有橋梁約57。5萬座，據(jù)1991年提交美國國會的一份報告中的數(shù)據(jù)，這些橋梁中不少已經(jīng)老化損壞，為修復和更新，在以后20年內(nèi)每年需耗資60～85億美元，每年需修復更新的橋梁達1。6萬座，這不僅耗資巨大，而且影響社會生產(chǎn)和生活秩序。普通混凝土因耐久性不良造成的問題在我國也相當突出?，F(xiàn)代高性能混凝土技術為解決混凝土的耐久性提供了出路，對于橋梁、道路、港口、海洋工程等許多設施來說，混凝土的耐久性比其強度顯得更為重要。

對混凝土耐久性的要求可從兩個方面分析，即自然老化和人為劣化。自然老化是指混凝土在大氣、土壤和水中，隨著時間的推移發(fā)生的性能變化，如氣溫變化、日曬雨 淋、凍融循環(huán)、干濕較替等作用，使混凝土產(chǎn)生裂縫、剝落、疏松等現(xiàn)象，降低結(jié)構(gòu)安全度;二氧化碳的侵入，使混凝土發(fā)生碳化，降低混凝土對鋼筋的防銹保護作 用;遭受有腐蝕性氣體或液體的侵蝕，降低混凝土強度，使混凝土開裂，鋼筋被腐蝕等。人為劣化是指混 凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中，由于生產(chǎn)、生活、管理等方面的原因，使混凝土發(fā)生降低使用功能的現(xiàn)象。如磨損、沖刷使混凝土降低了耐久性;疲勞、撞擊使混凝土產(chǎn)生 裂縫或損傷，降低結(jié)構(gòu)強度;酸、堿、油的腐蝕破壞了混凝土的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，失去或降低混凝土強度;溫度、滲透等作用直接損傷了混凝土。

要解決上述耐久性問題，就必須使混凝土密實度高且不產(chǎn)生原生裂縫;硬化后體積穩(wěn)定而不產(chǎn)生收縮裂縫;同時減少混凝土內(nèi)部產(chǎn)生侵蝕的組分。

高性能混凝土是一種耐久性優(yōu)異的混凝土，耐久性可達百年之久，是普通混凝土的3－10倍。混凝土的耐久性即抵抗劣化的能力，主要包括：抗?jié)B性、抗侵蝕性、抗凍性、耐磨性、抗碳化性、抗堿－骨料反映等。

2.3 高體積穩(wěn)定性

混凝土的體積穩(wěn)定性直接影響結(jié)構(gòu)的受力性能，嚴重者會影響結(jié)構(gòu)的安全?；炷恋捏w積穩(wěn)定性可分成三類，一類是混凝土在凝結(jié)過程中發(fā)生的體積變形，總稱為收縮 變形;另一類是混凝土在承受荷載后發(fā)生的體積變形，如彈性變形，徐變變形等;還有一類是混凝土在溫度作用下的體積變形，稱為溫度變形。收縮變形是混凝土的一種固有特性，不均勻收縮會使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應力，產(chǎn)生裂縫，降低混凝土強度和耐久性。減少收縮主要應從減少用水量，減少水泥漿用量，提高混凝土的密實性解決。

徐變是混凝土的另一個重要特性?；炷猎谝粋€定值荷載作用下，產(chǎn)生隨時間增長變形增加的現(xiàn)象稱為徐變。徐變變形會改變結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力，有時產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)不利的變 形，影響結(jié)構(gòu)的安全。減少徐變的主要辦法有：提高混凝土的強度，降低其使用應力，減少混凝土中的水泥漿含量，不要過早使混凝土承受使用荷載等。

彈性變形是所有結(jié)構(gòu)材料共有的特性，混凝土在受力后產(chǎn)生的彈性變形比較大。要使彈性變形小，就要提高混凝土的彈性模量。提高彈性模量的辦法有：提高混凝土的強度，采用彈性模量高的集料，改善混凝土的級配，提高混凝土密實度。

溫度變形?；炷恋臏囟茸冃畏謨深?，一類是熱脹冷縮變形，如受到約束時，使結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫，甚至破壞;另一類是混凝土水化是產(chǎn)生的溫度應力而引起裂縫。

對體積穩(wěn)定性要求，國際上也還沒有一個統(tǒng)一的標準。一般來說，要求混凝土的收縮變形、徐變變形小，彈性模量高，溫度膨脹系數(shù)盡量與鋼筋一致。

2.4 高工藝性

混凝土的工藝性能是混凝土質(zhì)量的重要保證。沒有好的工藝性能，混凝土就很難達到高強度、高耐久性和高體積穩(wěn)定性。

混凝土的工藝性包括對拌和、運輸、澆灌和振實等各道操作工序的要求，在施工過程中不產(chǎn)生離析，質(zhì)量穩(wěn)定，施工完成后的混凝土密實、勻質(zhì)、平整、表面光潔。

2.5 應用經(jīng)濟性

雖然高性能混凝土在成本上比普通混凝土要高一些，但由于減小了截面尺寸，減輕了結(jié)構(gòu)自重，降低了鋼筋用量，這對自重占荷載主要部分的混凝土結(jié)構(gòu)具有特別重要的意義。一般情況下，混凝土強度等級從C30 提高到C60 ，對受壓構(gòu)件可節(jié)省混凝土30%～40%，受彎構(gòu)件可節(jié)省混凝土10%～20 %%，以年產(chǎn)15 億立方米混凝土中有20%采用高性能混凝土，以商品混凝土350元/m3計算，可節(jié)約資金210 億 元，具有巨大的直接經(jīng)濟效益;同時由于截面尺寸減小，不但改變了結(jié)構(gòu)上肥梁胖柱的不美觀問題，而且可增加使用面積和有效空間，因而可獲得較大的間接經(jīng)濟效 益。在建設階段通過節(jié)約混凝土用量，可以節(jié)約土地、煤、水、礦石、砂等能源和資源的消耗量，從而減少有害氣體和廢渣的排放，使用階段可減少養(yǎng)護維修費用， 實現(xiàn)節(jié)能，帶來可觀的社會效益。

3 高性能混凝土的配制要求

3.1 水泥

高性能混凝土應采用礦物組成合理、細度合格的高標號水泥，還應注意盡可能選擇標準稠度需水量較小和水化熱較低的水泥，這樣容易選擇超塑化劑并在較小的單位水量下獲得良好的流動性。一般常用42。5級以上的硅酸鹽水泥。

3.2 骨料

配制高性能混凝土的骨料與普通混凝土的要求不同，骨料本身的強度要高，一般選用花崗巖、硬質(zhì)砂巖及石灰?guī)r等。還需控制骨料的粒徑、表面特征、用量、吸水率等指標。

3.3 水灰比

配制高性能混凝土的重要措施是減小水灰比，使混凝土密實性提高，其強度和耐久性可顯著曾長。一般水灰比在0。3左右，用水量不大于160kg/m3。

3.4 高效減水劑

高效減水劑是表面活性劑，可以大大提高水泥漿的流動性，使得低水灰比配制的混凝土具有高坍落度。同時，還能促進水泥的水化作用，提高早期強度。高效減水劑賦予混凝土高密實度即高強度、高耐久性，同時具有優(yōu)異的施工性能。

3.5 礦物摻合料

礦物質(zhì)摻合料是高性能混凝土的又一必不可少組成材料。這類摻合料可以是優(yōu)質(zhì)粉煤灰、超細礦渣與天然沸石粉，或硅粉。可單獨添加或同時并用，目的在于改善混凝土拌和物的流變性能，提高混凝土強度和耐久性。

3.6 配合比設計

高性能混凝土配合比設計目標首先是高耐久性，并兼顧工作性與強度。為此，世界各國學者均提出了各自的有關高性能混凝土配合比設計方法。如P。K。Mehta和Aitcin推薦的高強度高性能混凝土配合比確定方法;法國路橋?qū)嶒炛行慕ㄗh的有關高性能混凝土設計方法;日本阿部道彥采用的高性能混凝土配合比計算方法及Domone、Carbonari等 基于最大密實度理論而提出的高性能混凝土配合比設計方法。高性能混凝土對原材料質(zhì)量及配合比參數(shù)變化都較敏感，故配合比計算的精確度要求較高，為此，世界 各國學者研究了高性能混凝土配合比設計的計算機化，例如清華大學博士研究生王德懷進行的“高性能混凝土配合比設計與質(zhì)量控制的計算機化”課題研究;法國路 橋?qū)嶒炛行奶岢龅膬?yōu)化高性能混凝土配合比設計的RENE—LCPCTM軟件等。

高性能混凝土在配制上的特點是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并除水泥、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和高效外加劑。用于橋梁尤其是大跨度橋梁的高性能混凝土應滿足：水膠比≤0。4，強度≥41。4MPa，低徐變率。

4 高性能混凝土在橋梁工程中的應用

高性能混凝土達到了使結(jié)構(gòu)強度高、剛度大、耐久性好的要求，同時能滿足工業(yè)化預拌生產(chǎn)和機械化泵送施工，在世界范圍內(nèi)是一項比較成熟的技術。

橋梁工程中，大跨度橋梁的自重往往占總荷載中的大部分。采用高性能混凝土，可以減小自重，降低截面高度，增強結(jié)構(gòu)耐久性;其早期強度高，可加快施工進度。

我國于70年代中后期，開始在公路橋梁界較大范圍內(nèi)應用預應力混凝土，只不過應用的混凝土標號以C40為主。到80年代，隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，我國的公路橋梁用混凝土也在不斷發(fā)生變化和快速發(fā)展，混凝土的強度等級逐步提高。在許多的跨江、跨河和跨海的大型橋梁工程中，應用了C50～C65級的泵送混凝土。如：浙江杭州錢塘江二橋，廣東番禺洛溪大橋等。到了90年代，我國公路橋梁上已開始應用C55～C60級的泵送混凝土。如：楊浦大橋主塔，四川萬縣長江公路大橋，廣東虎門大橋，南京長江二橋，杭州灣大橋、東海大橋等。

高性能混凝土技術在國外的發(fā)展與應用以北歐和北美為先導，很快在全球范圍內(nèi)展開，目前已在大量工程中應用，尤其是大跨度橋梁。如：丹麥的大貝爾特海峽大橋、丹麥與瑞典之間的歐上海峽大橋、加拿大聯(lián)盟大橋、日本的明石海峽大橋等，這些跨海大橋的設計使用壽命均在100年以上。

5 結(jié)語

高性能混凝土以其優(yōu)異的性能使得普通混凝土向高性能混凝土發(fā)展成為必然趨勢。高性能混凝土是混凝土技術進步的標志。我國在發(fā)展高性能混凝土方面才剛剛起步，需要科研、教學、設計、施工部門攜手協(xié)作，共同促進高性能混凝土的發(fā)展。