復合超高強高性能混凝土的研究進展

摘要：高性能混凝土是在普通混凝土基礎上新問世的材料，是國家經濟建設所用的主導材料，尤其是隨著混凝土材料科學技術的迅速發(fā)展，高性能混凝土先后解決了工程中遇到的許多疑難問題，具有廣闊的發(fā)展前景。本文對高強混凝土的重要性能及其研究動態(tài)作了論述。

關鍵詞：超高強混凝土；高性能混凝土；復合高性能混凝土

高性能混凝土(High Performance Concrete 以下簡稱HPC) 是以其“三高”而著稱，即耐久性高、工作性高、強度高，被稱為21 世紀混凝土[1 ，2 ] 。在我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，隨著綠色混凝土工程材料的推進和發(fā)展，超高強高性能混凝土在改善環(huán)境、提高經濟效益、增加新的增長點、解決工程中的疑難問題等方面引起了專家們的極大關注。

HPC 是由日本土木工程師協(xié)會混凝土專業(yè)委員會主席、東京大學土木工程系岡村甫(Okamura) 教授及其助手新近研制的一種全新的特殊混凝土。這項研究工作大約始于1988 年。在我國[3 ] ，1988 年高強混凝土開始發(fā)展，1990 年提出了HPC。近年來，HPC 的使用越來越多，特別是混凝土的強度越來越高，使用C60 及其以上(即高強) HPC 的工程與日俱增?？梢灶A見，不久的將來，C100 及其以上(習慣上稱之為超高強) HPC 也會從目前的試驗性嘗試應用擴展到正式推廣應用。HPC 技術以及高強、超高強高性能混凝土技術，是目前混凝土技術的核心和重要發(fā)展方向。因此，迫切需要我們更進一步的探索與研究，并將之應用于實踐當中。

1 　研究與開發(fā)超高強高性能混凝土的意義

隨著現代建筑物的高層化、大跨化、輕型化、地下化以及使用環(huán)境的嚴酷化，在建筑工程中所使用的混凝土的強度逐漸增高。目前，人們已在海洋深處建造大型的結構物，在遼闊的海面上建造巨大的工作平臺，在城市里建造垂直城市(超高層大廈) ，也正在建造跨越大江、深谷、海峽的大跨度橋梁，穿越海峽的海底隧道，現代化的高速火車棧橋，以及各種大型的地下建筑物及井巷工程等，所有這些新奇建筑和巨型工程都對混凝土的強度和耐久性提出了更高的要求。為了適應這種要求，進一步研究和開發(fā)超高強高性能混凝土(C100 以上) 具有重要的意義。與普通中低等級的混凝土相比，使用超高強高性能混凝土具有一定的優(yōu)越性。

2 　對超高強高性能混凝土的評價

2.1 　有效地減輕結構自重并大幅度地提高混凝土的耐久性

眾所周知，鋼筋混凝土的最大缺點是自重大，在一般建筑中，結構自重為有效荷載的8～10 倍。當混凝土強度、性能提高時，結構自重降低。國際預應力鋼筋混凝土協(xié)會前主席C·格維克教授與世界著名預應力混凝土專家美籍華人林同炎教授曾預言， 80 %～90 %的鋼結構工程可用預應力鋼筋混凝土結構，應與鋼結構一樣輕，因為這時兩者的比強度(即強度與重量的比值) 大致相等。同時，由于超高強高性能混凝土內部結構的改善和膠凝物質組成的優(yōu)化，其耐久性將極大地改善，其收縮大大減少，抗?jié)B標號達40 號以上，實際上不滲水，超高強高性能混凝土不碳化，抗凍性將達1000 次凍融循環(huán)以上，建筑物的使用期限將達數世紀，從而使混凝土的耐久性有了明顯的提高。

2.2 　材料用量及建筑成本將大量減少，生產、運輸和施工能耗將大量降低

超高強混凝土是新的用于大規(guī)模建筑的材料，它的價格比普通混凝土貴。但在很多結構中，采用超高強混凝土的經濟效益大于其本身成本的提高。屈志中[4]介紹，根據美國的研究，在受壓構件中，當混凝土的強度為40 MPa 時承受荷載10 KN 需耗用1.1 美元；當強度為52 MPa 時需耗用0.45 美元；而當強度為62 MPa 時則更為經濟了。在美國，從35 MPa 算起，混凝土強度每提高10 MPa ，每1 m3 混凝土拌合物的價格大約提高20 美元，即強度100 MPa 的混凝土確定為200 美元，相應140 MPa 的混凝土為280 美元。在采用超高強混凝土的條件下經濟效果為:即使混凝土本身比低強度混凝土貴，但其差價可用減少構件的斷面尺寸所補償。超高強混凝土的建筑技術性能優(yōu)點決定了最好是把它用于高層建筑的柱。根據前蘇聯的研究(取決于鋼筋混凝土的應力狀態(tài)) ，當使用C110～ C137 的混凝土代替C40～C60的混凝土時，可節(jié)約水泥30 %～70 %、鋼材15 %～25 %。由于復合高強混凝土具有明顯的技術經濟效益，因而其應用在逐步擴大。在各類建筑結構中，超高強混凝土廣泛地應用于高層建筑、電視塔、橋梁、原子能反應堆的罩和外殼、開采石油和天然氣的海上采油平臺中的事實，證明了它獨特的建筑技術效果。在發(fā)達國家，出現了專門生產高強和超高強混凝土的建筑企業(yè)，并與生產建筑鋼材的公司形成競爭局面，這充分顯示高強和超高強混凝土的優(yōu)越性。

3 　高強高性能混凝土的研究應用現狀

高強化是混凝土技術發(fā)展的必由之路，各國對于混凝土高強化的理論研究和實踐正在進行。高性能混凝土伴隨著高強混凝土而問世，且各國對高性能混凝土的要求不完全一樣。根據目前國際上對混凝土的研究與使用情況及各國多數學者的習慣，在我國，蒲心誠教授認為[5 ]把C10～C50 強度等級的混凝土稱為普通強度混凝土，C60～C90 強度等級的混凝土稱為高強混凝土，C100 及C100 以上的混凝土稱為超高強混凝土。本文所論述的超高強高性能混凝土即是指強度等級≥C100 且有很好的耐久性能的混凝土。

高強度混凝除全面地改善混凝土的質量外，主要應減少其收縮、徐變，提高其抗?jié)B性、抗凍性、抗蝕性等。一般來說，高性能混凝土也有普通強度等級的，但對超高強混凝土而言，兩者是一致的。超高強混凝土同時也是高性能混凝土，為了更直觀、更全面，我們稱這樣的混凝土為超高強高性能混凝土(Supper strength High Performance Concrete 以下簡稱SHPC) 。近年來，人們探索與研究這一性能更好、強度更高、經濟效益更優(yōu)的混凝土的熱忱正在升起。我國對抗壓強度為100 MPa 以上的SHPC 研究較少。重慶大學蒲心誠教授曾用堿礦渣混凝土技術制成了28 d 抗壓強度為100 MPa ，110 MPa ，120 MPa 的SHPC ，一年后強度增至11213 Mpa～13212 Mpa ，這是當時我國超高強混凝土的最高強度記錄[7 ] 。90 年代，美國、加拿大、日本、挪威、前蘇聯各國、德國、澳大利亞等，成為應用SHPC 最多的國家，在我國幾乎沒有應用。美國的芝加哥、西雅圖、紐約、休斯敦，加拿大的多倫多，德國的法蘭克福等均有多幢SHPC 建筑；日本不僅應用SHPC 建造高層住宅，而且用其制造預應力混凝土橋梁、預應力混凝土樁、桁架、管、電桿等。目前應用SHPC 最好的國家是挪威，其已有C105 級超高強混凝土結構設計規(guī)范，此為目前世界上強度等級第二高的混凝土結構設計規(guī)范(德國現行的混凝土結構設計規(guī)范已達C110 級，強度等級為當今世界之最) 。挪威已在建造北海油田的鉆井平臺中使用SHPC ，并將SHPC 廣泛用于道路工程，明顯提高了混凝土路面的耐磨性，適應了挪威嚴寒地區(qū)汽車帶釘輪胎對路面的強磨蝕作用。這種路面，用普通混凝土，其壽命短得難以接受[6 ，8 ] 。超高強混凝土在工程實踐中已經得到了應用，有代表性的為:法蘭克福BFG行政大樓建造并應用了B115 的SHPC[9 ] ；挪威在使用高強混凝土和超高強混凝土方面更是走在世界前列，他們在北海油田的海上鉆井平臺上，曾進行了立方體抗壓強度超過100 MPa 的超高強混凝土施工，并于1989 年就制訂和實施了抗壓強度高達105 MPa 的SHPC 結構設計標準[10 ] ；英國帝國公司與牛津大學合作研制成功的無宏觀缺陷(MDF) 水泥，其抗壓強度達300 MPa ，抗折強度達50 Mpa～200 MPa 。近幾年來，國際上又出現了活性粉末混凝土，其抗壓強度已達800 MPa[11 ] 。

4 　超高強高性能混凝土(SHPC) 的主要性能

盡管人們已積極從事SHPC 的研究開發(fā)工作，但是，與普通混凝土和高強度混凝土相比，這種研究還是初步性的，遠不及對普通強度混凝土研究的廣泛和深入，所積累的資料也還不多，有待進一步地探索和研究。

4.1 　超高強混凝土的收縮

混凝土在使用過程中出現的體積收縮，容易引起混凝土開裂。超高強混凝土配合比設計的主要技術途徑是采用低水灰比，高水泥用量，高標號水泥，摻入超細礦粉及高效減水劑等。因此，超高強混凝土的收縮由澆注初期塑性收縮，發(fā)生于混凝土內部的化學收縮、自干縮、干縮、碳化收縮和溫度收縮等六部分組成。國內外一些學者對高強、超高強混凝土的收縮進行了研究。嚴吳南、蒲心誠認為[12 ] ，超高強混凝土長期干縮并不比普通混凝土大；李家和等認為[13 ] ，高強混凝土早期收縮大于普通混凝土，長期收縮小于普通混凝土；覃維祖等認為[14 ] ，高強混凝土水膠比低，內部結構密實，因此早期產生很大的自收縮；ArshedA1khan 認為[15 ] ，早于24 小時脫模的高強混凝土的收縮應變和熱應變比普通混凝土大得多，且總應變的穩(wěn)定較普通混凝土慢； E1J1sellevold 認為[16 ] ，高強混凝土的自生收縮導致自干燥，在密封情況下，隨水化的進行，混凝土內部相對濕度下降，即使在水中養(yǎng)護，也很難達到水飽和狀態(tài)，且相對濕度的下降主要受水膠比的影響，是導致高強混凝土可能開裂的主要原因?？偟恼f來，高強、超高強混凝土的收縮具有其自身的特點。在我國，研究高強混凝土的收縮及其補償的較多，而對超高強混凝土的收縮及其補償的研究尚不多見。要補償混凝土的收縮，常用的方法是摻入膨脹劑。在我國，常用膨脹劑為UEA。

4.2 　超高強高性能混凝土( SHPC) 的耐久性

已有的研究表明[5 ] ，超高強混凝土具有優(yōu)異的耐久性。超高強混凝土的抗凍性在1000 次凍融循環(huán)以上。用濃度100 %的CO2 氣在0.4 Mpa 壓力下對超高強混凝土碳化40 小時，其碳化深度為0 ，而同條件下的普通混凝土的碳化深度為715 mm。文獻[17 ]的試驗也證實，水膠比為0.2～0.3 的超高強混凝土人工碳化一年，其碳化深度為0。超高強混凝土抗?jié)B標號達40 時，其滲水高度可以認為是0。因此，可以認為，超高強混凝土不滲水、不透氣、水分及有害離子都不可能進入混凝土的內部，其耐久性必然提高。

5 　研制超高強混凝土的技術途徑及活性摻料對其產生的作用

SHPC 由于其強度極高，耐久性優(yōu)異，能滿足超高層、超大跨、超重載工程建設對材料性能的要求，在未來必定得到相應的應用。因此，100 Mpa～150 MPaSHPC 正成為世界各國的研究熱點。目前，研制SHPC的基本技術途徑是硅酸鹽水泥+ 高效減水劑+ 活性礦物摻料。但是，活性礦物摻料對混凝土強度的貢獻到底有多大，至今，只有一些概念性的認識，并無定量的分析，因此，也就不能了解混凝土的強度構成。有鑒于此，本文作者曾用比強度指標對活性礦物摻料的火山灰效應的強度貢獻率進行了分析[18～20 ] 。

6 　超高強高性能混凝土的研究趨勢

SHPC 目前還處于嘗試階段，還存在著一些問題有待于我們來解決。例如:脆性問題、體積穩(wěn)定性問題等。還有，究竟應該在SHPC 中摻加何種礦物摻合料以及如何摻入才能使配置的混凝土既經濟，又能達到超高強；同時，還能使混凝土的耐久性得到顯著提高。為此，迫切希望從事混凝土的研究人員能夠致力于研究和開發(fā)強度更高、性能更好的SHPC 的方向努力發(fā)展。

6.1 　超高強高性能混凝土存在的問題

6.1.1 　脆性問題

隨著混凝土強度的進一步提高，脆性亦相應增加，這是SHPC 實際存在的問題。因此，一些研究者認為，由于SHPC 脆性增加，應用這種材料的可靠性令人擔心。但是筆者認為，既然一百年來，人們從未因擔心混凝土的脆性而拒絕使用鋼筋混凝土作結構材料，那么，人們又有什么理由拒絕使用配筋超高強混凝土作結構材料呢? 只要人們注意到了這一問題，在應用的時候，可以揚長避短[21 ] 。所在實驗室用鋼管與SHPC 復合產生的鋼管超高強混凝土，不僅象鋼筋混凝土一樣克服了混凝土的脆性，而且使鋼材與混凝土相互補充，相互加強，達到更加完美的組合，在更大程度上具有了延性，其性能之優(yōu)越，是鋼筋混凝土無可比擬的。SHPC 在鋼管約束或三維配筋后應用，其脆性應該能得到有效的控制[22 ] 。

6.1.2 　體積穩(wěn)定性問題

當SHPC 的單方水泥用量比普通混凝土高時，有可能導致最終收縮增大。因此在選好材料的基礎上需采用合理的配比與工藝以獲得體積穩(wěn)定的SH2 PC。嚴吳南等[23 ] 所在科研組制備的SHPC ，其180 天干縮值就小于500 ×106 ，只是其化學收縮(自縮) 在干縮中所占的份額由普通混凝土的10 %～20 % 上升到50 %～60 % ，而普通混凝土的干縮值為200 ×10－6～1000 ×10－6 ，說明SHPC 的最終收縮可以控制在一個較低的范圍內(與普通混凝土相當) ，能滿足體積穩(wěn)定性的要求。

7 　解決方案構想

筆者認為，要想解決SHPC 的脆性問題，能否用更為經濟的纖維材料復合摻入SHPC 當中，替代鋼材來解決SHPC 的脆性問題，是目前值得我們研究的熱點。不過期望這些研究能成為一激發(fā)劑，激發(fā)起我國廣大材料、結構、施工領域的科技工作者和企業(yè)家對SHPC 的研究與開發(fā)熱忱，并期望能引起各級科技領導部門的關注，以使我國的混凝土科技水平得以迅速提高，并適應我國大規(guī)?；A設施建設的需要。

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