混凝土高性能研究與發展現狀

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摘要：闡述了高性能混凝土產生的背景和國內外學者對高性能混凝土的認識與定義，并詳細介紹了高性能混凝土的國內外的研究與發展現狀，同時，還針對高性能混凝土研究與發展中的一些問題進行了探討。

關鍵詞：高性能混凝土；定義；耐久性；存在問題

高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，HPC)是20世紀80年代末90年代初，一些發達國家基于混凝土結構耐久性設計提出的一種全新概念的混凝土，它以耐久性為首要設計指標，這種混凝土有可能為基礎設施工程提供100年以上的使用壽命。區別于傳統混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性等許多優良特性，被認為是目前全世界性能最為全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特別是在橋梁、高層建筑、海港建筑等工程中顯示出其獨特的優越性，在工程安全使用期、經濟合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益，因此被各國學者所接受，被認為是今后混凝土技術的發展方向。

1高性能混凝土產生的背景

傳統的混凝土雖然已有近200年的歷史，也經歷了幾次大的飛躍，但今天卻面臨著前所未有的嚴峻挑戰：

(1)隨著現代科學技術和生產的發展，各種超長、超高、超大型混凝土構筑物，以及在嚴酷環境下使用的重大混凝土結構，如高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應堆、有毒有害廢物處置工程等的建造需要在不斷增加。這些混凝土工程施工難度大，使用環境惡劣、維修困難，因此要求混凝土不但施工性能要好，盡量在澆筑時不產生缺陷，

更要耐久性好，使用壽命長。

(2)進入20世紀70年代以來，不少工業發達國家正面臨一些鋼筋混凝土結構，特別是早年修建的橋梁等基礎設施老化問題，需要投入巨資進行維修或更新。1987年美國國家材料咨詢局的一份政府報告指出：在美國當時的57．5萬座橋梁中，大約有25．3萬座處于不同程度的破壞狀態，有的使用期不到20年，而且受損的橋梁每年還增加3．5萬座。1991年在提交美國國會的報告“國家公路和橋梁現狀”中指出，為修復或更換現存有缺陷橋梁的費用需投資910億美元；如拖延修復進程，費用將增至1310億美元。美國現存的全部混凝土工程的價值約6萬億美元，每年用于維修的費用高達300億美元。

在加拿大，為修復劣化損壞的全部基礎設施工程估計要耗費5000億美元。在英國，調查統計了271個工程劣化破壞實例，其中碳化銹蝕占17％，環境氯鹽銹蝕占33％，內部氯鹽銹蝕占5％，混凝土凍蝕10％，混凝土磨蝕10％，混凝土堿—骨料反應破壞9％，硫酸鹽化學腐蝕4％，其他各種不常發生的腐蝕破壞7％。

我國結構工程中混凝土耐久性問題也非常嚴重。建設部于20世紀90年代組織了對國內混凝土結構的調查，發現大多數工業建筑及露天構筑物在使用25～30年后即需大修，處于有害介質中的建筑物使用壽命僅15～20年，民用建筑及公共建筑使用及維護條件較好，一般可維持50年。

相對于房屋建筑來說，處于露天環境下的橋梁耐久性與病害狀況更為嚴重。據2000年全國公路普查，到2000年底我國已有各式公路橋梁278809座，公路危橋9597座，每年實際需要維修費用38億元，而實際到位僅8億元。

港口、碼頭、閘門等工程因處于海洋環境，氯離子侵蝕引發鋼筋銹蝕，導致構件開裂、腐蝕情況最為嚴重。1980年交通部四航局等單位對華南地區18座碼頭調查的結果，有80％以上均發生嚴重或較嚴重的鋼筋銹蝕破壞，出現破壞的時間有的距建成僅5—10年。

(3)混凝土作為用量最大的人造材料，不能不考慮它的使用對生態環境的影響。傳統混凝土的原材料都來自天然資源。每用1t水泥，大概需要0．6t以上的潔凈水，2t砂、3t以上的石子；每生產1t硅酸鹽水泥約需1．5t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產?昆凝土所消耗的能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴重影響環境和天然景觀。有些大城市現已難以獲得質量合格的砂石。另一方面，由于混凝土過早劣化，如何處置費舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環境帶來威脅。

因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，必須更多地利用各種工業廢渣作為其原材料；必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強都意味著節約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產生的。

2高性能混凝土的定義與性能

對高性能混凝土的定義或含義，國際上迄今為止尚沒有一個統一的理解，各個國家不同人群有不同的理解。一般說來，高性能混凝土是指高強、高耐久性、高工作性。一些美國學者更強調高強度和尺寸穩定性(北美型)，歐洲學者更注重耐久性(歐，洲型)，而日本學者偏重于高工作性(日本型)，這可能由于日本更重視混凝土振搗工藝對工人聽力的不利作

用，而推廣不需振搗的自密實混凝土。在我國，對高性能混凝土的含義也有爭論，馮乃謙在其1996年出版的《高性能混凝土》著作中開宗明義地指出了：高性能混凝土必須是高強的，因為一般情況下高強對耐久性有利，同時他認為高性能混凝土發展的物質基礎是現在有了好的摻合料和減水劑，因此高性能混凝土必須摻摻合料。馮乃謙的這些觀點代表了當時我國大多數混凝土學者對高性能混凝土的認識。吳中偉針對當時科研界過度追求高強度的趨向，及

時提出“有人認為高強度必須高耐久性，這是不全面的，因為高強混凝土會帶來不利于耐久性的因素……”。高性能混凝土還應包括中等強度混凝土，如C30混凝土。吳中偉高度重視耐久性，并早在1986年就提出高強未必一定高耐久，低強也不一定就不耐久的觀點是非常有前瞻性的，而且今天他的這個觀點也是正確的。

1990年5月由美國國家標準與技術研究所(NIST)與美國?昆凝土協會(ACl)主辦了第一屆高性能混凝土的討論會，定義高性能混凝土為具有所需，陛能要求的勻質混凝土，必須采用嚴格的施工工藝，采用優質材料配制的，便于澆搗，不離析，力學性能穩定，早期強度高，具有韌性和體積穩定性等性能的耐久的混凝土。大多數承認單純高強不一定耐久，而提出高性能則希望既高強又耐久。可能是由于發現強調高強后的弊端，1998年美國ACI又發表了一個定義為：“高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質性要求的混凝土，如果采用傳統的原材料組分和一般的拌和、澆筑與養護方法，未必總能大量地生產出這種混凝土。”ACI對該定義所作的解釋是：“當混凝土的某些特性是為某一特定的用途和環境而制定時，這就是高性能混凝土。例如下面所舉的這些特性對某一用途來說可能是非常關鍵的：易于澆筑，振搗時不離析，早強，長期的力學性能，抗滲性，密實性，水化熱，韌性，體積穩定性，惡劣環境下的較長壽命。因為高性能混凝土的許多特性是相互聯系的，改變其中之一常會使其它的特性發生變化，當混凝土為某一用途生產而必須考慮若干特性時，則每一個特性都必須清楚地規定在合同文件中”。1998年ACI定義與1990年ACI、NIST定義的區別是：前者把早

強列入“特殊性能組合”可選性能之一，而不作為必要的規定而強調。

而歐洲混凝土學會和國際預應力混凝土協會則將高性能混凝土定義為水膠比低于0．40的混凝土小在日本，將高流態的自密實混凝土(即免振混凝土)稱為高性能混凝土，‘強度一般為40—45MPa，混凝土中除水泥外，還有礦渣粉、粉煤灰及膨脹劑。也有一些部門根據其專業的特點對高性能混凝土提出具體的要求，如1995年美國聯邦公路管理局(FHWA)

將高性能混凝土分成4級，每級在與強度和耐久性有關的8個參數上都規定了定量的指標。美國戰略公路研究計劃(SHRP)提出高性能混凝土用于公路工程應滿足：(1)水膠比≤0．35；(2)300次凍融循環，相對動彈模≥侶0％；(3)抗壓強度4h≥17．2MPa，或24≥34．5MPa，或28d≥68．9MPa。該定義偏重于早強，定義了一個特定的高性能混凝土，缺乏普遍適用性。用于橋梁尤其是大跨度橋梁的高性能混凝土應滿足：(1)水膠比≤0．40；(2)強度≥41．4MPa；(3)徐變率低。

我國著名的混凝土科學家吳中偉教授定義高性能混凝土為一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途要求，對下列性能有重點的予以保證；耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩定性以及經濟合理性。為此，高性能混凝土在配制上的特點是低水膠比，選用優質原材料，并除水泥、集料外，必須摻加足夠數量的礦物細摻料和高效外加劑。1997年3月吳中偉教授在高強高性能混凝土會議上又指出，高性能混凝土應更多地摻加以工業廢渣為主的摻合料，更多地節約水泥熟料，提出了綠色高性能混凝土(GHPC)的概念。

中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會將高性能混凝土定義為以耐久性和可持續發展為基本要求并適合工業化生產與施工的混凝土。與傳統的混凝土相比，這種高性能混凝土在配比上的特點是低用水量(水與膠凝材料總量之比低于0．4，或至多不超過0．45)，較低的水泥用量，并以化學外加劑和礦物摻合料作為水泥、水、砂、石之外的必需組分。這也是現代高強混凝土的配制途徑。實際上，正是現代高強混凝土技術的出現，為解決高性能混凝土的耐久性問題指明了出路。

結合我國的推廣應用高性能混凝土十幾年的情況，2003年廉慧珍教授專門撰文反思了對高性能混凝土的理解存在的若干誤區，造成對高性能混凝土使用的盲目和混亂，她對高性能混凝土的理解為，“高性能混凝土不是混凝土的一個品種，而是達到工程結構耐久性的質量要求和目標，是滿足不同工程要求的性能和具有勻質性的混凝土。高強不一定耐久，高流動性也不是任何工程都需要的，也不是只要有摻合料就能高性能；混凝土的質量不是實驗室配出來的，而是優選配合比的混凝土由生產、設計、施工和管理人員在結構中實現的，開裂的就不是高性能混凝土，除了特殊結構(如臨時性結構)外，沒有什么混凝土結構不需要耐久。針對不同工程的特點和需要，對混凝土結構進行滿足具體要求的性能和耐久性設計，比籠統強調高性能混凝土的名詞更要科學”。在這里，高性能混凝土強調的是混凝土的‘性能’或者質量、狀態、水平，或者說是一種質量目標，對不同的工程，高性能混凝土有不同的強調重點(即‘特殊性能組合’)。

3高性能混；ii土的研究開發現狀

針對混凝土的過早劣化，發達國家在20世紀80年代中期掀起了一個以改善混凝土材料耐久性為主要目標的“高性能混凝土”開發研究的高潮，并得到了各國政府的重視。1990年，加拿大政府提出了一個協作網研究計劃，專門用來資助對國家今后長遠發展有影響的科研項目，最終從158個提議的項目中評選出15項，屬于土木工程學科的僅占1項，這就是“高性能混凝土協作網”研究計劃，獲得了640萬加元資助進行為期4年的研究。到1994年在原有的15個協作網中有lo個繼續取得資助以進行下一個4年的研究，其中高性能混凝土的資助份額為550萬加元，可見其被重視的程度。法國在1986年由政府組織包括政府研究機構、大學、公司等23個單位開展了“混凝土的新途徑”研究項目，進行高性能混凝土的研究并造示范工程。這一項目已于1993年完成，建成的示范工程有Joigny城的1座3跨后張法預應力鋼筋混凝土橋，其混凝土強度等級相當于我國的C70，比原設計的C40減少混凝土量30％，減少自重24％；Civaux核電站2號反應堆預應力鋼筋混凝土安全殼等，高85m，直徑44m，混凝土強度等級C70，其水泥用量只有240kg／m’，有很高的氣密性；1996年法國政府公共部和教育與研究部又組織了為期4年的“高性能混凝土2000"的國家研究計劃，投入研究經費550萬美元。

1994年，美國聯邦政府16個機構聯合提出了一個在基礎設施工程建設中應用高性能混凝土的建議，計劃在10年內投資2億美元進行研究和開發。美國國家自然科學基金(NSF)、美國國家標準與技術研究所(NIST)、美國聯邦公路管理局(FHWA)以及一些州政府的運輸部和美國工程兵等機構，都一直投入大量經費，資助高強、高性能混凝土的研究，NSF以每年200萬美元的經費，定期資助以西北大學為首的水泥基復合材料聯合研究中心對高性能混凝土的研究。德國、瑞典、挪威等國家在發展高性能混凝土上也有很大投入，挪威是較早對高強高性能混凝土開展研究的國家之一，至今已建造了20多個混凝土海洋采油平臺，挪威皇家科技學院的科學與工業研究基金(SINTEF)持續資助高性能混凝土的研究。瑞典1991～1997年由政府和企業聯合出資5200萬克朗，實施高性能混凝土研究的國家計劃。日本則在發展自密實混凝土方面取得很大的成就，其初衷也是為了消除混凝土振搗中的缺陷和增加混凝土的密實性，以改善混凝土的耐久性為目標。

1999年美國NIST的建筑與防火研究實驗室(BFRI。)在國際互聯網上公布了一個“高性能混凝土技術的伙伴關系(PartnershipforHighPerfor—manceConcreteTechnology，縮寫為PHPCT)”，由工業界4個大企業和國家預拌混凝土協會、波特蘭水泥協會協作，承擔“商品高性能混凝土結構項目中計算機集成知識系統(CIKS)的開發”的國家重點研究計劃，包括7個專題：專題。為計算機集成知識系統的開發，HYPERCON；專題1為HPC的制備工藝過程；專題2為混凝土和混凝土材料的特征化；專題3為性能預測；專題4為高強度高性能混凝土在火中的結構性能；專題5為結構性能；專題6為HPC的經濟性。重點是性能檢驗和預測工具的開發和應用，這是優化可*的HPC產品和給出可由最有效的途徑得到的知識所必需的。專題1—6提供輸入專題0的要素。

從20世紀80年代開始，各國混凝土結構設計規范中逐漸突出了耐久性設計的考慮，從只重視強度設計向強度于耐久性并重。進入20世紀90年代以后，混凝土結構耐久性設計方法成為土木工程領域中的研究重點。針對不同環境類別的侵蝕作用，提出材料性能劣化的理論或經驗模式，并據此估算結構的使用壽命，成為發展和研究耐久性設計方法的主流。日本于1986年提出“考慮耐久性的建筑物設計、施工維護大綱”，在1989年制定了《混凝土結構耐久性設計準則(試行)》，把耐久性設計定義為：全面地考慮材料質量、施工工序和結構構造使結構在一定的環境中正常工作，在要求的期限內不需要維修。它采用了與結構設計相同的思路，要求構造各部位的耐久性指數大于或等于環境指數。歐洲混凝土委員會(CEB)1989年通報了“耐久性混凝土結構設計指南”，國際材料與結構試驗研究室聯合會(RILEM)的130—CSI。技術委員會1996年提出了《混凝土結構的耐久性設計》的報告，對基于材料劣化模型分析的混凝土結構耐久性設計方法作出了全面系統的論述。1995年歐共體資助了一項名為DuraCrete的研究項目，2000年出版了一份名為《混凝土結構耐久性設計指南》的技術文件。1998年歐共體又資助成立了為期3年的DuraNet工作網，全名為“支持、發展與應用以性能為基礎的混凝土結構耐久性設計與評估的工作網”，有歐洲的19個單位參與，旨在改善歐洲混凝土的耐久性設計、評估與維修水平。美國ACl201委員會1992年提出了“耐久性混凝土指南”，2000年又對該指南進行了修改。歐洲國際混凝土委員會編制的混凝土結構CEB—FIP模式規范(1990)，歐洲規范2暫行本(1992)以及美國AASH—TO{公路橋梁設計規范(1994)》都列有“耐久性”的條款。

自從20世紀90年代初清華大學向國內介紹高性能混凝土以來，高性能混凝土的研究與應用在我國得到了空前的重視。1993年國家自然科學基金會、建設部、鐵道部和國家建材局聯合資助了重點科研項目《高強與高性能混凝土材料的結構力學性態研究》，隨后許多省、市科委和建委也資助了高強、高性能混凝土方面的研究課題。1999年中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會(HSCC)編寫了《高強混凝土結構設計與施工技術規程》(中國工程建設協會標準CECS104：99)。我國“九五”重點科技攻關項目《重點工程混凝土安全性研究》，由中國建筑材料科學研究院牽頭，跨部門、跨行業地協作攻關，取得了許多重大成果。四航局主持制定的《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》(JTJ275—2000)中，規定用于海港工程的高性能混凝土，磨細礦渣的摻量可達到50％～80％，同時要求水膠比≤0．35，坍落度≥120mm，強度等級≥C45，這也是我國首個對高性能?昆凝土技術要求進行具體規定的規范。中國工程院土木水利與建筑學部于2000年提出了一個名為“工程結構安全性與耐久性研究”的咨詢項目，并編寫了《混凝土結構耐久性設計與施工指南》(中國土木工程學會標準CCES01—2004)。

4高性能混凝土發展中所面臨的問題

4．1能不能對高性能混凝土下一個完整的定義

自從美國提出高性能混凝土這一概念近10年來，如終沒有一個統一的或者標準的定義。目前，不同的學者和技術人員，從混凝土性能的不同方面，給出了關于高性能混凝土的不同描述，因此，很難給高性能混凝土一個全面、準確、完整的定義。

4．2高性能混凝土是否一定要高強

馮乃謙在其專著《高性能混凝土》中開宗明義的指出：“高性能混凝土必須是高強的，因為一般情況下高強對耐久性有利。”吳中偉針對當時科研界過度追求高強度的趨向，及時提出“有人認為高強度必然高耐久性，這是不全面的，因為高強混凝土會帶來不利于耐久性的因素……。高性能混凝土還應包括中等強度混凝土，如C30混凝土。”但黃士元認為把包括30MPa的普通強度而耐久性好的混凝土也歸人高性能混凝土范疇，則很難劃分普通混凝土與高性能混凝土的差別，也難于與國際混凝土界溝通。因此，如何界定高性能混凝土，是需要混凝土界人士進一步探討的問題。

4．3高性能混凝土是否一定要高工作性

高性能混凝土又被人們稱為3高混凝土，其中一高就是高工作性。但是不是只有高工作性才是高性能混凝土呢?誠然混凝土拌合物的流動性從10年前普遍的70～90mm發展到現在大量預拌混凝土的180—200mm，甚至已經有自密實的混凝土的澆筑，這也是混凝土技術的一種進步：減輕了振搗的勞動量，推動了預拌混凝土的發展，并大大減少了“蜂窩”、“狗洞”等質量事故，提高了混凝土的勻質性。但高的工作性一般是在提高混凝土漿體含量的情況下產生的，漿體含量的提高也就意味著混凝土開裂的可能性增加，同時，高的流動性也將使混凝土澆筑時容易振搗離析。因此，不能把流動性作為混凝土拌合物“高性能”的指標，而應當根據不同工程特點，注重拌合物的施工性能。坍落度的大小應服從于混凝土的勻質性和體積穩定性。

4，4高性能混凝土的開裂問題

高性能混凝土的出現，給土木工程界最直接的沖擊是對混凝土耐久性的重視有所加強了，粉煤灰、礦渣等摻合料的使用增多了，預拌混凝土更普遍了。目前上海、北京、沈陽已能供應C80以上商品預拌混凝土，實際上我國部分地區的混凝土企業目前已經具備了供應超高強商品混凝土的能力。但是，近年來在國內外卻發生較多“高性能混凝土”結構開裂，特別是早期開裂的問題。由于高性能混凝土一般具有高膠凝材料用量、低水膠比與摻人大量活性摻合料等配制特點，致使高性能混凝土的硬化特點與內部結構，同傳統的普通混凝土相比具有很大的差異，隨之帶來了它的早期體積穩定性差、容易開裂等問題。而混凝土的裂縫正是在使用階段環境侵蝕性介質侵入的通道，進而削弱其耐久性。高性能混凝土在國內外的應用實踐表明，早期開裂問題已成為制約其在工程中應用的重要因素。因此，改善高性能混凝土的抗裂性是高性能混凝土研究中急需解決的問題。