高性能混凝土的特性及应用
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高性能混凝土的特性及应用
【摘要】高性能混凝土具有高强性、高工作性、高耐久性等优良特性，是近期混凝土技术发展的主要方向，至今已在不少重要工程中被采用，本文主要介绍了高性能混凝土的特性以及其应用情况。
【关键词】高性能混凝土，特性，应用 引言
随着土木工程的发展，在修建大跨度桥梁、高层及超高层建筑、高速铁路、地下结构、大型堤坝等混凝土结构物时，由于其所处环境和受力特点，普通混凝土的强度、工作性、耐久性等都无法满足工程的需要，而且混凝土老化、受环境侵蚀问题严重，大量使用混凝土带来的环境问题也非常突出。因此，高性能混凝土日益受到业内人士的重视，20世纪90年代前半期是我国高性能混凝土发展的初期，经过10余年的发展，在国内外多种观点逐步交流融合后，目前对高性能混凝的认识也更加清晰，高性能混凝土在工程上的优越性也更加突出，成为了应用领域的一个热点，对高性能混凝土的研究也在逐步深入。
1 高性能混凝土的概念
高性能混凝土（High Performance Concrete）是高强度、高工作性、高耐久性的混凝土，目前对高性能混凝土的定义各国没有统一的标准。ACI关于HPC的定义为：易于浇筑捣实但不影响强度；长期力学性能好；早期强度高；韧性好；体积稳定性好；在恶劣环境中长期强度好。吴中伟院士提出：“如果现在将HPC规定在50-60MPa以上，则用途很受限制，大大妨碍HPC的推广应用；更重要的是窒息了HPC向绿色HPC的发展，不能改变水泥混凝土愈来愈沦为不可持续发展的材料的可怕前景。”我国工程建设标准《高性能混凝土应用技术规程》（CECS 207:2006）的相关规定为:高性能混凝土是采用常规材料和工艺生产的能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。该标准强调的重点是耐久性，其规定根据混凝土结构所处环境条件，高性能混凝土应满足下列的一种或几种技术要求：
1、水胶比0.38;
2、56天龄期的6小时总导电量 3、300次冻融循环后相对动弹性模量>80%;
4、胶凝材料抗硫酸盐腐蚀试验试件15周膨胀率
5、混凝土中可溶性碱的总含量
由上可见，对高性能混凝土的标准要求还是比较高的，目前对HPC的研究还是比较浅的，吴中伟院士的话值得我们深思，HPC不仅仅知识强度上有要求，发展研究绿色HPC是以后研究的方向，也是社会的需要。
2 高性能混凝土的特性
2．1高性能混凝土的组成和结构
2．1．1高性能混凝土的组成和配合比热点
高性能混凝土在组成和配合比上有以下特点：
1、使用矿物掺合料，HPC一般都含有矿物掺合料和料硅粉、粉煤灰或磨细矿渣，可大大提高强度和耐久性。
2、低水胶比，只有水胶比很低，混凝土的孔隙率或渗透性才可能低，因此低水胶比是保证混凝土高耐久性与高强度的前提，实际应用的有HPC水胶比常常介于0.25-0.40之间。
3、最大骨料粒径小，高性能混凝土骨料的最大粒径宜在10-20mm。有两个原因，其一：最大粒径较小，则骨料与水泥浆界面应力差较小，一位应力差可能引起裂缝；其二：较小骨料颗粒强度比大颗粒强度高，因为岩石破碎时消除了内部裂隙。
4、高效减水剂与水泥的相容性好。低水胶比和含有硅粉的高性能混凝土除必须使用高效减水剂以外，高效减水剂和水泥之间的相容性还必须好，这样保证混凝土拌合物有良好的工作性。 2．1．2高性能混凝土结构特点
高性能混凝土的水泥石微结构，按照中心质假说，属于次中心质的未水化水泥颗粒（H颗粒）、属于次介质的水泥凝胶（L粒子）和属于负中心质的毛细孔组成水泥石。从强度的角度看孔隙率一定时，H/L粒子比值越大，水泥石强度越高；但有个最佳值，超过后随其强度而下降。在一定范围内，H/L最佳值随孔隙率下降而提高。在水胶比很低的高性能混凝土中，水泥石的孔隙率很低，在一定的H/L粒子比值下，强度随孔隙率的减少而提高。因此，尽管水泥的水化程度很低，水泥石中保留了很大的H/L粒子比值，但与很低的孔隙率和良好的孔结构相配合，可获得高强度。
高性能混凝土的界面特点主要是由低水胶比和掺入外加剂与矿物细粉带来的。由于低水胶比提高了水泥石的强度和弹性模量，使水泥石和集料弹性模量的差距变小，因而使界面处水膜层厚度减少，晶体生长的自由空间减少；掺入的活性矿物细粉与Ca（OH）会增加C-S-H和AF生成数量，减少Ca（OH）2反应后，2含量，并且干扰水化物的结晶，因此水化物结晶颗粒尺寸变小，富集程度和取向程度下降，硬化后的界面孔隙率也下降。
2．2 高性能混凝土的技术特性
1、高强性
高强混凝土严格来说并不一定是高性能混凝土，但高强也是高性能混凝土的一个重要方面，HPC的骨料与水泥基材料界面有明显不同，薄弱的界面得到强化；且HPC所用的高效减水剂与水泥的分散力强、减水率更高，甚至进行减水剂二次添加，可以大幅度降低单位混凝土的用水量，当HPC水化程度提高后，凝胶数量增多，强度、密实性继续提高；HPC中还掺加了矿物细粉，可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善混凝土的界面结构，提高密实度，使HPC大幅度提高强度。
2、高工作性
坍落度是评价工作性的主要指标，高性能混凝土通过掺入高效减水剂等外加剂，使HPC具有良好的流变学性能，高流动性、易泵性和填充型，在振捣过程中，HPC粘性大、粗骨料的下沉速度慢，在相同的振捣时间内下沉距离短、稳定性和均匀性好，且基本上无泌水，水泥浆的粘性大，基本无离析现象发生。由此HPC在正常施工条件下能够保证混凝土结构的密实性和均匀性，对于某些结构的特殊部位（如梁柱接头等钢筋密集处）还可采用自流密实成型混凝土，从而保证该部位的密实性，这样就可以减轻施工劳动程度，节约施工能耗。
3、高耐久性
由于HPC中高效减水剂，其水胶比很低，使HPC单位体积用水量小、大幅减少混凝土内部空隙；再者HPC中掺加矿物质超细粉后，混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低，而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的空结构，使其孔含量得到明显减少，这也能使得混凝土的早期抗裂性能得到很大的提高。这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱-集料反映、抗硫酸盐腐蚀，以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都得到有效的提高。HPC的高耐久性能使得浇筑的结构安全，这样可以增加对恶劣环境的抵御能力，延长建筑物的使用寿命，减少维修费用及对环境带来的影响，具有显著的社会和经济效益。
4、其他
高性能混凝土除了以上特性之外，由于缓凝剂及膨胀剂等外加剂的掺入，还具有较高的韧性、良好体积稳定性和长期的力学性能稳定性。HPC的高韧性要求其能较好抵抗地震荷载、疲劳荷载及冲击荷载的能力，高性能混凝土的韧性可通过在混凝土掺加引气剂或采用高性能纤维混凝土等措施得到提高。高性能混凝土的体积稳定性表现在其优良的抗初期开裂性，低的温度变形、低徐变及低的自收缩变形。高性能混凝土长期的力学稳定性要求其在长期的荷载作用及恶劣环境侵蚀下能够保持其强度。
2．3 绿色混凝土
高性能混凝土是一种绿色混凝土，更多的掺加工业废料为主的细掺合料；更多的节约熟料水泥，降低能耗与环境污染；更大的发挥混凝土的高性能优势，减少水泥与混凝土的用量。可持续发展也是当今世界的主题，由此需要继续的研究，使得高性能混凝土更加绿色环保。
3 高性能混凝土的应用
高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向，由于其具有综合的优异技术特性，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，引起了国内外材料界与工程界的广泛重视和关注，耐久性、养护的难易程度以及建设的经济性已成为工程建筑的目标。
3．1高性能混凝土在桥梁建设中的应用
HPC广泛用于很多离岸结构物和长大跨桥梁的建造，包括长大跨桥梁所用的拌合物。它们只要用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥。推广HPC在桥梁中的应用，延长桥梁的使用年限和获得更好的经济效益。当前国内应用较好的如上海东海大桥用的混凝土，设计寿命100年，使用的“高性能海工混凝土”是粉煤灰、矿粉等废料化腐朽为神奇，成为特殊的掺合材料，使海工混凝土既有高强度、耐久性、抗腐蚀性等特性，又易于施工，直接节约材料成本2000万元。不仅效果稳定，还能提前感知混凝土的过度疲劳。HPC在桥梁工程中应用的优点是：跨径更长；主梁间距更大；构件更薄；耐久性增强；力学性能加强。
3．2高性能混凝土在公路上的应用
HPC具有高施工性、高体积稳定性、高耐久性及足够的力学强度，为此它能相对长时间承受随冲刷、磨耗、冰冻、水的渗入、侵蚀等恶劣环境，HPC在公路应用中，其耐久性优点极为突出，一方面它可以提高路基施工质量，确保路基不下沉；另一方面需解决公路混凝土强度等级低，水泥用量少，从而形成了水泥用量少与耐久性要求之间的矛盾。
公路高性能混凝土应根据公路混凝土的特点，结合HPC的有点，综合考虑其各方面的性能要求来进行开发研究。现公路混凝土的技术途径：应以掺加复合高效外加剂。经处理的优质矿物掺合料来改善混凝土内部的孔结构、孔分布等提高混您图的力学、耐久性、耐磨性等一系列性能。
3．3高性能混凝土在建筑工程中的应用
高性能混凝土（>40MPa）首先用于30层以上高层建筑物的钢筋混凝土结构，因为这种建筑物三分之一的柱子，在用普通混凝土时断面很大。除节省材料费用外，与钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点。
应用实例：HPC应用C80高强与高性能混凝土在沈阳方园大厦、大西电业园等多项高层建筑钢管混凝土柱中应用。88层金茂大厦的C40一次泵送到382.5m；明天广场矿渣微粉C80泵送混凝土；在上海教育电视台综合楼大体积基础混凝土，水泥用量只占胶凝材料总量的46%，配置的混凝土浆量饱满，混凝土工作性、黏聚性和抗离析性能都十分优异。
3．4高性能混凝土在高铁中的应用 高速铁路的核心技术是高速度，它对轨道结构提出高平顺性和高稳定性的要求，包括有砟轨道和无砟轨道，无砟轨道是高速铁路工程技术的发展方向。无砟轨道结构形式总体设计方案分为两类，即：预制板式无砟轨道和现浇混凝土式无砟轨道。目前我们建设了自己的无砟轨道技术体系，CRTS I型、CRTS II型、双块式等。
京沪高铁采用预应力混凝土箱梁C50高性能混凝土，以下是其主要技术要求。在原材料的选择和配合比的设计上都进行了严格的控制，并且施工过程中也严格管理。
结语
高性能混凝土由于其优良的性质，近年来倍受关注，这不仅是一种技术性能很好的混凝土，而且是一种绿色混凝土，是可持续发展的，但是目前对于HPC的研究还是很欠缺的，现场的施工技术、水泥的质量等都在一定程度上限制了HPC的广泛应用，并且养护上也还存在很大的问题。由此，我们需要进一步的研究高性能混凝土，并且掌握相关的技术，这样才可以利用好高性能混凝土。
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