高性能混凝土的研究应用与展望

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摘要：本文对高性能混凝土新的认识及其在国内外的研究应用进行了阐述，最后对高性能混凝土的发展趋势作了展望。关键词：高性能混凝土；研究应用；发展趋势；绿色高性能混凝土1 前言 全世界每年混凝土用量达到90亿吨，规模之大、耗资之巨、应用之广，作为现代工程主要材料的地位依然不被撼动。混凝土用于工程结构至今已有150多年历史了，纵观混凝土技术的发展进程，其发展主要遵循复合化、高强化、高性能化三大技术路线 长期以来，人们过分注重于混凝土的力学性能，主要集中在提高混凝土的强度上，以搞压强度的比例关系来代表其性能的优劣，而对影响混凝土耐久性则重视不够，从而导致了许多工程结构的开裂，甚至崩塌。例如，1980年3月，北海Stavanger近海钻井平台Alexander Kjell号突然破坏；乌克兰境内的切尔诺贝利核电站的泄漏；日本的一些钢筋混凝土桥梁，投入不到20年因不能使用而被炸毁；辽宁盘锦辽河大桥的断毁，等等。此外，由于混凝土耐久性不高，致使混凝土工程的维修费急剧增大。1975年，美国预测全国公路混凝土桥梁修补费到1996年只需26亿美元。但到了1989年，美国公路混凝土桥梁维修费实际已达1550亿美元，加上房屋等的钢筋腐蚀损失，全部费用估计可达2580亿美元，是碑预测维修费60~70倍。1989年英国钢筋混凝土结构工程因腐蚀破坏而形成的年维修费已达5．5亿英镑，占英国建筑业年成效额的1．1% 。我国虽没有这一方面精确的统计数据，但因混凝土耐久性差增加的维修和重建费也是十分可观的。如何处长混凝土的使用寿命，发展高性能混凝土首当其冲。2 高性能混凝土新的认识 清华大学教授廉慧珍在《对“高性能混凝土”十年来推广应用的反思》中指出：就我国的情况来看，自从1992年吴中伟首次将高性能混凝土介绍到辆并发起高性能混凝土至今的十年里，由于对高性能混凝土的理解存在若干误区，造成”高性能混凝土”使用上的盲目混乱。大多数把”高性能混凝土“理解为”高强”、“高流动性”、“掺用矿物掺和料”等是不正确的。 我国已故的吴中伟院士在1996年提出：“有人认为混凝土高强度必然是高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来一些不利于耐久性的因素……。高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。”1999年又提出：单纯的高强度不一定具有高性能。如果强调高性能混凝土必须在C50以上，则必然大大限制高性能混凝土的应用范围。大量使用的钢筋混凝土建筑物如低层和多层房屋以及高层房屋的上层构件，又如海工、水工，尤其是在不利环境中的结构物大体积混凝土等，对强度要求并不高，但对耐久性要求却很高，而高性能混凝土恰能满足此要求 高性能混凝土不只是高强度的，而是包括各强度等级的。 在高性能混凝土应用技术规程中指出：高性能混凝土是保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并且具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。在配制设计中要求：单方混凝土用水量宜≤ 175kg／m3，胶凝材料总量宜为450kg／m3~600kg／m3 ，其中矿物微细粉用量宜≤ 胶凝材料总量的30% ，水胶比宜≤ 0．38，砂率宜为37%～44% ，高效减水剂掺量根据坍落度要求而定。并根据使用的要求进行抗碳化性能设计、抗冻耐久性设计、抗盐冻破坏的耐久性设计、抗CL-1扩散及渗透的设计、抗硫酸盐腐蚀性能设计等。 任何新事物的出现和发展都必须符合社会的发展和人们的需要，高性能混凝土也不例外。根据我国目前现状和对上述的理解，笔者认为，高性能混凝土是以耐久性作为基本要求的混凝土，对于强度的要求已经降低。就其应用意义来说，高性能混凝土的应用主要集中在达到所期望的高性能。高性能混凝土是根据不同的性能指标要求做相应发展的混凝土，如普通强度混凝土、高强度混凝土、高耐久性混凝土、高流动性混凝土、轻骨料混凝土和特种混凝土等等。高性能混凝土应该包括任何强度等级的混凝土，根据工程建筑的要求，混凝土可从强度等级上分为普通高性能混凝土、高强高性能混凝土和超高强高性能混凝土。3 高性能混凝土的研究开发现状和工程应用实例 高性能混凝土作为一种新的建筑材料，其耐久性为普通混凝土耐久性的两倍以上，可增加混凝土结构安全使用寿命，减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾；可大量利用工业副产品和废弃物，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染；收缩徐变小，适合建造高效预应力结构；高性能混凝土适用于高层、大跨、大体积、长跨桥梁、海底隧道、高速公路及严酷环境中使用的结构物，如核反应堆、海上结构和处于有腐蚀性介质环境的结构等的建筑和修补。其他用于特殊用途的智能高性能混凝土更有着其独特的、其他混凝土难以替代的优势。 正因为高性能混凝土具有以上诸多优越性能，自从产生以来，便大放异彩，世界各国对其研究和应用势头的发展十分迅猛。3．1 HPO在国外的研究应用现状 1986～1993，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等23个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并建立了示范工程。1996年，法国公共工程部、教育与研究部又组织了为期4年的国家研究项目“高性能混凝土2000”，投入研究经费550万美元。法国修建的3座高性能混凝土的斜拉桥一佩尔蒂大桥以及最近建设的埃洛恩河大桥和诺曼底大桥也都使用了高性能混凝土。 日本不仅应用超高强高性能混凝土住宅，而且用其制造预应力混凝土桥梁、预应力混凝土柱、桁架、管、电杆等。日本在80年代后期研制开发高性能混凝土时，尤其重视混凝土的施工性能，特别是高流动性，要求浇筑混凝土后不振或微振。日本采用免振自密实混凝土超过800000m3。日本自成型混凝土的发展是实现混凝土浇筑质量控制的重要一步。这种流动性混凝土远距离泵送而不离析的特性减轻了混凝土的运输、浇筑和成型过程的人工操作。如今日本已研制出使用寿命在500年以上的超高耐久性混凝土。 1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在10年内投资2亿美元进行研究和开发 各大州政府也致力于高性能混凝土的推广和应用。在纽约州已建成了100多座具有高性能混凝土桥面的桥梁。在华盛顿州，公路部门正在制定高性能混凝土梁的标准。 目前德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级，强度等级为当今世界之最。挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。丹麦的大贝尔特工程是一座大型的隧道与桥梁连接结构，规定的设计使用寿命为i00年。国外的这些抗议应用高性能混凝土的历程，对我们很有启发的参考价值。3．2 HPO在国内的研究应用状况 1992年，吴中伟首次将高性能混凝土介绍到国内。近年来，我国高性能混凝土的研究、应用发展较快。我国是生产和使用混凝土的大国，混凝土的质量在不断地提高，涉足高性能混凝土的研究和应用还是近10年的事。随着高性能混凝土的优越性不断地得到认可，混凝土应用技术的进步，城市建设速度的加快，高性能混凝土获得了迅速发展。 高性能混凝土在实际工程中获得了越来越广泛的应用，尤其是在高层建筑、大跨度桥梁、海上采油平台、矿井工程、海港码头等工程中的应用日益增多。例如：上海金茂大厦、北京静安中心大厦、辽宁物产大厦、南京希尔顿国际大酒店、长春国际商贸城、广州虎门大桥、上海杨浦大桥等都是应用的典范。 全国很多研究单位已经研制出普通泵送高性能混凝土、大掺量粉煤灰高性能混凝土、高流态自密实高性能混凝土、纤维增加高性能混凝土、轻骨料高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土港工与海工高性能混凝土、高抛纤维高性能混凝土等等，研制出C30-C80的各种强度等级的高性能混凝土和完备的混凝土耐久性检测设备，以及掌握了配套的施工成套技术和各种混凝土耐久性检测技术等。其中具有优异耐久性的C30高性能混凝土即将在地质条件复杂的深圳地铁工程中大规模使用。 据《山西日报》报道，一种掺人大量粉煤灰的“高流态混凝土简捷控调工艺”日前由山西大学吴世勇高级工程师主持研制成功，并通过了专家鉴定。“高流态混凝土简捷调控工艺”在不改变常规施工工艺的情况下，在高层框架结构中进行了坍落度大于220mm 的高流态混凝土施工，具有良好的流动性、高分离性、间隙通过性和填充性。由于该工艺在混凝土中大量掺合了粉煤灰，减少了污染。同时施工时无噪音，不扰民，环境效益好，而被称作“绿色高性能混凝土工艺”。 最近，又有上海攻克高性能混凝土“寿命”可达100年的报道，这种混凝土已用于东海大桥。广州省科技厅主持召开的一项新成果“抗盐污染高性能配制成套技术研究”，经过专家多方面的科学论证，通过鉴定。此外，在高性能混凝土技术规程中混凝土强度等级已到C100。3．3 目前我国HPO研究和应用存在的问题 一方面是对性能的研究：自干燥引起的自收缩；脆性；矿物微细粉的科学分类和品质标准及其与混凝土外加剂之间的相容性；高性能混凝土多组分复合材料的复合化超叠加效应；高强高性能混凝土的韧性。此外，现行规范在实验室制作的小试件，以撞化的条件和强制的过程进行的”耐久性”试验结果又同该混凝土在实际结构中的表现不一致。 另一方面是工程应用。若仅将HPC用于大跨度桥梁、高层建筑的下层柱及某些要求高强度、高性能的构件与部位，不仅大大限制了HPC的扩大使用，而且其诸多优势性能，尤其是现在所大为提倡的绿色优势的发挥亦是相当有限的，这于国家要大力发展和推广“节能与绿色建筑”更是不相符。4 高性能混凝土的发展趋势4．1 提高HPO的认识，完善规范建立法规，加大工程应用。加快发展 HPC的发展，不过十几年的时间，习惯了普通混凝土的人们对它的认识还不够，阻碍了HPC广泛应用。高强高性能混凝土已基本被接受，而中低强度高性能混凝土还没得到工程人员的普遍认可，这就为中低强调高性能混凝土的普及带来很大障碍。主要原因是对造价和性能的认识不到位 在文献 指出中低强度混凝土有很好的经济效益，同时也会有很好的社会效益。同时，人们应该认识到“优质工程必须要高性能”。混凝土在整个工程费用中占的比重本来很小，考虑到工程质量，施工方便，耐久性等，HPC即便略增加一些成本，还是值得的，要算大帐，要综合考虑HPC带来的经济、社会效益。 为适应我国“节能和绿色建筑”的发展，国家应完善规范，制定相应强制性的法规来大力推广HPC的应用。4．2 加大对HPO各性能的研究 对HPC高工作性的不断追求 。良好的工作性可以加快施工速度，改善劳动强度，并有利于环保。高性能混凝土应走向全盘机械化、自动化及管理现代化。 提高混凝土结构工程的耐久性设计。建筑业消耗世界资源近40 %，如将建筑物的寿命延长一倍，资源能源消耗和环境污染就要减轻一半。延长混凝土的使用年限，提高混凝土的耐久性，减少混凝土结构修补，减少水泥混凝土需要量，将会提高资源和能源的利用率，减少经济费用，避免经济损失，节约资源和能源，减轻生态环境负荷，符合可持续发展战略。 向超高性能混凝土发展。目前已出现超高性能混凝土，较成功的有活性细粒混凝土、注浆纤维混凝土与亚密配筋复合材料 其特点是高强度、高密实性，以大量纤维增强来克服混凝土材料的脆性，利用假韧性防止混凝土的突然断裂。其造价比HPC高的多，一般可首选用在一些特殊工程如军事工程、核电站等中。加拿大已将活性混凝土用于一座桥梁，法国正准备在一个核废料罐中研究应用UHPC。随着科技的进步，今后还将有更多UPHC结构工程问世。4．3 HPC向绿色高性能混凝土的发展 在绿色环保日益深入人心的今天，混凝土能否长期作为最主要的工程结构材料，关键在于能否成为绿色建筑材料，于是GHPC便将承担历史的责任。GHPC能更多的节约水泥熟料，更有效地减少环境污染，同时也能大量降低料耗与能耗；能更多的掺加以工业废渣为主的细掺料，节代熟料，改善环境，减少二次污染；能更大地发挥高性能混凝土的优势，尽量减少水泥与混凝土的用量，达到节省资源、能源与改善环境的目的。 粉煤灰是火电厂的燃烧废渣，我国每年的排放量在1．4亿吨以上。粉煤灰具有火山灰活性，它掺到混凝土中，能降低初期水化热，减少干缩，改善新拌混凝土的和易性，增加混凝土的后期强度，显著提高混凝土的耐久性。充分利用粉煤灰作为掺和料发展高性能混凝土，可节约资源和能源，减少二次污染，取得良好的经济和社会效益，是对实现我国可持续发展战略的巨大贡献。5 结语 正如中国工程院院士陈肇元教授所述：HPC是混凝土技术进步的产物，它的生产需要有素质的操作人员，较完善的生产设备和高水平的质量管理控制。推广应用HPC，我们应不断总结经验，对推广应用中发现的问题，不断地进行研究并尽快给予解决。笔者相信，随着HPC技术的发展和应用量的不断增大，我国建筑业的整体业的整体水平将得到很大的提高。

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