高性能混凝土的概念及发展前景

一、基本概念
（一）出现背景
    当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高要求；
    处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重恶果；
    原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。
    这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能，多使用天然材料及工业废渣保护环境，走可持续发展的道路，高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。现在全球砼消费量88亿吨/年，约1.5吨/人，其中我国24亿吨/年，房建3.5亿，三峡1600万M³今后若干年仍是热销的大宗材料。
    （二）定义
    高性能混凝土（High Performance Concrete简写为HPC）一词是20世纪90年代前后提出的，目前尚未统一认识，各国学者各有不同的看法，主要的有：
    美、加学派认为：高性能混凝土是一种符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，所谓特殊性能组合是指易于浇筑而不离析的工作性，好的长期力学性能、早强、韧性、体积稳定性以及严酷环境下的高耐久性等性能的组合；
    欧洲学派认为：高性能混凝土是一种水胶比小于0.4的新型混凝土；
    日本学派认为：高性能混凝土是一种高流态、自密实、免振的混凝土；
    我国学者认为：高性能混凝土是一种以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土，是一种环保型、集约型的绿色混凝土。
    从上可知，欧洲学派强调的是低水胶比条件下高强，高耐久性的特点，而日本学派强调的是良好的工作性能，我国学者则从发展的角度强调可持续发展与工业化生产，各有所侧重而美、加学派阐述的比较全面，总之，高性能混凝土是具有高强度、高耐久、高流动性等多方面优越性能的新型混凝土。随着高性能混凝土的不断发展和完善，各国学派的观点也会逐步统一起来。
    （三）特点
    从目前实际应用的高性能混凝土的情况来分析，归纳起来和传统的普通混凝土（简称OPC）相比有以下几个特点：
    1. 原材料上，除了常规的水泥、水、砂、石四种材料外，必需使用化学外加剂和矿物细掺料，一共是六种必不可少的材料，而且后两种可以是一种也可以是多种复合，这在选材上就要求与水泥具有良好的相容性，多种的外加剂之间（或细掺料之间）要求合理匹配，使具有黄金搭配，叠加效应的效果，增加了选材的复杂性；
    2. 配比上，为了适应高耐久、高强的要求，使用的是低用水量（<180kg/m³），低水胶比（一般为0.28~0.40），控制胶结材总量≯550kg/m³；
    3. 性能上，具有高耐久性（抗渗、抗冻、抗蚀、抗碳化、抗碱骨料反应，耐磨等）；良好的施工性（大流动，可灌性、可泵性、均匀性等）；良好的力学性能，早强后强均高；良好的尺寸稳定性；合理的适用性与经济性等。总之，具有良好的综合技术性能，能满足各种工程结构的使用要求。
    （四）应用
    高性能混凝土适用于大跨度桥梁、高层建筑、海洋平台、宇宙航天、核能工程，军事防护，抗害防灾以及载重大处于恶劣环境下的特殊结构，世界各国都相继用于不同的工程结构中，最有代表性的见表1~表4。
表1  世界超高层混凝土建筑

名  称	地  点	高度（m）	强度fcm或等级（MPa）	完成年代
双塔大厦	吉隆坡城	452	100	1996
中央广场	香港	374	-	1992
中天大厦	广州	322	C60
311号塔楼	芝加哥	292	84	1989
赛格广场	深圳	292	C60
桃树中心	亚特兰大	263	83	1991
水塔广场大厦	芝加哥	262	C70	1976
麦色顿大厦	法兰克福	253	－	1990
帝国大厦	纽约	248	－	1988
Rialto中心	墨尔本	243	－	1987
中银大厦	青岛	238	C60
中华广场	广州	236	C70
联合广场	西雅图	220	115	1989
世界贸易中心	重庆	210	C60
银行大厦	德国	186	85	1993
日本中心	法兰克福	115	105	1994

表2  计划建造的摩天大楼

名  称	地  点	高度（m）
伦敦千年中心	伦敦	376
上海金融中心	上海	460
纽约存款交易中心	纽约	546
孟买电视中心	孟买	560
东京千年大厦	东京	840
直布罗陀海峡大桥塔门	西班牙-摩洛哥	1350

表3  国内高层建筑

建筑名称	层数	高度（m）	用途	强度等级	年代
北京新世纪饭店	31	110	RC柱	C60	1998
北京四川大厦	32	100	RC柱	C60
青岛中银大厦	53	238	RC柱	C60
广州中天大厦	80	322	RC柱	C60
海口财政金融中心		200	钢骨混凝土柱	C60
深圳鸿昌广场大厦	59	218	RC柱	C60	92～94
上海金茂大厦	88	382	钢柱加混凝土	C60	95～97
辽宁物产大厦	27	102	RC柱、墙	C80	95
海口868公寓	68	260	RC柱	C60
山东齐鲁宾馆	44	153	RC柱	C60	93～95
济南电力大楼	44	156	RC柱	C60
北京航华科贸中心主楼	34	142.5	RC柱	C60
深圳彭年广场	52	186	RC柱	C60
新疆中亚发展中心	27	128	RC柱	C60
西安兴庆二区大厦	32	108	RC柱	C60
上海东方实业大厦		150	RC柱	C60
长春英海大厦	35	132	RC柱	C60	95
南京邮政中心		124	RC柱	C60
长沙国际留易金融中心	50	171	RC柱	C60
天津今晚报大厦	38	137	钢管混凝土柱	C60
深圳赛格广场	72	292	钢管混凝土柱	C60
重庆世界贸易中心	55	210	钢管混凝土柱	C60
昆明邦克大厦	36	126	钢管混凝土柱	C60
福州环球广场	36	122	钢管混凝土柱	C60
广州南航大厦	61	204	钢管混凝土柱	C60
广东邮电通讯枢纽综合楼	68	248	钢管混凝土柱	C60
广州中华广场	65	236	钢管混凝土柱	C70
广州合银广场	56	213	钢管混凝土柱	C80	1998
广州新中国大厦	51	202	钢管混凝土柱	C80
沈阳富林大厦	32		钢管混凝土柱	C90	2001

表4  国内铁路工程

建筑名称	强度等级	年  代	备  注
斜拉桥	C50	199
东明黄河大桥	C60	1984
京广复线江村南桥	C80	1986
洛阳黄河大桥	C60	1991	50m跨度
秦沈高速铁路预 应力24m、32m梁	C50	1999	采用粉煤灰与NSF减水剂双掺技术
青藏线24m、32m梁	C50	2001	采用粉煤灰与NSF减水剂双掺技术
预应力轨枕	C60	2003

    以上说明我国应用高性能混凝土的数量日益增多，技术水平日益提高，可以设想今后我国高性能混凝土的研究与应用会有一个更大的发展。

二、发展前景
从80年代出现高性能混凝土以来，各国政府都非常重视，投入大量人力、物力、财力进行研究，促进进一步完善和发展，法国1996年提出“高性能混凝土2000”项目，投入550万美元，美国作为长期研究项目从1994年起，10年内投入2亿美元，进行研究和开发，瑞典1991～1997年出资5200万克朗，实施高性能混凝土的研究计划，还有日本，加拿大，挪威等国家，也投入了大量资金在研究，我们虽然也在研究，但资金不足，缺乏统一规划，低水平和重复的研究较多，和欧美比，尚有一定的差距
在研究内容上着重以下五个方面：
（一）原材料，以研究C₃A碱含量低的低热水泥，以及高性能水泥。在外加剂方面，正在研究新一代多功能的复合型的高效减水剂，如有机共聚物，接枝共聚物等；
（二）配合比设计：计算机化正在逐步完善；
（三）在性能方面，超高强高性能混凝土的研究，正在各国蓬勃开展，法国已推出抗压强度可达800Mpa的活性细粒混凝土（RPC），引起了人们极大的关注。其次是免振自流平大流动性高性能混凝土的进一步完善和提高，另外，高抗裂性纤维高性能混凝土也是今后发展方向之一，以解决因自收缩开裂和脆性大的问题；
（四）检测方法上，对相容性试验，拌合物的流动性指标、粘性指标，可泵性的测试都需要进一步完善和提高，还有硬化后混凝土抗渗性，氯离子扩散，耐腐蚀性能等一系列的检测技术，都需要研究解决；
（五）应用方面：一个重要方面是如何向绿色高性能混凝土方向发展，尽量少用熟料水泥，多用掺合料，推广大掺量技术，节能、节资源，改善环境，另一方面是要扩大使用范围，尽量向中、低强度等级（C20～C40级）方面延伸扩大，除此之外，结合铁路部门的具体情况，铁科院的某些研究人员提出了以下的要求和希望：
1. 加强新一代氨基磺酸盐系（ASF）和聚羧酸盐系（POC）高效减水剂的推扩应用。特点是掺量小，减水率高，坍落度损失小以及含硫酸钠、总碱量低，且不含氯盐。
2. 推扩适度高掺量（30%）粉煤灰和高效减水剂的双掺技术,目前粉煤灰的掺量较低，未能充分发挥粉煤灰的功效，比水工、建工、港工系统有一定差距。铁科院推出如下的掺量：
C50～C60级结构高性能混凝土    20～30%
C25～C45级结构高性能混凝土    20～40%
C10～C20级填充性混凝土        30～60%
    3. 推荐的配合比：粉煤灰掺量20%，FDN0.8%

混凝土等级	原材料（kg/m3）				水胶比	坍落度 （cm）	抗压强度 (MPa)
	水	水泥	粉煤灰	FDN 减水剂			5d	28d
C60	165	456	114	4.6	0.29	18~22	61.8	79.2

编辑：小薇