摘要：文章闡述了各種學(xué)派對高性能混凝土的定義，通過“雙摻法”來配制高性能混凝土：研究了當(dāng)前高性能混凝土的礦物超細(xì)摻料和高性能外加劑。同時介紹了高性能混凝土在具體工程中的應(yīng)用，展望了超高性能混凝土、綠色高性能混凝土等將是高性能混凝土的發(fā)展趨勢。
　　關(guān)鍵詞：混凝土；高性能混凝土；礦物細(xì)摻料；高性能外加劑；超高性能混凝土；綠色高性能混凝土
　　
　　混凝土是當(dāng)今社會最大宗的建筑工程材料，因此混凝土技術(shù)的發(fā)展也密切關(guān)系到現(xiàn)代建筑業(yè)的發(fā)展。評價混凝土的性能主要包括兩方面的內(nèi)容，首先是新拌混凝土的工作性能；其次是硬化混凝土的使用性能。高性能混凝土就應(yīng)該滿足這兩方面的性能。
　　高性能混凝土(High performanceconcrete)，據(jù)蔣家奮考證是在1986年由挪威學(xué)者首先提出研究的，這是因?yàn)榕餐a(chǎn)硅灰，摻硅灰大大提高了混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗氯離子擴(kuò)散性，從而提高了其耐久性(但也增大了開裂風(fēng)險)。繼而西方發(fā)達(dá)國家相繼投入大量財(cái)力、人力致力于高性能混凝土的研究和開發(fā)。這意味著混凝土學(xué)者意識到強(qiáng)度不是表征混凝土性能的唯一重要指標(biāo)，而耐久性則是更重要的性能。我國從20世紀(jì)90年代初也很快引進(jìn)了高性能混凝土這個概念，掀起了研究熱潮，有關(guān)高性能混凝土的論文數(shù)不勝數(shù)，至今方興未艾。然而高性能混凝土至今沒有得到公認(rèn)的定義。1990年5月在馬里蘭州，由美國NIST(NationalInstitute of Smndands and Technology)和ACI(American ConqjRhhrTSJ5F3tHitCInLzA==crete Institute)主辦的討論會上，高性能混凝土(HPC)被定義為具有所要求的性能和勻質(zhì)性的混凝土。這些性能包括：易于澆筑、搗實(shí)而不離析；卓越的、能長期保持的力學(xué)性能；早期強(qiáng)度高、韌性高和體積穩(wěn)定性好；在惡劣的使用條件下壽命長。
　　高性能混凝土一般采用“雙摻法”來達(dá)到混凝土的高性能，雙摻法就是在混凝土中摻入新型高效減水劑和超細(xì)礦物摻料。高效減水劑能降低混凝土的水灰比、增大坍落度和控制坍落度損失，即賦予混凝土高的密實(shí)度和優(yōu)異的施工性能；超細(xì)礦物摻料填充膠凝材料的空隙，參與膠凝材料的水化反應(yīng)，提高混凝土的密實(shí)度，改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土的耐久性與強(qiáng)度?？梢哉f，20世紀(jì)70年代高效減水劑的發(fā)明與應(yīng)用，使混凝土技術(shù)進(jìn)入高強(qiáng)度與高流態(tài)的新領(lǐng)域；20世紀(jì)90年代的粉體工程，使混凝土進(jìn)入了高性能時代。
　　
　　一、定義和方法
　　
　　對HPC的定義如下：
　　美國戰(zhàn)略公路研究項(xiàng)目(SHRP)定義：水灰比w/c≤0.35；300次凍融循環(huán)，相對動彈?！?0％；澆注后4h內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到21MPa；24h時強(qiáng)度≥34MPa；28d時強(qiáng)度≥67MPa。
　　ACI定義：易于澆注搗實(shí)但不影響強(qiáng)度；長期力學(xué)性能好；早期強(qiáng)度高；韌性好；體積穩(wěn)定性好；在惡劣環(huán)境中長期強(qiáng)度好。
　　日本學(xué)者罔村的定義：免振、自密實(shí)’混凝土就是高性能混凝土。強(qiáng)度一般為40－45MPa，混凝土材料中除了水泥外，還有礦渣粉、粉煤灰及膨脹劑。
　　我國吳中偉院士認(rèn)為：一種新型高技術(shù)混凝土，它應(yīng)該以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。針對不同用途要求，高性能混凝土對下列性能有重點(diǎn)地予以保證：耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等。為此，高性能混凝土在配置上的特點(diǎn)是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并除水泥、水、集料外，心須摻加足夠的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。
　　
　　二、高性能混凝土的研究
　　
　　(一)礦物細(xì)摻料的研究
　　高性能混凝土中的活性礦物細(xì)摻料是必要的成分之一，它可以降低溫升，改善工作性，增進(jìn)后期強(qiáng)度，并且可以改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土的耐久性和抗侵蝕作用能力。尤其是礦物細(xì)摻料對堿一骨料反應(yīng)能夠起到抑制作用，這一點(diǎn)引起了人們的重視。
　　1、粉煤灰。粉煤灰是火力發(fā)電廠排放出來的煙道灰，主要化學(xué)成份是SiO、AlO以及少量FeO、CaO、MgO等。以直徑在幾個微米的玻璃微珠體及少量莫來石、石英等結(jié)晶物質(zhì)組成。我國將粉煤灰分為I、Ⅱ級；I級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1：粉煤灰在混凝土中的作用可歸結(jié)為化學(xué)和物理作用兩個方面?；瘜W(xué)作用指的是粉煤灰的火山灰效應(yīng)，它可以使對混凝土不利的ca(OH)：轉(zhuǎn)化為有利的C－S－H組分。這種潛在的活性效應(yīng)是隨齡期的增長才會明顯地表現(xiàn)出來。而粉煤灰的物理作用是指粉煤灰的微集料效應(yīng)與形態(tài)效應(yīng)，它可以改善集料的級配、流動性，又可以增加混凝土的密實(shí)性。
　　
　　2、硅粉。硅粉是利用高純石英冶煉硅和硅鐵合金時，從煙道收集的形狀為球狀玻璃體的超細(xì)粉末。其具有極微細(xì)的粒徑，平均粒徑小于0.1um。品質(zhì)好的硅粉SiO含量在90％以上，其中活性SiO達(dá)40％以上，活性很高。硅粉對混凝土的增強(qiáng)作用十分明顯，當(dāng)硅粉摻量為膠凝材料的10％時，混凝土的抗壓強(qiáng)度可以提高25％以上。但隨著硅粉摻量的增加，需水量也增加，混凝土粘度也增加，硅粉的摻入還會加大混凝土的收縮，因此硅粉的摻量一般不宜過多。
　　3、磨細(xì)礦渣。礦渣是高爐煉鐵時產(chǎn)生的廢渣，經(jīng)粉磨后即可以得到磨細(xì)礦渣；如果礦渣磨細(xì)到比表面積4000cm²/g以上，則其活性大大加強(qiáng)。將磨細(xì)礦渣直接摻入混凝土中做摻合料時，可以大大改善混凝土的多項(xiàng)性能。
　　4、超細(xì)活性摻合料在混凝土中的作用。(1)改善混凝土的工作性能。由于超細(xì)摻合料的微觀填充效應(yīng)，使膠凝材料具有更好的級配。同時還能減低標(biāo)準(zhǔn)稠度下的用水量，在保持相同用水量情況下又可增加流動度，因此改善了和易性。填充作用的另一好處是增加了粘聚性，防止了沁水、離析，改善了可泵性。(2)降低水化熱，防止溫升裂縫。眾所周知，水泥水化時要釋放出大量的水化熱。因?yàn)榈V物細(xì)摻料的摻入，代替了部分水泥，從而降低了水泥的含量；并且摻合料加入后由于它本身不能直接水化，只有在水泥水化的堿性條件下二次水化，因此它能延緩水化放熱。(3)提高長期強(qiáng)度。硅粉對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大，礦渣則對混凝土的長期強(qiáng)度的發(fā)展十分有利。(4)提高混凝土的耐久性。超細(xì)摻合料的摻入，通過改善級配，填充作用使混凝土增加了結(jié)構(gòu)密實(shí)性。對初期水化反應(yīng)的緩沖作用也使水化物生長更充分，結(jié)構(gòu)更加緊密，可以減少一些結(jié)構(gòu)缺陷。水化早期放熱的減少，可以避免混凝土溫升裂縫造成的缺陷。(5)抑制堿一骨料反應(yīng)。超細(xì)活性摻合料摻入水泥中，它可以像稀釋劑一樣降低總膠結(jié)材料的含堿量，可以有效地抑制堿一骨料反應(yīng)。而沸石由于它的特殊結(jié)構(gòu)，可以通過吸附和離子交換作用而吸納一定數(shù)量的K⁺、Na⁺離子，從而防止堿骨料反應(yīng)。
　　
　　(二)高性能外加劑的研究。
　　從高性能混凝土所具有的各種優(yōu)良特性，可以得出所摻用的外加劑必須具備滿足這些條件的性能。首先要克服由于拌合物中超細(xì)摻合料多，水膠比低，而使拌合物粘性增大。為保證混凝土具有良好的工作性能，必須保證混凝土有良好的流動性，一般為保證混凝土的可泵性，混凝土的坍落度應(yīng)保持在不低于20cm以下。減水劑必須有較高的減水率，應(yīng)達(dá)到20％以上。還必須要求坍落度的經(jīng)時損失要小。在2h內(nèi)不超過10％，即2－3cm。目前國內(nèi)主要使用高效減水劑、緩凝劑和引氣劑等組合而成的復(fù)合減水劑。高效減水劑有萘系高效減水劑、三聚氰胺、對氨基苯磺酸等。緩凝劑有烴基羧酸鹽、糖類化合物以及木質(zhì)磺酸鹽等。萘系減水劑減水率15％左右。高濃型減水率可達(dá)20％以上，含堿量低，對水泥適應(yīng)性較好，但目前普通型較多，高濃型產(chǎn)量較少，這種減水劑仍然是國內(nèi)使用量最大的減水劑。三聚氰胺減水劑，其減水率高，坍落度損失較耐高溫性能好，價格略高一些，但仍有一定的市場。對氨基苯磺酸鹽減水劑是近幾年來才開始生產(chǎn)的高效減水劑由于其減水率高、摻量小、坍落度損失又小，逐漸被工程采用。尤其是用來與萘系及三聚氰胺系復(fù)配，往往能得到摻量小(0.5％－1％)，減水率高(30％以上)，坍落度損失小(2h約2－3cm)，又不離析，沁水的高性能減水劑。木質(zhì)磺酸鈣與木質(zhì)磺鈉也時常用于配制高性能外加劑。它具有一定的緩凝與引氣性。正好滿足泵送性能的要求。緩凝劑與緩凝減水劑、引氣劑及引氣減水劑也常常用來復(fù)配高性能混凝土用外加劑。但我國目前生產(chǎn)及使用引氣劑的水平都不高。發(fā)達(dá)國家中引氣劑的使用非常普遍，他們認(rèn)為如果沒有耐久性，強(qiáng)度再高的混凝土也不可取。引氣劑的使用即使后期強(qiáng)度略有降低，比之于耐久性的增加也是合算的?；炷恋膹?qiáng)度可以用降低水膠比來提高，而耐久性則必須要混凝土保持適當(dāng)?shù)暮瑲饬坎拍苓_(dá)到。對高性能混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。目前更注重于混凝土的長期強(qiáng)度的發(fā)展，而不是早期強(qiáng)度的發(fā)展。這是因?yàn)樵缙谒嗨俣群芸?，混凝土?nèi)外溫差大，容易產(chǎn)生裂縫。因此德國目前對強(qiáng)度的發(fā)展由過去12h內(nèi)不得低于12MPa，改成了現(xiàn)在12h內(nèi)不得高于12MPa。這樣就可以很好地防止微裂縫的產(chǎn)生。對高性能混凝土必須注意早期強(qiáng)度發(fā)展中的裂縫問題。目前除冬季施工為保證正常水化而加早強(qiáng)劑以外，已不再追求早期強(qiáng)度的提高，相反由于要保持新拌混凝土的工作性能，外加劑標(biāo)準(zhǔn)中已增加了緩凝高效減水劑這個品種。在發(fā)達(dá)國家一些性能更好的減水劑已投入使用，如丙烯酸接枝共聚物、馬來酸和丙烯酸共聚物等。它們都具有摻量小、減水率高(30％以上)、坍落度損失小的特點(diǎn)。另外聚羧酸系高性能減水劑是配制免振搗自密實(shí)高性能混凝土和高強(qiáng)超高強(qiáng)高性能混凝土的首選外加劑，混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)變化較大，性能得到顯著改善。目前我國尚在研發(fā)試制過程中。
　　
　　三、高性能混凝土在工程中的應(yīng)用
　　
　　高性能混凝土在一些工程中得到運(yùn)用，美國芝加哥的311南一沃克大廈，高295m共71層，使用的高性能混凝土強(qiáng)度達(dá)到C95。西雅圖的雙聯(lián)大廈，高231m，共62層，使用的高性能混凝土最高強(qiáng)度達(dá)到C130。日本建成的世界上最長的懸索橋——明石跨海大橋，它的三跨總長度為3910m，在兩個錨墩中共使用了40萬m3水下澆筑的高性能自密實(shí)混凝土，使用壽命為100年。連接英國和法國的英吉利海底隧道中使用的高性能混凝土，據(jù)相關(guān)報道其耐久性要求達(dá)到200年。馬來西亞建造的目前世界最高建筑——石油大廈，450m高的雙塔大廈，使用了高性能混凝土，其標(biāo)號達(dá)到C80。高性能混凝土的使用在國內(nèi)起步較晚，但在最近幾年高性能混凝土的研究與應(yīng)用開始日益增多。北京城建集團(tuán)混凝土公司在靜安中心大廈使用了高性能混凝土其標(biāo)號達(dá)到C80；上海已有C80礦渣微粉高性能混凝土用于高層試點(diǎn)工程。
　　
　　四、高性能混凝土的發(fā)展趨勢
　　
　　超高性能混凝土UHPC(Ulna highperformance concrete)，其強(qiáng)度≥150MPa并且有著比其他混凝土更優(yōu)異的性能，大大減少了硬化混凝土中的微裂縫、毛細(xì)氣孔，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在通過下面的一些方法來配制UHPC。通過取消混凝土中的粗骨料來提高混凝土的均勻性；硬化混凝土中的粗骨料和水泥石之間的過渡區(qū)往往是混凝土中的微裂縫的根源，這是因?yàn)槎卟煌牧W(xué)性能和物理性能；所以建議在UHPC中最大的粗骨料直徑應(yīng)≤600um。為提高水泥石的性能，摻入火山活性的摻合物，如石英砂(Silica fume)；火山活性摻和物能與混凝土中的Ca(OH)：發(fā)生反應(yīng)，從而填充未水化的水泥、水泥水化物之間的空隙；在UHPC中，一般石英砂約為膠凝材料的25％－30％。減少水灰比。進(jìn)行預(yù)熱處理；加拿大嘗試在舍布洛克的一座步行橋上采用了UHPC；其抗壓強(qiáng)度達(dá)到了200MPa；其斷裂性能和抗彎強(qiáng)度接近于金屬鋁，但比鋁成本低。
　　綠色混凝土是已故專家吳中偉先生提出的。它是大量采用工業(yè)廢渣細(xì)摻料，水泥用量降低30％－50％的低水泥用量生態(tài)混凝土，新型的高性能外加劑使超細(xì)礦物摻合料的用量大大增加，實(shí)現(xiàn)了大摻量粉煤灰、大摻量礦渣等免振搗自密實(shí)綠色高性能混凝土。與普通混凝土相比，大大節(jié)約了能源、減少了污染，且具有更好的穩(wěn)定性、耐久性。
　　鋼纖維混凝土、聚合物混凝土、橡膠摻和物混凝土等都顯著的改善了混凝土材料的性能，在試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷探索和試