高性能砼的研发与应用

　　摘要：高性能砼具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多特性，被认为是目前全世界性能最为全面的砼，至今已在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程普遍使用。
　　论文主要介绍高性能砼发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐述高性能砼的特性，列举高性能砼在国内外研究应用中的重要成果，并对其发展趋势作出展望。
　　关键词：高性能砼；耐久性；体积稳定性
　　中图分类号：[TQ178]文献标识码：A文章编号：
　　1高性能砼产生的原因和研究成果
　　1．1 原因
　　
　　当今大跨度、高建筑层、海洋设施、军事工程结构的发展对砼提出了更高的要求；处于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后果；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，高性能砼就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。
　　未来的砼必须从根本上减少水泥用量，必须更多的利用各种工业废渣作为原材料，必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的砼必须是高性能的，尤其是耐久性的。耐久性和高强都意味着节约资源。“高性能砼”正是在这种原因下产生的。
　　
　　1．2 发展方向
　　
　　目前，高性能砼的发展有以下几个方向；
　　⑴ 环保高性能砼
　　砼是当代最大的人造材料之一，对资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求不相符合。绿色高性能砼研究和应用较多的是粉煤灰砼，粉煤灰砼与基准砼相比，大大提高了新拌砼的工作性能，明显降低砼硬化阶段的水化热，提高砼强度，特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能砼的代表性材料。
　　⑵ 超高性能砼
　　超高性能砼，如活性粉末砼，其特点的高强度，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。
　　⑶ 智能砼
　　智能砼是在砼原有的组分基础上复合智能型组分，使砼材料具有自感知、自适应。自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断砼、温度自调节砼、仿生自愈合砼等一系列机敏砼的出现，为智能砼的研究、发展和智能砼结构的研究应用奠定的基础。
　　
　　2高性能砼的性能和应用
　　2.1高性能砼的概念
　　
　　西方（欧洲）砼学会和国际预应力砼协会将HPC定义为水胶比低于0.40的砼；在亚洲发达国家（如日本），将高流态的自密实（即免振砼）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能砼委员会将HPC定义为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砼。
　　
　　2.2高性能砼的性能
　　与普通砼相比,高性能砼具有如下独特的性能：
　　1.耐久性：高效减水剂和矿物质超细粉的配合使用，能够有效的减少用水量，减少砼内部的空隙，能够使砼结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能砼应用的主要目的。
　　2.工作性：坍落度是评价砼工作性的主要指标,HPC的坍落度控制功能好,在振捣的过程中,高性能砼粘性大,粗骨料的下沉速度慢,在相同振动时间内,下沉距离短,稳定性和均匀性好.同时,由于高性能砼的水灰比低,自由水少,且掺入超细粉,基本上无泌水,其水泥浆的粘性大,很少产生离析的现象.
　　3.密实性能：由于砼是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响,水灰比是影响砼强度的主要因素,对于普通砼,随着水灰比的降低,砼的抗压强度增大,高性能砼中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低砼单方用水量。在高性能砼中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高砼的密实度和强度。
　　4.体积稳定性：高性能砼具有较高的体积稳定性，即砼在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。
　　5.经济型：高性能砼较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能砼良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能砼的高强度可以减少构件尺寸，减少自重，增加使用空间；HPC良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本，提高效益。
　　
　　2.3高性能砼发展前和应用中的问题
　　在高性能砼的应用过程中也存在问题，在高性能砼的原材料方面，离散性大；在骨料方面，粗骨料质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，尚缺乏充分的适用性的研究。在高性能砼的施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使HPC的密实性和质量不稳定；在高性能砼的耐久性方面，由于高性能砼微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩，使砼表面产生裂缝，这对HPC的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，产生微膨胀会使砼表面产生裂缝，为各种有害介质渗透提供通道，给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀创造可能；由于高性能砼的后期强度增长不及普通砼，而且脆性大。同时，在高性能砼的研究方面，实验室的情况与实际情况相差比较大，这些因素都不利于高性能砼的推广和应用。
　　
　　3高性能砼的质量与施工中如何控制
　　
　　3.1高性能砼的原材料控制
　　
　　3.1.1细集料
　　细集料宜选用质地均匀坚固、吸水率低、级配良好、空隙率小的洁净天然中粗河砂，也可选用专门机组生产的人工砂。不宜使用山砂。不得使用海砂。其质量要求应符合普通砼用砂标准中的规定。配制高性能砼时宜选用优先选用中级细骨料。当采用粗级细骨料时，应提高砂率，并保持足够的水泥或胶凝材料用量，以满足砼的和易性；当采用细级细骨料时，宜适当降低砂率。
　　
　　3.1.2粗集料
　　高性能砼必须选用粒行良好、质地均匀坚固、线膨胀系数小、级配良好的洁净碎石。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石，级配符合规范要求。由于高性能砼要求强度较高，就必须使粗集料具有足够高的强度，岩石的抗压强度与高性能砼的抗压强度等级之比应大于1.5倍，骨料的颗粒形状应选择三维长度相等或相近的球体或立方体颗粒，减少骨料空隙的角度，提高砼的强度。粗骨料的最大粒径需要控制，粒径过大容易造成砼离析，成型后的砼强度均质性差。粒径越小与砂浆粘结面积越大，界面受力均匀，砼抗压强度越高，但骨料粒径减小，包裹其表面所需的砂浆用量增多。
　　另外，粗集料还应注意集料的类型、级配和岩石种类，一般采取连续级配，其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎片为最好。粗集料的线膨胀系数要尽可能小，这样能大大减小温度应力，从而提高砼的体积稳定性。
　　
　　3.1.3矿物掺合料
　　我国目前常用的高性能砼掺合料主要有：微硅粉、粉煤灰、磨细矿渣粉、天然沸石粉等，掺入活性细掺合料可以使硬化后的水泥石强度有所提高。更重要的是，加入活性细掺合料改善了砼中水泥石与骨料的界面结构，使配制出的砼具有高强度、大流动性、高耐久性等特点。配制高性能砼的粉煤灰宜选用含碳量低、细度低、需水量低的优质粉煤灰。磨细矿渣能提高砼的工作性和耐久性。硅粉借助大剂量高效减水剂和强力搅拌作用，可以填充到水泥或其他掺合料的间隙中去，并且具有很高的活性。
　　
　　3.1.4外加剂
　　用于生产高性能砼的外加剂应采用减水率高、坍落度损失小、适量引气、能明显提高砼耐久性且质量稳定的产品。高性能砼必须掺入与所用水泥具有相容性的高效减水剂来解决低水胶比与砼拌合物高工作性能之间的矛盾。
　　
　　3.1.5水泥
　　高性能砼在选用水泥时，一般宜选用不低于42.5强度等级的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，尽量避免使用铝酸三钙含量过高的水泥，比表面积一般在300～400m2/Kg。有耐硫酸盐侵蚀要求的砼，可选用中抗硫酸盐硅酸盐水泥或高抗硫酸盐硅酸盐水泥；有碱集料反应控制要求的砼还需注意水泥的碱含量，当集料具有碱—硅酸反应活性时，水泥的碱含量不应超过0.60﹪，必要时应根据减水剂的种类，通过试验来确定水泥的最低含碱量。
　　
　　3.2配合比与控制要点
　　
　　3.2.1设计理念有较大区别
　　在以往的配合比设计方法中，是按砼的强度等级要求计算水灰比，而现在则是按耐久性的要求，首先根据环境作用等级确定电通量指标，由此来选择水胶比、控制胶凝材料最小用量以及掺合料的比列。
　　
　　3.2.2胶凝材料使用量及粉煤灰配比
　　在进行配合比参数设计时，为保证砼的耐久性，砼中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，对于C30及以下砼胶凝材料总量不宜高于400Kg/m3，C35～C40砼不宜高于450Kg/m3，C50及以上砼不宜高于500Kg/m3。使用粉煤灰等矿物掺合料，并不是单纯地考虑降低砼成本，首先是为了砼耐久性的需要，特别是可以有效改善砼抵抗化学侵蚀的能力（包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。
　　
　　3.2.3含气量要求
　　砼中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同事可显著减轻砼的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高砼材料的均匀性和稳定性。铁路客运专线规定，即使配制非抗冻砼时，含气量也应不小于2﹪，并且作为施工质量控制的必检项目之一。
　　
　　3.2.3电通量的指标
　　该指标是客运专线对砼耐久性最重要、最具体的指标。其所测指标可以最大程度的区分和评价砼的密实度，而密实度正是影响砼耐久性最为关键的因素。
　　
　　3.3高性能砼的施工控制
　　
　　3.3.1搅拌
　　砼原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量，称量最大允许偏差应符合下列规定（按重量计）：胶凝材料（水泥、掺合料等）±1﹪；外加剂±1﹪；骨料±2﹪；拌合用水±1﹪。应采用卧轴式、行星式或逆流式强制搅拌机搅拌砼，采用电子计量系统计量原材料。搅拌时间不宜少于2min，也不宜超过3min。炎热季节或寒冷季节搅拌砼时，必须采取有效措施控制原材料温度，以保证砼的入模温度满足规定。
　　
　　3.3.2运输
　　应采取有效措施，保证砼在运输过程中保持均匀性及各项工作性能不发生明显波动。应对运输设备采取保温隔热措施，防止局部砼温度升高（夏季）或受冻（冬季）。应采取适当措施防止水分进入运输容器或蒸发，严禁在运输过程中向砼内加水。
　　
　　3.3.3浇筑
　　⑴砼入模前，应采用专用设备测定砼的温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能，只有拌合物性能符合设计要求或配合比要求的砼方可入模浇筑。⑵新浇砼与临接的已硬化砼或岩土介质间浇筑时的温差不得大于15℃。砼的入模温度宜控制在5～30℃。⑶砼浇筑时的自由倾落高度不得大于2m；当大于2m时，应采用滑槽、串筒、漏斗等器具辅助输送砼，保证砼不出现分层离析现象。⑷砼的浇筑应采用分层连续推移的方式进行，间隙时间不得超过90min，不得随意留置施工缝。
　　
　　3.3.4振捣
　　可采用插入式振动棒、附着式平板振捣器、表面平板振捣器等振捣设备振捣砼。振捣时应避免碰撞模板、钢筋及预埋件。采用插入式高频振捣器振捣砼时，宜采用垂直点振方式振捣。每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准，一般不宜超过30s，避免过振。若需变换振捣棒在砼拌合物中的水平位置，应首先竖向缓慢将振捣棒拔出，然后在将振捣棒移至新的位置，不得将振捣棒放在拌合物内平拖，也不得用插入式振捣棒平拖驱赶下料口处堆积的砼拌合物。
　　
　　3.3.5养护
　　砼振捣完成后，应及时对砼暴露面进行紧密覆盖（可采用篷布、塑料布等进行覆盖），尽量减少暴露时间，防止表面水分蒸发。
　　
　　3.3.6质量检验控制
　　除施工前严格进行原材料质量检查外，在砼施工中，应对砼的以下指标进行检查控制：砼拌合物：水胶比、坍落度、含气量、入模温度、泌水率、匀质性。硬化砼：标准养护试件抗压强度、同条件养护试件抗压强度、抗渗性、电通量等。
　　
　　4高性能砼的发展与前景
　　
　　随着HPC的开发和应用，建筑对生态环境的影响正引起社会的关注。建筑物在建造和运行的过程中需消耗大量的自然资源和能源，并对环境产生不同程度的影响。作为建筑工业主要原料的水泥，实际上是一种不可持续发展的产品。因此，高性能砼的技术核心是在限制水泥用量以获得砼高性能的同时，坚持其可持续性的发展原则。21世纪前后，吴中伟等提出的环保砼的概念，在高性能砼的基础上增加了三个含义：⑴节约资源、能源；⑵不破坏环境，更有利于环境；⑶可持续发展，既要满足当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力。大力开展环保砼的研究和应用高性能砼具有普通砼无法比拟的优良性能，对砼的发展将起非常重要的作用，并为HPC指明了非常明确的发展方向。
　　
　　结论
　　
　　在研究和探讨了高性能砼配合比设计的基本要求和技术途径，主要从原材料的选择、配合比参数的合理确定等方面进行了阐述。通过掺入矿物细粉和高性能化学外加剂的技术途径来配制高性能砼，既可改善砼的性能，又能降低生产成本，有利于高性能砼的推广使用。文中提出的设计方法具有准确、简捷、适用范围广及程序化的特点，采用此方法配制的砼具有良好的施工效益性、工作性、力学性及耐久性。如今我国HPC发展趋势一片良好，但要使HPC在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程。随着我国建筑基础建设的不断增强，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。综上所述之特点，高性能砼成为我国近期砼技术的主要发展方向。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京：中国铁道出版社．1999．
　　[2]陈家辉．高性能混凝土应用现状及其前景[J]．广大土木与建筑．2000．
　　[3]俞瑞堂．高性能混凝土的发展与展望[M]．水利水电工程设计．1997．
　　[4]陈肇元等．混凝土结构耐久性设计与施工指南[M]．北京：中国建筑工业出版社．2004．
　　[5]卞春丽，梁晓平．高性能混凝土技术特点及应用[J]．山西建筑．2007．
　　[6]丁大钧．高性能混凝土及其在工程中的应用[M]．北京：机械工业出版社．2007．
　　[7]谢永江等．客运专线高性能混凝土暂行技术条件[S]．北京：中国铁道部科学技术司．2005．