高性能混凝土技術(shù)發(fā)展的一些動(dòng)態(tài)和問(wèn)題
1 前言
高性能混凝土是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，國(guó)外學(xué)者曾稱(chēng)之為21世紀(jì)混凝土。挪威于1986年首先對(duì)此進(jìn)行了研究，在1990年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)（ACI）共同主辦的一次研討會(huì)上正式定名。由于高性能混凝土具有綜合的優(yōu)異技術(shù)特性，引起了國(guó)內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。十多年來(lái)，世界上許多國(guó)家相繼投入了大量的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行該項(xiàng)研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使高性能混凝土技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，在原料的選擇、配合比設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能、耐久性、工作性、結(jié)構(gòu)性能以至應(yīng)用技術(shù)等方面都取得了既有理論基礎(chǔ)又有實(shí)用價(jià)值的科技成果，內(nèi)容豐盈，實(shí)難在一文中罄書(shū)。本文僅擬對(duì)高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土的區(qū)別、高性能混凝土在性能上尚存在的問(wèn)題及其改善的途徑以及高性能混凝土的一個(gè)新進(jìn)展——免振自密實(shí)混凝土三個(gè)方面，根據(jù)所見(jiàn)的國(guó)外技術(shù)文獻(xiàn)和個(gè)人的一些認(rèn)識(shí)作一基本介紹。
2 高性能混凝土就與高強(qiáng)混凝土有所區(qū)別
高性能混凝土可以認(rèn)為是在高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高，也可說(shuō)是高強(qiáng)混凝土的進(jìn)一步完善。由于近些年來(lái)，在高強(qiáng)混凝土的配制中，不僅加入了超塑化劑，往往也摻入了一些活性磨細(xì)礦物摻合料，與高性能混凝土的組分材料個(gè)似，而且在有的國(guó)家早期發(fā)表的文獻(xiàn)報(bào)告中曾提到：“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗壓強(qiáng)度，但仍需達(dá)到55MPa（8000psi）以上”。因此，至今國(guó)內(nèi)外有些學(xué)者仍然將高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土在概念上有所混淆。在歐洲一些國(guó)家常常把高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土并提（HPC/HSC）。
高強(qiáng)混凝土僅僅是以強(qiáng)度的大小來(lái)表征或確定其何謂普通混凝土、高強(qiáng)混凝土與超高強(qiáng)混凝土，而且其強(qiáng)度指標(biāo)隨著混凝土技術(shù)的進(jìn)步而不斷有所變化和提高。而高性能混凝土則由于其技術(shù)物性的多元化，諸如良好的工作性（施工性），體積穩(wěn)定性、耐久性、物理力學(xué)性能等等而難以用定量的性能指標(biāo)給該混凝土一定義。
不同的國(guó)家，不同的學(xué)者因有各自的認(rèn)識(shí)、實(shí)踐、應(yīng)用范圍和目的要求上的差異，對(duì)高性能混凝土曾提出過(guò)不同的解釋和定義，而且在性能特征上各有所側(cè)重。1990年美國(guó)NIST與ACI對(duì)高能混凝土命名時(shí)，曾提出一個(gè)定義：高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制、便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強(qiáng)度高、具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)又給出一個(gè)文字上較精練的定義：“高性能混凝土是一種要能符合特殊性能綜合與均勻性要求的混凝土，此種混凝土往往不能用常規(guī)的混凝土組分材料和通常的攪拌、澆搗和養(yǎng)護(hù)的習(xí)慣做法所獲得?！?/FONT>
把高強(qiáng)混凝土混同于高性能混凝土，不僅僅是定義上的問(wèn)題，值得探討的是：
?。?）高強(qiáng)混凝土必然具有良好的耐久性？
?。?）高性能混凝土必需具有高強(qiáng)度？
美國(guó)教授P.K.Mehta早在1990年就提出：“把高強(qiáng)混凝土假定為高性能混凝土，嚴(yán)格地說(shuō)，這種假定是錯(cuò)誤的?！?/FONT>
我國(guó)已故的吳中偉院士也在1996年提出：“有人認(rèn)為混凝土高強(qiáng)度必然是高耐久性，這是不全面的，因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土?xí)?lái)一些不利于耐久性的因素……。高性能混凝土還應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土，如C30混凝土?！?999年又提出：“單純的高強(qiáng)度不一定具有高性能。如果強(qiáng)調(diào)高性能混凝土必須在C50以上，大量處于嚴(yán)酷環(huán)境中的海工、水工建筑對(duì)混凝土強(qiáng)度要求并不高（C30左右），但對(duì)耐久性要求卻很高，而高性能混凝土恰能滿足此要求。
美國(guó)學(xué)者S.P.Shah教授最近也進(jìn)出：“盡管高強(qiáng)混凝土具有較高的強(qiáng)度和較低的滲透性，但是高強(qiáng)混凝土并不具有所需耱的綜合耐久性?！?/FONT>
美國(guó)學(xué)者Virendra K. Varma最近也撰文認(rèn)為，應(yīng)該把高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土有所區(qū)分。
從材料的“性能”的含義而論，既包括力學(xué)性能的概念，也還包括了一些非力學(xué)性能的概念，如高填充性、不離析、抗?jié)B性、抗侵蝕性、體積穩(wěn)定性等等。
因此，混凝土的技術(shù)進(jìn)步不能以高強(qiáng)為目標(biāo)，而應(yīng)是高性能，單純以高抗壓強(qiáng)度來(lái)表征混凝土的高性能是不確切的。而高性能混凝土應(yīng)根據(jù)工程建筑的要求，包括不同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土，如普通強(qiáng)度的高性能混凝土、高強(qiáng)高性能混凝土。
3 高性能混凝土在性能上尚存在的問(wèn)題及其改善的途徑
配制高性能混凝土的特點(diǎn)是低水膠比并摻有足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻合料和高效減水劑，從而使混凝土具有綜合的優(yōu)異的技術(shù)特性，但由此也產(chǎn)生了兩個(gè)值得重視的性能缺陷：（1）自干燥引起的自收縮；（2）脆性。
3.1 自干燥引起的自收縮
近年來(lái)，國(guó)外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土存在早期收縮開(kāi)裂的問(wèn)題。其原因是由于在低水灰比或水膠比并摻入較多的具有相當(dāng)活性的礦物細(xì)摻合料的混凝土中會(huì)產(chǎn)生自干燥（Self-drying或Self-desiccation）從而引起混凝土的自收縮（Autogenous Shrinkage），使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷而產(chǎn)生微裂縫。有關(guān)文獻(xiàn)資料表明：水膠比低于0.3的混凝土，其自收縮值可高達(dá)200～400×10-6。免振自密實(shí)混凝土由于含有較多的粉料量，當(dāng)粉量達(dá)500kg/m3，其自收縮值可達(dá)100～400×10-6。而摻有大量磨細(xì)礦渣的大體積混凝土，其自收縮值也可達(dá)100×10-6?；炷廉a(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對(duì)濕度的影響而引起的干燥脫水，而是由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微細(xì)孔內(nèi)自由水量的不足，使混凝土內(nèi)部供水不足，內(nèi)部相對(duì)濕度自發(fā)地減小而引起自干燥，并導(dǎo)致了混凝土的收縮變形，故稱(chēng)之為自收縮。
高強(qiáng)或高性能混凝土的配制，正因?yàn)槭堑退冶然蛩z比并摻有較大量的活性礦物細(xì)摻合料，因此，其早期的收縮開(kāi)裂十分敏感。在混凝土內(nèi)部水量較少的情況下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛細(xì)管中的水也被逐步吸收減少，在沒(méi)有剩余自由水的情況下，就形成了空的孔隙，使水泥石的內(nèi)部不再存在未結(jié)合水的平衡。因此，水泥石內(nèi)部的相對(duì)濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時(shí)也是難以有水分滲濾的封閉狀態(tài)中的粘彈性固態(tài)的膠凝材料系統(tǒng)中，由于水泥石內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而使孔中存在一定的氣相，孔中水飽和蒸汽壓隨之而降低，毛細(xì)管中水呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)。此狀況在長(zhǎng)期處于封閉狀態(tài)的情況下，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行越演越烈，其結(jié)果導(dǎo)致了毛細(xì)管中的液面形成變?cè)旅?，使毛?xì)管壓升高而產(chǎn)生毛細(xì)管應(yīng)力，使水泥石受負(fù)壓作用，成為凝結(jié)硬化混凝土產(chǎn)生自收縮的主要因素。
此外，較大量的活性礦物細(xì)摻合料的摻入，也會(huì)使混凝土產(chǎn)生自收縮，特別是硅灰的摻入。其原因主要是由于硅灰具有較高的火山灰活性，而增加了化學(xué)減縮。在水泥水化初期生成較高含量的凝膠孔的孔結(jié)構(gòu)體系的水泥石也會(huì)產(chǎn)生高度的自干燥而引起較嚴(yán)重的自收縮。再者，由于硅灰的表面積較大、活性強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致灰與攪拌水很快結(jié)合，加速了水泥石中孔隙空間的缺水與內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而增大了自干燥。
混凝土的自收縮一般發(fā)生在混凝土初凝之后。當(dāng)混凝土由流態(tài)轉(zhuǎn)向粘彈性固態(tài)時(shí)，尤以初凝到1d齡期時(shí)為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時(shí)的自收縮愈大。
自收縮對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展造成的損傷是一個(gè)值得重視的問(wèn)題。由于硬化后高強(qiáng)或高性能混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時(shí)，也阻礙了外部養(yǎng)護(hù)水對(duì)混凝土的濕養(yǎng)護(hù)作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)措施來(lái)改善此類(lèi)混凝土的自干燥、自收縮并無(wú)明顯的效果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾提出一些技術(shù)措施如：摻入一定量的膨脹劑；以部分粉煤灰等量取代水泥；配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對(duì)降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國(guó)外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護(hù)（Ponding curing）即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時(shí)，盡快地立即進(jìn)行水霧養(yǎng)護(hù)，對(duì)減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的效果。
另一技術(shù)措施是在混凝土中加入部分含水飽和的輕集料替代普通集料，含水飽和輕集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土內(nèi)部供水起內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。但此方法需根據(jù)混凝土強(qiáng)度要求而采用。
3.2 脆性
脆性可以描述為混凝土無(wú)法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴(kuò)展與增長(zhǎng)。從混凝土承受軸向壓荷載作用下的應(yīng)力——應(yīng)變曲線中，峰值后下降曲線段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。眾多的試驗(yàn)已表明，混凝土的強(qiáng)度愈高，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線過(guò)峰值后的下降段曲線愈陡斜。這意味著該混凝土的脆性愈大。因此，高強(qiáng)混凝土的脆性已引起廣泛的重視，而高強(qiáng)的高性能混凝土也同樣呈較大的脆性。在高強(qiáng)度混凝土中的脆性破壞，其裂縫往往貫穿粗集料。由于高性能混凝土能提高集料與硬性水泥漿體的粘結(jié)，即改善了界面過(guò)渡區(qū)，也使脆性有所增大。中等強(qiáng)度的高性能混凝土，雖然脆性比高強(qiáng)混凝土有所降低，但是其脆性仍然是個(gè)問(wèn)題。
混凝土脆性的增大會(huì)給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大的危害。在高性能混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。國(guó)外已有學(xué)者提出HPFRC（纖維增強(qiáng)高性能混凝土），而且將之與纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土和基材（未摻纖維的傳統(tǒng)混凝土）進(jìn)行拉伸應(yīng)力——應(yīng)變的對(duì)比。
纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土比無(wú)纖維增強(qiáng)的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強(qiáng)高性能混凝土與無(wú)纖維增強(qiáng)的基材相比，在HPFRC的拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線中有三個(gè)特征是值得重視的：[Page]
?。?）彈性極限顯著提高了。強(qiáng)性極限反映宏觀裂縫出現(xiàn)的起點(diǎn)。
?。?）呈現(xiàn)出有一明顯的應(yīng)變強(qiáng)化段。應(yīng)變強(qiáng)化段是反映宏觀裂縫出現(xiàn)后，裂縫分散數(shù)量的增加，但這些裂縫的寬度很小。
?。?）峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化段。應(yīng)變軟化段反映了裂縫數(shù)量雖保持不變，但裂縫寬度增大了，最后導(dǎo)致纖維被拔出或斷裂而破壞。因此，纖維增強(qiáng)高性能混凝土不僅大大提高了拉伸應(yīng)力而且顯著改善了高性能混凝土的脆性。
對(duì)于纖維品種的選用，試驗(yàn)表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對(duì)改善高性能混凝土的脆性比合成纖維更為有效。
4 免振自密實(shí)混凝土（Self-compacting Concrete）
由于免振自密實(shí)混凝土具有十分良好的工作性，使混凝土的填充性、密實(shí)性、均勻性得到顯著的提高，成為混凝土技術(shù)的一項(xiàng)新的進(jìn)展而被列為高性能混凝土一族。
免振自密實(shí)混凝土是近十多年來(lái)由日本首先研究開(kāi)發(fā)并付諸工程應(yīng)用的一項(xiàng)近代混凝土技術(shù)。由于免振自密實(shí)混凝土在工程上應(yīng)用可以取得提高混凝土質(zhì)量、改善混凝土施工操作、養(yǎng)活施工噪音以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、加快施工進(jìn)度降低工程費(fèi)用等技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)此給予很大的重視與關(guān)注。日本預(yù)期到2003年將有1/2的混凝土工程將用免振自密實(shí)混凝土澆注。
顧名思義，免振自密實(shí)混凝土是在澆筑時(shí)僅靠混凝土自身的重力而不需要任何搗實(shí)外力而達(dá)到自密實(shí)、自流平的一種混凝土。免振自密實(shí)混凝土應(yīng)具有三個(gè)特性：
?。?）流動(dòng)性；
?。?）良好的穩(wěn)定性——不離析；
?。?）鋼筋和模板中的任何間隙，具有良好的通過(guò)能力，不產(chǎn)生阻塞。
根據(jù)上述三個(gè)特性的要求，免振自密實(shí)混凝土配制的原理與方法科述如下：
新拌混凝土的物相屬粒子懸浮體，其連續(xù)介質(zhì)是水泥漿體，也就是液相而混凝土中的集料則為固相。在所有粒子懸浮體中，流動(dòng)性與粒子離析間的平衡是必需的。新拌免振自密實(shí)混凝土要在沒(méi)有外力作用下充分填實(shí)混凝土模板中的一切空隙并達(dá)到密實(shí)，更是要兼具良好的流動(dòng)性與穩(wěn)定性。
為獲得高流動(dòng)性，首先要減小顆粒間的磨擦阻力。摻入超塑化劑以減小顆粒的表面張力固然十分必要，但從免振自密實(shí)的性能要求看，僅靠摻超塑化劑還難以達(dá)到，還需摻入一定數(shù)量的超細(xì)物料。
為得到良好的穩(wěn)定性，使物料不離析，其液相必需具有適當(dāng)?shù)牧髯冃?，才能既不產(chǎn)生泌水又防止顆粒的離析。為達(dá)到此要求，同樣也需摻入適量的顆粒尺寸＜0.25mm的細(xì)填料，有時(shí)還需摻入粘度改性劑（增粘劑）。
為使混凝土能流暢地通過(guò)鋼筋和模板中的任何間隙而不產(chǎn)生阻塞，除需根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選定合適的集料粒徑和形貌外，液相的體積量及其流變性質(zhì)也是重要的參數(shù)。其流變性質(zhì)是按流變學(xué)的賓漢姆型用粘度計(jì)來(lái)評(píng)定的，應(yīng)具有低的屈服應(yīng)力和適當(dāng)?shù)乃苄哉扯取?/FONT>
按流變學(xué)的觀點(diǎn)，免振自密實(shí)混凝土的基體是自由流動(dòng)的超細(xì)漿體，該漿體是由水泥與超細(xì)物料共同組成的，其流動(dòng)性隨環(huán)繞固體粒子的漿膜層厚度的增大而提高，而漿膜層的厚度只有在漿體已充滿固體顆粒間的空隙后才能形成，因此，漿體的厚度受到固體顆粒的形貌影響。對(duì)于漿體而言，除了要求具有高流動(dòng)性外，還需具有足夠的高粘度，必須成為高粘性的牛頓液體，才能防止離析。
免振自密實(shí)混凝土的配制工藝流程如圖所示。
水 泥
↓
超細(xì)摻和料 水 超塑化劑
↓ ↓ ↓
自 由 流 動(dòng) 的 漿 體 細(xì)集料
↓ ↓
自 由 流 動(dòng) 的 砂 漿 粗集料
↓ ↓
自 密 實(shí) 混 凝 土
免振自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)，首先要確定根據(jù)集料的空隙含量所需要的液相體積。該液體的組成包括水泥、水、外加劑和＜0.25mm的超細(xì)物料。超大型細(xì)物料與總集料體積之比（S/A）是免振自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。銘振自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性將隨S/A的增大而增大，而對(duì)彈性模量無(wú)明顯的影響。水灰比基本上按所需的混凝土抗壓強(qiáng)度來(lái)確定。由于免振自密實(shí)混凝土的流變行為與組分材料的體積有十分密切的關(guān)系，因此，免振自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)建議采用體積比而不用重量比。
對(duì)于超細(xì)物料的選用，由于超細(xì)物料往往具有較高與較強(qiáng)的吸水性，宜擇其需水量最低者。國(guó)外學(xué)者曾采用了4種超細(xì)物料——石英粉、粉煤灰、石灰石粉與凝灰?guī)r粉，其物理特性見(jiàn)表1。
通過(guò)自由流動(dòng)漿體的稠度試驗(yàn)、自由流動(dòng)砂漿的流動(dòng)性試驗(yàn)，結(jié)果表明，以石英粉與粉煤灰最相宜。
表1 4種超細(xì)摻合料的物理性特性
|
超細(xì)料種類(lèi) |
比表面積 |
密 度 |
粒徑分布 % | ||||
|
0.016 |
0.032 |
0.063 |
0.125 |
0.25 | |||
|
石英粉 |
1600 |
2.6 |
16 |
26 |
4.3 |
6.5 |
87 |
|
粉煤灰 |
5800 |
2.4 |
53 |
69 |
86 |
99 |
100 |
|
石灰石粉 |
6200 |
2.7 |
55 |
70 |
86 |
98 |
100 |
|
凝灰石粉 |
4800 |
2.5 |
46 |
66 |
86 |
99 |
100 |
注：比表面積和密度是用激光測(cè)定儀測(cè)得；粒徑分布在0.016～0.25mm范圍內(nèi)。
配制免振自密實(shí)混凝土的外加劑，普遍認(rèn)為選用聚羧基酶（Polycarboxylases）最為理想，可以使混凝土在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持免振自密實(shí)的功能。在配制免振自密實(shí)混凝土?xí)r的外加劑摻量宜適當(dāng)增加到2%。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同水灰比的條件下，免振自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、鋼筋握裹力等物理力學(xué)性能均比傳統(tǒng)的振動(dòng)密實(shí)混凝土有所提高，收縮、徐變性能也有所改善，其原因是由于免振自密實(shí)混凝土具有較致密的微觀結(jié)構(gòu)，且有較好的均勻性，特別是在集料的界面區(qū)，避免了在振動(dòng)密實(shí)過(guò)程中水分在集料周?chē)木奂４送?，免振自密?shí)混凝土面層的孔隙比振動(dòng)密實(shí)混凝土低。當(dāng)采用泵送法施工，從模板底開(kāi)始輸送，還可顯著提高混凝土面層的平整度。免振自密實(shí)混凝土不僅可廣泛用于新建工程，用于修補(bǔ)工程也有顯著效果。
5 結(jié)語(yǔ)
高性能混凝土的研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)混凝土的技術(shù)性能有了重大的突破，對(duì)節(jié)能、工程質(zhì)量、工程經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與勞動(dòng)保護(hù)等方面都具有重大的意義?？梢灶A(yù)期，高性能混凝土在工程上的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒀杆贁U(kuò)大，并取得更大、更多的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。從目前的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀來(lái)看，還值得進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容是：礦物細(xì)摻合料的科學(xué)分類(lèi)和品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及其與混凝土外加劑之間的相容性；高性能混凝土多組分復(fù)合材料的復(fù)合化超疊加效應(yīng)；高強(qiáng)度高性能混凝土的韌性等等問(wèn)題。相信在今后研究取得的機(jī)關(guān)報(bào)成就必將使高性能混凝土的性能得到進(jìn)一步的提高和改善。
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