论文部分内容阅读
一、高性能混凝土产生的背景和研究现状
1.背景
未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。
2.研究现状及发展方向
2.1绿色高性能混凝土
水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，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背道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。
2.2超高性能混凝土
超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（Reactive Powder con-crete，RPC），其特点是高强度，抗压强度高达300MPa，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。
二、高性能混凝土的性能研究和应用分析
1.高性能混凝土的概念
高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将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混凝土。
2.高性能混凝土的性能
与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：
2.1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，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。
2.2工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，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。
2.3力学性能。由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。
2.4体积稳定性。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土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。
3. 高性能混凝土发展和应用中所面临的问题
在高性能混凝土的施工过程中，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；在高性能混凝土的耐久性方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩，使混凝土表面产生裂缝，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，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使混凝土表面产生裂缝，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；在高性能混凝土的设计方面，由于高性能混凝土的后期强度增长不及普通混凝土，而且脆性大，需要特别注意。同时，在高性能混凝土的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际工况相差较大，这不利于今后高性能混凝土的推广应用。
三、高性能混凝土质量与施工控制
1.高性能混凝土原材料及其选用
细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂，其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响，一般情况下，砂子越粗，混凝土的强度越高。配制C50～C80的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂，对于C80～C100的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。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。由于高性能混凝土要求强度较高，就必须使粗集料具有足够高的强度，一般粗集料强度应为混凝土强度的115倍～210倍或控制压碎指标值>10﹪。
2.配合比设计控制要点
在以往的配合比设计方法中，是按混凝土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和料的比例。由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为C30或C35，一般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，混凝土的强度一般都是超强的。在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。
四、高性能混凝土的特点
高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性， 而耐久性则取决于抗渗性；抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关。由于高性能混凝土掺加了高效减水剂，其水胶比很低（≤0138），水泥全部水化后，混凝土没有多余的毛细水，孔隙细化，最可几孔径很小， 总孔隙率低；再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后，混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低，而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构， 使其≥100μm的孔含量得到明显减少，矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱- 集料反应、抗硫酸盐腐蚀，以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。
五、绿色高性能混凝土
1.研发绿色高性能混凝土的必要性
1990年美国首先提出了高性能混凝土，得到了世界各国和专家的认可，法国政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等单位开展了高性能混凝土的研究。1996年，法国公共工程部和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”，投人了600万美元作为研究经费。1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施施工中应用高性能混凝土的决议，并决定在10年投资2亿美元进行研究。绿色是绿色环保，人类社会越发展，对绿色环保的要求越迫切。
2.绿色高性能混凝土的可行性
绿色高性能混凝土是混凝土发展的方向，是我国国情的需要，是建筑工程发展的需要，是为了子孙后代造福的需要， 2005年建设部发布了《关于进一步做好建筑业10项新技术推广应用的通知》（建质〔2005〕）26号）文件中第2项既是“高性能混凝土技术”。建设部部长汪光熹在第2届国际智能绿色节能大会上表示：中国将大力开展科技创新以支援和促进行业发展，将对既有建筑节能改造成套技术，低能耗大型公关建筑技术等加快技术公关，推动以节能、节地、节水、节材和环保为核心的建筑技术发展，逐步提高绿色建筑比重。因此，研发绿色高性能混凝土体现科学发展观，是利国利民，惠及子孙之事。上述这些都为绿色高性能混凝土的研究与应用打下了良好的基础。
六、高性能混凝土的发展前景
随着HPC的开发和应用， 建筑对生态环境产生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。有专家指出， 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，高性能混凝土的技术核心是在限制水泥用量以获得混凝土高性能的同时，坚持其可持续性的发展原则。
1.背景
未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。
2.研究现状及发展方向
2.1绿色高性能混凝土
水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，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背道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。
2.2超高性能混凝土
超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（Reactive Powder con-crete，RPC），其特点是高强度，抗压强度高达300MPa，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。
二、高性能混凝土的性能研究和应用分析
1.高性能混凝土的概念
高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将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混凝土。
2.高性能混凝土的性能
与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：
2.1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，减少混凝土内部的空隙，能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。
2.2工作性。坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，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。
2.3力学性能。由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。
2.4体积稳定性。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土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。
3. 高性能混凝土发展和应用中所面临的问题
在高性能混凝土的施工过程中，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；在高性能混凝土的耐久性方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩，使混凝土表面产生裂缝，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，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使混凝土表面产生裂缝，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；在高性能混凝土的设计方面，由于高性能混凝土的后期强度增长不及普通混凝土，而且脆性大，需要特别注意。同时，在高性能混凝土的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际工况相差较大，这不利于今后高性能混凝土的推广应用。
三、高性能混凝土质量与施工控制
1.高性能混凝土原材料及其选用
细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂，其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响，一般情况下，砂子越粗，混凝土的强度越高。配制C50～C80的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂，对于C80～C100的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。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。由于高性能混凝土要求强度较高，就必须使粗集料具有足够高的强度，一般粗集料强度应为混凝土强度的115倍～210倍或控制压碎指标值>10﹪。
2.配合比设计控制要点
在以往的配合比设计方法中，是按混凝土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和料的比例。由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为C30或C35，一般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，混凝土的强度一般都是超强的。在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35～C40不宜高于450kg/m3。
四、高性能混凝土的特点
高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性， 而耐久性则取决于抗渗性；抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关。由于高性能混凝土掺加了高效减水剂，其水胶比很低（≤0138），水泥全部水化后，混凝土没有多余的毛细水，孔隙细化，最可几孔径很小， 总孔隙率低；再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后，混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低，而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构， 使其≥100μm的孔含量得到明显减少，矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱- 集料反应、抗硫酸盐腐蚀，以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。
五、绿色高性能混凝土
1.研发绿色高性能混凝土的必要性
1990年美国首先提出了高性能混凝土，得到了世界各国和专家的认可，法国政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等单位开展了高性能混凝土的研究。1996年，法国公共工程部和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”，投人了600万美元作为研究经费。1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施施工中应用高性能混凝土的决议，并决定在10年投资2亿美元进行研究。绿色是绿色环保，人类社会越发展，对绿色环保的要求越迫切。
2.绿色高性能混凝土的可行性
绿色高性能混凝土是混凝土发展的方向，是我国国情的需要，是建筑工程发展的需要，是为了子孙后代造福的需要， 2005年建设部发布了《关于进一步做好建筑业10项新技术推广应用的通知》（建质〔2005〕）26号）文件中第2项既是“高性能混凝土技术”。建设部部长汪光熹在第2届国际智能绿色节能大会上表示：中国将大力开展科技创新以支援和促进行业发展，将对既有建筑节能改造成套技术，低能耗大型公关建筑技术等加快技术公关，推动以节能、节地、节水、节材和环保为核心的建筑技术发展，逐步提高绿色建筑比重。因此，研发绿色高性能混凝土体现科学发展观，是利国利民，惠及子孙之事。上述这些都为绿色高性能混凝土的研究与应用打下了良好的基础。
六、高性能混凝土的发展前景
随着HPC的开发和应用， 建筑对生态环境产生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。有专家指出， 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，高性能混凝土的技术核心是在限制水泥用量以获得混凝土高性能的同时，坚持其可持续性的发展原则。