关于高性能混凝土的应用研究
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作者: 胡向发
【摘要】随着社会进步和人们对资源、环境、施工、使用及性能要求的不断提高,混凝土面临着来自使用环境条件恶劣和高耐久性要求的更大挑战。桥梁工程采用高性能混凝土，提高混凝土的抗折强度与耐久性是当前混凝土的发展趋势。
【关键词】高性能；混凝土；耐久性
根据国际上目前的研究成果,可以认为HPC是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术, 选用优质原材料, 除水泥、水、集料外, 必须掺加足够数量的活性细掺料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土, 是以耐久性作为设计的主要指标, 针对不同用途的要求, 对下列性能有重点地加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。
1.高性能混凝土的特点
1.1 高耐久性
混凝土的耐久性是指其抵抗大气环境作用、化学侵蚀、磨损及其他劣化作用的能力。劣化是指混凝土的原有性能随着时间延长而不断退化,其中既有物理作用, 又有化学作用,混凝土工程中最常见的劣化过程有钢筋锈蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀和碱一骨料反应等。不管何种劣化过程,其先决条件是混凝土体内须有充足的水分和其他有害物质的侵入。想让混凝土具有高耐久性,必须使混凝土具有足够的密实性；由于采用低用水量(水胶比低于0.4)、较低的水泥用量、较高的活性矿物掺合料,高性能混凝土的密实性高,使水和其他一些有害物质难以渗入，且矿物掺合料还能抑制某些有害介质的作用,如硫酸盐侵蚀等,所以,高性能混凝土具有高耐久性。
1.2 施工性和适用性
现代的混凝土桥梁向大跨度、高荷载发展,预应力混凝土梁体布筋密集,要求混凝土拌合物具有良好的工作性能,易于浇灌、捣实,在施工过程中不出现离析现象，能适用于各种桥梁工程,如钢管混凝土拱桥、斜拉桥桥塔、预应力箱梁等；施工性能好,才能保证混凝土的浇筑质量,才能保证混凝土的密实性、强度、体积稳定性及耐久性。高性能混凝土由于掺用大量的磨细矿渣,在配制时尤其要注重改善其粘性
1.3 高体积稳定性
混凝土的体积稳定性直接影响结构的受力性能,严重者会影响结构的安全。混凝土的体积变形包括收缩变形、弹性变形、徐变变形和温度变形。收缩变形是混凝土的固有特性,不均匀的收缩变形会引起混凝土的内应力并因此产生裂缝,影响强度和耐久性；弹性变形是所有材料共有的变形,弹性模量越大,变形越小；徐变变形是混凝土在荷载作用下随时间增加而产生的不利变形,会影响结构的安全；温度变形是指混凝土在约束条件下热胀冷缩或者因内外温差而产生的变形。
减少收缩主要应从减少用水量、减少水泥浆用量、提高混凝土的密实性入手。
减少徐变的主要办法有：提高混凝土的强度,减少混凝土中的水泥浆含量,不要过早使混凝土承受荷载等。
提高弹性模量的办法有：提高混凝土的强度,采用弹性模量高的集料,改善混凝土的级配,提高混凝土密实度。
对体积稳定性的要求,国际上还没有一个统一的标准。一般来说,要求混凝土的收缩变形、徐变变形小,弹性模量高,温度膨胀系数尽量与钢筋一致。
1.4 经济性
与同等强度等级的普通混凝土相比,高性能混凝土的水泥用量较少,从胶凝材料上节约的费用可抵消使用新型高效减水剂所增加的支出,甚至于还能降低混凝土的成本。对于在恶劣环境中使用的基础设施工程,如沿海、跨海桥梁等,采用普通混凝土不能满足设计要求,要求采取特殊措施,如在混凝土中掺加抗渗剂、防腐剂等,其成本比高性能混凝土还高。如果再考虑后期维护费用与安全使用寿命,高性能混凝土的全寿命成本将远远低于相同使用环境中的普通混凝土。
2.高性能混凝土的配制要求
2.1 水泥
高性能混凝土应采用矿物组成合理、细度合格的高标号水泥，还应注意尽可能选择标准稠度需水量较小和水化热较低的水泥，这样容易选择超塑化剂并在较小的单位水量下获得良好的流动性。一般常用42.5级以上的硅酸盐水泥。
2.2 骨料
配制高性能混凝土的骨料与普通混凝土的要求不同，骨料本身的强度要高，一般选用花岗岩、硬质砂岩及石灰岩等。还需控制骨料的粒径、表面特征、用量、吸水率等指标。
2.3 水灰比
配制高性能混凝土的重要措施是减小水灰比，使混凝土密实性提高，其强度和耐久性可显著增长。一般水灰比在0.3左右，用水量不大于160kg/m3。
2.4 高效减水剂
高效减水剂是表面活性剂，可以大大提高水泥浆的流动性，使得低水灰比配制的混凝土具有高坍落度。同时，还能促进水泥的水化作用，提高早期强度。高效减水剂赋予混凝土高密实度即高强度、高耐久性，同时具有优异的施工性能。
2.5 矿物掺合料
矿物质掺合料是高性能混凝土的又一必不可少组成材料。这类掺合料可以是优质粉煤灰、超细矿渣与天然沸石粉，或硅粉。可单独添加或同时并用，目的在于改善混凝土拌和物的流变性能，提高混凝土强度和耐久性。
2.6 配合比设计
高性能混凝土配合比设计目标首先是高耐久性，并兼顾工作性与强度。为此，世界各国学者均提出了各自的有关高性能混凝土配合比设计方法。如法国路桥实验中心建议的有关高性能混凝土设计方法；日本阿部道彦采用的高性能混凝土配合比计算方法等，基于最大密实度理论而提出的高性能混凝土配合比设计方法。高性能混凝土对原材料质量及配合比参数变化都较敏感，故配合比计算的精确度要求较高，为此，世界各国学者研究了高性能混凝土配合比设计的计算机化，例如清华大学博士研究生王德怀进行的“高性能混凝土配合比设计与质量控制的计算机化”课题研究；法国路桥实验中心提出的优化高性能混凝土配合比设计的RENE―LCPCTM软件等。
高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。用于桥梁尤其是大跨度桥梁的高性能混凝土应满足：(1)水胶比≤0.4，(2)强度≥41.4MPa，(3)低徐变率。
3.高性能混凝土在桥梁工程中的应用
高性能混凝土广泛用于很多离岸结构物和大跨度桥梁的建造，包括大跨度桥梁所用的拌合物。它们主要用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥。高性能混凝土有广泛的应用性，具有易于浇注、捣实而不离析、高超的、能长期保持的力学性能，早期强度高，韧性高和体积稳定性好，在恶劣的使用条件下长寿命、高强度、高流动性与优异的耐久性。推广高性能混凝土在桥梁中的应用，延长桥梁的使用年限和获得更好的经济效益。人们所关注的是高性能混凝土，而不仅仅是高强度混凝土。耐久性、养护的难易程度以及建设的经济性已成为工程建设的目标。当前国内应用较好的如上海东海大桥用的混凝土，设计寿命100年，使用的“高性能海工混凝土”是粉煤灰、矿粉等废料化腐朽为神奇，成为特殊的掺和材料，使海工混凝土既有高强度、耐久性、抗腐蚀等特性，又易于施工，直接节约材料成本2000万元。不仅效果稳定，还能提前感知混凝土的过度疲劳。高性能混凝土在桥梁工程中应用的优点是：①跨径更长；②主梁间距更大；③构件更薄；④耐久性增强；⑤力学性能加强。
4.高性能混凝土的施工要点（下转第142页）
（上接第91页）高性能混凝土由于水胶比低、掺合料用量大、聚羧酸系高效减水剂对用水量相对敏感,所以,在拌制混凝土前应将砂、石翻拌均匀,准确测定其含水率,按照配合比准确计量,保证搅拌时间在3～5min；采用泵送法施工时,高性能混凝土拌合物的坍落度宜控制在(200士20)mm,坍落扩展度宜控制在(500士50)mm,倒坍落度筒流出时间在10～25s为宜；浇捣时间以工艺试验结果确定；对浇筑成型后的混凝土立即进行遮盖养护,遮阳防风、保温、保湿,湿养护至少7d以上；拆模时控制内外温差不大于15℃,以避免混凝土开裂。
5.结语
高性能混凝土以其优异的性能使得普通混凝土向高性能混凝土发展成为必然趋势。高性能混凝土是混凝土技术进步的标志。我国在发展高性能混凝土方面才刚刚起步，需要科研、教学、设计、施工部门携手协作，共同促进高性能混凝土的发展。[科]
【参考文献】
［1］中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会.高强混凝土结构设计与施工指南(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社,2001：158.
［2］姚燕,王玲,田培.高性能混凝土[M].北京：化学工业出版社,2006：287-290.
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