高性能混凝土技術(shù)發(fā)展的一些動態(tài)和問題
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，國外學(xué)者曾稱之為21世紀(jì)混凝土。挪威于1986年首先對此進(jìn)行了研究，在1990年由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與美國混凝土學(xué)會（ACI）共同主辦的一次研討會上正式定名。由于高性能混凝土具有綜合的優(yōu)異技術(shù)特性，引起了國內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。十多年來，世界上許多國家相繼投入了大量的人力、財力、物力進(jìn)行該項研究與開發(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、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)又有實用價值的科技成果，內(nèi)容豐盈，實難在一文中罄書。本文僅擬對高性能混凝土與高強混凝土的區(qū)別、高性能混凝土在性能上尚存在的問題及其改善的途徑以及高性能混凝土的一個新進(jìn)展——免振自密實混凝土三個方面，根據(jù)所見的國外技術(shù)文獻(xiàn)和個人的一些認(rèn)識作一基本介紹。
2 高性能混凝土就與高強混凝土有所區(qū)別
高性能混凝土可以認(rèn)為是在高強混凝土基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高，也可說是高強混凝土的進(jìn)一步完善。由于近些年來，在高強混凝土的配制中，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似，而且在有的國家早期發(fā)表的文獻(xiàn)報告中曾提到：“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗壓強度，但仍需達(dá)到55MPa（8000psi）以上”。因此，至今國內(nèi)外有些學(xué)者仍然將高性能混凝土與高強混凝土在概念上有所混淆。在歐洲一些國家常常把高性能混凝土與高強混凝土并提（HPC/HSC）。
高強混凝土僅僅是以強度的大小來表征或確定其何謂普通混凝土、高強混凝土與超高強混凝土，而且其強度指標(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。
不同的國家，不同的學(xué)者因有各自的認(rèn)識、實踐、應(yīng)用范圍和目的要求上的差異，對高性能混凝土曾提出過不同的解釋和定義，而且在性能特征上各有所側(cè)重。1990年美國NIST與ACI對高能混凝土命名時，曾提出一個定義：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，美國混凝土學(xué)會又給出一個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)護的習(xí)慣做法所獲得。”
把高強混凝土混同于高性能混凝土，不僅僅是定義上的問題，值得探討的是：
（1）高強混凝土必然具有良好的耐久性？
（2）高性能混凝土必需具有高強度？
美國教授P.K.Mehta早在1990年就提出：“把高強混凝土假定為高性能混凝土，嚴(yán)格地說，這種假定是錯誤的?！?/FONT>
我國已故的吳中偉院士也在1996年提出：“有人認(rèn)為混凝土高強度必然是高耐久性，這是不全面的，因為高強混凝土?xí)硪恍┎焕谀途眯缘囊蛩亍?。高性能混凝土還應(yīng)包括中等強度混凝土，如C30混凝土。”1999年又提出：“單純的高強度不一定具有高性能。如果強調(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、水工建筑對混凝土強度要求并不高（C30左右），但對耐久性要求卻很高，而高性能混凝土恰能滿足此要求。
美國學(xué)者S.P.Shah教授最近也進(jìn)出：“盡管高強混凝土具有較高的強度和較低的滲透性，但是高強混凝土并不具有所需耱的綜合耐久性?！?/FONT>
美國學(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)步不能以高強為目標(biāo)，而應(yīng)是高性能，單純以高抗壓強度來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，包括不同強度等級的高性能混凝土，如普通強度的高性能混凝土、高強高性能混凝土。
3 高性能混凝土在性能上尚存在的問題及其改善的途徑
配制高性能混凝土的特點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，國外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強混凝土、高性能混凝土存在早期收縮開裂的問題。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。混凝土產(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對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，故稱之為自收縮。
高強或高性能混凝土的配制，正因為是低水灰比或水膠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)部的相對濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時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)管中的液面形成變月面，使毛細(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，會導(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，尤以初凝到1d齡期時為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時的自收縮愈大。
自收縮對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴展造成的損傷是一個值得重視的問題。由于硬化后高強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，也阻礙了外部養(yǎng)護水對混凝土的濕養(yǎng)護作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護措施來改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無明顯的效果。國內(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，對降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護（Ponding curing）即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時，盡快地立即進(jìn)行水霧養(yǎng)護，對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)護作用。但此方法需根據(jù)混凝土強度要求而采用。
3.2 脆性
脆性可以描述為混凝土無法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴展與增長。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。眾多的試驗已表明，混凝土的強度愈高，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線過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，高強混凝土的脆性已引起廣泛的重視，而高強的高性能混凝土也同樣呈較大的脆性。在高強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)，即改善了界面過渡區(qū)，也使脆性有所增大。中等強度的高性能混凝土，雖然脆性比高強混凝土有所降低，但是其脆性仍然是個問題。
混凝土脆性的增大會給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來很大的危害。在高性能混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。國外已有學(xué)者提出HPFRC（纖維增強高性能混凝土），而且將之與纖維增強傳統(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)變的對比。
纖維增強傳統(tǒng)混凝土比無纖維增強的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強高性能混凝土與無纖維增強的基材相比，在HPFRC的拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線中有三個特征是值得重視的：[Page]
?。?）彈性極限顯著提高了。強性極限反映宏觀裂縫出現(xiàn)的起點。
?。?）呈現(xiàn)出有一明顯的應(yīng)變強化段。應(yīng)變強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。
（3）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。
對于纖維品種的選用，試驗表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對改善高性能混凝土的脆性比合成纖維更為有效。
4 免振自密實混凝土（Self-compacting Concrete）
由于免振自密實混凝土具有十分良好的工作性，使混凝土的填充性、密實性、均勻性得到顯著的提高，成為混凝土技術(shù)的一項新的進(jìn)展而被列為高性能混凝土一族。
免振自密實混凝土是近十多年來由日本首先研究開發(fā)并付諸工程應(yīng)用的一項近代混凝土技術(shù)。由于免振自密實混凝土在工程上應(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生產(chǎn)率、加快施工進(jìn)度降低工程費用等技術(shù)經(jīng)濟效果，近年來世界各國對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混凝土澆注。
顧名思義，免振自密實混凝土是在澆筑時僅靠混凝土自身的重力而不需要任何搗實外力而達(dá)到自密實、自流平的一種混凝土。免振自密實混凝土應(yīng)具有三個特性：
?。?）流動性；
?。?）良好的穩(wěn)定性——不離析；
?。?）鋼筋和模板中的任何間隙，具有良好的通過能力，不產(chǎn)生阻塞。
根據(jù)上述三個特性的要求，免振自密實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，流動性與粒子離析間的平衡是必需的。新拌免振自密實混凝土要在沒有外力作用下充分填實混凝土模板中的一切空隙并達(dá)到密實，更是要兼具良好的流動性與穩(wěn)定性。
為獲得高流動性，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，有時還需摻入粘度改性劑（增粘劑）。
為使混凝土能流暢地通過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來評定的，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，免振自密實混凝土的基體是自由流動的超細(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。對于漿體而言，除了要求具有高流動性外，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 的 漿 體 細(xì)集料
↓ ↓
自 由 流 動 的 砂 漿 粗集料
↓ ↓
自 密 實 混 凝 土
免振自密實混凝土的配合比設(shè)計，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）是免振自密實混凝土配合比設(shè)計中的一項重要參數(shù)。銘振自密實混凝土的流動性將隨S/A的增大而增大，而對彈性模量無明顯的影響。水灰比基本上按所需的混凝土抗壓強度來確定。由于免振自密實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，免振自密實混凝土的配合比設(shè)計建議采用體積比而不用重量比。
對于超細(xì)物料的選用，由于超細(xì)物料往往具有較高與較強的吸水性，宜擇其需水量最低者。國外學(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，其物理特性見表1。
通過自由流動漿體的稠度試驗、自由流動砂漿的流動性試驗，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 |
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定儀測得；粒徑分布在0.016～0.25mm范圍內(nèi)。
配制免振自密實混凝土的外加劑，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時間內(nèi)保持免振自密實的功能。在配制免振自密實混凝土?xí)r的外加劑摻量宜適當(dāng)增加到2%。
實驗結(jié)果表明，在同水灰比的條件下，免振自密實混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、鋼筋握裹力等物理力學(xué)性能均比傳統(tǒng)的振動密實混凝土有所提高，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)，避免了在振動密實過程中水分在集料周圍的聚集。此外，免振自密實混凝土面層的孔隙比振動密實混凝土低。當(dāng)采用泵送法施工，從模板底開始輸送，還可顯著提高混凝土面層的平整度。免振自密實混凝土不僅可廣泛用于新建工程，用于修補工程也有顯著效果。
5 結(jié)語
高性能混凝土的研究與開發(fā)應(yīng)用，對傳統(tǒng)混凝土的技術(shù)性能有了重大的突破，對節(jié)能、工程質(zhì)量、工程經(jīng)濟、環(huán)境與勞動保護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大，并取得更大、更多的技術(shù)經(jīng)濟效益。從目前的研究開發(fā)現(xiàn)狀來看，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)；高強度高性能混凝土的韌性等等問題。相信在今后研究取得的機關(guān)報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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