高性能混凝土發(fā)展現(xiàn)狀及展望

　　水泥混凝土是近現(xiàn)代最廣泛使用的建筑材料，也是當(dāng)前最大宗的人造材料。進(jìn)入20世紀(jì)以來，以混凝土為建筑材料的工程結(jié)構(gòu)物得到飛速發(fā)展，與其他建筑材料相比，混凝土以其良好的綜合性能已成為樓宇、橋梁、大壩、公路和城市運(yùn)輸系統(tǒng)等現(xiàn)代化標(biāo)志的首選材料。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界每年消耗的混凝土量不少于45億立方米，而且在21世紀(jì)將繼續(xù)穩(wěn)定增長。

　　水泥混凝土從問世以來，經(jīng)歷了低強(qiáng)度、中等強(qiáng)度、高強(qiáng)度乃至超高強(qiáng)度的發(fā)展歷程，似乎人們總是樂于追求強(qiáng)度的不斷提高。但是近四五十年以來，混凝土結(jié)構(gòu)物因材質(zhì)劣化造成過早失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外都屢見不鮮，并有愈演愈烈之勢。這些混凝土工程的過早破壞，其原因不是由于強(qiáng)度不足，而是由于混凝土耐久性不良。例如，在日本海沿岸，許多港灣建筑、橋梁等，建成后不到10年的時間，混凝土表面即出現(xiàn)開裂、剝落，鋼筋銹蝕外露。美國國家材料顧問委員會1987年提交的報告報道，約有253萬座混凝土橋面板出現(xiàn)不同程度的破壞(其中部分僅使用不到20年)，而且每年還將增加35萬座；同年Litvan和Bickley發(fā)表了對加拿大停車場的檢測報告，他們發(fā)現(xiàn)大量停車場在遠(yuǎn)比預(yù)計(jì)的服務(wù)壽命要早得多就出現(xiàn)破壞。美國1991年在提交國會的報告《國家公路和橋梁現(xiàn)狀》中指出，美國當(dāng)時的全部混凝土工程價值約6萬億美元，而每年用于維修的費(fèi)用高達(dá)300億美元；南非1981年用于拆換橋梁、擋土墻、墩柱、路面、路緣、蓄水壩、系樁柱、防波堤、電桿基礎(chǔ)等的經(jīng)費(fèi)就超過2700萬英鎊，這些結(jié)構(gòu)物多是在建成后3～10年內(nèi)就發(fā)現(xiàn)開裂破壞。英格蘭島中部環(huán)形線的21km快車道，11座混凝土高架橋的建造費(fèi)是2800萬英鎊(1972年)，因冬季撒鹽化冰雪，兩年后就發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕將混凝土順筋脹裂，到1989年的15年間，修補(bǔ)費(fèi)高達(dá)4500萬英鎊(即為造價的16倍)，估計(jì)以后15年(到2004年)還要耗費(fèi)12億英鎊(累計(jì)接近造價的6倍)!日本目前每年僅用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費(fèi)用即達(dá)400億日元以上，日本引以自豪的“新干線”使用不到10年就出現(xiàn)大面積混凝土開裂、剝蝕現(xiàn)象。

　　我國基本建設(shè)比發(fā)達(dá)國家遲三十多年，但已建的一些工程也有類似令人堪憂的狀況，有不少混凝土工程使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有建筑面積50億平方米，其中約23億平方米需分期分批進(jìn)行鑒定加固，近10億平方米急需維修加固。1989年，建設(shè)部科技發(fā)展司組織調(diào)查組對北京、西寧、貴陽等地的一些建筑物進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，建國初期的建筑均已達(dá)到必須大修的狀態(tài)，現(xiàn)有大多數(shù)工業(yè)建筑不能滿足安全使用50年的要求，一般使用25～30年就需大修和加固。我國在50年代興建的大壩有許多已經(jīng)成為陷入危境的“病壩”：截至1997年年底，馳名中外的安徽佛子嶺、梅山、響洪甸三座老壩共虧損1億多元，僅佛子嶺1997年一年就虧損1700萬元，而在修補(bǔ)佛子嶺的設(shè)計(jì)預(yù)算中，只修兩個拱就需要1400萬元。1985年水電部調(diào)查報告表明：我國水工混凝土的凍融破壞在“三北”地區(qū)的工程中占100%，這些大型混凝土工程一般運(yùn)行也就30年左右，有的甚至不到20年，如云峰寬縫重力壩，運(yùn)行19年后下游面受破損顯著，表面剝蝕露出骨料，總面積約8500平方米；而豐滿重力壩自從運(yùn)行后就年年維修，運(yùn)行33年后，上、下游面及尾水閘墩破損明顯，表面露出鋼筋，凍害嚴(yán)重，致使壩頂抬高10余厘米。港口碼頭工程，特別是接觸海水工程，其受凍破壞的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，破壞的結(jié)構(gòu)主要是防波堤、胸墻、碼頭、棧橋等，如天津新港的防波堤，采用普通混凝土的部分，經(jīng)十幾年左右的運(yùn)行，就被凍融破壞以致不能發(fā)揮作用了。地處寒冷地區(qū)的水電站、工業(yè)廠房、鐵道橋涵、交通部門的混凝土路面、橋梁及市政工程等的混凝土，接觸雨水、蒸汽的部分，排水系統(tǒng)及受滲透水作用的部分，都受到了凍融破壞，如通遼發(fā)電廠的冷卻塔，筒壁混凝土由于滲水致使混凝土遭受凍融破壞而發(fā)生表皮剝落、空鼓等現(xiàn)象。

　　為使上述及類似工程繼續(xù)發(fā)揮作用，各部門每年都要耗巨資加以維修，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，混凝土工程安全使用期和維護(hù)使用期的比例為1：3～10，但維護(hù)使用期的維修費(fèi)用卻高達(dá)建設(shè)費(fèi)用的1～3倍。我國南方海港浪濺區(qū)鋼筋混凝土建筑物由于以往設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低和施工質(zhì)量問題，通常使用8～10年即出現(xiàn)因氯鹽腐蝕鋼筋引起的開裂剝落破壞，維修費(fèi)用及由此造成的直接、間接經(jīng)濟(jì)損失驚人，例如某10萬噸級礦石中轉(zhuǎn)碼頭，使用不到十年即要大修，大修防護(hù)費(fèi)用預(yù)計(jì)高達(dá)上千萬元。有專家預(yù)計(jì)，21世紀(jì)初我國將出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)物的維修高潮，每年所需的維修費(fèi)用可能高達(dá)數(shù)千億元。我國北方如北京、天津等地的鋼筋混凝土立交橋，即使沒有像美國北方冷天要常撒鹽化冰雪，使用時間也并不長，卻已廣泛顯示鋼筋銹蝕和混凝土順筋脹裂的破壞跡象，并日益加劇發(fā)展。1998年，曾調(diào)查我國北方某國際機(jī)場使用僅數(shù)年的混凝土停機(jī)坪，發(fā)現(xiàn)混凝土道面多數(shù)出現(xiàn)坑蝕剝落破壞，嚴(yán)重影響飛機(jī)正常安全起降。后分析得知是由于道面混凝土遭受凍融及除冰鹽侵蝕雙重破壞作用所致。

　　可見，由于混凝土的耐久性劣化或失效，世界各國為此付出的代價十分沉重。然而，值得慶幸的是，由于工程安全因素更由于耗費(fèi)巨資的經(jīng)濟(jì)因素提醒了我們，現(xiàn)在，混凝土耐久性問題已越來越受到人們的重視。美國學(xué)者用“五倍定律”形象地說明了耐久性的重要性，尤其是設(shè)計(jì)對耐久性問題的重要性，例如設(shè)計(jì)時，對新建項(xiàng)目在鋼筋防護(hù)方面無謂地每節(jié)省1美元，就意味著當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時采取措施要多追加維修費(fèi)5美元，順筋開裂時需多追加維修費(fèi)25美元，嚴(yán)重破壞時需多追加維修費(fèi)125美元。沉重的代價使人們認(rèn)識到，不僅要用耐久性良好的材料及時修復(fù)已出現(xiàn)耐久性劣化的混凝土工程，更重要的是必須使今后新建的混凝土工程具有足夠的耐久性以保證設(shè)計(jì)使用壽命，例如一些國家要求建設(shè)更為耐久的結(jié)構(gòu)物，設(shè)計(jì)使用壽命為100年或更長。為此，世界各國都開始專門研究混凝土的耐久性及其改善技術(shù)。日本建設(shè)省從1980年就組織進(jìn)行“建筑物耐久性提高技術(shù)”的開發(fā)研究，并于1985年提交了研究成果概要報告，1986年開始陸續(xù)出版發(fā)行了《建筑物耐久性系列規(guī)程》。有關(guān)混凝土耐久性的國際會議也已召開多次，反映了各國研究的最新成果。由歐洲RILEM等公司發(fā)起的建筑材料與構(gòu)件的耐久性國際會議，自1976年以來，每三年舉行一次；1989年美國和葡萄牙都舉辦了有關(guān)結(jié)構(gòu)耐久性的國際會議；1991年美國和加拿大聯(lián)合舉行了第二屆混凝土結(jié)構(gòu)耐久性國際學(xué)術(shù)會議。混凝土的耐久性問題在我國也日益受到重視。全國鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會混凝土結(jié)構(gòu)耐久性學(xué)術(shù)組于1991年成立；中國土木工程學(xué)會混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會混凝土耐久性專業(yè)委員會也于1992年11月在濟(jì)南成立。我國的混凝土耐久性研究已進(jìn)入有組織的工作階段。我國正處于基本建設(shè)的高潮期，特別是當(dāng)前國家西部大開發(fā)的戰(zhàn)略部署，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施工程正在或即將建設(shè)，每年混凝土用量高達(dá)十多億立方米，其中許多設(shè)施屬重點(diǎn)工程，如三峽水利樞紐工程、跨海跨江的特大型橋梁、高等級公路、大中型飛機(jī)場等，都是國家投以巨資的項(xiàng)目，均要求高壽命。發(fā)達(dá)國家走過的路已經(jīng)表明，如果不重視工程混凝土的耐久性，將付出極大的經(jīng)濟(jì)代價，甚至影響經(jīng)濟(jì)建設(shè)的推進(jìn)步伐。所以我國十分重視工程質(zhì)量和耐久性，朱基總理就曾對三峽工程作出指示——“千年大計(jì)，國運(yùn)所系”；國家計(jì)委、國家科技部在“九五”期間安排了由8家實(shí)力雄厚的科研院所承擔(dān)的重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“重點(diǎn)工程混凝土安全性的研究”，針對混凝土安全性存在的抗堿—骨料反應(yīng)性、耐腐蝕性、抗凍性、耐鋼筋銹蝕性等問題，從材料角度研究混凝土的耐久性。

　　由此看來，混凝土耐久性已成為國際工程界普遍關(guān)注的重大課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，人類生產(chǎn)活動涉及的范圍越來越廣，各種在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的混凝土工程，如跨海大橋、海洋工程、核反應(yīng)堆、電站大壩等不斷增多，這些工程關(guān)系國計(jì)民生，必須實(shí)現(xiàn)百年大計(jì)甚至千年大計(jì)，這就更加要求混凝土具有優(yōu)異的耐久性即足夠長的使用壽命。

　　為此，人們對混凝土耐久性的追求已越來越主動和自覺，甚至超過了過去對混凝土強(qiáng)度的追求，于是以高耐久性為核心內(nèi)容的高性能混凝土(High Performance Concrete，簡稱HPC)便應(yīng)運(yùn)而生了。

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一、高性能混凝土的定義

　　高性能混凝土這種新型混凝土是在20世紀(jì)90年代初才提出的。高性能混凝土這一名詞的出現(xiàn)至今也就10多年，不同國家、不同學(xué)者按照各自的認(rèn)識、實(shí)踐、應(yīng)用范圍和目的要求，對高性能混凝土給出了不同的定義和解釋。

　　1.美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與美國混凝土協(xié)會(ACI)于1990年5月在馬里蘭州Gaithersburg城召開的討論會上指出：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)材料配制的，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)。

　　2.美國的PKMehta認(rèn)為：高性能混凝土不僅要求高強(qiáng)度，還應(yīng)具有高耐久性，且耐久性應(yīng)當(dāng)放在高性能混凝土的首位，同時具有高體積穩(wěn)定性(高彈性模量、低干縮率、低徐變和低的溫度應(yīng)變)、高抗?jié)B性及高工作性。

　　3.法國的Malier認(rèn)為：高性能混凝土的特點(diǎn)在于有良好的工作性、高的強(qiáng)度和早期強(qiáng)度、工程經(jīng)濟(jì)性高和高耐久性，特別適用于橋梁、港工、核反應(yīng)堆以及高速公路等重要的混凝土建筑結(jié)構(gòu)中。

　　4.日本的小澤一雅和岡村甫認(rèn)為：高性能混凝土應(yīng)具有高工作性(高的流動性、粘聚性與可澆筑性)、低溫升、低干縮率、高抗?jié)B性和足夠的強(qiáng)度。他們強(qiáng)調(diào)高性能混凝土首先應(yīng)具備高工作性，甚至要達(dá)到免振搗，即自流平的狀態(tài)。

　　5.日本的Sarkar提出：高性能混凝土具有較高的力學(xué)性能(如抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度)、高耐久性(如抗凍融循環(huán)、抗碳化和抗化學(xué)侵蝕性)、高抗?jié)B性，屬于水膠比很低的混凝土家族。

　　6.加拿大Pierr-Claude和Adam Neville于1993年提出：高性能混凝土除比普通混凝土抗壓強(qiáng)度高以外，還具有高彈性模量、高密實(shí)性能、低滲透性以及能抵御多種形式侵蝕的性能；特別適用于高層建筑、橋梁及暴露在惡劣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)。

　　7.以美國弗吉尼亞州交通研究院的CO(jiān)zyildirim為代表強(qiáng)調(diào)：用于交通設(shè)施的高性能混凝土最重要的性能是低滲透性與高早期強(qiáng)度，在一些特殊設(shè)施中還要求較高的極限強(qiáng)度(40～60MPa)。

　　8.我國的吳中偉院士給出高性能混凝土的如下定義：高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)材料，在嚴(yán)格質(zhì)量管理?xiàng)l件下制成的；除了水泥、水、骨料外，必須摻加足夠數(shù)量的摻合料和高效外加劑，且水膠比較低；針對不同用途要求，高性能混凝土對下列性能有重點(diǎn)地予以保證：耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，但應(yīng)以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。

　　9.黃大能教授認(rèn)為：高性能混凝土應(yīng)具有適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)性能，但必須有良好的耐久性，能抵抗各種化學(xué)侵蝕作用，體積穩(wěn)定性好。
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　　綜合以上觀點(diǎn)，我們可以看出，大家公認(rèn)高性能混凝土應(yīng)具有高耐久性。本文章也持類似的觀點(diǎn)，即高性能混凝土最核心內(nèi)容是優(yōu)異的耐久性，也就是說高性能混凝土首先應(yīng)具備高耐久性，同時兼有良好的工作性和適宜的強(qiáng)度。此處“適宜的強(qiáng)度”并非指高強(qiáng)度，而是指滿足工程設(shè)計(jì)及使用要求的具有足夠可靠度的強(qiáng)度，即高性能混凝土未必要求很高的強(qiáng)度指標(biāo)。因?yàn)榇罅渴褂玫匿摻罨炷两ㄖ?，如低層和多層房屋及高層房屋的上層部分，又如海工、水工混凝土，尤其是一些大體積混凝土，對強(qiáng)度要求并不高(例如C30左右即足矣)，但對耐久性要求都很高，如日本明石海峽大橋2號和3號大體積柱基，91d設(shè)計(jì)強(qiáng)度只有17MPa(配制強(qiáng)度為24MPa，實(shí)測91d強(qiáng)度為42MPa)，但為了保證這一20世紀(jì)全世界最長懸索橋的安全性和使用壽命，混凝土是按耐久性設(shè)計(jì)的，屬于高性能混凝土。過去忽視耐久性的慘痛教訓(xùn)和未來混凝土工程可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，都告誡我們不論任何強(qiáng)度等級的混凝土，要求其具有足夠的耐久性應(yīng)該總是合理的。過去人們設(shè)計(jì)混凝土只單一以強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，導(dǎo)致很長時期以來人們一直將注意力放在了混凝土強(qiáng)度的不斷提高上而忽視了耐久性，這一趨勢在高性能混凝土提出之后發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

　　總之，高性能混凝土因其優(yōu)異的綜合性能必將逐步取代過去的普通混凝土，可以預(yù)想，21世紀(jì)將成為高性能混凝土的時代

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二、高性能混凝土發(fā)展概況

　　高性能混凝土自提出以后的10多年以來，世界各國都對其進(jìn)行了大量的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用工作。其實(shí)早在高性能混凝土這個名詞誕生以前，世界各國都已在客觀上成功地應(yīng)用了高性能混凝土，例如：

　　美國西雅圖雙聯(lián)廣場　　　　　　　　　　　　　　　　C135混凝土 (1988年)
　　美國芝加哥水塔大廈 　　　　　　　　　　　　　　　 C75混凝土 (1975年)
　　美國紐約Trump塔樓 　　　　　　　　　　　　　　　　C65混凝土 (1981年)
　　加拿大多倫多Nova Scotia廣場中心大廈　　　　　 　　C80混凝土 (1987年)
　　日本明石海峽大橋 　 　　　　　　　　　　　　　　　C40混凝土 (1988年)

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，高性能混凝土的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用快速發(fā)展，世界各國均對此予以高度重視。

　　1986年～1993年，法國由政府組織包括政府研究機(jī)構(gòu)、高等院校、建筑公司等23個單位開展了“混凝土新方法”的研究項(xiàng)目，進(jìn)行高性能混凝土的研究，并建成了示范工程。如Joigny城一座三跨后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋，其混凝土強(qiáng)度等級相當(dāng)于我國C70；又如Civaux核電站2號反應(yīng)堆預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼，高85m，直徑44m，混凝土強(qiáng)度等級為C70，其水泥用量只有240kg/m3，卻有很高的氣密性；再如英吉利海峽隧道襯里，由于設(shè)計(jì)壽命為120年，配制了水灰比為0.35～0.32，水泥用量為400kg/m3的混凝土，抗壓強(qiáng)度為63MPa，滲透系數(shù)極低(K=1.4×10-13m/s)。1996年，法國公共工程部、教育與研究部又組織了為期4年的國家研究項(xiàng)目“高性能混凝土2000”，投入研究經(jīng)費(fèi)550萬美元，對高性能混凝土材料設(shè)計(jì)、耐久性及工程性能進(jìn)行廣泛的研究。

　　日本建設(shè)省于1988～1993年進(jìn)行了一項(xiàng)綜合開發(fā)計(jì)劃“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的超輕質(zhì)、超高層化技術(shù)的開發(fā)(簡稱“新RC計(jì)劃”)”，該計(jì)劃研究內(nèi)容涉及到了有關(guān)高性能混凝土的高工作性、高強(qiáng)度等方面，獲得大量的科研成果，并在工程中獲得了試驗(yàn)驗(yàn)證與工程應(yīng)用。

　　挪威皇家科技研究院的科學(xué)與工程研究基金(SINEF)持續(xù)資助高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土的研究。

　　瑞典1991年～1997年由政府和企業(yè)聯(lián)合出資5200萬克朗，實(shí)施高性能混凝土研究的國家計(jì)劃。

　　加拿大于1990年啟動“優(yōu)質(zhì)混凝土科研網(wǎng)”，這是由該國政府提供科研基金(2.4億加元)的一項(xiàng)國家重大科研項(xiàng)目，集中了7所大學(xué)和兩家公司的科研力量，經(jīng)過8年努力，在高性能混凝土及活性粉末混凝土領(lǐng)域取得了舉世矚目的成果，并制定了有關(guān)高性能混凝土的規(guī)范。

　　美國在高性能混凝土研究應(yīng)用方面成果豐富。1994年，美國聯(lián)邦政府16個機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出了一個在基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中應(yīng)用高性能混凝土的建議，并決定在10年內(nèi)投資2億美元進(jìn)行研究和開發(fā)。美國國家自然科學(xué)基金(NSF)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)、美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)以及一些州政府的運(yùn)輸部和美國工程兵研究機(jī)構(gòu)，都一直投入大量經(jīng)費(fèi)來資助高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土的研究開發(fā)，例如NSF以每年200萬美元的經(jīng)費(fèi)定期資助以西北大學(xué)為首的水泥基復(fù)合材料聯(lián)合研究中心對高性能混凝土進(jìn)行研究。1999年，美國NIST的建筑與防水研究試驗(yàn)室(BFRL)在國際互聯(lián)網(wǎng)上公布了一個“高性能混凝土技術(shù)的伙伴關(guān)系(Partnership for High Performance Concrete Technology)”，由工業(yè)界四個大企業(yè)和國家預(yù)拌混凝土協(xié)會、波特蘭水泥協(xié)會合作，承擔(dān)“商品高性能混凝土結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中計(jì)算機(jī)集成知識系統(tǒng)(CIKS)的開發(fā)”的國家重點(diǎn)研究計(jì)劃。

　　英國、西班牙、德國、澳大利亞、波蘭等國也紛紛組織專門機(jī)構(gòu)對高性能混凝土進(jìn)行研究。

　　近年來，我國高強(qiáng)混凝土與高性能混凝土的研究、應(yīng)用在有限的經(jīng)費(fèi)支持下發(fā)展也較快。清華大學(xué)于1992年開始進(jìn)行有關(guān)高性能混凝土的研究，并得到各部門的重視與支持，1994年～1997年由國家自然科學(xué)基金委員會、國家建設(shè)部、國家鐵道部及國家建材局聯(lián)合資助一項(xiàng)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高強(qiáng)與高性能混凝土材料的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性態(tài)研究”，項(xiàng)目由清華大學(xué)主持，有鐵道科學(xué)研究院、中國建材科學(xué)研究院、原重慶建筑大學(xué)、東南大學(xué)共同承擔(dān)，成果卓著。在“九五”期間，國家計(jì)委、國家科技部安排了重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“重點(diǎn)工程混凝土安全性的研究”，一大批專家對該項(xiàng)目進(jìn)行了跨行業(yè)、跨部門的聯(lián)合攻關(guān)，重點(diǎn)對混凝土耐久性及高性能混凝土進(jìn)行了系統(tǒng)研究，取得了大量成果。近年來，我國許多重大工程中都不同程度應(yīng)用了高性能混凝土。2000～2003年期間，由中國工程院土木建筑學(xué)部國家建設(shè)部科技司組織，清華大學(xué)陳肇元教授主持下，國內(nèi)有關(guān)專家討論制定了“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南”擬將對高性能混凝土應(yīng)用與發(fā)展起到不小的推動作用。1995年～1997年，中國最高、世界第三高的上海金茂大廈(總高420.5m)，采用了C40、C50、C60高性能混凝土，采用泵送施工，并創(chuàng)下一次泵送到3825m高度的世界紀(jì)錄。此外，上海東方明珠電視塔、深圳地王大廈、首都機(jī)場航站樓、臺灣東帝士大廈等工程中均成功應(yīng)用了高性能混凝土。

　　世界各國之所以能夠成功地在諸多重點(diǎn)工程中應(yīng)用高性能混凝土，是基于對高性能混凝土的基礎(chǔ)研究才實(shí)現(xiàn)的。

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　　1.對高性能混凝土原材料的選擇及研制。

　　對于水泥，目前尚采用以往的常規(guī)傳統(tǒng)水泥制備高性能混凝土，但為了與外加劑相容性良好，多采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且C3A含量應(yīng)降低。隨著對高性能混凝土性能要求的不斷提高，世界各國正致力于研制生產(chǎn)新型高性能水泥(或稱高性能膠凝材料)。如日本小野田水泥公司與清水建設(shè)共同研究開發(fā)的球狀水泥，比普通水泥具有優(yōu)越的物理力學(xué)性能。

　　所謂球狀水泥，是將水泥粒子加工成球形，而不是傳統(tǒng)水泥的碎石型，這種水泥可以使混凝土達(dá)到高流動性、高強(qiáng)度及高耐久性，確為高性能水泥；此外還出現(xiàn)了調(diào)粒水泥、活化水泥等。Rossetti等經(jīng)試驗(yàn)研究在意大利一家水泥廠投產(chǎn)了一種特種超塑化水泥SPC (Special Superplasticized Cement)。該水泥是在意大利525型硅酸鹽水泥生產(chǎn)時摻入超塑化劑制成的，該水泥可明顯提高混凝土流動性。瑞典用中熱水泥和硅灰及超塑化劑生產(chǎn)出一種強(qiáng)力改性水泥EMC(Energetically Modified Cement)，它可用極低的水灰比配制成高強(qiáng)度或高性能混凝土。80年代～90年代初，前蘇聯(lián)研制成功低需水性水泥膠凝材料(BHB)系列產(chǎn)品，后來俄羅斯水泥科學(xué)研究院又研制成新產(chǎn)品ЦНВ系列產(chǎn)品，這種水泥與普通水泥相比，需水量要小得多，活性也有較大提高，適用于配制低水灰比混凝土，可使混凝土具有良好的工作性和耐久性，且水化熱低，這些均符合高性能混凝土的需要。

　　高性能混凝土離不開外加劑和礦物摻合料，為此，世界各國也大力研究開發(fā)了高性能外加劑及優(yōu)質(zhì)礦物摻合料。如萘系、多羧酸系、三聚氰胺系及氨基磺酸系等系列高效減水劑，日本研制生產(chǎn)的AE型引氣劑等。這些外加劑的出現(xiàn)使高性能混凝土高工作性、高耐久性的實(shí)現(xiàn)成為可能。礦物摻合料也是高性能混凝土不可缺少的組分，目前已出現(xiàn)了專門用以制備高性能混凝土的高效優(yōu)質(zhì)復(fù)合型礦物摻合料。

　　此外，各國對制備高性能混凝土所需的粗、細(xì)骨料要求也逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，同時也出現(xiàn)了用輕骨料配制的高性能輕混凝土。
 
　　2.高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究。

　　高性能混凝土設(shè)計(jì)目標(biāo)首先是高耐久性，并兼顧工作性與強(qiáng)度。為此，世界各國學(xué)者均提出了各自的有關(guān)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。如P.K.Mehta和Aitcin推薦的高強(qiáng)度高性能混凝土配合比確定方法；法國路橋?qū)嶒?yàn)中心建議的有關(guān)高性能混凝土設(shè)計(jì)方法；日本阿部道彥采用的高性能混凝土配合比計(jì)算方法及Domone、Carbonari等基于最大密實(shí)度理論而提出的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。高性能混凝土對原材料質(zhì)量及配合比參數(shù)變化都較敏感，故配合比計(jì)算的精確度要求較高，為此，世界各國學(xué)者研究了高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)化，例如清華大學(xué)博士研究生王德懷進(jìn)行的“高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制的計(jì)算機(jī)化”課題研究；法國路橋?qū)嶒?yàn)中心提出的優(yōu)化高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的RENE—LCPCTM軟件等。

　　3.有關(guān)高性能混凝土性能及評價方法的研究。

　　高性能混凝土具有優(yōu)于普通混凝土的高工作性、高耐久性及良好的力學(xué)性能。這些高性能若仍采用傳統(tǒng)的普通混凝土性能評價方法，顯然是不合適的。各國學(xué)者針對這一問題進(jìn)行了廣泛的研究。對高性能混凝土的高流動性評價，各國學(xué)者在流變學(xué)研究的基礎(chǔ)上，提出了多種評價方法，如L-流動試驗(yàn)、V形漏斗試驗(yàn)、環(huán)貫入試驗(yàn)、圓筒貫入試驗(yàn)、充填性試驗(yàn)等方法。

　　因?yàn)楦咝阅芑炷恋暮诵膬?nèi)容也即最顯著標(biāo)志是高耐久性，對高性能混凝土耐久性及其評價方法的研究是各國學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的方面。較多的研究集中于高性能混凝土滲透性評價，如采用美國ASTM1202和AASHTO T277的通電測量法及其改進(jìn)方法的研究；而對高性能混凝土其他耐久性如抗凍性的研究則相對較少。而且，目前也尚無統(tǒng)一的高性能混凝土耐久性評價方法及評價指標(biāo)，這在一定程度上與高性能混凝土發(fā)展趨勢不相適應(yīng)。

　　此外，各國學(xué)者對高性能混凝土材料顯微結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，提出了一些不同于普通混凝土的獨(dú)特機(jī)理。

　　在各國學(xué)者共同努力下，高性能混凝土的研究和應(yīng)用正向逐步成熟進(jìn)而向更高目標(biāo)邁進(jìn)。目前已出現(xiàn)了超高性能混凝土(Ultra High　Performan　ceoncrete，簡稱UHPC)，較成功的有活性細(xì)?；炷?Reactive Powder Concrete，縮寫成RPC)等，使高性能混凝土向著更加耐久、高斷裂能的方向發(fā)展。我國學(xué)者吳中偉院士提出高性能混凝土應(yīng)充分發(fā)揮其環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，使高性能混凝土最終向“綠色高性能混凝土(Green High Performance Concrete，簡稱為GHPC)”方向發(fā)展。

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三、高性能混凝土耐久性研究現(xiàn)狀

　　1.普通混凝土耐久性試驗(yàn)方法的局限性

　　普通混凝土耐久性已經(jīng)有了沿用已久的試驗(yàn)方法，例如用抗水滲透性試驗(yàn)來評價混凝土抵抗外部介質(zhì)侵入的能力，用抗凍融性試驗(yàn)(也簡稱抗凍性)和抗干濕循環(huán)性試驗(yàn)來評價混凝土抵抗物理作用劣化的能力，用抗碳化性試驗(yàn)來評價混凝土抵抗鋼筋銹蝕的能力。但是，普通混凝土的這些耐久性試驗(yàn)方法均是單因素試驗(yàn)，即每種試驗(yàn)方法均是在單一破壞作用為主的情況下進(jìn)行耐久性評價，這與混凝土工程實(shí)際所處環(huán)境條件差異太大，混凝土工程實(shí)際使用過程中總是處于多種破壞因素共同作用的狀態(tài)(如凍融、干濕、離子滲透等作用共同存在)；而且，普通混凝土耐久性試驗(yàn)方法往往不能有效地測試出高性能混凝土的耐久性，例如，有很高水密性的高性能混凝土，用GBJ82-85《普通混凝土長期性能及耐久性試驗(yàn)方法》中的方法檢測時，即使在很高水壓下(有時甚至超出了混凝土滲透儀的有效量測范圍)滲水高度也很小甚至測不出，但某些有害離子卻能在該混凝土中擴(kuò)散；其次，普通混凝土耐久性試驗(yàn)中對混凝土耐久性的評價指標(biāo)用于高性能混凝土耐久性評價往往不敏感，例如高性能混凝土在水中凍融300次后其抗壓強(qiáng)度損失率仍很小(本論文的研究中該損失率值最低的只有約4%)，重量損失率常常為負(fù)值(即重量未損失反而增加)，而普通混凝土在水中凍融50次后其抗壓強(qiáng)度損失和重量損失即明顯表現(xiàn)出來。

　　由此看來，必須設(shè)計(jì)更加合理有效的試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)來評價高性能混凝土的耐久性。

　　2.高性能混凝土耐久性研究方法綜述

　　顯然，傳統(tǒng)的普通混凝土耐久性試驗(yàn)方法不適用于高性能混凝土耐久性評價，但到目前為止，關(guān)于高性能混凝土耐久性研究和評價方法的報道很少，對其抗凍性、抗?jié)B性等耐久性的檢驗(yàn)和評價，基本上仍沿用對普通混凝土耐久性的試驗(yàn)和檢測方法，這對高性能混凝土的研究及應(yīng)用十分不利。國內(nèi)外一些學(xué)者從不同角度對高性能混凝土滲透性及抗凍性作了一定研究，在此僅列舉部分范例。

　　2.1 混凝土滲透性試驗(yàn)方法混凝土的耐久性與其滲透性有著密切的關(guān)系，所以世界各國學(xué)者都對混凝土滲透性試驗(yàn)方法進(jìn)行了專門研究，有些已經(jīng)成為混凝土滲透性檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。這些方法大致可歸納為如下幾類：透水法、透氣法、表面吸水法、Cl-滲透法、通電測量法等。其中透水法、透氣法及表面吸水法只能用于低抗?jié)B性混凝土，而對于抗?jié)B性很高的高性能混凝土則無能為力；Cl-滲透法及通電測量法則可以用來測試高抗?jié)B混凝土，國內(nèi)外許多學(xué)者已用這些方法對高性能混凝土滲透性評價作了一些嘗試性研究。

　　M.R.Hansen等采用直流電量法(即AASHTO T277法)并同時測量混凝土交流阻抗的方法研究了高性能混凝土滲透性。

　　章春梅等采用電導(dǎo)法測定了高性能混凝土的抗?jié)B性。

　　R.Gagne等采用透氣性試驗(yàn)方法和ASTM C1202法，對摻與不摻硅灰的不同流動性的高強(qiáng)混凝土滲透性進(jìn)行了研究。

　　M.H.Zhang等采用高壓透水方法和AASHTO T277法對高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的滲透性進(jìn)行了研究。

　　文獻(xiàn)介紹了一種可用于高抗?jié)B性混凝土滲透性測試的試驗(yàn)方法。該方法采用有機(jī)溶劑作為滲透液(如鹵代鏈烴族的二氯甲烷或鏈烴族的n-庚烷，其中采用二氯甲烷效果較好)，試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，將其浸泡于有機(jī)溶劑中，72h后測定試件單位面積滲透有機(jī)溶劑的體積數(shù)(l/m2)，以此確定混凝土的滲透性。　　趙鐵軍在其博士論文中研究了用于高性能混凝土滲透性評定的試驗(yàn)方法。該方法系對ASTM C1202方法進(jìn)行一系列改進(jìn)，克服了ASTM C1202方法中采用直流電測量的許多缺點(diǎn)。該方法采用電壓為1V、頻率為1KHz的交流電，被測混凝土試件兩端都為3%的NaCl溶液，測量時間較短。將該方法與ASTM C1202方法比較，發(fā)現(xiàn)二者測試結(jié)果有很好的相關(guān)性。該方法最終是以經(jīng)修正的混凝土電阻R反映混凝土的滲透性，并參照ASTM C1202對混凝土滲透性評定標(biāo)準(zhǔn)，用該方法將混凝土滲透性分為5級，見表1。

表1　用交流電測量混凝土滲透性的評定標(biāo)準(zhǔn)

　　參照ACI高性能混凝土委員會用ASTM C1202和AASHTO T277將高性能混凝土滲透性分級的評定標(biāo)準(zhǔn)，趙鐵軍用交流電測量法也提出了對高性能混凝土滲透性的評定標(biāo)準(zhǔn)，見表2。即認(rèn)為若用交流電測量混凝土滲透性，當(dāng)修正后的混凝土電阻大于450Ω時，就滲透性方面講該混凝土可稱為高性能混凝土，修正后混凝土的電阻值越大則高性能混凝土滲透性越低，相應(yīng)抗?jié)B性等級越高。

表2　用交流電測量高性能混凝土滲透性的評定標(biāo)準(zhǔn)

　　混凝土抗凍融性試驗(yàn)方法 普通混凝土抗凍性試驗(yàn)分為慢凍法和快凍法兩種，均是在水中進(jìn)行。這兩種方法是目前國際上同時存在的兩種檢測混凝土抗凍性的方法。美、日、加拿大等國采用快凍法，俄羅斯及東歐國家仍采用慢凍法，這兩種方法均列入了這些國家的正式標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程。我國在五六十年代均采用慢凍法，六十年代中后期水工、港工部門相繼開展了快凍法的試驗(yàn)研究，港工部門直接采用了快凍法，并列入了部頒混凝土試驗(yàn)規(guī)程(JTJ225-87)；水工部門在1982年部頒的水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程正式列入了快凍法。目前我國同時存在快凍法和慢凍法兩種試驗(yàn)方法，并均以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程的形式存在。
 
　　對于高強(qiáng)混凝土或高性能混凝土，其抗凍性能方面的研究報道尚不多見。已有的報道也多是采用水中快凍法進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)，如中國水利水電科學(xué)研究院曹建國等人對高強(qiáng)混凝土抗凍性進(jìn)行的研究。

　　有關(guān)高性能混凝土耐久性其他方面的研究 除抗?jié)B性、抗凍性研究之外，國內(nèi)外學(xué)者對高性能混凝土的其他耐久性也作了一定研究。如中國建材研究院李建勇等對高性能混凝土徐變和干縮進(jìn)行了研究；U.Schneider等對高性能混凝土抗化學(xué)侵蝕性進(jìn)行了研究；奧地利P.Nischer等對高性能混凝土抗溶蝕性進(jìn)行了研究；德國H.W.Dorner研究了高性能混凝土的耐酸性能；P.K.Mehta對高性能混凝土中堿-骨料反應(yīng)及鋼筋銹蝕進(jìn)行了探討。

　　各國學(xué)者研究高性能混凝土耐久性的同時，對高性能混凝土耐久性有關(guān)機(jī)理進(jìn)行了一定探討，如P.K.Mehta研究了高性能混凝土中裂縫、微裂縫與其耐久性的關(guān)系；芬蘭H.Kukko研究了高性能混凝土抗凍性與顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

圖1　混凝土受外界環(huán)境作用而劣化的整體模型

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　　綜上所述可見，各國學(xué)者對高性能混凝土耐久性進(jìn)行了不同程度的關(guān)注。然而至今為止，在大多數(shù)已發(fā)表的研究成果中，各種耐久性破壞因素都是單獨(dú)考慮的。而事實(shí)上，混凝土尤其是高性能混凝土所處的使用環(huán)境是多種破壞因素共存的復(fù)雜環(huán)境，高性能混凝土不可能只受單一因素作用。幾種因素共存所產(chǎn)生的綜合作用，是各因素作用的簡單疊加呢，還是產(chǎn)生超疊加效應(yīng)(即“1+1＞2”的效應(yīng))呢？1991年吳中偉院士提出了“混凝土耐久性綜合癥及其防治”的思想；PKMehta也明確指出，混凝土耐久性是一個整體性能，必須看成是所有劣化機(jī)制共同作用造成的結(jié)果，并提出了高性能混凝土受外界環(huán)境作用而劣化的整體模型（見圖1）。這些都提醒人們應(yīng)該重視多重因素對高性能混凝土耐久性破壞的研究。

四、黑龍江省高性能混凝土發(fā)展與現(xiàn)狀

　　高性能混凝土的問世對本省建筑業(yè)的科技進(jìn)步起到不小的推動作用，尤其是大流動度高性能商品砼的出現(xiàn)，大大提高了現(xiàn)代化施工水平，保證了施工質(zhì)量和工程質(zhì)量，為高層建筑的發(fā)展提供了有利的條件。尤其在冬季施工技術(shù)、防凍劑開發(fā)與生產(chǎn)、負(fù)溫混凝土泵送施工、負(fù)溫防滲混凝土研制與施工、超負(fù)溫混凝土冬季施工、高層建筑物冬季施工技術(shù)、負(fù)溫混凝土基礎(chǔ)性學(xué)術(shù)研究水平都具有國內(nèi)領(lǐng)先國際先進(jìn)水平。

　　商品混凝土也取得快速發(fā)展，目前全省商品混凝土設(shè)計(jì)產(chǎn)量達(dá)260～270萬m3，實(shí)際生產(chǎn)量為100萬m3左右。哈市占80萬m3。商品混凝土種類比較齊全，有夏季用的緩凝商品混凝土；冬季施工用的負(fù)溫混凝土、早強(qiáng)混凝土及抗?jié)B商品混凝土等?；炷翉?qiáng)度等級一般常用的C20～C40，最高為C60混凝土在建筑工程中廣泛應(yīng)用。

　　全省已建的商品混凝土攪拌站23家，予建的3～4家。齊市、大慶、牡市各2家，佳市、鶴市、黑河各1家。哈市14家的商品混凝土目前全省建設(shè)行業(yè)較為認(rèn)同。但生產(chǎn)廠家過多，競爭激烈、價格偏低、商品混凝土的質(zhì)量不易得到保證。

　　省內(nèi)砼管樁生產(chǎn)也得到快速發(fā)展，管子質(zhì)量普遍得到保證、管理比較正規(guī)，管樁混凝土強(qiáng)度等級可達(dá)C80，用戶比較滿意

　　我省高性能混凝土進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)加強(qiáng)經(jīng)下幾個方面的工作：

　　1.調(diào)整省、市混凝土行業(yè)協(xié)會。目前行業(yè)正處于新老交替時期，處于政府不管，協(xié)會也沒有人抓，應(yīng)盡早整頓。制訂新的協(xié)會規(guī)章制度，政府部門加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)。建議省市混凝土協(xié)會與商品砼合并為一個協(xié)會?！　?.制定用于高性能混凝土的原材料地方標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程：

　　①砂、石原料要定點(diǎn)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)商品化，制訂完善的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及使用規(guī)程。

　?、谥朴喌V物摻合料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并選用優(yōu)質(zhì)的摻合料。

　　③整頓省內(nèi)外加劑市場及生產(chǎn)廠家不具備生產(chǎn)條件的、低劣的外加劑從省市建筑市場清除。

　?、転榱吮ＷC混凝土工程質(zhì)量，水泥應(yīng)控制C3A及堿的含量，是防止混凝土早期開裂的重要措施之一。

　　⑤研制和應(yīng)用第三代的減水劑和防凍劑，開發(fā)新的引氣劑也是提高高性能混凝土工程質(zhì)量及耐久性的重要措施之一。

　　3.提高人們對混凝土工程耐久性的認(rèn)識。工程質(zhì)量、施工質(zhì)量及工程設(shè)計(jì)首先應(yīng)以耐久性指標(biāo)為依據(jù)，其次滿足強(qiáng)度指標(biāo)要求。耐久性工程是為國為民造福的工程節(jié)省社會資源的重大措施。

　　4.加強(qiáng)高性能混凝土及耐久性混凝土的基礎(chǔ)性科學(xué)研究，省市領(lǐng)導(dǎo)給予重視。