混凝土高性能研究与发展现状

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摘要：阐述了高性能混凝土产生的背景和国内外学者对高性能混凝土的认识与定义，并详细介绍了高性能混凝土的国内外的研究与发展现状，同时，还针对高性能混凝土研究与发展中的一些问题进行了探讨。

关键词：高性能混凝土；定义；耐久性；存在问题

高性能混凝土(HighPerformanceConcrete，HPC)是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。

1高性能混凝土产生的背景

传统的混凝土虽然已有近200年的历史，也经历了几次大的飞跃，但今天却面临着前所未有的严峻挑战：

(1)随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。这些混凝土工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇筑时不产生缺陷，

更要耐久性好，使用寿命长。

(2)进入20世纪70年代以来，不少工业发达国家正面临一些钢筋混凝土结构，特别是早年修建的桥梁等基础设施老化问题，需要投入巨资进行维修或更新。1987年美国国家材料咨询局的一份政府报告指出：在美国当时的57．5万座桥梁中，大约有25．3万座处于不同程度的破坏状态，有的使用期不到20年，而且受损的桥梁每年还增加3．5万座。1991年在提交美国国会的报告“国家公路和桥梁现状”中指出，为修复或更换现存有缺陷桥梁的费用需投资910亿美元；如拖延修复进程，费用将增至1310亿美元。美国现存的全部混凝土工程的价值约6万亿美元，每年用于维修的费用高达300亿美元。

在加拿大，为修复劣化损坏的全部基础设施工程估计要耗费5000亿美元。在英国，调查统计了271个工程劣化破坏实例，其中碳化锈蚀占17％，环境氯盐锈蚀占33％，内部氯盐锈蚀占5％，混凝土冻蚀10％，混凝土磨蚀10％，混凝土碱—骨料反应破坏9％，硫酸盐化学腐蚀4％，其他各种不常发生的腐蚀破坏7％。

我国结构工程中混凝土耐久性问题也非常严重。建设部于20世纪90年代组织了对国内混凝土结构的调查，发现大多数工业建筑及露天构筑物在使用25～30年后即需大修，处于有害介质中的建筑物使用寿命仅15～20年，民用建筑及公共建筑使用及维护条件较好，一般可维持50年。

相对于房屋建筑来说，处于露天环境下的桥梁耐久性与病害状况更为严重。据2000年全国公路普查，到2000年底我国已有各式公路桥梁278809座，公路危桥9597座，每年实际需要维修费用38亿元，而实际到位仅8亿元。

港口、码头、闸门等工程因处于海洋环境，氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀，导致构件开裂、腐蚀情况最为严重。1980年交通部四航局等单位对华南地区18座码头调查的结果，有80％以上均发生严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现破坏的时间有的距建成仅5—10年。

(3)混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用1t水泥，大概需要0．6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1．5t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产?昆凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。

因此，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高性能混凝土的定义与性能

对高性能混凝土的定义或含义，国际上迄今为止尚没有一个统一的理解，各个国家不同人群有不同的理解。一般说来，高性能混凝土是指高强、高耐久性、高工作性。一些美国学者更强调高强度和尺寸稳定性(北美型)，欧洲学者更注重耐久性(欧，洲型)，而日本学者偏重于高工作性(日本型)，这可能由于日本更重视混凝土振捣工艺对工人听力的不利作

用，而推广不需振捣的自密实混凝土。在我国，对高性能混凝土的含义也有争论，冯乃谦在其1996年出版的《高性能混凝土》著作中开宗明义地指出了：高性能混凝土必须是高强的，因为一般情况下高强对耐久性有利，同时他认为高性能混凝土发展的物质基础是现在有了好的掺合料和减水剂，因此高性能混凝土必须掺掺合料。冯乃谦的这些观点代表了当时我国大多数混凝土学者对高性能混凝土的认识。吴中伟针对当时科研界过度追求高强度的趋向，及

时提出“有人认为高强度必须高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来不利于耐久性的因素……”。高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。吴中伟高度重视耐久性，并早在1986年就提出高强未必一定高耐久，低强也不一定就不耐久的观点是非常有前瞻性的，而且今天他的这个观点也是正确的。

1990年5月由美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国?昆凝土协会(ACl)主办了第一届高性能混凝土的讨论会，定义高性能混凝土为具有所需，陛能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，便于浇捣，不离析，力学性能稳定，早期强度高，具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土。大多数承认单纯高强不一定耐久，而提出高性能则希望既高强又耐久。可能是由于发现强调高强后的弊端，1998年美国ACI又发表了一个定义为：“高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，如果采用传统的原材料组分和一般的拌和、浇筑与养护方法，未必总能大量地生产出这种混凝土。”ACI对该定义所作的解释是：“当混凝土的某些特性是为某一特定的用途和环境而制定时，这就是高性能混凝土。例如下面所举的这些特性对某一用途来说可能是非常关键的：易于浇筑，振捣时不离析，早强，长期的力学性能，抗渗性，密实性，水化热，韧性，体积稳定性，恶劣环境下的较长寿命。因为高性能混凝土的许多特性是相互联系的，改变其中之一常会使其它的特性发生变化，当混凝土为某一用途生产而必须考虑若干特性时，则每一个特性都必须清楚地规定在合同文件中”。1998年ACI定义与1990年ACI、NIST定义的区别是：前者把早

强列入“特殊性能组合”可选性能之一，而不作为必要的规定而强调。

而欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会则将高性能混凝土定义为水胶比低于0．40的混凝土小在日本，将高流态的自密实混凝土(即免振混凝土)称为高性能混凝土，‘强度一般为40—45MPa，混凝土中除水泥外，还有矿渣粉、粉煤灰及膨胀剂。也有一些部门根据其专业的特点对高性能混凝土提出具体的要求，如1995年美国联邦公路管理局(FHWA)

将高性能混凝土分成4级，每级在与强度和耐久性有关的8个参数上都规定了定量的指标。美国战略公路研究计划(SHRP)提出高性能混凝土用于公路工程应满足：(1)水胶比≤0．35；(2)300次冻融循环，相对动弹模≥侣0％；(3)抗压强度4h≥17．2MPa，或24≥34．5MPa，或28d≥68．9MPa。该定义偏重于早强，定义了一个特定的高性能混凝土，缺乏普遍适用性。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≤0．40；(2)强度≥41．4MPa；(3)徐变率低。

我国著名的混凝土科学家吴中伟教授定义高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点的予以保证；耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。为此，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。1997年3月吴中伟教授在高强高性能混凝土会议上又指出，高性能混凝土应更多地掺加以工业废渣为主的掺合料，更多地节约水泥熟料，提出了绿色高性能混凝土(GHPC)的概念。

中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将高性能混凝土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。与传统的混凝土相比，这种高性能混凝土在配比上的特点是低用水量(水与胶凝材料总量之比低于0．4，或至多不超过0．45)，较低的水泥用量，并以化学外加剂和矿物掺合料作为水泥、水、砂、石之外的必需组分。这也是现代高强混凝土的配制途径。实际上，正是现代高强混凝土技术的出现，为解决高性能混凝土的耐久性问题指明了出路。

结合我国的推广应用高性能混凝土十几年的情况，2003年廉慧珍教授专门撰文反思了对高性能混凝土的理解存在的若干误区，造成对高性能混凝土使用的盲目和混乱，她对高性能混凝土的理解为，“高性能混凝土不是混凝土的一个品种，而是达到工程结构耐久性的质量要求和目标，是满足不同工程要求的性能和具有匀质性的混凝土。高强不一定耐久，高流动性也不是任何工程都需要的，也不是只要有掺合料就能高性能；混凝土的质量不是实验室配出来的，而是优选配合比的混凝土由生产、设计、施工和管理人员在结构中实现的，开裂的就不是高性能混凝土，除了特殊结构(如临时性结构)外，没有什么混凝土结构不需要耐久。针对不同工程的特点和需要，对混凝土结构进行满足具体要求的性能和耐久性设计，比笼统强调高性能混凝土的名词更要科学”。在这里，高性能混凝土强调的是混凝土的‘性能’或者质量、状态、水平，或者说是一种质量目标，对不同的工程，高性能混凝土有不同的强调重点(即‘特殊性能组合’)。

3高性能混；ii土的研究开发现状

针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。1990年，加拿大政府提出了一个协作网研究计划，专门用来资助对国家今后长远发展有影响的科研项目，最终从158个提议的项目中评选出15项，属于土木工程学科的仅占1项，这就是“高性能混凝土协作网”研究计划，获得了640万加元资助进行为期4年的研究。到1994年在原有的15个协作网中有lo个继续取得资助以进行下一个4年的研究，其中高性能混凝土的资助份额为550万加元，可见其被重视的程度。法国在1986年由政府组织包括政府研究机构、大学、公司等23个单位开展了“混凝土的新途径”研究项目，进行高性能混凝土的研究并造示范工程。这一项目已于1993年完成，建成的示范工程有Joigny城的1座3跨后张法预应力钢筋混凝土桥，其混凝土强度等级相当于我国的C70，比原设计的C40减少混凝土量30％，减少自重24％；Civaux核电站2号反应堆预应力钢筋混凝土安全壳等，高85m，直径44m，混凝土强度等级C70，其水泥用量只有240kg／m’，有很高的气密性；1996年法国政府公共部和教育与研究部又组织了为期4年的“高性能混凝土2000"的国家研究计划，投入研究经费550万美元。

1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，计划在10年内投资2亿美元进行研究和开发。美国国家自然科学基金(NSF)、美国国家标准与技术研究所(NIST)、美国联邦公路管理局(FHWA)以及一些州政府的运输部和美国工程兵等机构，都一直投入大量经费，资助高强、高性能混凝土的研究，NSF以每年200万美元的经费，定期资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合研究中心对高性能混凝土的研究。德国、瑞典、挪威等国家在发展高性能混凝土上也有很大投入，挪威是较早对高强高性能混凝土开展研究的国家之一，至今已建造了20多个混凝土海洋采油平台，挪威皇家科技学院的科学与工业研究基金(SINTEF)持续资助高性能混凝土的研究。瑞典1991～1997年由政府和企业联合出资5200万克朗，实施高性能混凝土研究的国家计划。日本则在发展自密实混凝土方面取得很大的成就，其初衷也是为了消除混凝土振捣中的缺陷和增加混凝土的密实性，以改善混凝土的耐久性为目标。

1999年美国NIST的建筑与防火研究实验室(BFRI。)在国际互联网上公布了一个“高性能混凝土技术的伙伴关系(PartnershipforHighPerfor—manceConcreteTechnology，缩写为PHPCT)”，由工业界4个大企业和国家预拌混凝土协会、波特兰水泥协会协作，承担“商品高性能混凝土结构项目中计算机集成知识系统(CIKS)的开发”的国家重点研究计划，包括7个专题：专题。为计算机集成知识系统的开发，HYPERCON；专题1为HPC的制备工艺过程；专题2为混凝土和混凝土材料的特征化；专题3为性能预测；专题4为高强度高性能混凝土在火中的结构性能；专题5为结构性能；专题6为HPC的经济性。重点是性能检验和预测工具的开发和应用，这是优化可*的HPC产品和给出可由最有效的途径得到的知识所必需的。专题1—6提供输入专题0的要素。

从20世纪80年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久性设计的考虑，从只重视强度设计向强度于耐久性并重。进入20世纪90年代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。日本于1986年提出“考虑耐久性的建筑物设计、施工维护大纲”，在1989年制定了《混凝土结构耐久性设计准则(试行)》，把耐久性设计定义为：全面地考虑材料质量、施工工序和结构构造使结构在一定的环境中正常工作，在要求的期限内不需要维修。它采用了与结构设计相同的思路，要求构造各部位的耐久性指数大于或等于环境指数。欧洲混凝土委员会(CEB)1989年通报了“耐久性混凝土结构设计指南”，国际材料与结构试验研究室联合会(RILEM)的130—CSI。技术委员会1996年提出了《混凝土结构的耐久性设计》的报告，对基于材料劣化模型分析的混凝土结构耐久性设计方法作出了全面系统的论述。1995年欧共体资助了一项名为DuraCrete的研究项目，2000年出版了一份名为《混凝土结构耐久性设计指南》的技术文件。1998年欧共体又资助成立了为期3年的DuraNet工作网，全名为“支持、发展与应用以性能为基础的混凝土结构耐久性设计与评估的工作网”，有欧洲的19个单位参与，旨在改善欧洲混凝土的耐久性设计、评估与维修水平。美国ACl201委员会1992年提出了“耐久性混凝土指南”，2000年又对该指南进行了修改。欧洲国际混凝土委员会编制的混凝土结构CEB—FIP模式规范(1990)，欧洲规范2暂行本(1992)以及美国AASH—TO{公路桥梁设计规范(1994)》都列有“耐久性”的条款。

自从20世纪90年代初清华大学向国内介绍高性能混凝土以来，高性能混凝土的研究与应用在我国得到了空前的重视。1993年国家自然科学基金会、建设部、铁道部和国家建材局联合资助了重点科研项目《高强与高性能混凝土材料的结构力学性态研究》，随后许多省、市科委和建委也资助了高强、高性能混凝土方面的研究课题。1999年中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会(HSCC)编写了《高强混凝土结构设计与施工技术规程》(中国工程建设协会标准CECS104：99)。我国“九五”重点科技攻关项目《重点工程混凝土安全性研究》，由中国建筑材料科学研究院牵头，跨部门、跨行业地协作攻关，取得了许多重大成果。四航局主持制定的《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)中，规定用于海港工程的高性能混凝土，磨细矿渣的掺量可达到50％～80％，同时要求水胶比≤0．35，坍落度≥120mm，强度等级≥C45，这也是我国首个对高性能?昆凝土技术要求进行具体规定的规范。中国工程院土木水利与建筑学部于2000年提出了一个名为“工程结构安全性与耐久性研究”的咨询项目，并编写了《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(中国土木工程学会标准CCES01—2004)。

4高性能混凝土发展中所面临的问题

4．1能不能对高性能混凝土下一个完整的定义

自从美国提出高性能混凝土这一概念近10年来，如终没有一个统一的或者标准的定义。目前，不同的学者和技术人员，从混凝土性能的不同方面，给出了关于高性能混凝土的不同描述，因此，很难给高性能混凝土一个全面、准确、完整的定义。

4．2高性能混凝土是否一定要高强

冯乃谦在其专著《高性能混凝土》中开宗明义的指出：“高性能混凝土必须是高强的，因为一般情况下高强对耐久性有利。”吴中伟针对当时科研界过度追求高强度的趋向，及时提出“有人认为高强度必然高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来不利于耐久性的因素……。高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。”但黄士元认为把包括30MPa的普通强度而耐久性好的混凝土也归人高性能混凝土范畴，则很难划分普通混凝土与高性能混凝土的差别，也难于与国际混凝土界沟通。因此，如何界定高性能混凝土，是需要混凝土界人士进一步探讨的问题。

4．3高性能混凝土是否一定要高工作性

高性能混凝土又被人们称为3高混凝土，其中一高就是高工作性。但是不是只有高工作性才是高性能混凝土呢?诚然混凝土拌合物的流动性从10年前普遍的70～90mm发展到现在大量预拌混凝土的180—200mm，甚至已经有自密实的混凝土的浇筑，这也是混凝土技术的一种进步：减轻了振捣的劳动量，推动了预拌混凝土的发展，并大大减少了“蜂窝”、“狗洞”等质量事故，提高了混凝土的匀质性。但高的工作性一般是在提高混凝土浆体含量的情况下产生的，浆体含量的提高也就意味着混凝土开裂的可能性增加，同时，高的流动性也将使混凝土浇筑时容易振捣离析。因此，不能把流动性作为混凝土拌合物“高性能”的指标，而应当根据不同工程特点，注重拌合物的施工性能。坍落度的大小应服从于混凝土的匀质性和体积稳定性。

4，4高性能混凝土的开裂问题

高性能混凝土的出现，给土木工程界最直接的冲击是对混凝土耐久性的重视有所加强了，粉煤灰、矿渣等掺合料的使用增多了，预拌混凝土更普遍了。目前上海、北京、沈阳已能供应C80以上商品预拌混凝土，实际上我国部分地区的混凝土企业目前已经具备了供应超高强商品混凝土的能力。但是，近年来在国内外却发生较多“高性能混凝土”结构开裂，特别是早期开裂的问题。由于高性能混凝土一般具有高胶凝材料用量、低水胶比与掺人大量活性掺合料等配制特点，致使高性能混凝土的硬化特点与内部结构，同传统的普通混凝土相比具有很大的差异，随之带来了它的早期体积稳定性差、容易开裂等问题。而混凝土的裂缝正是在使用阶段环境侵蚀性介质侵入的通道，进而削弱其耐久性。高性能混凝土在国内外的应用实践表明，早期开裂问题已成为制约其在工程中应用的重要因素。因此，改善高性能混凝土的抗裂性是高性能混凝土研究中急需解决的问题。