高性能混凝土技术发展与应用初探
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2015年2月26日
高性能混凝土技术发展与应用初探
摘要
本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，由于影响高性能混凝土性能的因素很多，本文结合工程实践应用，从原材料、配合比设计、生产施工技术等技术环节出发，初步探讨了高性能混凝土的配制施工技术，探讨研发绿色混凝土的必要性，并对高性能混凝土的发展趋势作出展望。
关键词:高性能混凝土,原材料,配合比,质量控制,绿色混凝土
目 录
一、高性能混凝土产生的背景和研究现状????????????????? 1 (一)背景??????????????????????????? 1 (二)研究现状及发展方向?????????????????????????? 2 二、高性能混凝土的性能研究和应用分析???????????????? 4 (一)高性能混凝土的概念?????????????????????????? 4 (二)高性能混凝土的性能特点?????????????????? 5 三、高性能混凝土质量与施工控制?????????????????? 7 (一)高性能混凝土原材料及其选用??????????????????? 7 (二)高性能混凝土的配合比设计????????????????????? 10 1、高性能混凝土配制目标和影响因素????????????? 10 2、高性能混凝土配合比设计????????????????????? 12 3、高性能混凝土配合比参数的选择??????????????? 13 (三)高性能混凝土的施工控制??????????????????????? 15 四、研发绿色高性能混凝土的必要性???????????????????
五、高性能混凝土的发展前景????????????????????????? 21
六、结论??????????????????????????????????????? 23 七、 参考文献???????????????????????????????????? 25 八、致谢?????????????????????????????????????????? 27
高性能混凝土技术发展与应用初探
高性能混凝土（HighPerformanceConcrete，简写为HPC）是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，它以高性能作为设计的主要指标，具有高耐久性、高强度与高工作性能（高流动性、高粘聚性、高可浇筑性）。总而言之，是一种高技术混凝土。高性能混凝土以其高耐久性、高工作性、以及高强度特性进入人们的视野。
一、高性能混凝土产生的背景和研究现状 （一）产生的背景
传统的混凝土已有近200 年的历史，是近代使用最广的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。据不完全统计，世界水泥产量已超过13亿吨，折合混凝土不少于40亿立方米。水泥混凝土与其他常用建筑材料如钢铁、木材、塑料等相比，生产能耗低、原料来源广、工艺简单，因而生产成本低，并具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。近百年来，混凝土的发展趋势是强度不断提高。30年代平均为10 MPa，50年代约为20 MPa，60年代约为30 MPa，70年代已上升到40 MPa，发达国家越来越多地使用50 MPa以上的高强混凝土
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、
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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。
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，生产混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。实践证明绿色混凝土可以彻底解决城市垃圾和污泥问题，是保护生态环境，实现零污染最为有效的途径。[2]
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。 （二）研究现状及发展方向
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20世纪60年代开发应用高效减水剂后，使混凝土技术进入了高强度与高流态的新领域；20世纪90年代的粉体工程，进一步使混凝土进入了高性能时代。我国近年来在铁路、公路、桥梁建设中、高层建筑及机场建设等工程中已广泛应用C60高性能混凝土；C80混凝土也在工程中试点应用。在国际上强度为90MPa、100MPa、110MPa、120MPa，甚至大于150MPa、200MPa的高性能混凝土，在工程中都获得了应用。然而工程经验证明，许多工程如桥梁、道路、海港和污水建筑物混凝土结构的过早破坏，其原因不是强度不够，而是耐久性不足。由于修复损坏的混凝土建筑物的费用昂贵，如以美国为例，每年劣化混凝土的维修费用达2000亿美元之多，这使很多设计者意识到混凝土耐久性的重要性。人们开始考虑能否采用使用年限较长的高性能混凝土结构，例如使用年限不是30～50年而是100年。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。进入20世纪90后代以后，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。。目前，高性能混凝土的发展有以下几个方向： (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
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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)超高性能混凝土
超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（ReactivePowder 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。 (3)智能混凝土
智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。 二、高性能混凝土的性能研究和应用分析 （一）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（即免振混凝土）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。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。
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比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。
（二）高性能混凝土的性能特点
耐久的混凝土必须能抵抗风化作用、化学侵蚀、磨耗和其他破坏过程，这表示高性能混凝土不仅应有高强度，而且应具有高刚度，体积变化小，实际上不透水，氯离子难以渗透，高弹性模量，收缩徐变小，热应变小等特点。因此，高性能混凝土在组成和结构上与普通混凝土应有所不同，首先应具有以下特点[3]：
(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).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。同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。
(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。
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在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。
(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。 (5).经济性。高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究发现用C110~C137的高性能混凝土替代C40~C60的混凝土，可以节约15%~25%的钢材和30%~70%的水泥。虽然HPC本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。 其次，高性能混凝土的配制特点是低水胶比、掺加高效减水剂和矿物细掺料，故从组成和配比来看，高性能混凝土还应具有以下特点: (1）水灰比（W/C）≤0. 38
按照Rüch提出的相图[4]，当水灰比>0.38时，水泥全部水化后，水泥石中含有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。而毛细水在混凝土中是可以扩散渗透的，也就是说，W/C>0.38时，混凝土中有毛细管存在，抗渗性降低，耐久性降低。所以配制高性能混凝土时，水灰比不应大于0.38。
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(2）高效减水剂是降低混凝土中水灰比的必须材料，也是高性能混凝土不可或缺的组 分。为使混凝土具有良好的工作性能，高效减水剂除了具有高的减水率外，还应具有有效控制塌落度损失的功能。
(3）矿物掺合料是高性能混凝土的功能组分之一，它可以填充水泥的空隙，在相同的水 胶比下，能提高流动性，硬化后也能提高强度。更重要的是能改善混凝土中水泥石与集料的界面结构，使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。
(4）对高性能混凝土有抗冻或其他要求时，应掺加引气剂，以及其他有关的外加剂，如阻锈剂等。 三、高性能混凝土质量与施工控制 （一）高性能混凝土原材料及其选用
1.细集料。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。
2.粗集料。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
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度应为混凝土强度的115倍～210倍或控制压碎指标值＞10﹪。最大粒径不应大于25mm,以10mm～20mm为佳,这是因为,较小粒径的粗集料,其内部产生缺陷的几率减小,与砂浆的粘结面积增大,且界面受力较均匀。另外,粗集料还应注意集料的粒型、级配和岩石种类,一般采取连续级配,其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎石为最好。粗集料的线膨胀系数要尽可能小,这样能大大减小温度应力,从而提高混凝土的体积稳定性。
3.细掺合料。配制高性能混凝土时,掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善,空隙得到充分填充,使硬化后的水泥石强度有所提高。更重要的是,加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与骨料的界面结构,使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。活性细掺合料是高性能混凝土必用的组成材料。在高性能混凝土中常用的活性细掺合料有硅粉(SF)、磨细矿渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排出的烟道灰,它能有效提高混凝土的抗渗性,显著改善混凝土拌合物的工作性,大掺量粉煤灰混凝土还对环境保护和节约资源有重要意义。配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、细度低、需水量低的优质粉煤灰。矿渣是高炉炼铁排出的熔融矿渣在高温状态下迅速水淬冷却而成的,用于高性能混凝土的磨细矿渣细度大于水泥,能提高混凝土的工作性和耐久性。硅粉是电炉法生产硅铁合金所排放的烟道灰,SiO2含量大于90﹪,平均粒径约011μm,比表面积>20000㎡/kg,借助大剂量高效减水剂和强力搅拌作用,可以填充到水泥或其他掺合料的间隙中去,并且具有很高
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的活性,在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著,是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料。
4.减水剂及缓凝剂。由于高性能混凝土具有较高的强度,且一般混凝土拌合物的坍落度较大(15～20㎝左右),在低水胶比(一般＜0.35)一般的情况下,要使混凝土具有较大的坍落度,就必须使用高效减水剂,且其减水率宜在20﹪以上。有时为减少混凝土坍落度的损失,在减水剂内还宜掺有缓凝的成份。此外,由于高性能混凝土水胶比低,水泥颗粒间距小,能进人溶液的离子数量也少,因此减水剂对水泥的适应性表现更为敏感。因大部分高性能混凝土施工时采用泵送,故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不能太快太大,否则影响泵送。 5.矿物掺合料。(1)粉煤灰,粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细微粉末,又称“飞灰”(FlyAsh),其颗粒多呈球形,表面光滑。大量的实践证明:掺用粉煤灰的混凝土,其长期性能可得到大幅度的改善,对延长构筑物的使用寿命有重要意义。粉煤灰在混凝土中的主要作用包括以下几个方面:①填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层,产生“滚珠润滑”效应;②对水泥颗粒起物理分散作用,使其分布得更均匀;③粉煤灰和聚集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应,生成具有胶凝性质的产物,加强了薄弱的过渡区,对改善混凝土的各项性能有显著作用;④粉煤灰延缓了水化速度,减小混凝土因水化热引起的温升,对防止混凝土产生温度裂缝十分有利;⑤可减小混凝土温度开裂的危险,同时由于加快了火山灰反应,还可提高28d强度。值得注意的是,粉煤灰的水泥取代率对强度影响显著,较好的早
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期强度和后期强度的水泥取代率应小于10%。当粉煤灰掺量较低时,只会对水泥早期水化热有影响,但对7d龄期的水化热几乎没有影响。(2)硅粉(SilicaFume,简写SF)又称硅灰,是从生产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。硅粉主要由非常微小、表面光滑的玻璃态球形颗粒组成，粒径为0.1μm～1.0μm,是水泥粒径的1/50～1/100,一般比表面积为18500㎡/kg～20000㎡/kg,主要化学成分为二氧化硅,其含量在90%以上。在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,结合应用减水剂,可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高,硅粉的适宜掺量为水泥用量的5﹪～10﹪。硅粉的加入,对混凝土的性能的影响主要有:①改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性,提高了需水量;②提高了混凝土的强度,增大了弹性模量和混凝土的干缩;③提高了混凝土的耐久性。另外,在配制硅粉混凝土时必须注意:①由于硅粉的需水量比水泥大,在配制硅粉混凝土时,一般要掺加减水剂。在选择减水剂时,应使之与所用的水泥具有相容性,否则,容易影响混凝土的工作性能。同时,根据减水剂性能及需求的减水需求来选择合适的掺量。②比表面积和活性SiO2含量是硅粉的重要指标,硅粉比表面积越大、活性SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需选择具有良好性能的硅粉。③硅粉混凝土的干缩一般比普通混凝土大,配制高性能混凝土时应采取补偿收缩的措施,如掺加粉煤灰等。
（二）高性能混凝土的配合比设计 1．高性能混凝土配制目标和影响因素
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(1).设计思路有很大区别
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。
(2).胶凝材料用量及粉煤灰所占比例
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。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力（包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在20%以上时，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。在《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%，当大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45。
(3).含气量的要求
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含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。实际上，混凝土中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻混凝土的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。因此，客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于2%，并且作为施工质量控制的必检项目之一。为适当提高混凝土的含气量，并获得较佳的减水和保塑效果，可使用新型聚羧酸盐减水剂。 (4).电通量指标
该指标是客运专线对混凝土耐久性最重要、最具体的指标。目前我国尚无电通量试验的国家标准，铁路行业电通量试验方法是以美国ASTMC1202 快速电量测定方法为基础制定的，其所测指标可以最大程度地区分和评价混凝土的密实度，而密实度正是影响混凝土耐久性最为关键的因素。以往多是以抗渗性来评价混凝土的密实程度，但实践证明，抗渗试验只适合于判定较低强度等级混凝土的密实性，当强度等级超过C30后，抗渗等级几乎都能达到P20以上，再往下试验比较困难。这正是用电通量指标取代抗渗标号作为混凝土耐久性控制的主要原因。混凝土的电通量主要取决于水胶比，通过大量试验得到规律，一般水胶比小于0.5时基本可满足电通量小于2000 的要求，水胶比小于0.45时基本可满足电通量小于1500的要求。 2．高性能混凝土配合比设计
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根据高性能混凝土的特点，在配合比设计时应遵循以下法则：
(1).灰水比法则：混凝土的强度与水泥强度成正比，与灰水比成正比。灰水比一经确定，不能随意变动。这里的“灰”包括所有胶凝材料，也可称为胶水比。
(2).混凝土密实体积法则：可塑状态混凝土的总体积为水、水泥（胶凝材料）、砂、石的密实体积之和。这一法则是计算混凝土配合比的基础。
(3).最小单位用水量或最小胶凝材料用量法则：在灰水比固定、原材料一定的情况下，使用满足工作性的最小加水量（即最小的浆体量），可得到体积稳定、经济的混凝土。
(4).最小水泥用量法则：为降低温升，提高混凝土抵抗环境因素侵蚀的能力，在满足混凝土早期强度要求的前提下，应尽量减少胶凝材料中的水泥用量。
3.高性能混凝土配合比参数的选择
高性能混凝土的配合比参数主要有水胶比、浆集比、砂率和减水剂用量。
(1).水胶比：水灰比（或水胶比）不仅极大的影响混凝土的强度，同时会极大的影响混凝土的抗渗性能和耐久性，水灰比大的水泥石的毛细孔隙较大，渗透性增加，耐久性降低。《普通混凝土配合比设计技术规程》[5]中由于对耐久性有要求，规定了最大水灰比与最小水泥用量。对于高性能混凝土，为达到低渗透性以保证混凝土的耐久性，
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其水灰比不宜大于0.35～0.40。有研究表明，硅酸盐水泥水化时，结合水约占水泥重量的22%，即在目前所用水泥和高效减水剂的条件下，采用普通的拌合、浇筑和养护技术措施，最佳水灰比约为0.22。水灰比小于0.22，则水泥石达不到足够的密实程度，因此高性能混凝土的水灰比取值范围应为0.22～0.35。如陕西钟佳墙采用0.236的水胶比，掺加Ⅱ级粉煤灰配制出C80的泵送达流动性混凝土[6]。 (2).浆集比：水灰比确定以后，胶凝材料总量就反映了水泥浆和集料的比例，即浆集比。试验证明，HPC中水泥浆/集料的体积比宜为35/65。即为保证混凝土具有良好的流动性，要求有较大的胶凝材料总用量，但随胶凝材料用量的增加，混凝土的弹性模量会有所下降，混凝土的收缩也会有所增加。根据经验，HPC的胶凝材料总量以不超过550 kg/m3为宜，并随混凝土强度等级的下降而减少，但最少不能低于300 kg/m3。此外由于水灰比较低，水泥用量较高时，高性能混凝土会有较高的水化热，温升较高，容易引起体积变形，产生温度裂缝。因而从技术性能与经济上考虑，需要掺加辅助胶凝材料，以减少混凝土的温升和干缩，提高抗化学侵蚀的能力，增加密实度，并降低成本。一般以10%～30%的辅助胶凝材料取代水泥，可以单独掺加硅灰、矿渣、粉煤灰，也可以掺加硅灰与粉煤灰或硅灰与矿渣的混合物。 (3).砂率：在水泥浆量一定的情况下，细集料对混凝土配合比的影响比粗集料更为显著，重量一定时，细集料的表面积比粗集料大得多，所有集料的表面都需要有胶凝材料浆体包裹，因而砂的颗粒级配以及砂率的大小均对浆体的需要量有直接的影响。高性能混凝土胶凝
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材料用量较大，若细集料用料较少，粗集料用量较大，则可以减少浆体用量，比较经济，也可以获得较高的强度，故在和易性能满足施工要求的条件下，可以选择较小的适宜的砂率。P.K.Mehta认为[4]，应用适当的粗集料，水泥浆/集料的体积比为35/65的条件下，可以制造出尺寸稳定性好的高性能混凝土，在粗集料最大粒径为12～19mm时，推荐的砂率为36%～39%。通过对国外典型工程和实验室配合比的统计，发现对于28d抗压强度为60～120的高性能混凝土，砂率大多在34%～44%范围内；当强度在80～100之间时，砂率主要集中在38%～42%之间；且随混凝土强度的增高，砂率呈减少的趋势。如内蒙古杭美艳采用0.36的砂率，掺加650㎡/kg的超细矿渣配制出C80的高性能混凝土[7]。
(4).减水剂掺量：在上述低水灰比的条件下，要拌制高施工性能的混凝土是十分困难的，必须要应用高效减水剂。高效减水剂具有较强的分散作用，其减水率可以高达30% 以上，在水泥用量大或水泥颗粒相对较细时，分散作用更为显著。高效减水剂的掺量一般以水泥质量的1.0%左右较为适宜，或者掺加0.8%～1.0%的高效减水剂和0.2%左右的木质素磺酸钙，以适当控制混凝土的坍落度损失。当胶凝材料用量较大时，高效减水剂的掺量需要增加。 (三)高性能混凝土的施工控制
1.搅拌。混凝土原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量,称量最大允许偏差应符合下列规定(按重量计):胶凝材料(水泥、掺合料等)±1%；外加剂±1%；骨料±2%；拌合用水±1%。应采用卧轴式、
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行星式或逆流式强制搅拌机搅拌混凝土,采用电子计量系统计量原材料。搅拌时间不宜少于2min,也不宜超过3min。炎热季节或寒冷季节搅拌混凝土时,必须采取有效措施控制原材料温度,以保证混凝土的入模温度满足规定。
2.运输。应采取有效措施，保证混凝土在运输过程中保持均匀性及各项工作性能指标不发生明显波动。应对运输设备采取保温隔热措施,防止局部混凝土温度升高(夏季)或受冻(冬季)。应采取适当措施防止水分进入运输容器或蒸发。
3.浇筑。(1)混凝土入模前,应采用专用设备测定混凝土的温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能；只有拌合物性能符合设计或配合比要求的混凝土方可入模浇筑。混凝土的入模温度一般宜控制在5～30℃(2)混凝土浇筑时的自由倾落高度不得大于2m当大于2m时,应采用滑槽、串筒、漏斗等器具辅助输送混凝土,保证混凝土不出现分层离析现象。（3）混凝土的浇筑应采用分层连续推移的方式进行,间隙时间不得超过90min,不得随意留置施工缝。（4）新浇混凝土与邻接的己硬化混凝土或岩土介质间浇筑时的温差不得大于15℃。 4．振捣。可采用插入式振动棒、附着式平板振捣器、表面平板振捣器等振捣设备振捣混凝土。振捣时应避免碰撞模板、钢筋及预埋件。采用插入式振捣器振捣混凝土时,宜采用垂直点振方式振捣。每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准,一般不宜超过30s,避免过振。若需变换振捣棒在混凝土拌合物中的水平位置,应首先竖向缓慢
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将振捣棒拔出,然后再将振捣棒移至新的位置,不得将振捣棒放在拌合物内平拖。
5.养护。高性能混凝土早期强度增长较快,一般3天达到设计强度的60%,7天达到设计强度的80%,因而,混凝土早期养护特别重要。通常在混凝土浇注完毕后采取以带模养护为主,浇水养护为辅,使混凝土表面保持湿润。养护时间不少于14天。
6．质量检验控制。除施工前严格进行原材料质量检查外，在混凝土施工过程中，应对混凝土的以下指标进行检查控制：混凝土拌合物：水胶比、坍落度、含气量、入模温度、泌水率、匀质性。硬化混凝土：标准养护试件抗压强度、同条件养护试件抗压强度、抗渗性、电通量等。
如果材料选择与配合比设计正确，高性能混凝土的耐久性在很大程度上决定于施工质量是否优良，混凝土的制造和施工决定了混凝土的性能。加料顺序正确，拌和彻底、均匀、运输与搬运过程混凝土拌合物不离析、振捣密实、养护充分等均是保证高性能混凝土质量的重要因素。高性能混凝土可以应用普通混凝土的施工设备进行施工，但其施工质量控制应该更加严格，配料计量误差要在允许的范围之内，原材料质量变化的检查次数要增加，混凝土的拌和要彻底均匀，应保证新拌混凝土具有良好的施工性能。HPC特别强调的一个方面就是应具有适宜的和易性以保证满意的浇筑质量，为利于浇筑，HPC通常需要较大的，如10～20cm的坍落度。但由于HPC胶凝材料用量大，水灰比较小，混凝土拌合物比较粘稠，坍落度损失较快，如果坍落度损
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失过大将不利于混凝土的浇筑、密实和均匀化，影响结构整体质量。因此，在高性能混凝土施工过程中除要求高效减水剂具有良好的控制塌落度损失性能外，还应特别注意施工组织安排，尽量减小混凝土塌落度损失。
四、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。国外有位学者写一篇综述,题为“昨天和今天的水泥,明天的混凝土”,文中指出21世纪水泥工业应改名为水硬性胶凝材料工业,而且应是一种绿色工业。水泥和混凝土堪称为世界上耗用量最大的材料,在我国尤其如此。我国人多地少,资源缺乏,同时也是世界上能源消耗的大国,以水泥和混凝土为例,我国水泥的年产量大约9亿吨,占世界水泥产量的三分之一,混凝土产量约12亿m3,世界混凝土年产量大约30亿m3,混凝土的大量使用,需要大量水泥,水泥的生产又极大地影响了环境,直接影响子孙后代的生活,所以绿色高性能的发展是事在必行。绿色高性能混凝土的研究及使用,即保护了环境,又提高了混凝土的性能。以粉煤灰为例,现已研发与使用的绿色高性
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能混凝土,绝大部分把粉煤灰作主要掺料,粉煤灰是工业废料,如不很好利用,会对环境造成二次污染,在绿色高性能混凝土中采用粉煤灰,即解决了二次污染,又降低了混凝土的成本,同时提高了混凝土的性能,主要表现在提高了混凝土的耐久性和工作性。混凝土的评价已由高强度转为高性能,高性能中耐久性是一个主要的评定标准,混凝土不是一劳永逸的材料,它也是随时间的增长、环境的影响和使用情况直接影响其使用寿命,一些发达国家面临这个问题, 我们国家也面临同样的问题。1991年美国在提交国会《国家公路与桥梁现状》的报告中指出,为了修理或更换现已存在缺陷的桥梁,需投资91 亿美元如拖延维护进程,费用将增至1310亿美元,美国每年用于混凝土维修的费用大约300亿美元。我国是发展中国家,在工程建设中基本没有维修费用,工程费用主要在新建工程,建国以来,五、六十年代的工程量大,经过几十年的使用,可以说需维修的工程量肯定也是巨大的,费用是惊人的,因此,站在历史的角度,站在发展的角度,研究混凝土高性能的意义巨大。
五、高性能混凝土的发展前景
1997年3月的“高强与高性能混凝土”会议上,吴中伟院士首次出“绿色高性能混凝土(GHPC) ”的概念,并指出: GHPC是混凝土的发展方向,更是混凝土的未来。提高混凝土的绿色度,可以节约更多的资源与能源,将对环境的破坏减到最小。人类已经进入21世纪,混凝土应该更多地掺加工业废渣掺和料,更多地节约水泥,有更高的强度和耐久性。高性能混凝土(HPC)具有下列特征:(1)更多地节约熟料水
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泥,降低能耗与环境污染;(2)更多地掺加工业废料为主的细掺料;(3)更大地发挥混凝土的高性能优势,减少水泥与混凝土的用量。因此,高性能混凝土本身就可成为绿色混凝土。事实上,许多工程如大体积水工建筑、基础等对强度要求不高,但对耐久性、工作性、体积稳定性、低水化热等有很高要求,都应采用HPC。例如日本跨海明石大桥基墩混凝土(50万m3)要求高耐久性、高抗冲刷性与低升温,而强度只要求20MPa,使用的就是掺加了复合外加剂与复合细掺料的HPC。由此可见,高性能混凝土并不一定强调高强,我国目前也己完成了普通混凝土的高性能化的研究和应用。因此,传统的GHPC的应用范围可以进一步扩大,可以将欧美对HPC强度的低限50MPa降低到C30左右,原则是只要不损害混凝土的内部结构如孔结构、水化物结构与界面结构等,保证混凝土具有良好的耐久性与体积稳定性。纳米混凝土、再生混凝土、免振捣自密实高性能混凝土等都是绿色高性能混凝土。绿色高性能混凝土已被广泛应用于市政工程、民用建筑和工业建筑,与普通混凝土相比,高性能混凝土具有更好的施工性能和耐久性,同时可以更多地利用工业废渣及其它废弃物,有良好的经济指标和环保意义,因此,绿色高性能混凝土是混凝土的发展方向。
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
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持续性的发展原则。21世纪前后,吴中伟等提出了绿色混凝土的概念,在高性能混凝土的基础上增加了三个含义:1)节约资源、能源;2)不破坏环境,更有利于环境;3)可持续发展, 既要满足当代人的需求,又不危害后代人满足其需要的能力。大力开展绿色高性能混凝土的研究和应用高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能,对混凝土的发展将起重要作用, 并为HPC的发展指明了非常明确的方向。 六、结论
探讨了高性能混凝土配合比设计的基本要求和技术途径，主要从原材料的选择、配合比参数的合理确定等方面进行了阐述。通过掺入矿物微细粉和高性能化学外加剂的技术途径来配制高性能混凝土，既可改善混凝土的性能，又能降低生产成本，有利于高性能混凝土的推广应用。文中提出的设计方法具有准确、简捷、适用范围广及程序化的特点，采用此方法配制的混凝土具有良好的工作性、力学性及耐久性。通过对高性能混凝土抗冻性能试验研究可得出以下结论,混凝土的抗冻性主要与所引入的空气含量、气泡的质量、混凝土强度和水胶比等因素密切相关，高性能混凝土的含气量宜为2%～4%，这样配制的混凝土具有200次以上的抗冻性能。高性能混凝土的抗冻性能与外加剂密切相关，外加剂的掺量存在一个最优值，本试验中最优掺量在0.95%～1.00%之间。如今我国HPC发展形势一片良好，但是要使HPC 在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程。随着我国建筑基础建设的不断增强，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。
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有关资料显示，我国的混凝土工业在污染防治与能源消耗控制方面与发达国家还存在着相当的差距，还有许多艰巨的任务要完成。我们必须高度重视保护生态环境的意义，坚持科学的发展战略，全力发展绿色高性能混凝土。发展的过程必须有政府的控制管理和法律、法规的保障, 必须有企业的自律和积极参与, 必须有科技的投入和创新。有了这些，我们可以相信：混凝土的未来是绿色的。
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致谢
本论文从立题到论文撰写整个过程都是在指导教师的悉心指导下完成的。特别是指导教师在学习上，思想上都给予我极大的关怀和帮助，在传授我知识的同时，更注重培养我解决问题的思路和方法及创新能力，为我今后学习和工作打下了坚实的基础并开阔了我的视野。指导教师敏捷的思维和孜孜不倦的探索精神是我永远学习的榜样，我所取得的每一点进步无不凝聚着指导教师的心血,我将最诚挚的谢意奉献给我的指导教师。
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