高性能混凝土技术现状及发展趋势

郝挺宇

(中冶建筑研究总院有限公司，国家工业建构筑物质量安全监督检验中心北京 100088)

摘要：为实现人类社会的可持续发展，传统混凝土技术必须走节省资源、节省能源、与环境协调发展的道路，实现绿色化、高性能化。本文综述了高性能混凝土技术的发展现状，并对该项技术在土木工程中的应用的几个问题进行了分析。

关键词：高性能混凝土基础设施 耐久性 可持续发展

一． 引言

混凝土是当代用途最广泛的建筑材料，尤其在中国经济持续增长的今天，大量兴建的公路、铁路、机场、水工、港工、工业厂房、民用建筑等基础设施消耗的混凝土数量增长速度十分惊人。这可从我国水泥年产量的变化得到直接证明：图1是中国自1978年以来水泥年产量的历史数据，可以清楚地看出近20年来水泥产量屡创新高，去年年产量已占到世界总产量（约40亿吨）的60%左右。

从图1中还可看出，受2008年金融危机的影响，我国当年水泥产量增长幅度同比略有下降，但之后仍快速增长，2013年产量比2008年增长高达73.8%。据美国地质调查局和中国国家统计局的历史数据，我国2011-2012两年的水泥产量就超过美国整个20世纪的总产量！

这些水泥最终全变成了不同种类的混凝土及制品，进而构筑了中国城市化进程的基石；同时如此巨量混凝土的生产、制造、使用、报废整个过程，每年耗费巨大资源、能源，排放大量CO2、有害气体和粉尘，严重污染人类赖以生存的自然环境，与当今世界普遍认同的“社会可持续发展”观念背道而驰。

因此，自上世纪80年代开始，一些发达国家即开始思考传统的水泥混凝土工业的出路，提出为21世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，包括钢材、混凝土、工程塑料等。1990年5月，在美国马里兰州由美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土学会（ACI）主办了第一次关于高性能混凝土（High performance concrete，简称HPC）的国际研讨会，会议首次提出关于高性能混凝土的定义，自此成为世界各国建设领域研究的热点问题之一。

二． 何谓高性能混凝土？

1. 定义及特征

在世界范围内，对高性能混凝土的定义至今尚未统一。

美国混凝土学会（ACI）1998年定义[1]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份和一般的拌和、浇注和养护方法，未必总能大量地生产出这种混凝土”。ACI对此定义做了解释：“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HPC。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：易于浇注，振捣时不离析，早期，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…”。可见此定义注重混凝土的高工作性、体积稳定性及耐久性。

日本不少学者认为高性能混凝土是高强、超高强与高流态混凝土。特别是自密实免振混凝土在日本得到很大发展[2]，这对降低工人劳动强度、减少施工时的环境噪声、保证浇注质量有特殊意义。

我国自1980年前后开始研究高强混凝土，目前应用主要集中在高层建筑和大型桥梁。自上世纪末，高性能混凝土的概念引入中国，学术界、工程界开展了大量工作，高性能混凝土概念也多次演变。

2006年颁布的中国工程建设标准化协会标准《高性能混凝土应用技术规程》，其中对HPC的定义[3]为：“高性能混凝土是采用常规材料和工艺生产的，能保证混凝土结构所要求的各项力学性能，并具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。”

2014年国内“推广高性能混凝土”工作组专家编写的《高性能混凝土应用技术指南》中给出的定义[4]为：“以建设工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求为总体目标，合理选用优质常规原材料，掺加高性能减水剂和合理掺量的矿物掺合料，采用较低水胶比并优化配合比，通过绿色预拌生产方式以及严格的施工措施，制成符合本指南技术要求、具有优异性能的混凝土”。

比较上述定义可知，从以前单纯强调“三高”的性能指标，到现在重视绿色生产方式、全过程控制等关键要素，体现了高性能混凝土的推广和应用与国家的可持续发展密不可分。

2. 与高强混凝土的关系

高性能混凝土概念的提出不过二十多年的历史，在一定程度上是高强混凝土（High Strength Concrete, 简称HSC）的延伸和发展。在欧洲等地，HSC和HPC常常并称。在我国，有一段时期也把二者联系在一起，认为高性能混凝土必然是高强混凝土。但HPC并不等于HSC。高强混凝土可从强度等级上直接定义，如C80, C100等；高性能混凝土无法仅用强度指标定义，其概念的提出首先是基于耐久性的要求。而高强混凝土在收缩开裂、脆性等问题上很敏感，并不必然保证高耐久性。

与国外相比，我国工程中应用的混凝土强度长期偏低，近年来有所提高。以江苏省预拌混凝土行业[5]为例，2013年各强度等级分布为：C10—C30强度等级的混凝土用量占总量的71.8%。其中，C30以下低标号混凝土占18.2%，用量最大的C30混凝土占53.6% ；C35及以上级别混凝土用量占28.2%。其他发达省市的情况与之类似。又如北京地区，强度等级超过C50的混凝土不到10%，而香港地区为80 %以上。所以从我国具体情况出发，不宜把高强度作为高性能混凝土的首要条件。国内不少单位以中等强度等级的混凝土为对象，进行普通混凝土高性能化的研究[6-7]，对提高我国基础设施建设质量意义重大。

3. 高性能混凝土与结构耐久性

高性能混凝土现在之所以备受重视，其关键原因有二：一是人们对可持续发展的关心，必须为高耗能和严重污染环境的硅酸盐工业寻找出路，在配置混凝土时尽量少用熟料；二是希望用HPC解决钢筋混凝土结构的普遍存在的耐久性不足问题。这个层面理解，可将高性能混凝土看作以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产施工的混凝土。

中国重大基础设施建设的投资动辄几十亿、上百亿，而类似三峡大坝、青藏铁路、西气东输、南水北调、京沪高速铁路等超级工程的投资更是以数千亿计，这些混凝土工程耐久性的好坏和服役寿命的长短是全国人民倍加关注的重大问题。在吸取发达国家因混凝土结构耐久性不足导致维修和重建费用居高不下的教训后，近来我国对大型工程也提出了100年或更长的设计寿命。要想保证在百年服役期内混凝土结构的耐久性，需从结构、材料等诸多方面提出措施，并付诸实施。在材料领域中，首先需选用的即是高性能混凝土。

三． 高性能混凝土技术现状

1. 国外情况

美国被称为“车轮上的国家”，连接全国各州的高速公路是其重要的社会财富组成部分，其应用高性能混凝土的重点也是在公路桥梁上。美国联邦公路管理局（FHWA）1993年启动了“高性能混凝土建造桥梁”项目，并从1996到2006年进行了10多年的跟踪和数据采集，取得的成果对其修订桥梁相关标准起到了重要作用。

Russell[8]在14个州19座桥梁跟踪数据的基础上，修改了结构用高性能混凝土的性能指标分级，并把描述指标从8个增加到11个，涵盖了材料的力学性能指标和耐久性指标，分别是：抗冻性、抗剥落指标、耐磨性、氯离子渗透性、碱-硅反应活性、抗硫酸盐侵蚀性、工作性、强度、弹性模量、收缩和徐变。对应每个指标有三个不同的等级，要求越高适用的环境越恶劣。

加拿大在其国家标准“混凝土材料及施工”[9]中专门有一个附录I即为高性能混凝土，其中指出制订该标准的首要考虑是高性能混凝土的耐久性好，如对快速氯离子渗透试验，按ASTM C1202的方法，高性能混凝土试件28天时通过电量一般小于1000库仑。该标准还强调要重视质量控制和施工，提出不同构件湿养护时间以及立面用养护剂保证养护质量等具体建议。

欧盟从以往混凝土结构耐久性的失效得到教训，在结构耐久性设计方面进行了大量试验研究，成果之一是出版了Duracrete—耐久性设计指南，试图在结构服役周期内引入基于概率的设计方法，对引起混凝土结构劣化的因素，如高性能混凝土的氯离子扩散、碳化、开裂剥落等作用等进行了深入研究，并在指南中体现了设计方法。

2. 国内情况

国内建筑业的高速发展带动了混凝土技术的迅速提高。科技部也在973、863等国家科技计划中专门列了针对混凝土技术的科研项目，在高性能混凝土用水泥、矿物掺合料、化学外加剂、配合比设计、施工等方面取得一系列成果[10-15]，并在超高层建筑、水工结构、桥梁、铁路工程等多个领域中获得应用。

但就我国年30亿立方米的混凝土产量而言，其中高性能混凝土所占比例还偏低，严重影响了该行业的可持续发展。为引导行业健康发展，自2013年初，住建部和工信部联手调研国内推广高性能混凝土的可行性，并在2014年初成立了专家组，组织编写《高性能混凝土应用技术指南》，真实地反应了当前高性能混凝土研究与应用领域的先进技术水平，预计今年底可发布实施。

四． 高性能混凝土应用中应注意的几个问题

1. 原材料波动带来的问题

在正常情况下，高性能混凝土实现的难点之一是原材料波动的问题，主要表现有以下几个方面：

1）粗骨料的颗粒形状及级配：

与普通混凝土相比，高性能混凝土要求粗骨料在一定的粒径范围，粒形好，级配符合要求，空隙率低（40%以下），这样配制的混凝土用水量低，拌合物性能好，界面缺陷少。但我国目前大部分石子的生产都采用鄂式破碎机，当破碎强度较高的岩石时，产生的针片状就多，而且破碎颗粒越小，针片状颗粒就越多。大多数采石场都将10mm以下的颗粒分出另作它用，于是所销售的石子实际上并不符合国家标准中的级配要求，且针片状含量超标，空隙率大（一般在45%－50%）。这种状况的石子对混凝土性能影响很大。解决的方法是改进破碎技术和工艺。

2）骨料含泥量的影响

国家标准对砂石含泥量有明确的规定，但实际状况由于成本、加工工艺、采集源地等因素影响，实际很多工程中使用的骨料含泥量均超标。根据某质量监督站对在建的多个重点工程的原材料检测结果表明：砂石含泥量超标50%以上。由于含泥量超标形成的混凝土内部结构存在着严重的缺陷，降低了混凝土的耐久性能；同时为了保持混凝土的流动性，大大提高了外加剂的掺量，显著地增加了混凝土单方成本。试验表明：骨料含泥量达到3%－4%，外加剂掺量成倍增加，混凝土每方成本增加十几元。

3）胶结材料质量波动的影响

胶结材料质量波动主要表现为化学成份、细度、水泥的石膏相等方面的变化。这类变化带来混凝土相关性能的变化。如水泥越细，需水量越大，早期水化热大，对温控开裂不利。水泥的化学成份和石膏相发生变化带来混凝土拌合物性能变化，如坍落度损失快、泌水、外加剂不适应等。粉煤灰的烧失量增大，带来外加剂掺量增大，拌合物性能下降。目前我国生产胶结材料的企业多，工艺技术及装备差距较大，因而质量波动影响是客观存在的。

4）外加剂性能波动的影响

外加剂性能波动对混凝土的影响主要表现在混凝土拌合物性能方面，如粘聚性不好，坍落度损失快，泌水等。目前国内生产外加剂的企业较多，很多小企业都是作坊式生产，技术水平低，工艺装备落后，质量控制水平相差很大，因而直接影响混凝土质量。

2. 现场评定

众所周知，在实验室制作的混凝土试件与结构中的混凝土在浇注、捣实和硬化条件等方面，具有不可避免的区别。所以除了在实验室对混凝土的配制进行控制和检测外，必须在现场对结构混凝土进行检测和验收。

国际上开始发展结构混凝土的检测方法主要是针对混凝土力学性能的检测，目前已有半破损、非破损法和综合法等多种方法[16]。目前针对高性能混凝土在工程上的应用日益增多，如何在现场检测评价高性能混凝土的施工质量成为一个重要问题。

五． 结语及展望

2014.8.13日，“住房城乡建设部工业和信息化部关于推广应用高性能混凝土的若干意见”出台，这是两部历时1年7个月时间，经国内外调研、会议等大量工作最终的成果，敲响了我国推广高性能混凝土的号角，预计未来将在以下几个方面快速发展：

1. 国家政策、标准、指南体系配套，打造推广高性能混凝土的环境；

2. 推广绿色生产，提升预拌混凝土行业整体技术水平；

3. 预制构件用高性能混凝土技术研究和应用持续升温；

4. 重大工程应用高性能混凝土后结构性能的监测和跟踪。

参考文献：

[1] 冯乃谦. 高性能混凝土结构，机械工业出版设，2004.1

[2] 吴中伟，廉慧珍. 高性能混凝土. 中国铁道出版社，1999.9

[3] 《高性能混凝土应用技术规程》CECS 207：2006

[4] 《高性能混凝土应用技术指南》（送审稿），2014.7

[5] 程祥平. 2013年江苏省预拌混凝土行业发展报告. 2014.3

[6] 中建三局总承包公司. 普通混凝土高性能化研究与应用. 第4届全国高性能混凝土学术研讨会论文集，2002.12, 武汉

[7] 姚燕，王玲，吴浩. 中国高性能混凝土及混凝土耐久性的研究和应用. 《混凝土工程耐久性研究和应用》论文集，西南交通大学出版社，成都，2006.10

[8]Henry G. Russell and H. Cellik Ozyildirim. Revising High-Performance Concrete classifications. Concrete International, Vol. 28 No. 8, 2006

[9]CSA 23.1-09 Annex I, High-Performance Concrete, p 178-183

[10] 中国土木工程学会标准：混凝土结构设计与施工指南CCES 01-2004（2005.10修订版）

[11] 赵铁军. 混凝土渗透性.科学出版社，北京，2006

[12] 洪乃丰. 基础设施防腐蚀问与答. 化学工业出版社，北京2003

[13] 洪定海. 混凝土中钢筋的腐蚀与保护. 中国铁道出版社，北京，1998

[14] 朋改非，刘叶锋，郝挺宇. 国内外混凝土表层渗透性现场测试技术现状：综述. 《沿海地区混凝土结构耐久性及其设计方法》，人民交通出版社，北京，2004.10

[15] 方境，张燕迟等. 海港高桩码头破坏状况及耐久性对策与建议. 《沿海地区混凝土结构耐久性及其设计方法》，人民交通出版社，北京，2004.10

[16]Edward G. Nawy. Fundamentals of High-Performance Concrete. John Wiley & Sons, Inc. 2001