高性能混凝土技術(shù)發(fā)展的一些動(dòng)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(guó)外學(xué)者曾稱之為21世紀(jì)混凝土。挪威于1986年首先對(duì)此進(jìn)行了研究，在1990年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院與美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)共同主辦的一次研討會(huì)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(guó)內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。十多年來(lái)，世界上許多國(guó)家相繼投入了大量的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行該項(xiàng)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(jì)、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(shí)用價(jià)值的科技成果，內(nèi)容豐盈，實(shí)難在一文中罄書。本文僅擬對(duì)高性能混凝土與高強(qiáng)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(gè)新進(jìn)展——免振自密實(shí)混凝土三個(gè)方面，根據(jù)所見的國(guó)外技術(shù)文獻(xiàn)和個(gè)人的一些認(rèn)識(shí)作一基本介紹。

2 高性能混凝土就與高強(qiáng)混凝土有所區(qū)別

高性能混凝土可以認(rèn)為是在高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高，也可說(shuō)是高強(qiáng)混凝土的進(jìn)一步完善。由于近些年來(lái)，在高強(qiáng)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(gè)似，而且在有的國(guó)家早期發(fā)表的文獻(xiàn)報(bào)告中曾提到：“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗壓強(qiáng)度，但仍需達(dá)到55MPa以上”。因此，至今國(guó)內(nèi)外有些學(xué)者仍然將高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土在概念上有所混淆。在歐洲一些國(guó)家常常把高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土并提。

高強(qiáng)混凝土僅僅是以強(qiáng)度的大小來(lái)表征或確定其何謂普通混凝土、高強(qiáng)混凝土與超高強(qiáng)混凝土，而且其強(qiáng)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，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(guó)家，不同的學(xué)者因有各自的認(rèn)識(shí)、實(shí)踐、應(yīng)用范圍和目的要求上的差異，對(duì)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(guó)NIST與ACI對(duì)高能混凝土命名時(shí)，曾提出一個(gè)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(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)。近年來(lái)，美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)又給出一個(gè)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(hù)的習(xí)慣做法所獲得。”

把高強(qiáng)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：

高強(qiáng)混凝土必然具有良好的耐久性？

高性能混凝土必需具有高強(qiáng)度？

美國(guó)教授P.K.Mehta早在1990年就提出：“把高強(qiáng)混凝土假定為高性能混凝土，嚴(yán)格地說(shuō)，這種假定是錯(cuò)誤的。”

我國(guó)已故的吳中偉院士也在1996年提出：“有人認(rèn)為混凝土高強(qiáng)度必然是高耐久性，這是不全面的，因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土?xí)?lái)一些不利于耐久性的因素……。高性能混凝土還應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土，如C30混凝土。”1999年又提出：“單純的高強(qiáng)度不一定具有高性能。如果強(qiáng)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(duì)混凝土強(qiáng)度要求并不高，但對(duì)耐久性要求卻很高，而高性能混凝土恰能滿足此要求。

美國(guó)學(xué)者S.P.Shah教授最近也進(jìn)出：“盡管高強(qiáng)混凝土具有較高的強(qiáng)度和較低的滲透性，但是高強(qiáng)混凝土并不具有所需耱的綜合耐久性。”

美國(guó)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(qiáng)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(qiáng)為目標(biāo)，而應(yīng)是高性能，單純以高抗壓強(qiáng)度來(lái)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(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土，如普通強(qiáng)度的高性能混凝土、高強(qiáng)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(diǎn)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(gè)值得重視的性能缺陷：自干燥引起的自收縮；脆性。

3.1 自干燥引起的自收縮

近年來(lái)，國(guó)外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生自干燥從而引起混凝土的自收縮，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(shí)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?；炷廉a(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對(duì)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(duì)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(qiáng)或高性能混凝土的配制，正因?yàn)槭堑退冶然蛩z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(duì)濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時(shí)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(duì)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(zhǎng)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?cè)旅?，使毛?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(huì)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(huì)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(qiáng)，會(huì)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(duì)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(shí)，尤以初凝到1d齡期時(shí)為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時(shí)的自收縮愈大。

自收縮對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展造成的損傷是一個(gè)值得重視的問題。由于硬化后高強(qiáng)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(shí)，也阻礙了外部養(yǎng)護(hù)水對(duì)混凝土的濕養(yǎng)護(hù)作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)措施來(lái)改善此類混凝土的自干燥、自收縮并無(wú)明顯的效果。國(guó)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(duì)降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國(guó)外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護(hù)即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時(shí)，盡快地立即進(jìn)行水霧養(yǎng)護(hù)，對(duì)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(hù)作用。但此方法需根據(jù)混凝土強(qiáng)度要求而采用。

3.2 脆性

脆性可以描述為混凝土無(wú)法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴(kuò)展與增長(zhǎng)。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(yàn)已表明，混凝土的強(qiáng)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(qiáng)混凝土的脆性已引起廣泛的重視，而高強(qiáng)的高性能混凝土也同樣呈較大的脆性。在高強(qiáng)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(qiáng)度的高性能混凝土，雖然脆性比高強(qiáng)混凝土有所降低，但是其脆性仍然是個(gè)問題。

混凝土脆性的增大會(huì)給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)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(guó)外已有學(xué)者提出HPFRC，而且將之與纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土和基材進(jìn)行拉伸應(yīng)力——應(yīng)變的對(duì)比。

纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土比無(wú)纖維增強(qiáng)的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強(qiáng)高性能混凝土與無(wú)纖維增強(qiáng)的基材相比，在HPFRC的拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線中有三個(gè)特征是值得重視的：

本新聞共2頁(yè),當(dāng)前在第1頁(yè)12