復(fù)合超高強(qiáng)高性能混凝土的研究進(jìn)展

摘要：高性能混凝土是在普通混凝土基礎(chǔ)上新問世的材料，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)所用的主導(dǎo)材料，尤其是隨著混凝土材料科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能混凝土先后解決了工程中遇到的許多疑難問題，具有廣闊的發(fā)展前景。本文對(duì)高強(qiáng)混凝土的重要性能及其研究動(dòng)態(tài)作了論述。

關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)混凝土；高性能混凝土；復(fù)合高性能混凝土

　　高性能混凝土(High Performance Concrete 以下簡(jiǎn)稱HPC) 是以其“三高”而著稱，即耐久性高、工作性高、強(qiáng)度高，被稱為21 世紀(jì)混凝土[1 ，2 ] 。在我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，隨著綠色混凝土工程材料的推進(jìn)和發(fā)展，超高強(qiáng)高性能混凝土在改善環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益、增加新的增長(zhǎng)點(diǎn)、解決工程中的疑難問題等方面引起了專家們的極大關(guān)注。

    HPC 是由日本土木工程師協(xié)會(huì)混凝土專業(yè)委員會(huì)主席、東京大學(xué)土木工程系岡村甫(Okamura) 教授及其助手新近研制的一種全新的特殊混凝土。這項(xiàng)研究工作大約始于1988 年。在我國(guó)[3 ] ，1988 年高強(qiáng)混凝土開始發(fā)展，1990 年提出了HPC。近年來，HPC 的使用越來越多，特別是混凝土的強(qiáng)度越來越高，使用C60 及其以上(即高強(qiáng)) HPC 的工程與日俱增?？梢灶A(yù)見，不久的將來，C100 及其以上(習(xí)慣上稱之為超高強(qiáng)) HPC 也會(huì)從目前的試驗(yàn)性嘗試應(yīng)用擴(kuò)展到正式推廣應(yīng)用。HPC 技術(shù)以及高強(qiáng)、超高強(qiáng)高性能混凝土技術(shù)，是目前混凝土技術(shù)的核心和重要發(fā)展方向。因此，迫切需要我們更進(jìn)一步的探索與研究， 并將之應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中。

1 　研究與開發(fā)超高強(qiáng)高性能混凝土的意義

　　隨著現(xiàn)代建筑物的高層化、大跨化、輕型化、地下化以及使用環(huán)境的嚴(yán)酷化，在建筑工程中所使用的混凝土的強(qiáng)度逐漸增高。目前，人們已在海洋深處建造大型的結(jié)構(gòu)物，在遼闊的海面上建造巨大的工作平臺(tái)，在城市里建造垂直城市(超高層大廈) ，也正在建造跨越大江、深谷、海峽的大跨度橋梁，穿越海峽的海底隧道，現(xiàn)代化的高速火車棧橋，以及各種大型的地下建筑物及井巷工程等，所有這些新奇建筑和巨型工程都對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種要求，進(jìn)一步研究和開發(fā)超高強(qiáng)高性能混凝土(C100 以上) 具有重要的意義。與普通中低等級(jí)的混凝土相比，使用超高強(qiáng)高性能混凝土具有一定的優(yōu)越性。

2 　對(duì)超高強(qiáng)高性能混凝土的評(píng)價(jià)

2.1 　有效地減輕結(jié)構(gòu)自重并大幅度地提高混凝土的耐久性

    眾所周知，鋼筋混凝土的最大缺點(diǎn)是自重大，在一般建筑中，結(jié)構(gòu)自重為有效荷載的8～10 倍。當(dāng)混凝土強(qiáng)度、性能提高時(shí)，結(jié)構(gòu)自重降低。國(guó)際預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土協(xié)會(huì)前主席C·格維克教授與世界著名預(yù)應(yīng)力混凝土專家美籍華人林同炎教授曾預(yù)言， 80 %～90 %的鋼結(jié)構(gòu)工程可用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)一樣輕，因?yàn)檫@時(shí)兩者的比強(qiáng)度(即強(qiáng)度與重量的比值) 大致相等。同時(shí)，由于超高強(qiáng)高性能混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改善和膠凝物質(zhì)組成的優(yōu)化，其耐久性將極大地改善，其收縮大大減少，抗?jié)B標(biāo)號(hào)達(dá)40 號(hào)以上，實(shí)際上不滲水，超高強(qiáng)高性能混凝土不碳化，抗凍性將達(dá)1000 次凍融循環(huán)以上，建筑物的使用期限將達(dá)數(shù)世紀(jì)，從而使混凝土的耐久性有了明顯的提高。

2.2 　材料用量及建筑成本將大量減少，生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工能耗將大量降低

    超高強(qiáng)混凝土是新的用于大規(guī)模建筑的材料，它的價(jià)格比普通混凝土貴。但在很多結(jié)構(gòu)中，采用超高強(qiáng)混凝土的經(jīng)濟(jì)效益大于其本身成本的提高。屈志中[4]介紹，根據(jù)美國(guó)的研究，在受壓構(gòu)件中，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度為40 MPa 時(shí)承受荷載10 KN 需耗用1.1 美元； 當(dāng)強(qiáng)度為52 MPa 時(shí)需耗用0.45 美元；而當(dāng)強(qiáng)度為62 MPa 時(shí)則更為經(jīng)濟(jì)了。在美國(guó)，從35 MPa 算起，混凝土強(qiáng)度每提高10 MPa ，每1 m3 混凝土拌合物的價(jià)格大約提高20 美元，即強(qiáng)度100 MPa 的混凝土確定為200 美元，相應(yīng)140 MPa 的混凝土為280 美元。在采用超高強(qiáng)混凝土的條件下經(jīng)濟(jì)效果為:即使混凝土本身比低強(qiáng)度混凝土貴，但其差價(jià)可用減少構(gòu)件的斷面尺寸所補(bǔ)償。超高強(qiáng)混凝土的建筑技術(shù)性能優(yōu)點(diǎn)決定了最好是把它用于高層建筑的柱。根據(jù)前蘇聯(lián)的研究(取決于鋼筋混凝土的應(yīng)力狀態(tài)) ，當(dāng)使用C110～ C137 的混凝土代替C40～C60的混凝土?xí)r，可節(jié)約水泥30 %～70 %、鋼材15 %～25 %。由于復(fù)合高強(qiáng)混凝土具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，因而其應(yīng)用在逐步擴(kuò)大。在各類建筑結(jié)構(gòu)中，超高強(qiáng)混凝土廣泛地應(yīng)用于高層建筑、電視塔、橋梁、原子能反應(yīng)堆的罩和外殼、開采石油和天然氣的海上采油平臺(tái)中的事實(shí)，證明了它獨(dú)特的建筑技術(shù)效果。在發(fā)達(dá)國(guó)家，出現(xiàn)了專門生產(chǎn)高強(qiáng)和超高強(qiáng)混凝土的建筑企業(yè)，并與生產(chǎn)建筑鋼材的公司形成競(jìng)爭(zhēng)局面，這充分顯示高強(qiáng)和超高強(qiáng)混凝土的優(yōu)越性。

3 　高強(qiáng)高性能混凝土的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

    高強(qiáng)化是混凝土技術(shù)發(fā)展的必由之路，各國(guó)對(duì)于混凝土高強(qiáng)化的理論研究和實(shí)踐正在進(jìn)行。高性能混凝土伴隨著高強(qiáng)混凝土而問世，且各國(guó)對(duì)高性能混凝土的要求不完全一樣。根據(jù)目前國(guó)際上對(duì)混凝土的研究與使用情況及各國(guó)多數(shù)學(xué)者的習(xí)慣，在我國(guó)，蒲心誠(chéng)教授認(rèn)為[5 ]把C10～C50 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土稱為普通強(qiáng)度混凝土，C60～C90 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土，C100 及C100 以上的混凝土稱為超高強(qiáng)混凝土。本文所論述的超高強(qiáng)高性能混凝土即是指強(qiáng)度等級(jí)≥C100 且有很好的耐久性能的混凝土。

    高強(qiáng)度混凝除全面地改善混凝土的質(zhì)量外，主要應(yīng)減少其收縮、徐變，提高其抗?jié)B性、抗凍性、抗蝕性等。一般來說，高性能混凝土也有普通強(qiáng)度等級(jí)的，但對(duì)超高強(qiáng)混凝土而言，兩者是一致的。超高強(qiáng)混凝土同時(shí)也是高性能混凝土，為了更直觀、更全面，我們稱這樣的混凝土為超高強(qiáng)高性能混凝土(Supper strength High Performance Concrete 以下簡(jiǎn)稱SHPC) 。近年來，人們探索與研究這一性能更好、強(qiáng)度更高、經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)的混凝土的熱忱正在升起。我國(guó)對(duì)抗壓強(qiáng)度為100 MPa 以上的SHPC 研究較少。重慶大學(xué)蒲心誠(chéng)教授曾用堿礦渣混凝土技術(shù)制成了28 d 抗壓強(qiáng)度為100 MPa ，110 MPa ，120 MPa 的SHPC ，一年后強(qiáng)度增至11213 Mpa～13212 Mpa ， 這是當(dāng)時(shí)我國(guó)超高強(qiáng)混凝土的最高強(qiáng)度記錄[7 ] 。90 年代，美國(guó)、加拿大、日本、挪威、前蘇聯(lián)各國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等，成為應(yīng)用SHPC 最多的國(guó)家，在我國(guó)幾乎沒有應(yīng)用。美國(guó)的芝加哥、西雅圖、紐約、休斯敦， 加拿大的多倫多，德國(guó)的法蘭克福等均有多幢SHPC 建筑；日本不僅應(yīng)用SHPC 建造高層住宅，而且用其制造預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土樁、桁架、管、電桿等。目前應(yīng)用SHPC 最好的國(guó)家是挪威，其已有C105 級(jí)超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，此為目前世界上強(qiáng)度等級(jí)第二高的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(德國(guó)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已達(dá)C110 級(jí)，強(qiáng)度等級(jí)為當(dāng)今世界之最) 。挪威已在建造北海油田的鉆井平臺(tái)中使用SHPC ，并將SHPC 廣泛用于道路工程， 明顯提高了混凝土路面的耐磨性，適應(yīng)了挪威嚴(yán)寒地區(qū)汽車帶釘輪胎對(duì)路面的強(qiáng)磨蝕作用。這種路面，用普通混凝土，其壽命短得難以接受[6 ，8 ] 。超高強(qiáng)混凝土在工程實(shí)踐中已經(jīng)得到了應(yīng)用，有代表性的為:法蘭克福BFG行政大樓建造并應(yīng)用了B115 的SHPC[9 ] ；挪威在使用高強(qiáng)混凝土和超高強(qiáng)混凝土方面更是走在世界前列，他們?cè)诒焙Ｓ吞锏暮Ｉ香@井平臺(tái)上，曾進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度超過100 MPa 的超高強(qiáng)混凝土施工，并于1989 年就制訂和實(shí)施了抗壓強(qiáng)度高達(dá)105 MPa 的SHPC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[10 ] ； 英國(guó)帝國(guó)公司與牛津大學(xué)合作研制成功的無宏觀缺陷(MDF) 水泥，其抗壓強(qiáng)度達(dá)300 MPa ，抗折強(qiáng)度達(dá)50 Mpa～200 MPa 。近幾年來，國(guó)際上又出現(xiàn)了活性粉末混凝土，其抗壓強(qiáng)度已達(dá)800 MPa[11 ] 。

4 　超高強(qiáng)高性能混凝土(SHPC) 的主要性能

　　盡管人們已積極從事SHPC 的研究開發(fā)工作， 但是，與普通混凝土和高強(qiáng)度混凝土相比，這種研究還是初步性的，遠(yuǎn)不及對(duì)普通強(qiáng)度混凝土研究的廣泛和深入，所積累的資料也還不多，有待進(jìn)一步地探索和研究。

4.1 　超高強(qiáng)混凝土的收縮

     混凝土在使用過程中出現(xiàn)的體積收縮，容易引起混凝土開裂。超高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的主要技術(shù)途徑是采用低水灰比，高水泥用量，高標(biāo)號(hào)水泥， 摻入超細(xì)礦粉及高效減水劑等。因此，超高強(qiáng)混凝土的收縮由澆注初期塑性收縮，發(fā)生于混凝土內(nèi)部的化學(xué)收縮、自干縮、干縮、碳化收縮和溫度收縮等六部分組成。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的收縮進(jìn)行了研究。嚴(yán)吳南、蒲心誠(chéng)認(rèn)為[12 ] ，超高強(qiáng)混凝土長(zhǎng)期干縮并不比普通混凝土大；李家和等認(rèn)為[13 ] ，高強(qiáng)混凝土早期收縮大于普通混凝土， 長(zhǎng)期收縮小于普通混凝土；覃維祖等認(rèn)為[14 ] ，高強(qiáng)混凝土水膠比低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，因此早期產(chǎn)生很大的自收縮；ArshedA1khan 認(rèn)為[15 ] ，早于24 小時(shí)脫模的高強(qiáng)混凝土的收縮應(yīng)變和熱應(yīng)變比普通混凝土大得多， 且總應(yīng)變的穩(wěn)定較普通混凝土慢； E1J1sellevold 認(rèn)為[16 ] ，高強(qiáng)混凝土的自生收縮導(dǎo)致自干燥，在密封情況下，隨水化的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度下降，即使在水中養(yǎng)護(hù)，也很難達(dá)到水飽和狀態(tài)，且相對(duì)濕度的下降主要受水膠比的影響，是導(dǎo)致高強(qiáng)混凝土可能開裂的主要原因?？偟恼f來，高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的收縮具有其自身的特點(diǎn)。在我國(guó)，研究高強(qiáng)混凝土的收縮及其補(bǔ)償?shù)妮^多，而對(duì)超高強(qiáng)混凝土的收縮及其補(bǔ)償?shù)难芯可胁欢嘁?。要補(bǔ)償混凝土的收縮，常用的方法是摻入膨脹劑。在我國(guó)，常用膨脹劑為UEA。

4.2 　超高強(qiáng)高性能混凝土( SHPC) 的耐久性

    已有的研究表明[5 ] ，超高強(qiáng)混凝土具有優(yōu)異的耐久性。超高強(qiáng)混凝土的抗凍性在1000 次凍融循環(huán)以上。用濃度100 %的CO2 氣在0.4 Mpa 壓力下對(duì)超高強(qiáng)混凝土碳化40 小時(shí)，其碳化深度為0 ，而同條件下的普通混凝土的碳化深度為715 mm。文獻(xiàn)[17 ]的試驗(yàn)也證實(shí)，水膠比為0.2～0.3 的超高強(qiáng)混凝土人工碳化一年，其碳化深度為0。超高強(qiáng)混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)達(dá)40 時(shí)，其滲水高度可以認(rèn)為是0。因此，可以認(rèn)為，超高強(qiáng)混凝土不滲水、不透氣、水分及有害離子都不可能進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，其耐久性必然提高。

5 　研制超高強(qiáng)混凝土的技術(shù)途徑及活性摻料對(duì)其產(chǎn)生的作用

　　SHPC 由于其強(qiáng)度極高，耐久性優(yōu)異，能滿足超高層、超大跨、超重載工程建設(shè)對(duì)材料性能的要求， 在未來必定得到相應(yīng)的應(yīng)用。因此，100 Mpa～150 MPaSHPC 正成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。目前，研制SHPC的基本技術(shù)途徑是硅酸鹽水泥+ 高效減水劑+ 活性礦物摻料。      但是，活性礦物摻料對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)到底有多大，至今，只有一些概念性的認(rèn)識(shí)，并無定量的分析，因此，也就不能了解混凝土的強(qiáng)度構(gòu)成。有鑒于此，本文作者曾用比強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)活性礦物摻料的火山灰效應(yīng)的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率進(jìn)行了分析[18～20 ] 。

6 　超高強(qiáng)高性能混凝土的研究趨勢(shì)

    SHPC 目前還處于嘗試階段，還存在著一些問題有待于我們來解決。例如:脆性問題、體積穩(wěn)定性問題等。還有，究竟應(yīng)該在SHPC 中摻加何種礦物摻合料以及如何摻入才能使配置的混凝土既經(jīng)濟(jì)，又能達(dá)到超高強(qiáng)；同時(shí)，還能使混凝土的耐久性得到顯著提高。為此，迫切希望從事混凝土的研究人員能夠致力于研究和開發(fā)強(qiáng)度更高、性能更好的SHPC 的方向努力發(fā)展。

6.1 　超高強(qiáng)高性能混凝土存在的問題

6.1.1 　脆性問題

    隨著混凝土強(qiáng)度的進(jìn)一步提高，脆性亦相應(yīng)增加，這是SHPC 實(shí)際存在的問題。因此，一些研究者認(rèn)為，由于SHPC 脆性增加，應(yīng)用這種材料的可靠性令人擔(dān)心。但是筆者認(rèn)為，既然一百年來，人們從未因擔(dān)心混凝土的脆性而拒絕使用鋼筋混凝土作結(jié)構(gòu)材料，那么，人們又有什么理由拒絕使用配筋超高強(qiáng)混凝土作結(jié)構(gòu)材料呢? 只要人們注意到了這一問題，在應(yīng)用的時(shí)候，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短[21 ] 。所在實(shí)驗(yàn)室用鋼管與SHPC 復(fù)合產(chǎn)生的鋼管超高強(qiáng)混凝土，不僅象鋼筋混凝土一樣克服了混凝土的脆性，而且使鋼材與混凝土相互補(bǔ)充，相互加強(qiáng)，達(dá)到更加完美的組合，在更大程度上具有了延性，其性能之優(yōu)越，是鋼筋混凝土無可比擬的。SHPC 在鋼管約束或三維配筋后應(yīng)用，其脆性應(yīng)該能得到有效的控制[22 ] 。

6.1.2 　體積穩(wěn)定性問題

    當(dāng)SHPC 的單方水泥用量比普通混凝土高時(shí)， 有可能導(dǎo)致最終收縮增大。因此在選好材料的基礎(chǔ)上需采用合理的配比與工藝以獲得體積穩(wěn)定的SH2 PC。嚴(yán)吳南等[23 ] 所在科研組制備的SHPC ，其180 天干縮值就小于500 ×106 ，只是其化學(xué)收縮(自縮) 在干縮中所占的份額由普通混凝土的10 %～20 % 上升到50 %～60 % ，而普通混凝土的干縮值為200 ×10^－6～1000 ×10^－6 ，說明SHPC 的最終收縮可以控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)(與普通混凝土相當(dāng)) ，能滿足體積穩(wěn)定性的要求。

7 　解決方案構(gòu)想

    筆者認(rèn)為，要想解決SHPC 的脆性問題，能否用更為經(jīng)濟(jì)的纖維材料復(fù)合摻入SHPC 當(dāng)中，替代鋼材來解決SHPC 的脆性問題，是目前值得我們研究的熱點(diǎn)。不過期望這些研究能成為一激發(fā)劑，激發(fā)起我國(guó)廣大材料、結(jié)構(gòu)、施工領(lǐng)域的科技工作者和企業(yè)家對(duì)SHPC 的研究與開發(fā)熱忱，并期望能引起各級(jí)科技領(lǐng)導(dǎo)部門的關(guān)注，以使我國(guó)的混凝土科技水平得以迅速提高，并適應(yīng)我國(guó)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要。

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