淺議高性能混凝土

摘　要： 著重探討了高性能混凝土的定義以及一些量化指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 高性能；混凝土；定義；依據(jù)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 為適應(yīng)不同的環(huán)境要求， 建筑材料界對(duì)混凝土性能的要求亦由普通波特蘭水泥混凝土到高強(qiáng)混凝土至而發(fā)展到20 世紀(jì)80 年代提出的能夠滿足不同工程背景、性能各異的混凝土。而各國(guó)對(duì)高性能混凝土的研究與發(fā)展， 主要是在提高耐久性的基礎(chǔ)上， 通過摻加超塑化劑， 往往也摻入一些活性磨細(xì)礦物摻合物， 以改變混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 改善其不同材料間相互作用的化學(xué)機(jī)理， 使其使用性能有所提高， 以適應(yīng)特定的工況要求。由于對(duì)高性能混凝土的認(rèn)識(shí)和研究角度不同， 因此， 有關(guān)高性能混凝土的定義、發(fā)展、探究也存在著較大的差異； 就從工程實(shí)際角度出發(fā)， 對(duì)高性能混凝土的定義及當(dāng)前有關(guān)研究狀況加以討論。

1　當(dāng)前高性能混凝土的定義及存在的問題

　　(1) 由于對(duì)高性能混凝土在不同的工況下的要求具有各向異性； 因此， 不同方向的研究者給予的定義亦概不相同。如： 1990 年美國(guó)N IST 與AC I 對(duì)高性能混凝土命名時(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， 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。

    國(guó)外的建筑材料界認(rèn)為高性能混凝土的定性與發(fā)展要以結(jié)構(gòu)性能的提高、經(jīng)濟(jì)成本的節(jié)減及環(huán)境的保護(hù)角度來研究； 一般而言， 它的主要指標(biāo)可概括為： 超高的強(qiáng)度； 低滲透性； 良好的結(jié)構(gòu)性能； 優(yōu)越的耐久性； 可觀的經(jīng)濟(jì)效益； 環(huán)保性； 而有關(guān)常規(guī)的混凝土物理、力學(xué)性能指標(biāo)亦要根據(jù)不同的使用要求而有所提高或改善。由于發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)力量雄厚、科研資金充足、工程經(jīng)驗(yàn)豐富， 因此對(duì)高性能混凝土的研究， 主要在強(qiáng)調(diào)環(huán)保的基礎(chǔ)上， 從開發(fā)材料的不同特性角度出發(fā)， 對(duì)混凝土的多功能化、高環(huán)保性等方面加以改進(jìn)和提高。如日本， 它從該國(guó)的能源、材料、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等角度出發(fā)， 開發(fā)出較多類型的高性能混凝土(防磁、防輻射混凝土， 導(dǎo)電混凝土， 超耐磨混凝土等) ， 以滿足本國(guó)建筑材料市場(chǎng)的需要， 并取得豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。

     我國(guó)的高性能混凝土研究事業(yè)起步亦較早， 在實(shí)際生產(chǎn)中亦有較多的投入， 并取的一定的成果。根據(jù)本國(guó)建筑材料的發(fā)展需要， 對(duì)高性能混凝土的定義及規(guī)范主要包括以下內(nèi)容： 如中國(guó)工程院士吳中偉教授認(rèn)為： 高性能混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土， 是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上， 采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的， 以耐久性作為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的混凝土； 它要根據(jù)不同使用要求， 滿足下列性能： 耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等。由此可見， 當(dāng)前我國(guó)對(duì)混凝土的高性能定義與研究， 主要是從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)； 通過不同的材料摻加， 改善和提高現(xiàn)行國(guó)標(biāo)規(guī)范的混凝土各項(xiàng)性能， 以滿足不同工況， 適應(yīng)不同的建筑要求。一般而言， 對(duì)混凝土使用性能的改善， 主要從混凝土結(jié)構(gòu)組成部分人手， 它包括以下幾大塊： 水泥、沙、石、水、化學(xué)添加劑和細(xì)粉混合材料。而高性能的混凝土規(guī)范， 從國(guó)內(nèi)外研究資料來看， 主要從上述6 點(diǎn)出發(fā)， 根據(jù)實(shí)際工況和經(jīng)驗(yàn)積累， 給出定性指標(biāo)及一定的量化指標(biāo)。如： 強(qiáng)度、抗?jié)B性、自收縮等。在實(shí)際應(yīng)用中， 到底以什么樣的指標(biāo)去定性所設(shè)計(jì)的混凝土來達(dá)到高性能混凝土要求? 卻沒有明確的定義。如高性能混凝土的主要衡量目標(biāo)是提高其使用的耐久性， 但在不同的工況中卻缺乏一定的量化指標(biāo)。按正常的要求一般20～ 50 年為普通混凝土使用的年限， 而三峽工程則要求可能在500～1000年； 因此， 高性能混凝土的定義就耐久性方面來說， 具有很大的模糊性， 只能是個(gè)概規(guī)范； 而對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)和推廣， 則更難有明確的衡量系數(shù)。參照有關(guān)文獻(xiàn)材料及實(shí)際工程生產(chǎn)需要， 筆者認(rèn)為當(dāng)前有關(guān)高性能混凝土的定義， 在不同的應(yīng)用背景下， 存在一定的局限， 并具有相對(duì)的共性問題， 如： (1) 定義高性能砼的主要依據(jù)應(yīng)以什么為基礎(chǔ)? (2) 高性能砼定性的物理力學(xué)特性應(yīng)以什么的量化指標(biāo)衡量? (3) 高性能砼定性的依據(jù)需要不需要量化? 量化的指標(biāo)達(dá)到多少為限? (4) 有關(guān)高性能砼定義的主要定性及量化衡量指標(biāo)與實(shí)際工程相結(jié)合時(shí)， 應(yīng)以什么為基準(zhǔn)? (5) 無定性設(shè)計(jì)砼規(guī)范思路在實(shí)際應(yīng)用中， 其適用的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性應(yīng)以什么樣的指標(biāo)來度量? 等等。

2　高性能混凝土定義之探討

      根據(jù)當(dāng)前研究資料， 國(guó)內(nèi)外建筑材料界給予高性能混凝土的定義主要是從提高混凝土以下各項(xiàng)性能出發(fā)， 以達(dá)到所相對(duì)規(guī)范的量化大致指標(biāo)為依據(jù)； 通過其使用性能在某種程度上符合工況要求為立足點(diǎn)， 從而對(duì)混凝土的高性能定義的思路形成固定模式： 工況要求——滿足要求混凝土的標(biāo)準(zhǔn)——設(shè)計(jì)兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性——對(duì)混凝土定性——確定為高性能。對(duì)高性能混凝土的該定性方法， 在一定程度上符合科研要求， 有利于學(xué)術(shù)研究及未來發(fā)展的探討； 但從工程應(yīng)用角度方面， 有關(guān)定性卻較為有限。因此， 筆者以上述思路為基礎(chǔ)， 對(duì)高性能混凝土的定義從實(shí)際生產(chǎn)角度出發(fā)， 加以探討： 高性能混凝土是一種以滿足實(shí)際工況要求為基準(zhǔn)， 根據(jù)工程規(guī)模等級(jí)， 以外部經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的量化規(guī)范為依據(jù)， 采用新技術(shù)、新工藝、新材料等來提高普通混凝土的某些性能指標(biāo)， 以達(dá)到該工程要求的混凝土. 因此， 在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)用中， 高性能混凝土應(yīng)在保證一般混凝土使用性能的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上， 通過采用高技術(shù)手段， 有選擇的滿足工程特殊要求， 提高其使用效益， 以更好地發(fā)揮混凝土物理力學(xué)特性。

2.1　高性能混凝土定性依據(jù)

      筆者認(rèn)為， 高性能混凝土之確定應(yīng)依從以下幾個(gè)方面， 才能體現(xiàn)其研究與發(fā)展符合社會(huì)與技術(shù)進(jìn)步的需求： 即根據(jù)工程所在地的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件基礎(chǔ)， 以工程的需要為目標(biāo)， 選擇合理的混凝土組合材料， 大量的運(yùn)用新型高科技材料， 進(jìn)行科學(xué)的配合比設(shè)計(jì)、試驗(yàn)； 不斷地研發(fā)、引進(jìn)新型施工工藝， 采用高技術(shù)以提高普通混凝土的性能， 滿足特定工況。

2. 1. 1　以工況變化作為高性能混凝土定性之基礎(chǔ)

      高性能混凝土性能的變化與提高， 主要是通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變， 組成成份的化學(xué)機(jī)理優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)某些功能的高性能化， 以滿足工程需要。因此， 任何混凝土性能的提高都以實(shí)際工程問題的解決為前提， 把工況變化作為高性能混凝土的前提基礎(chǔ)， 直接使混凝土的特殊功能加強(qiáng)體現(xiàn)在實(shí)際的生產(chǎn)建設(shè)中， 既符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要， 亦符合材料科學(xué)的發(fā)展要求。如： 水工建筑物對(duì)混凝土的防滲性要求， 因建筑物運(yùn)行周期的延長(zhǎng)， 氣蝕、水蝕、氯離子滲透等因素常造成混凝土表面脫落、裂縫、內(nèi)部鋼筋銹蝕等破壞。而采用現(xiàn)代新技術(shù)、新材料、新工藝手段， 通過活性材料的摻加、現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的改進(jìn)可大大提高普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)性及各化學(xué)組成成份的作用機(jī)理， 加強(qiáng)其抗?jié)B功能， 使普通混凝土的物理性能得到極大改善， 亦實(shí)現(xiàn)了一般混凝土在其特定功能上的高性能化。而這一混凝土性能的變化正是以解決實(shí)際工程問題為根本目標(biāo)的。因此， 以滿足工程需求變化為高性能混凝土定性的基礎(chǔ)之一， 具有一定的可行性。

2.1.2　以新材料、新工藝、新技術(shù)的采用作為高性能混凝土定性之依據(jù)

      由于高性能混凝土的研究與發(fā)展是建筑材料界近30 年的重要攻關(guān)課題， 為解決人類社會(huì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)系， 各國(guó)在混凝土性能的提高與改進(jìn)方面?zhèn)戎攸c(diǎn)亦有所不同。為滿足一些物理力學(xué)需要， 可使用常規(guī)的技術(shù)手段提高混凝土的某些性能以達(dá)到工程需求； 但作為長(zhǎng)期的研究課題， 必須以新材料、新技術(shù)、新工藝等手段的選擇來作為高性能混凝土定義與發(fā)展的一個(gè)基本依據(jù)。

      現(xiàn)行對(duì)高性能混凝土的研究一方面是不斷開發(fā)普通混凝土的多功能及高功能化潛力； 另一方面則是在降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)， 如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境優(yōu)化， 以改變整個(gè)混凝土材料界的舊局面， 適應(yīng)新的社會(huì)生態(tài)需求。由此可見， 以高科技作為高性能混凝土的依據(jù)， 是進(jìn)行混凝土材料研究的必然因素。

2. 1. 3　經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性協(xié)調(diào)一致是高性能混凝土定性的重要依據(jù)

      混凝土材料運(yùn)用于建筑工程約有一百多年的歷史， 它在造富人類社會(huì)的同時(shí)， 亦帶來一定的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 人類社會(huì)在需要新材料以適應(yīng)建設(shè)需要的同時(shí)， 更強(qiáng)調(diào)與環(huán)境的協(xié)調(diào)性發(fā)展。而混凝土材料作為一個(gè)傳統(tǒng)的建筑原料， 在耗能、污染環(huán)境、建筑垃圾等方面具有較大的破壞作用。因此， 作為新型材料的高性能混凝土必須把經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性結(jié)合起來， 作為混凝土高性能定性的一個(gè)重要依據(jù)。

      由于受各國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件限制， 在高性能混凝土的研究中， 課題的攻關(guān)重點(diǎn)存在著差異。發(fā)達(dá)國(guó)家因經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)雄厚， 投于環(huán)保方面的混凝土材料研究的比重較大， 亦取得長(zhǎng)足的進(jìn)步： 如美國(guó)和加拿大， 它們利用高技術(shù)手段， 對(duì)工業(yè)垃圾(包括建筑垃圾) 進(jìn)行再加工， 以提高材料的利用率， 改善環(huán)境質(zhì)量。作為發(fā)展中的中國(guó)， 應(yīng)受經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制， 高性能混凝土材料的研究和使用主要以經(jīng)濟(jì)性為主， 適當(dāng)兼顧環(huán)保性。在這一點(diǎn)， 我國(guó)建筑材料界必須迎頭趕上， 通過對(duì)比分析與研究， 借鑒國(guó)外同行的經(jīng)驗(yàn)， 吸收先進(jìn)成果， 把經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性相協(xié)調(diào)發(fā)展作為研究的重要目標(biāo)， 對(duì)混凝土材料性能加以改善和提高。

2. 2　高性能混凝土定義的量化指標(biāo)探討

      由于高性能混凝土其性能的優(yōu)化在不同的工況要求下具有差異性， 而且在定義中很難給高性能混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)以明確的標(biāo)值； 因此， 對(duì)高性能混凝土的指標(biāo)量化， 只能是外部的規(guī)范要求與內(nèi)在的物理力學(xué)特性指標(biāo)相結(jié)合， 加以量化， 使高性能混凝土的定義有個(gè)粗略的衡量標(biāo)準(zhǔn)。筆者就當(dāng)前一些材料研究成果， 提出自己的看法。

2. 2. 1　定義混凝土高性能的外部量化指標(biāo)

(1) 以工程規(guī)模等級(jí)作為定義的外部量化指標(biāo)。

      由于工程規(guī)模等級(jí)的不同， 在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中， 對(duì)混凝土材料要求的性能亦有所不同， 而特定的工程狀況亦決定了混凝土材料的選擇： 如三峽水庫(kù)大壩的混凝土材料選擇高于一般的建筑物所需的混凝土材料性能。因此， 在定義某一混凝土性能是否具有高性能指標(biāo)的時(shí)候， 可以把該工程規(guī)模等級(jí)作為外部一量化參考指標(biāo)。如某工程使用C80 泵送混凝土， 由于采用新工藝、新材料， 且在實(shí)際工程中， 各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)都達(dá)到建筑要求； 在混凝土設(shè)計(jì)時(shí)， 根據(jù)該工程規(guī)模等級(jí)， 可選擇常規(guī)混凝土材料， 但預(yù)算將遠(yuǎn)大于投資能力； 而根據(jù)工況選擇C80 泵送混凝土， 可節(jié)省大量資金， 同時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)皆優(yōu)于常規(guī)混凝土， 但設(shè)計(jì)時(shí)必須面對(duì)較多的技術(shù)材料空白， 作大量的新型材料摻加試驗(yàn)， 選擇合理的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝， 以達(dá)到混凝土的各項(xiàng)高性能要求； 最終， 工程優(yōu)質(zhì)完工. 由此可見， 以工程規(guī)模等級(jí)要求作為高性能混凝土的外部量化指標(biāo)， 是符合實(shí)際工況需要的； 而作為高性能混凝土定義的外部量化指標(biāo)亦是可行的。

(2) 經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)為定義高性能混凝土的外部量化指標(biāo)。

      在實(shí)際工程生產(chǎn)中， 無論采用什么等級(jí)的混凝土其施工目標(biāo)皆主要是以完成設(shè)計(jì)要求， 以最小成本獲取最大經(jīng)濟(jì)效益為基礎(chǔ)， 而為了達(dá)到這一目標(biāo)， 對(duì)環(huán)境因素影響則考慮甚少； 往往是工程結(jié)束、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)之日， 也就是對(duì)該地環(huán)境污染之時(shí)。因此， 隨著人類社會(huì)生活環(huán)境質(zhì)量要求的提高， 在施工設(shè)計(jì)階段就應(yīng)把環(huán)保因素考慮進(jìn)去。而作為高性能混凝土的外部量化指標(biāo)， 其目的就在于保證混凝土優(yōu)良使用性能的同時(shí)， 必須以施工的單位最大經(jīng)濟(jì)效益和施工當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保要求標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。以此為外部量化指標(biāo)， 有利于解決人類社會(huì)發(fā)展與環(huán)保相協(xié)調(diào)一致的關(guān)系， 也是新型材料發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2. 2. 2　高性能混凝土的自身量化指標(biāo)

      現(xiàn)見于學(xué)報(bào)期刊的混凝土高性能量化的指標(biāo)多從混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化所引起的強(qiáng)度、耐久性、耐磨性、高流動(dòng)性、結(jié)構(gòu)優(yōu)異性等角度出發(fā)， 以在實(shí)際運(yùn)用中達(dá)到或超過國(guó)內(nèi)、國(guó)外的既定標(biāo)準(zhǔn)為量化依據(jù)。而對(duì)涉及高性能混凝土所采用的技術(shù)、材料、工藝的量化指標(biāo)卻談之甚少； 對(duì)高強(qiáng)、高功能研究甚為廣泛， 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中， 滿足工況要求的基本標(biāo)準(zhǔn)則探討較少。因此根據(jù)有關(guān)資料， 就高性能混凝土的自身量化指標(biāo)加以討論：

(1) 新技術(shù)、新材料、新工藝為定義高性能混凝土的量化指標(biāo)。

      在研究混凝土有關(guān)特性并衡量是否稱之為高性能時(shí)， 筆者認(rèn)為應(yīng)以新技術(shù)、新材料、新工藝的含量為基準(zhǔn)， 作為定義高性能混凝土的依據(jù)。在獲得研究新成果的同時(shí)， 考慮所取得的突破點(diǎn)， 有多少高技術(shù)的含量， 采用何種新型材料， 工藝方法有何改進(jìn)， 它們?cè)诨炷列阅艿母倪M(jìn)方面應(yīng)以什么樣的數(shù)學(xué)方式建立模型， 存在何種聯(lián)系， 占有多少比重? 通過對(duì)這些問題的解決， 采用相應(yīng)的對(duì)比方法， 仔細(xì)分析、研究該混凝土高性能化的各項(xiàng)參數(shù)， 及各化學(xué)組成成份的作用機(jī)理， 從而為進(jìn)一步的研究提供相關(guān)理論數(shù)據(jù)。

(2) 耐久性為定義混凝土高性能的量化指標(biāo)。

       一般而言， 耐久性研究主要包括以下幾點(diǎn)： ①溫差收縮膨脹； ②凍融破壞； ③化學(xué)浸蝕； ④流動(dòng)水氣浸蝕； ⑤ 外力及流動(dòng)氣體磨蝕； ⑥內(nèi)部堿集料及脫水收縮等方面在這些研究中， 針對(duì)某一工況可能包括的某幾種破壞作用的分析研究， 找出對(duì)策， 通過對(duì)混凝土性能的改善， 以達(dá)到解決問題的目的。因此， 可根據(jù)工程狀況、等級(jí)要求： 對(duì)該工程提出綜合耐久性年限的量化指標(biāo)， 作為衡量混凝土性能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。如： 日本學(xué)者對(duì)耐久性提出的量化指標(biāo)， 分若干等級(jí)； 一般混凝土材料為30 年， 高性能混凝土材料為60 年， 超高性能混凝土則大于100 年。因此， 以耐久性作為衡量混凝土高性能的量化指標(biāo)具有一定的科學(xué)性。

(3) 高功能化作為衡量高性能混凝土的量化指標(biāo)。

      高性能化、高功能化作為混凝土研究發(fā)展的必然趨勢(shì)， 二者相互聯(lián)系、緊密作用。以混凝土所達(dá)到的特定高功能作為衡量混凝土的高性能指標(biāo)， 具有不可替代的作用。而在實(shí)際材料運(yùn)用中， 混凝土某一領(lǐng)域所達(dá)到的高功能化是工況要求的必然結(jié)果。因此， 以高功能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)作為量化指標(biāo)具有一定的實(shí)用性。如： 日本東京的高層建筑要求的吸收電波的混凝土幕墻， 其電波吸收性能為90～ 450MHz 范圍， 達(dá)到150 dB 以上； 通過建材合理設(shè)計(jì)配合比， 嚴(yán)格生產(chǎn)工藝， 在新型的混凝土材料生產(chǎn)中， 各項(xiàng)指標(biāo)皆達(dá)到此要求， 實(shí)現(xiàn)了該種混凝土的高性能化。

(4) 其它量化指標(biāo)

　  在以外部和自身因素作為衡量高性能混凝土的量化指標(biāo)同時(shí)， 亦可根據(jù)實(shí)際需要選定若干常規(guī)指標(biāo)作為量化依據(jù)。如常用的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)體積、摻料等作為評(píng)析高性能混凝土的量化指標(biāo)。由于高性能混凝土是各國(guó)建筑材料界研究的一個(gè)重要課題， 且正處在技術(shù)研發(fā)階段； 因此， 在進(jìn)一步的規(guī)律探討過程中， 需不斷的摸索和總結(jié)， 找出適宜于定義高性能混凝土的新規(guī)范。

3　結(jié)　論

       通過上述分析和討論， 筆者認(rèn)為當(dāng)前的高性能混凝土定義、發(fā)展與研究從實(shí)際工程角度出發(fā)， 以經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保等方面因素為研究方向， 找出一定的定性量化依據(jù)， 符合當(dāng)前混凝土高性能化研究的趨勢(shì)， 亦為進(jìn)一步的深化探討提供一定的思路。

李衛(wèi)東： 男， 1963 年生， 工程師； 新疆， 新疆阿克蘇市塔里木建安總公司(843400).