高性能混凝土的现状及发展趋势分析

混凝土耐久性与高性能混凝土

　　混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能。使用环境中的气体、液体和固体通过扩散、渗透进入混凝土内部，发生物理和化学变化，多数情况下会导致硬化混凝土性能的劣化。发生严重的裂化后，常常影响到混凝土工程的寿命和安全性。以往工程中，习惯上只重视混凝土的强度，或片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性。曾有调查表明，国内一些工业建筑在使用25~30年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物的使用寿命仅15~20年。许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀、混凝土开裂现象。

　　如何提高混凝土的耐久性与国民经济、社会安定、环境保护、可持续发展等密切相关，是混凝土材料科学的重大研究课题，是工程界关注的重大科技问题。20世纪90年代初出现的高性能混凝土的使用寿命能够使混凝土结构安全可靠地工作50～100年以上，是一种新型的高技术混凝土。高性能混凝土选用优质原材料，在配制技术上的特点是除水泥、水、砂、石4种组分之外，还掺加有足够数量的矿物掺合料和化学外加剂；水胶比较传统混凝土低。高性能混凝土以耐久性为设计目标，兼顾强度和工作性，在节能、节料、工程经济、劳动保护及环境等方面也具有重要意义，被称为“绿色混凝土”，是国内外工程界研究的热点。

　　国内外高性能混凝土的研究进展

　　1990年5月，美国国家标准与技术研究所和美国混凝土协会在马里兰州盖瑟斯堡召开的会议上首先正式提出“高性能混凝土”这一名词。实际上，此前的一些重要工程中已采用了高工作性和高耐久性的高强混凝土。

　　日本、欧洲、美国、加拿大都认为高性能混凝土是一种跨世纪的新材料，在严酷环境中使用高性能混凝土具有显著的经济效益。这些国家在高强高性能混凝土配制方法、耐久性能检验方法和提高混凝土耐久性技术途径方面进行了大量的研究，并在桥梁、码头等易腐蚀结构中成功地应用了外掺活性掺合料的高性能混凝土。

　　中国对高性能混凝土的研究基本与国际同步。自上世纪90年代初期国家自然科学基金支持高性能混凝土研究开始，在多个国家大型科研项目的支持下，我国在高性能混凝土新材料研发、耐久性控制、设计和施工技术等方面取得突破：开发了多品种的工业废渣掺合料，通过物理活化和化学活化解决早期活性、抗裂、收缩等问题，并大量应用；从控制各种原材料的氯离子和含碱量入手控制混凝土的碱-集料反应和钢筋锈蚀反应，全国很多地区和大型工程都建立了碱—集料反应分布图和安全集料矿山；清水混凝土技术及自流平混凝土制作的大型体育馆看台、盾构管片、大口径预应力钢筒混凝土管都达到国际领先水平。

　　国内外通过近20年的研究和实践，已经得出一些制备高性能混凝土的具体技术措施：水泥、集料、掺合料的性能对混凝土耐久性影响很大，对其品种需加以认真选择。混凝土配合比设计时，尽量减少水泥用量和用水量，降低水化热，减少裂缝，提高密实度；合理使用减水剂和引气剂，改善混凝土内部结构；掺入足量的矿物掺合料，提高混凝土耐久性能。按照使用环境设计相应的混凝土保护层厚度，预防外界气体和液体介质渗入内部，腐蚀钢筋。混凝土工程拌制过程中应提高混凝土拌合物的和易性，并减少用水量；大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝、收缩裂缝、施工裂缝；混凝土浇筑后，应进行充分合理的振捣，提高混凝土密实度和抗渗性，加强养护，减少混凝土裂缝。结构在使用阶段还应注意检测、维护和修理，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此。提高混凝土耐久性需要从原材料选择、配合比设计和结构设计、施工和后期维护等环节加以重视。

　　目前全世界都已经把高性能混凝土的研究重点集中到混凝土服役寿命的设计方面。国际结构混凝土联合会在2006年6月提出了全概率方法的寿命设计流程图，法国土木工程师学会在2007年提出了混凝土结构服役寿命设计指南，欧盟也正在研究提出一个过渡的基于性能的耐久性设计方法。我国的GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》也是吸纳了最新的国内高性能混凝土耐久性研究最新成果，根据混凝土的环境条件进行分级，规定混凝土的最大水胶比和最小水泥用量等参数来进行耐久性设计。混凝土服役寿命的设计研究建立的耐久性模型尚有许多不确定因素，有些模型参数还不能量化，确定这些参数的难度较大，另外还缺少重复性好的测试方法，对有些破坏类型还缺少可靠的模型，如干湿循环和硫酸盐腐蚀等。

　　我国高性能混凝土研发取得的突出成果

　　从1996年开始，国家计委、国家科技部连续设立科技攻关项目和国家科技支撑项目，大力支持对高性能混凝土的创新研究。包括中国建筑材料科学研究总院在内的国内几十所科研单位、高等院校的一大批专家完成多个高性能混凝土的研究项目，高性能混凝土的研究得到推广和普及，并在多个重点工程中进行实践。

　　关注混凝土早期收缩开裂的控制

　　高性能混凝土配制时通常都使用较高的胶凝材料总量，并且掺有大量磨细矿物掺合料，这些措施引起了较大的混凝土自收缩，表现为混凝土的开裂趋势增加。近年来，高性能混凝土研究的重点之一就是早期收缩的机理、测量方法和设备、影响因素和改善措施，取得了突出进展。大连理工大学和中国建筑材料科学研究总院共同完成的国家自然科学基金重点项目“混凝土结构裂缝的形成与发展机理及控制技术研究”是近年来针对混凝土早期收缩开裂问题开展系统研究的项目之一，该项目从材料和结构两个不同角度深入研究了影响混凝土早期收缩开裂的因素。研究工作有重要的学术意义和普遍的工程应用价值。

　　开展多因素协同作用条件下水泥基材料失效机理的研究

　　在应用基础理论研究方面，东南大学、中国建筑材料科学研究总院等单位都开展了多因素协同作用条件下水泥基材料失效机理的研究，针对侵蚀性离子在混凝土中的传输机理和机制等进行了深入的研究和探讨。中国建筑材料科学研究总院借助国家973项目的支持，结合工程实际研究揭示了高性能水泥基材料在化学介质腐蚀、冻融循环、荷载等环境因素及其在二因素、三因素和四因素协同作用下的损伤失效行为规律，提出了混凝土中氯离子固化模型和钢筋混凝土在多因素协同作用下的寿命预测模型，揭示了水泥熟料与辅助性胶凝材料的合理匹配是实现混凝土高性能化的关键，开发的多因素耦合作用下的混凝土性能测试装置获得国家专利。

　　中等强度等级高性能混凝土的研究和应用

　　在“十五”科技攻关中，中国建筑材料科学研究总院对C30~C50中等强度混凝土高性能化的关键技术进行了系统研究，提出了“寿命优先，强度适宜”混凝土配合比设计思路，更科学定义了高性能混凝土应具有良好的工作性、高的耐久性和工程所需要的强度。通过优化胶凝材料颗粒级配，实现混凝土结构缺陷最小化，达到强度和耐久性的合理匹配。该技术扩大了高性能混凝土的使用范围，在我国具有重要的技术经济和社会效益，也在理论和实践上丰富了吴中伟院士上世纪90年代末，提出的“中等强度等级高性能混凝土”的概念。

　　高性能混凝土用化学外加剂快速发展

　　混凝土化学外加剂是配制高性能混凝土必不可少的原材料。我国自上个世纪50年代开始研制和少量使用混凝土化学外加剂。近10年来，在高性能混凝土快速发展的带动下，合成减水剂也完成了升级换代，其中发展最突出的是聚羧酸系高性能减水剂，它具有较高的减水率、良好的坍落度保持性能和一定的引气性，生产工艺比萘系简单，2007年的产量达到41.43万吨。国内科研单位开发了多种具有创新性和实用性的外加剂产品。中国建筑材料科学研究总院开发了高速铁路无砟轨道板专用早强型聚羧酸系高性能减水剂和早强矿物掺合料；研发了煤矿建设冻结法施工专用的早强减水剂和防裂密实剂，支持了我国重点工程高性能混凝土的施工。这些外加剂对控制混凝土体积变形、促进早期强度发展、减少动态坍落度损失方面有特殊功能，成果在多家企业生产应用，获得了很高的经济效益。

　　高性能混凝土技术在大量工程中应用

　　在完成国家科技项目的基础上，形成了一系列高性能混凝土实用新技术成果。目前，科研院所都密切关注国家重大工程的需求，大力推广科研成果，为我国重点工程提供高技术和优质产品，推动了我国混凝土设计由强度设计走向耐久性设计。高性能混凝土技术已推广应用到三峡工程、青藏铁路、南水北调、田湾核电站、首都机场新航站楼、煤矿建井等多个国家重点工程中，并取得了显著成绩。

　　混凝土是当今世界使用量最大、使用面最广的建筑材料之一，提高混凝土工程的安全性和耐久性，成为当前世界各国研究的热点。随着人们逐渐重视工程质量、强调安全和环境保护，高性能混凝土真正进入推广应用时期。对业主或用户来说，混凝土的耐久性好，安全使用期长，可减少维修费；对社会来说，高性能混凝土降低能耗、料耗，利用工业废渣、减少噪声污染，对环境有利；对施工者来说，高性能混凝土操作方便，改善劳动条件，加快进度，减少模板和劳力；对于设计者来说，高性能混凝土减小断面，减轻自身重量，增加使用空间。让混凝土表现出良好的工作性、很高的耐久性和符合工程要求的强度，使之成为满足重大工程需求的高性能混凝土，是建材科技工作者的责任，也是国家建设千年大计的保障。