高性能混凝土技术发展的一些动态和问题

　　1 前言

　　高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向，国外学者曾称之为21世纪混凝土。挪威于1986年首先对此进行了研究，在1990年由美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土学会（ACI）共同主办的一次研讨会上正式定名。由于高性能混凝土具有综合的优异技术特性，引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。十多年来，世界上许多国家相继投入了大量的人力、财力、物力进行该项研究与开发应用，使高性能混凝土技术取得了很大的进展，在原料的选择、配合比设计、物理力学性能、耐久性、工作性、结构性能以至应用技术等方面都取得了既有理论基础又有实用价值的科技成果，内容丰盈，实难在一文中罄书。本文仅拟对高性能混凝土与高强混凝土的区别、高性能混凝土在性能上尚存在的问题及其改善的途径以及高性能混凝土的一个新进展——免振自密实混凝土三个方面，根据所见的国外技术文献和个人的一些认识作一基本介绍。

　　2 高性能混凝土就与高强混凝土有所区别

　　高性能混凝土可以认为是在高强混凝土基础上的发展和提高，也可说是高强混凝土的进一步完善。由于近些年来，在高强混凝土的配制中，不仅加入了超塑化剂，往往也掺入了一些活性磨细矿物掺合料，与高性能混凝土的组分材料个似，而且在有的国家早期发表的文献报告中曾提到：“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗压强度，但仍需达到55MPa（8000psi）以上”。因此，至今国内外有些学者仍然将高性能混凝土与高强混凝土在概念上有所混淆。在欧洲一些国家常常把高性能混凝土与高强混凝土并提（HPC/HSC）。

　　高强混凝土仅仅是以强度的大小来表征或确定其何谓普通混凝土、高强混凝土与超高强混凝土，而且其强度指标随着混凝土技术的进步而不断有所变化和提高。而高性能混凝土则由于其技术物性的多元化，诸如良好的工作性（施工性），体积稳定性、耐久性、物理力学性能等等而难以用定量的性能指标给该混凝土一定义。

　　不同的国家，不同的学者因有各自的认识、实践、应用范围和目的要求上的差异，对高性能混凝土曾提出过不同的解释和定义，而且在性能特征上各有所侧重。1990年美国NIST与ACI对高能混凝土命名时，曾提出一个定义：高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制、便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、具有韧性和体积稳定性等性能的耐久的混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。近年来，美国混凝土学会又给出一个文字上较精练的定义：“高性能混凝土是一种要能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。”

　　把高强混凝土混同于高性能混凝土，不仅仅是定义上的问题，值得探讨的是：

　　（1）高强混凝土必然具有良好的耐久性？

　　（2）高性能混凝土必需具有高强度？

　　美国教授P.K.Mehta早在1990年就提出：“把高强混凝土假定为高性能混凝土，严格地说，这种假定是错误的。”

　　我国已故的吴中伟院士也在1996年提出：“有人认为混凝土高强度必然是高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来一些不利于耐久性的因素……。高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。”1999年又提出：“单纯的高强度不一定具有高性能。如果强调高性能混凝土必须在C50以上，大量处于严酷环境中的海工、水工建筑对混凝土强度要求并不高（C30左右），但对耐久性要求却很高，而高性能混凝土恰能满足此要求。

　　美国学者S.P.Shah教授最近也进出：“尽管高强混凝土具有较高的强度和较低的渗透性，但是高强混凝土并不具有所需耱的综合耐久性。”

　　美国学者Virendra K. Varma最近也撰文认为，应该把高性能混凝土与高强混凝土有所区分。

　　从材料的“性能”的含义而论，既包括力学性能的概念，也还包括了一些非力学性能的概念，如高填充性、不离析、抗渗性、抗侵蚀性、体积稳定性等等。

　　因此，混凝土的技术进步不能以高强为目标，而应是高性能，单纯以高抗压强度来表征混凝土的高性能是不确切的。而高性能混凝土应根据工程建筑的要求，包括不同强度等级的高性能混凝土，如普通强度的高性能混凝土、高强高性能混凝土。

　　3 高性能混凝土在性能上尚存在的问题及其改善的途径

　　配制高性能混凝土的特点是低水胶比并掺有足够数量的矿物细掺合料和高效减水剂，从而使混凝土具有综合的优异的技术特性，但由此也产生了两个值得重视的性能缺陷：（1）自干燥引起的自收缩；（2）脆性。

　　3.1 自干燥引起的自收缩

　　近年来，国外许多学者发现高强混凝土、高性能混凝土存在早期收缩开裂的问题。其原因是由于在低水灰比或水胶比并掺入较多的具有相当活性的矿物细掺合料的混凝土中会产生自干燥（Self-drying或Self-desiccation）从而引起混凝土的自收缩（Autogenous Shrinkage），使混凝土内部结构受到损伤而产生微裂缝。有关文献资料表明：水胶比低于0.3的混凝土，其自收缩值可高达200～400×10^-6。免振自密实混凝土由于含有较多的粉料量，当粉量达500kg/m³，其自收缩值可达100～400×10^-6。而掺有大量磨细矿渣的大体积混凝土，其自收缩值也可达100×10^-6。混凝土产生自干燥并非由于外部环境相对湿度的影响而引起的干燥脱水，而是由于混凝土内部结构微细孔内自由水量的不足，使混凝土内部供水不足，内部相对湿度自发地减小而引起自干燥，并导致了混凝土的收缩变形，故称之为自收缩。

　　高强或高性能混凝土的配制，正因为是低水灰比或水胶比并掺有较大量的活性矿物细掺合料，因此，其早期的收缩开裂十分敏感。在混凝土内部水量较少的情况下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛细管中的水也被逐步吸收减少，在没有剩余自由水的情况下，就形成了空的孔隙，使水泥石的内部不再存在未结合水的平衡。因此，水泥石内部的相对湿度显著地降低。在处于难以水分蒸发而同时也是难以有水分渗滤的封闭状态中的粘弹性固态的胶凝材料系统中，由于水泥石内部相对湿度的降低而使孔中存在一定的气相，孔中水饱和蒸汽压随之而降低，毛细管中水呈现不饱和状态。此状况在长期处于封闭状态的情况下，随着水泥水化反应的进行越演越烈，其结果导致了毛细管中的液面形成变月面，使毛细管压升高而产生毛细管应力，使水泥石受负压作用，成为凝结硬化混凝土产生自收缩的主要因素。

　　此外，较大量的活性矿物细掺合料的掺入，也会使混凝土产生自收缩，特别是硅灰的掺入。其原因主要是由于硅灰具有较高的火山灰活性，而增加了化学减缩。在水泥水化初期生成较高含量的凝胶孔的孔结构体系的水泥石也会产生高度的自干燥而引起较严重的自收缩。再者，由于硅灰的表面积较大、活性强，会导致灰与搅拌水很快结合，加速了水泥石中孔隙空间的缺水与内部相对湿度的降低而增大了自干燥。

　　混凝土的自收缩一般发生在混凝土初凝之后。当混凝土由流态转向粘弹性固态时，尤以初凝到1d龄期时为最显著，自收缩值随龄期而减缓。水胶比愈小，1d龄期时的自收缩愈大。

　　自收缩对混凝土内部结构中裂缝的产生和扩展造成的损伤是一个值得重视的问题。由于硬化后高强或高性能混凝土的致密性高于普通混凝土，在减少了泌水的同时，也阻碍了外部养护水对混凝土的湿养护作用。因此，以适用于普通混凝土的传统养护措施来改善此类混凝土的自干燥、自收缩并无明显的效果。国内外学者曾提出一些技术措施如：掺入一定量的膨胀剂；以部分粉煤灰等量取代水泥；配以高弹性模量的纤维：选用高C₂S和低C₃A、C₄AF的硅酸盐水泥等等，对降低混凝土的自收缩都有一定的效果。最近，国外学者提出了采用围水养护（Ponding curing）即在混凝土浇注后仍处于塑性状态时，尽快地立即进行水雾养护，对减少或防止混凝土的自收缩具有较明显的效果。

　　另一技术措施是在混凝土中加入部分含水饱和的轻集料替代普通集料，含水饱和轻集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土内部供水起内养护作用。但此方法需根据混凝土强度要求而采用。

　　3.2 脆性

　　脆性可以描述为混凝土无法防止的不稳定裂缝的扩展与增长。从混凝土承受轴向压荷载作用下的应力——应变曲线中，峰值后下降曲线段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。众多的试验已表明，混凝土的强度愈高，其应力——应变曲线过峰值后的下降段曲线愈陡斜。这意味着该混凝土的脆性愈大。因此，高强混凝土的脆性已引起广泛的重视，而高强的高性能混凝土也同样呈较大的脆性。在高强度混凝土中的脆性破坏，其裂缝往往贯穿粗集料。由于高性能混凝土能提高集料与硬性水泥浆体的粘结，即改善了界面过渡区，也使脆性有所增大。中等强度的高性能混凝土，虽然脆性比高强混凝土有所降低，但是其脆性仍然是个问题。

　　混凝土脆性的增大会给工程结构特别是有抗震要求的工程结构带来很大的危害。在高性能混凝土中掺加纤维是一种有效的措施。国外已有学者提出HPFRC（纤维增强高性能混凝土），而且将之与纤维增强传统混凝土和基材（未掺纤维的传统混凝土）进行拉伸应力——应变的对比。

　　纤维增强传统混凝土比无纤维增强的基材仅仅是提高了延性，而纤维增强高性能混凝土与无纤维增强的基材相比，在HPFRC的拉伸应力——应变曲线中有三个特征是值得重视的：

　　（1）弹性极限显著提高了。强性极限反映宏观裂缝出现的起点。

　　（2）呈现出有一明显的应变强化段。应变强化段是反映宏观裂缝出现后，裂缝分散数量的增加，但这些裂缝的宽度很小。

　　（3）峰值后出现应变软化段。应变软化段反映了裂缝数量虽保持不变，但裂缝宽度增大了，最后导致纤维被拔出或断裂而破坏。因此，纤维增强高性能混凝土不仅大大提高了拉伸应力而且显著改善了高性能混凝土的脆性。

　　对于纤维品种的选用，试验表明，在同样纤维体积含量的情况下，钢纤维和碳纤维对改善高性能混凝土的脆性比合成纤维更为有效。

　　4 免振自密实混凝土（Self-compacting Concrete）

　　由于免振自密实混凝土具有十分良好的工作性，使混凝土的填充性、密实性、均匀性得到显著的提高，成为混凝土技术的一项新的进展而被列为高性能混凝土一族。

　　免振自密实混凝土是近十多年来由日本首先研究开发并付诸工程应用的一项近代混凝土技术。由于免振自密实混凝土在工程上应用可以取得提高混凝土质量、改善混凝土施工操作、养活施工噪音以及提高劳动生产率、加快施工进度降低工程费用等技术经济效果，近年来世界各国对此给予很大的重视与关注。日本预期到2003年将有1/2的混凝土工程将用免振自密实混凝土浇注。

　　顾名思义，免振自密实混凝土是在浇筑时仅靠混凝土自身的重力而不需要任何捣实外力而达到自密实、自流平的一种混凝土。免振自密实混凝土应具有三个特性：

　　（1）流动性；

　　（2）良好的稳定性——不离析；

　　（3）钢筋和模板中的任何间隙，具有良好的通过能力，不产生阻塞。

　　根据上述三个特性的要求，免振自密实混凝土配制的原理与方法科述如下：

　　新拌混凝土的物相属粒子悬浮体，其连续介质是水泥浆体，也就是液相而混凝土中的集料则为固相。在所有粒子悬浮体中，流动性与粒子离析间的平衡是必需的。新拌免振自密实混凝土要在没有外力作用下充分填实混凝土模板中的一切空隙并达到密实，更是要兼具良好的流动性与稳定性。

　　为获得高流动性，首先要减小颗粒间的磨擦阻力。掺入超塑化剂以减小颗粒的表面张力固然十分必要，但从免振自密实的性能要求看，仅靠掺超塑化剂还难以达到，还需掺入一定数量的超细物料。

　　为得到良好的稳定性，使物料不离析，其液相必需具有适当的流变性，才能既不产生泌水又防止颗粒的离析。为达到此要求，同样也需掺入适量的颗粒尺寸＜0.25mm的细填料，有时还需掺入粘度改性剂（增粘剂）。

　　为使混凝土能流畅地通过钢筋和模板中的任何间隙而不产生阻塞，除需根据工程结构的设计选定合适的集料粒径和形貌外，液相的体积量及其流变性质也是重要的参数。其流变性质是按流变学的宾汉姆型用粘度计来评定的，应具有低的屈服应力和适当的塑性粘度。

　　按流变学的观点，免振自密实混凝土的基体是自由流动的超细浆体，该浆体是由水泥与超细物料共同组成的，其流动性随环绕固体粒子的浆膜层厚度的增大而提高，而浆膜层的厚度只有在浆体已充满固体颗粒间的空隙后才能形成，因此，浆体的厚度受到固体颗粒的形貌影响。对于浆体而言，除了要求具有高流动性外，还需具有足够的高粘度，必须成为高粘性的牛顿液体，才能防止离析。

　　免振自密实混凝土的配制工艺流程如图所示。

　　水　泥
　　　↓
　　超细掺和料　　水　　超塑化剂
　　　↓　　　　　↓　　　↓
　　自　由　流　动　的　浆　体　　细集料
　　　　　　　　↓　　　　　　　　　↓
　　　　　　　自　由　流　动　的　砂　浆　　粗集料
　　　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　　↓
　　　　　　　　　　　　　自　密　实　混　凝　土

　　免振自密实混凝土的配合比设计，首先要确定根据集料的空隙含量所需要的液相体积。该液体的组成包括水泥、水、外加剂和＜0.25mm的超细物料。超大型细物料与总集料体积之比（S/A）是免振自密实混凝土配合比设计中的一项重要参数。铭振自密实混凝土的流动性将随S/A的增大而增大，而对弹性模量无明显的影响。水灰比基本上按所需的混凝土抗压强度来确定。由于免振自密实混凝土的流变行为与组分材料的体积有十分密切的关系，因此，免振自密实混凝土的配合比设计建议采用体积比而不用重量比。

　　对于超细物料的选用，由于超细物料往往具有较高与较强的吸水性，宜择其需水量最低者。国外学者曾采用了4种超细物料——石英粉、粉煤灰、石灰石粉与凝灰岩粉，其物理特性见表1。

　　通过自由流动浆体的稠度试验、自由流动砂浆的流动性试验，结果表明，以石英粉与粉煤灰最相宜。

表1 4种超细掺合料的物理性特性

　　注：比表面积和密度是用激光测定仪测得；粒径分布在0.016～0.25mm范围内。

　　配制免振自密实混凝土的外加剂，普遍认为选用聚羧基酶（Polycarboxylases）最为理想，可以使混凝土在较长时间内保持免振自密实的功能。在配制免振自密实混凝土时的外加剂掺量宜适当增加到2%。

　　实验结果表明，在同水灰比的条件下，免振自密实混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、钢筋握裹力等物理力学性能均比传统的振动密实混凝土有所提高，收缩、徐变性能也有所改善，其原因是由于免振自密实混凝土具有较致密的微观结构，且有较好的均匀性，特别是在集料的界面区，避免了在振动密实过程中水分在集料周围的聚集。此外，免振自密实混凝土面层的孔隙比振动密实混凝土低。当采用泵送法施工，从模板底开始输送，还可显著提高混凝土面层的平整度。免振自密实混凝土不仅可广泛用于新建工程，用于修补工程也有显著效果。

　　5 结语

　　高性能混凝土的研究与开发应用，对传统混凝土的技术性能有了重大的突破，对节能、工程质量、工程经济、环境与劳动保护等方面都具有重大的意义。可以预期，高性能混凝土在工程上的应用领域将迅速扩大，并取得更大、更多的技术经济效益。从目前的研究开发现状来看，还值得进一步深入研究的内容是：矿物细掺合料的科学分类和品质标准及其与混凝土外加剂之间的相容性；高性能混凝土多组分复合材料的复合化超叠加效应；高强度高性能混凝土的韧性等等问题。相信在今后研究取得的机关报成就必将使高性能混凝土的性能得到进一步的提高和改善。