裝配式施工知識分享：高性能混凝土的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

編輯推薦：裝配式建筑入門(建筑工程基礎(chǔ)知識)

1 高性能混凝土產(chǎn)生的背景

傳統(tǒng)的混凝土雖然已有近200年的歷史，也經(jīng)歷了幾次大的飛躍，但今天卻面臨著前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：

(1)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，各種超長、超高、超大型混凝土構(gòu)筑物，以及在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的重大混凝土結(jié)構(gòu)，如高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應(yīng)堆、有毒有害廢物處置工程等的建造需要在不斷增加。這些混凝土工程施工難度大，使用環(huán)境惡劣、維修困難，因此要求混凝土不但施工性能要好，盡量在澆筑時不產(chǎn)生缺陷，更要耐久性好，使用壽命長。

(2)進(jìn)入20世紀(jì)70年代以來，不少工業(yè)發(fā)達(dá)國家正面臨一些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，特別是早年修建的橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施老化問題，需要投入巨資進(jìn)行維修或更新。1987年美國國家材料咨詢局的一份政府報(bào)告指出：在美國當(dāng)時的57.5萬座橋梁中，大約有25.3萬座處于不同程度的破壞狀態(tài)，有的使用期不到20年，而且受損的橋梁每年還增加3.5萬座。1991年在提交美國國會的報(bào)告“國家公路和橋梁現(xiàn)狀”中指出，為修復(fù)或更換現(xiàn)存有缺陷橋梁的費(fèi)用需投資910億美元;如拖延修復(fù)進(jìn)程，費(fèi)用將增至1 310億美元。美國現(xiàn)存的全部混凝土工程的價(jià)值約6萬億美元，每年用于維修的費(fèi)用高達(dá)300億美元。

在加拿大，為修復(fù)劣化損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程估計(jì)要耗費(fèi)5 000億美元。在英國，調(diào)查統(tǒng)計(jì)了271個工程劣化破壞實(shí)例，其中碳化銹蝕占17%，環(huán)境氯鹽銹蝕占33%，內(nèi)部氯鹽銹蝕占5%，混凝土凍蝕10%，混凝土磨蝕10%，混凝土堿—骨料反應(yīng)破壞9%，硫酸鹽化學(xué)腐蝕4%，其他各種不常發(fā)生的腐蝕破壞7%。

我國結(jié)構(gòu)工程中混凝土耐久性問題也非常嚴(yán)重。建設(shè)部于20世紀(jì)90年代組織了對國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)建筑及露天構(gòu)筑物在使用25～30年后即需大修，處于有害介質(zhì)中的建筑物使用壽命僅15～20年，民用建筑及公共建筑使用及維護(hù)條件較好，一般可維持50年。

相對于房屋建筑來說，處于露天環(huán)境下的橋梁耐久性與病害狀況更為嚴(yán)重。據(jù)2000年全國公路普查，到2000年底我國已有各式公路橋梁278 809座，公路危橋9 597座，每年實(shí)際需要維修費(fèi)用38億元，而實(shí)際到位僅8億元。

港口、碼頭、閘門等工程因處于海洋環(huán)境，氯離子侵蝕引發(fā)鋼筋銹蝕，導(dǎo)致構(gòu)件開裂、腐蝕情況最為嚴(yán)重。1980年交通部四航局等單位對華南地區(qū)18座碼頭調(diào)查的結(jié)果，有80%以上均發(fā)生嚴(yán)重或較嚴(yán)重的鋼筋銹蝕破壞，出現(xiàn)破壞的時間有的距建成僅5—10年。

(3)混凝土作為用量最大的人造材料，不能不考慮它的使用對生態(tài)環(huán)境的影響。傳統(tǒng)混凝土的原材料都來自天然資源。每用1t水泥，大概需要0.6t以上的潔凈水，2t砂、3t以上的石子;每生產(chǎn)1 t硅酸鹽水泥約需1.5 t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應(yīng)的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產(chǎn)?昆凝土所消耗的能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴(yán)重影響環(huán)境和天然景觀。有些大城市現(xiàn)已難以獲得質(zhì)量合格的砂石。另一方面，由于混凝土過早劣化，如何處置費(fèi)舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環(huán)境帶來威脅。

因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，必須更多地利用各種工業(yè)廢渣作為其原材料;必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強(qiáng)都意味著節(jié)約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產(chǎn)生的。

2 高性能混凝土的定義與性能

對高性能混凝土的定義或含義，國際上迄今為止尚沒有一個統(tǒng)一的理解，各個國家不同人群有不同的理解。一般說來，高性能混凝土是指高強(qiáng)、高耐久性、高工作性。一些美國學(xué)者更強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性(北美型)，歐洲學(xué)者更注重耐久性(歐，洲型)，而日本學(xué)者偏重于高工作性(日本型)，這可能由于日本更重視混凝土振搗工藝對工人聽力的不利作用，而推廣不需振搗的自密實(shí)混凝土。在我國，對高性能混凝土的含義也有爭論，馮乃謙在其1996年出版的《高性能混凝土》著作中開宗明義地指出了：高性能混凝土必須是高強(qiáng)的，因?yàn)橐话闱闆r下高強(qiáng)對耐久性有利，同時他認(rèn)為高性能混凝土發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)是現(xiàn)在有了好的摻合料和減水劑，因此高性能混凝土必須摻摻合料。馮乃謙的這些觀點(diǎn)代表了當(dāng)時我國大多數(shù)混凝土學(xué)者對高性能混凝土的認(rèn)識。吳中偉針對當(dāng)時科研界過度追求高強(qiáng)度的趨向，及

時提出“有人認(rèn)為高強(qiáng)度必須高耐久性，這是不全面的，因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土?xí)聿焕谀途眯缘囊蛩?hellip;…”。高性能混凝土還應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土，如C30混凝土。吳中偉高度重視耐久性，并早在1986年就提出高強(qiáng)未必一定高耐久，低強(qiáng)也不一定就不耐久的觀點(diǎn)是非常有前瞻性的，而且今天他的這個觀點(diǎn)也是正確的。

1990年5月由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與美國?昆凝土協(xié)會(ACl)主辦了第一屆高性能混凝土的討論會，定義高性能混凝土為具有所需，陛能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制的，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。大多數(shù)承認(rèn)單純高強(qiáng)不一定耐久，而提出高性能則希望既高強(qiáng)又耐久?？赡苁怯捎诎l(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)后的弊端，1998年美國ACI又發(fā)表了一個定義為：“高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土，如果采用傳統(tǒng)的原材料組分和一般的拌和、澆筑與養(yǎng)護(hù)方法，未必總能大量地生產(chǎn)出這種混凝土。”ACI對該定義所作的解釋是：“當(dāng)混凝土的某些特性是為某一特定的用途和環(huán)境而制定時，這就是高性能混凝土。例如下面所舉的這些特性對某一用途來說可能是非常關(guān)鍵的：易于澆筑，振搗時不離析，早強(qiáng)，長期的力學(xué)性能，抗?jié)B性，密實(shí)性，水化熱，韌性，體積穩(wěn)定性，惡劣環(huán)境下的較長壽命。因?yàn)楦咝阅芑炷恋脑S多特性是相互聯(lián)系的，改變其中之一常會使其它的特性發(fā)生變化，當(dāng)混凝土為某一用途生產(chǎn)而必須考慮若干特性時，則每一個特性都必須清楚地規(guī)定在合同文件中”。1998年ACI定義與1990年ACI、NIST定義的區(qū)別是：前者把早強(qiáng)列入“特殊性能組合”可選性能之一，而不作為必要的規(guī)定而強(qiáng)調(diào)。

而歐洲混凝土學(xué)會和國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會則將高性能混凝土定義為水膠比低于0.40的混凝土小在日本，將高流態(tài)的自密實(shí)混凝土(即免振混凝土)稱為高性能混凝土，‘強(qiáng)度一般為40—45 MPa，混凝土中除水泥外，還有礦渣粉、粉煤灰及膨脹劑。也有一些部門根據(jù)其專業(yè)的特點(diǎn)對高性能混凝土提出具體的要求，如1995年美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)將高性能混凝土分成4級，每級在與強(qiáng)度和耐久性有關(guān)的8個參數(shù)上都規(guī)定了定量的指標(biāo)。美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)提出高性能混凝土用于公路工程應(yīng)滿足：(1)水膠比≤0.35;(2)300次凍融循環(huán)，相對動彈模≥侶0%;(3)抗壓強(qiáng)度4 h≥17.2MPa，或24≥34.5 MPa，或28d≥68.9MPa。該定義偏重于早強(qiáng)，定義了一個特定的高性能混凝土，缺乏普遍適用性。用于橋梁尤其是大跨度橋梁的高性能混凝土應(yīng)滿足：(1)水膠比≤0.40;(2)強(qiáng)度≥41.4 MPa;(3)徐變率低。

我國著名的混凝土科學(xué)家吳中偉教授定義高性能混凝土為一種新型高技術(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)制作的混凝土，它以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對不同用途要求，對下列性能有重點(diǎn)的予以保證;耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)合理性。為此，高性能混凝土在配制上的特點(diǎn)是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并除水泥、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。1997年3月吳中偉教授在高強(qiáng)高性能混凝土?xí)h上又指出，高性能混凝土應(yīng)更多地?fù)郊右怨I(yè)廢渣為主的摻合料，更多地節(jié)約水泥熟料，提出了綠色高性能混凝土(GHPC)的概念。

裝配式建筑作為一種新興的建筑施工方法，其很多優(yōu)點(diǎn)都是傳統(tǒng)建筑無法比擬的，與此同時，帶來的事建筑配套設(shè)施更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，加速了裝配式建筑整個產(chǎn)業(yè)鏈的衍生和發(fā)展。以上內(nèi)容就是“裝配式施工知識分享：高性能混凝土的研究與發(fā)展現(xiàn)狀”，更多裝配式新發(fā)展新資訊，歡迎繼續(xù)關(guān)注環(huán)球網(wǎng)校裝配式建筑行業(yè)頻道!環(huán)球網(wǎng)校為大家提供 免費(fèi)預(yù)約短信提醒服務(wù)和裝配式精華考點(diǎn)/課程講義，點(diǎn)擊下方免費(fèi)下載即可獲取。