高性能混凝土胡長(zhǎng)明教授西安建筑科技大學(xué)高性能混凝土(HPC)是一種新型高技術(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(duì)不同用途要求,對(duì)下列性能重點(diǎn)予以保證:耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。高性能混凝土在配置上的特點(diǎn):低水膠比;優(yōu)質(zhì)原材料;摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑;作用：使其強(qiáng)度大幅度提高,界面結(jié)構(gòu)改善,抗?jié)B性和耐久性明顯提高。日本多數(shù)學(xué)者和工業(yè)界強(qiáng)調(diào)HPC是高強(qiáng)、超高強(qiáng)與高流態(tài)混凝土,認(rèn)為高性能首先必須具有高強(qiáng)度。馮乃謙教授對(duì)HPC的定義為:W/C不大于0.38,體積穩(wěn)定性好的混凝土,其組成材料中必須含有高效減水劑和礦物質(zhì)超細(xì)粉,混凝土56d的ASTMC1202,6h總導(dǎo)電量小于1000C,凍害地區(qū)凍融300次相對(duì)動(dòng)彈模量不小于80%,抗壓強(qiáng)度不小于60MPa,并具有滿足施工要求的流動(dòng)性和坍落度損失。吳中偉院士談HPC與普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下獨(dú)特的性能：1）高性能混凝土具有一定的強(qiáng)度和高抗?jié)B能力,但不一定具有高強(qiáng)度,中、低強(qiáng)度亦可；2）高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物應(yīng)具有較高的流動(dòng)性,混凝土在成型過程中不分層、不離析;易充滿模型;泵送混凝土、自密實(shí)混凝土還具有良好的可泵性、自密實(shí)性能；4）高性能混凝土具有較高的體積穩(wěn)定性，即混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。HPC的發(fā)展及應(yīng)用

20世紀(jì)90年代,美國、加拿大、日本、挪威、德國、澳大利亞等,成為應(yīng)用高強(qiáng)高性能混凝土最多的國家；德國現(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,已有C105級(jí)超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。20世紀(jì)70年代起我國開始發(fā)展高強(qiáng)與高流動(dòng)混凝土；1980年采用的高坍落度高強(qiáng)混凝土建成紅水河鐵路斜拉橋的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；1991年我國最早應(yīng)用HPC建造廣東國貿(mào)大廈,采用C60的粉煤灰泵送HPC。國內(nèi)HPC的研究西南交大用52.5號(hào)硅酸鹽水泥摻入硅灰及高效減水劑制成了100.1MPa的超高強(qiáng)混凝土；清華大學(xué)馮乃謙教授用中熱52.5號(hào)硅酸鹽水泥加硅灰及高效減水劑FDN,并加入CFA(控制坍落度損失),制得28天強(qiáng)度92.4MPa、坍落度20cm、2h無坍落度損失的超高強(qiáng)流態(tài)混凝土;湖南大學(xué)黃政宇教授通過摻硅灰、高效減水劑和鋼纖維并加熱養(yǎng)護(hù)的技術(shù)途徑配制了抗壓強(qiáng)度高達(dá)200MPa的超高強(qiáng)鋼纖維混凝土;重慶大學(xué)蒲心誠教授用堿礦渣技術(shù)路線制成了28d抗壓強(qiáng)度為117MPa的超高強(qiáng)混凝土,后又采用“普通52.5號(hào)水泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術(shù)路線制得坍落度240mm以上,28d抗壓強(qiáng)度100MPa以上的超高性能混凝土;目前,用類似的技術(shù)路線已經(jīng)制得抗壓強(qiáng)度150MPa以上的混凝土。湖南大學(xué)黃政宇教授通過摻硅灰、高效減水劑和鋼纖維并加熱養(yǎng)護(hù)的技術(shù)途徑配制了抗壓強(qiáng)度高達(dá)200MPa的超高強(qiáng)鋼纖維混凝土;重慶建筑大學(xué)蒲心誠教授用堿礦渣技術(shù)路線制成了28天抗壓強(qiáng)度為117MPa的超高強(qiáng)混凝土,后又采用“普通525號(hào)水泥+超高效萘系減水劑+硅灰+低水灰比”的技術(shù)路線制得坍落度240mm以上,28天抗壓強(qiáng)度100MPa以上的超高性能混凝土,目前,用類似的技術(shù)路線已經(jīng)制得抗壓強(qiáng)度150MPa以上的混凝土。HPC的性能及特點(diǎn)

HPC耐久性

混凝土的耐久性破壞主要有:混凝土碳化、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕、堿-骨料反應(yīng)、凍融破壞。

對(duì)于HPC的耐久性的安全使用期限，HPC可以保證重要建筑在不利環(huán)境中使用100年，在正常環(huán)境使用200年，在特殊環(huán)境使用300年，而混凝土建筑的使用壽命可以預(yù)期達(dá)到500年。

HPC力學(xué)性能

混凝土的強(qiáng)度有抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度。HPC對(duì)力學(xué)性能的要求不僅體現(xiàn)在高強(qiáng)度上,還體現(xiàn)在高強(qiáng)度質(zhì)量上,即要求強(qiáng)度的分散性小,后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定。HPC體積穩(wěn)定性混凝土的體積穩(wěn)定性是指混凝土在抵抗物理、化學(xué)作用下產(chǎn)生變形的能力。混凝土的體積變形包括收縮變形、彈性變形、徐變變形和溫度變形。

HPC的干縮隨著水灰比的增大而略有增大,混凝土在使用過程中會(huì)發(fā)生徐變,HPC的徐變較普通混凝土明顯減低,并隨強(qiáng)度的提高,最終單位徐變減小。提高混凝土耐久性的技術(shù)途徑一、摻入高性能減水劑作用：

保證混凝土拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí)，降低用水量,減小水灰比,使混凝土的總孔隙,特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。二、摻入高效活性礦物摻料

在普通混凝土中摻入活性礦物的目的,在于改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)的組成。活性礦物摻料(矽灰、礦渣、粉煤灰等)中含有大量活性及活性,它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高堿性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng),生成強(qiáng)度更高,穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化矽酸鈣,從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成,消除游離石灰的目的。②耐磨性要求較高，高等級(jí)混凝土結(jié)構(gòu)路面要求較高的耐磨性能,通過配合比優(yōu)化設(shè)計(jì),可以得到耐磨性能較好的高性能混凝土,提高混凝土路面的抗磨損性能。③耐久性要求較高,具有優(yōu)良耐久性能的高性能混凝土,用于建造碼頭、船塢、防波堤、采油平臺(tái)等港口和海洋工程,可大大提高工程結(jié)構(gòu)的耐腐蝕能力和抵抗海浪沖刷的能力。④提高承載力隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加,底層受壓構(gòu)件的壓力迅速增大,如采用傳統(tǒng)混凝土,則構(gòu)件截面尺寸增大,影響底層的空間要求和使用功能。采用高性能混凝土,在保證構(gòu)件承載力的基礎(chǔ)上能有效減小截面尺寸,滿足高層和超高層建筑的需求?；炷良夹g(shù)重大突破的前提一、新型高效減水劑的發(fā)明與應(yīng)用二、礦物超細(xì)粉的回收、加工與應(yīng)用三、纖維材料的發(fā)展利應(yīng)用四、新型水泥基材料的發(fā)明MDF水泥基材料MDF即無宏觀缺陷水泥材料,由Birchall提出,并于1979年由英國化學(xué)工業(yè)公司和牛津大學(xué)共同研究。MDF由下列材料組成：①高強(qiáng)度等級(jí)硅酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥(90％～99％)②水溶性樹脂(4％～7％),水灰比<20％。

缺陷：無流動(dòng)性,成型困難,耐水性差,收縮大,至今仍未實(shí)用化。DSP水泥基材料DSP即超細(xì)粒子密實(shí)填充水泥基材料,由Bache詳細(xì)闡述。該項(xiàng)專利是在瑞典、挪威、冰島等國家對(duì)硅粉開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。

DSP模式DSP的基本組成是水泥、硅粉和聚羧酸高性能減水劑。工程應(yīng)用廣州國際金融中心工程,該工程高度為435m,大量使用了C70、C80、C90HPC,并研發(fā)C100UHPC,實(shí)現(xiàn)超高泵送高度411m。上海環(huán)球金融中心主樓設(shè)計(jì)采用了周邊剪力墻、交叉剪力墻和翼墻組成傳力體系，為了抵抗來自風(fēng)和地震的側(cè)向荷載,采用了巨型柱、巨型斜撐等構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu),此外巨型柱截面及空間位置變化較復(fù)雜,采用了多種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。剪力墻C60混凝土的配合比設(shè)計(jì)分析超高層建筑依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)1OOm高度以上泵送時(shí),施工坍落度一般在18cm以上。為確保泵送過程中混凝土的可泵性,混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使混凝土有足夠的含漿量。

針對(duì)主樓結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)及泵送高度將泵送高度分為3個(gè)區(qū)間

1～31F剪力墻C60混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑17049072010204.2032～67F剪力墻C60混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑1705007509804.3067～69F斜撐C40混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑1704408409503.9680F以上巨型柱C40混凝土配合比水膠凝材料砂石外加劑1854758508603.65泵送混凝土勻質(zhì)性控制的方法一、坍落形態(tài)的辨別混凝土的坍落度和擴(kuò)展度關(guān)系混凝土的坍落度和擴(kuò)展度關(guān)系

(a)、(b)表示不同坍落度大小的混凝土拌合物向四周均勻陷落,混凝土的流動(dòng)性與黏聚性達(dá)到統(tǒng)一;圖(c)則表示混凝土拌合物向兩側(cè)流動(dòng),中間部分殘留骨料,混凝土離析;圖(d)則表示混凝土拌合物全部陷落,漿體不能包裹骨料,混凝土離析嚴(yán)重。較理想的形態(tài)應(yīng)該是(a)與(b)。外加劑使用量與坍落度、擴(kuò)展度關(guān)系外加劑使用量與坍落度、擴(kuò)展度關(guān)系圖(a)、(b)隨著高性能外加劑使用量的增加,坍落度和擴(kuò)展度同時(shí)增大如,此時(shí)混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度呈同步趨勢(shì),并接近平行線狀態(tài);圖(c)則表示盡管擴(kuò)展度有所增加但坍落度基本不變或變化較小;圖(d)隨著高性能外加劑使用量的增加坍落度和擴(kuò)展度同時(shí)急劇增大,兩條直線的斜率變大。二、可泵性的量化

泵送高度在30-60m時(shí),坍落度在10-16cm之間;泵送高度在60-10Om時(shí),坍落度在16-18cm之間;泵送高度在10Om以上時(shí),坍落度在18-23cm之間。所需的最大泵送壓力可以通過下式簡(jiǎn)化計(jì)算Pmax=10WH+△P*LPmax一最大泵送壓力：W—混凝土單位體積質(zhì)量，取2400kg／m3;H—泵送高度，根據(jù)主樓高度取500m;△P—每m壓力損失在此取0.015MPa;L—輸送管的水平換算長(zhǎng)度;三、最小水泥用量的控制我國規(guī)定泵送混凝土的最小水泥用量為300kg／m3

近年來外摻料的推廣應(yīng)用替代了一部分水泥,最小水泥用量有所下降,但限于目前技術(shù)水平外摻料還不能完全替代水泥,因此根據(jù)不同泵送高度規(guī)定混凝土的最小水泥用量是很有必要的。泵送條件水平換算距離／m<100100～200200～300300～350>400最小水泥用量kg／m3210230250300380金茂大廈座落在浦東陸家嘴路隧道出口處,是一幢“古塔”形的摩天大樓,樓高420.5m,整體結(jié)構(gòu)分地下、地上二個(gè)部分：主樓基礎(chǔ)底板為1.35萬m3C50高強(qiáng)大體積混凝土。主樓有88層,其中核心筒、巨型柱、樓面三部分由鋼筋混凝土組成,其強(qiáng)度等級(jí)隨高度上升由C60過渡到C50,直至C40。塔尖高420.5m,預(yù)拌混凝土采用普茨曼固定泵,從地面一次泵送到頂,最高泵送高度為382.5m。金茂大廈混凝土強(qiáng)度等級(jí)、樓層及泵送高度分布情況見表主要技術(shù)措施一、優(yōu)化混凝土配合比。首先優(yōu)選原材料,其次通過3種不同外加劑、3種不同水泥及其不同用量的各種配合比組合,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)比較,取優(yōu)化后的混凝土配合比為：水∶水泥∶中砂∶5～40mm碎石∶Ⅱ級(jí)粉煤灰∶EA-2(緩)=0.45∶1∶1.49∶2.50∶0.167∶0.008(每m3混凝土水泥用量為420kg)。二、外蓄內(nèi)散綜合養(yǎng)護(hù)措施。厚度為4m的C50混凝土基礎(chǔ)承臺(tái),如何減少溫度應(yīng)力和控制混凝土裂縫至關(guān)重要,除了優(yōu)化混凝土配合比、降低混凝土水化熱,混凝土輸送管道全程覆蓋灑冷水,以減少混凝土在泵送過程中吸收太陽的輻射熱,最大限度地降低混凝土入模溫度以及在承臺(tái)表面增設(shè)鋼筋網(wǎng)以控制表面收縮裂縫等措施外,還采用外蓄內(nèi)散法的綜合養(yǎng)護(hù)措施。

三、信息化自控技術(shù)。

為了掌握基礎(chǔ)承臺(tái)內(nèi)部混凝土實(shí)際溫度變化,了解冷卻水的進(jìn)、出水溫,將溫度傳感器預(yù)先埋設(shè)在混凝土的內(nèi)外各測(cè)點(diǎn)處,并用“大體積混凝土溫度微機(jī)自動(dòng)測(cè)試儀”對(duì)各測(cè)點(diǎn)定時(shí)進(jìn)行即時(shí)測(cè)溫。

HPC存在的問題

一、混凝土流動(dòng)性損失問題控制。

混凝土流動(dòng)性損失問題主要是由高效減水劑與水泥之間的相容性不好造成。解決的辦法保持減水劑在混凝土的水泥漿體中具有一定的殘余濃度,包括物理和化學(xué)兩種途徑。物理途徑包括減水劑的后摻法、多次添加法、礦物載體緩慢釋放方法等,但在工程應(yīng)用過程中不太方便,影響混凝土的質(zhì)量;化學(xué)途徑較多,復(fù)合緩凝劑在一定程度上可以減緩混凝土流動(dòng)性損失,防止混凝土凝結(jié)過快,但也可能造成混凝土過度緩凝,影響水泥水化等問題。目前高性能減水劑控制坍落度損失的主要成分,包括具有分散性保持性的成分和具有分散性保持特點(diǎn)的分散性成分,通過復(fù)合或合成的高性能減水劑,可以較好地控制混凝土坍落度損失,對(duì)混凝土硬化影響較小。二、混凝土早期裂縫問題。高性能混凝土,尤其是高強(qiáng)度的高性能混凝土,混凝土早期收縮較大,易造成混凝土的早期開裂,使?jié)B透性降低,嚴(yán)重危害混凝土的耐久性。有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂紋產(chǎn)生的主要途徑包括：