高性能混凝土技術(shù)發(fā)展的一些動(dòng)態(tài)和問(wèn)題

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1 前言

高性能混凝土是近期混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向，國(guó)外學(xué)者曾稱(chēng)之為21世紀(jì)混凝土。挪威于1986年首先對(duì)此進(jìn)行了研究，在1990年由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院與美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)共同主辦的一次研討會(huì)上正式定名。由于高性能混凝土具有綜合的優(yōu)異技術(shù)特性，引起了國(guó)內(nèi)外材料界與工程界的廣泛重視與關(guān)注。十多年來(lái)，世界上許多國(guó)家相繼投入了大量的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行該項(xiàng)研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使高性能混凝土技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，在原料的選擇、配合比設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能、耐久性、工作性、結(jié)構(gòu)性能以至應(yīng)用技術(shù)等方面都取得了既有理論基礎(chǔ)又有實(shí)用價(jià)值的科技成果，內(nèi)容豐盈，實(shí)難在一文中罄書(shū)。本文僅擬對(duì)高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土的區(qū)別、高性能混凝土在性能上尚存在的問(wèn)題及其改善的途徑以及高性能混凝土的一個(gè)新進(jìn)展——免振自密實(shí)混凝土三個(gè)方面，根據(jù)所見(jiàn)的國(guó)外技術(shù)文獻(xiàn)和個(gè)人的一些認(rèn)識(shí)作一基本介紹。

2 高性能混凝土就與高強(qiáng)混凝土有所區(qū)別

高性能混凝土可以認(rèn)為是在高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)上的發(fā)展和提高，也可說(shuō)是高強(qiáng)混凝土的進(jìn)一步完善。由于近些年來(lái)，在高強(qiáng)混凝土的配制中，不僅加入了超塑化劑，往往也摻入了一些活性磨細(xì)礦物摻合料，與高性能混凝土的組分材料個(gè)似，而且在有的國(guó)家早期發(fā)表的文獻(xiàn)報(bào)告中曾提到：“高性能混凝土并不需要很高的混凝土抗壓強(qiáng)度，但仍需達(dá)到55MPa以上”。因此，至今國(guó)內(nèi)外有些學(xué)者仍然將高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土在概念上有所混淆。在歐洲一些國(guó)家常常把高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土并提。

高強(qiáng)混凝土僅僅是以強(qiáng)度的大小來(lái)表征或確定其何謂普通混凝土、高強(qiáng)混凝土與超高強(qiáng)混凝土，而且其強(qiáng)度指標(biāo)隨著混凝土技術(shù)的進(jìn)步而不斷有所變化和提高。而高性能混凝土則由于其技術(shù)物性的多元化，諸如良好的工作性，體積穩(wěn)定性、耐久性、物理力學(xué)性能等等而難以用定量的性能指標(biāo)給該混凝土一定義。

不同的國(guó)家，不同的學(xué)者因有各自的認(rèn)識(shí)、實(shí)踐、應(yīng)用范圍和目的要求上的差異，對(duì)高性能混凝土曾提出過(guò)不同的解釋和定義，而且在性能特征上各有所側(cè)重。1990年美國(guó)NIST與ACI對(duì)高能混凝土命名時(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)定性等性能的耐久的混凝土，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(lái)，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。”

把高強(qiáng)混凝土混同于高性能混凝土，不僅僅是定義上的問(wèn)題，值得探討的是：

高強(qiáng)混凝土必然具有良好的耐久性？

高性能混凝土必需具有高強(qiáng)度？

美國(guó)教授P.K.Mehta早在1990年就提出：“把高強(qiáng)混凝土假定為高性能混凝土，嚴(yán)格地說(shuō)，這種假定是錯(cuò)誤的。”

我國(guó)已故的吳中偉院士也在1996年提出：“有人認(rèn)為混凝土高強(qiáng)度必然是高耐久性，這是不全面的，因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土?xí)?lái)一些不利于耐久性的因素……。高性能混凝土還應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土，如C30混凝土。”1999年又提出：“單純的高強(qiáng)度不一定具有高性能。如果強(qiáng)調(diào)高性能混凝土必須在C50以上，大量處于嚴(yán)酷環(huán)境中的海工、水工建筑對(duì)混凝土強(qiáng)度要求并不高，但對(duì)耐久性要求卻很高，而高性能混凝土恰能滿(mǎn)足此要求。

美國(guó)學(xué)者S.P.Shah教授最近也進(jìn)出：“盡管高強(qiáng)混凝土具有較高的強(qiáng)度和較低的滲透性，但是高強(qiáng)混凝土并不具有所需耱的綜合耐久性。”

美國(guó)學(xué)者Virendra K. Varma最近也撰文認(rèn)為，應(yīng)該把高性能混凝土與高強(qiáng)混凝土有所區(qū)分。

從材料的“性能”的含義而論，既包括力學(xué)性能的概念，也還包括了一些非力學(xué)性能的概念，如高填充性、不離析、抗?jié)B性、抗侵蝕性、體積穩(wěn)定性等等。

因此，混凝土的技術(shù)進(jìn)步不能以高強(qiáng)為目標(biāo)，而應(yīng)是高性能，單純以高抗壓強(qiáng)度來(lái)表征混凝土的高性能是不確切的。而高性能混凝土應(yīng)根據(jù)工程建筑的要求，包括不同強(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土，如普通強(qiáng)度的高性能混凝土、高強(qiáng)高性能混凝土。

3 高性能混凝土在性能上尚存在的問(wèn)題及其改善的途徑

配制高性能混凝土的特點(diǎn)是低水膠比并摻有足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻合料和高效減水劑，從而使混凝土具有綜合的優(yōu)異的技術(shù)特性，但由此也產(chǎn)生了兩個(gè)值得重視的性能缺陷：自干燥引起的自收縮；脆性。

3.1 自干燥引起的自收縮

近年來(lái)，國(guó)外許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土存在早期收縮開(kāi)裂的問(wèn)題。其原因是由于在低水灰比或水膠比并摻入較多的具有相當(dāng)活性的礦物細(xì)摻合料的混凝土中會(huì)產(chǎn)生自干燥從而引起混凝土的自收縮，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷而產(chǎn)生微裂縫。有關(guān)文獻(xiàn)資料表明：水膠比低于0.3的混凝土，其自收縮值可高達(dá)200～400×10-6。免振自密實(shí)混凝土由于含有較多的粉料量，當(dāng)粉量達(dá)500kg/m3，其自收縮值可達(dá)100～400×10-6。而摻有大量磨細(xì)礦渣的大體積混凝土，其自收縮值也可達(dá)100×10-6?；炷廉a(chǎn)生自干燥并非由于外部環(huán)境相對(duì)濕度的影響而引起的干燥脫水，而是由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微細(xì)孔內(nèi)自由水量的不足，使混凝土內(nèi)部供水不足，內(nèi)部相對(duì)濕度自發(fā)地減小而引起自干燥，并導(dǎo)致了混凝土的收縮變形，故稱(chēng)之為自收縮。

高強(qiáng)或高性能混凝土的配制，正因?yàn)槭堑退冶然蛩z比并摻有較大量的活性礦物細(xì)摻合料，因此，其早期的收縮開(kāi)裂十分敏感。在混凝土內(nèi)部水量較少的情況下，除水泥水化所需的水量外，在孔隙和毛細(xì)管中的水也被逐步吸收減少，在沒(méi)有剩余自由水的情況下，就形成了空的孔隙，使水泥石的內(nèi)部不再存在未結(jié)合水的平衡。因此，水泥石內(nèi)部的相對(duì)濕度顯著地降低。在處于難以水分蒸發(fā)而同時(shí)也是難以有水分滲濾的封閉狀態(tài)中的粘彈性固態(tài)的膠凝材料系統(tǒng)中，由于水泥石內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而使孔中存在一定的氣相，孔中水飽和蒸汽壓隨之而降低，毛細(xì)管中水呈現(xiàn)不飽和狀態(tài)。此狀況在長(zhǎng)期處于封閉狀態(tài)的情況下，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行越演越烈，其結(jié)果導(dǎo)致了毛細(xì)管中的液面形成變?cè)旅?，使毛?xì)管壓升高而產(chǎn)生毛細(xì)管應(yīng)力，使水泥石受負(fù)壓作用，成為凝結(jié)硬化混凝土產(chǎn)生自收縮的主要因素。

此外，較大量的活性礦物細(xì)摻合料的摻入，也會(huì)使混凝土產(chǎn)生自收縮，特別是硅灰的摻入。其原因主要是由于硅灰具有較高的火山灰活性，而增加了化學(xué)減縮。在水泥水化初期生成較高含量的凝膠孔的孔結(jié)構(gòu)體系的水泥石也會(huì)產(chǎn)生高度的自干燥而引起較嚴(yán)重的自收縮。再者，由于硅灰的表面積較大、活性強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致灰與攪拌水很快結(jié)合，加速了水泥石中孔隙空間的缺水與內(nèi)部相對(duì)濕度的降低而增大了自干燥。

混凝土的自收縮一般發(fā)生在混凝土初凝之后。當(dāng)混凝土由流態(tài)轉(zhuǎn)向粘彈性固態(tài)時(shí)，尤以初凝到1d齡期時(shí)為最顯著，自收縮值隨齡期而減緩。水膠比愈小，1d齡期時(shí)的自收縮愈大。

自收縮對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展造成的損傷是一個(gè)值得重視的問(wèn)題。由于硬化后高強(qiáng)或高性能混凝土的致密性高于普通混凝土，在減少了泌水的同時(shí)，也阻礙了外部養(yǎng)護(hù)水對(duì)混凝土的濕養(yǎng)護(hù)作用。因此，以適用于普通混凝土的傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)措施來(lái)改善此類(lèi)混凝土的自干燥、自收縮并無(wú)明顯的效果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾提出一些技術(shù)措施如：摻入一定量的膨脹劑；以部分粉煤灰等量取代水泥；配以高彈性模量的纖維：選用高C2S和低C3A、C4AF的硅酸鹽水泥等等，對(duì)降低混凝土的自收縮都有一定的效果。最近，國(guó)外學(xué)者提出了采用圍水養(yǎng)護(hù)即在混凝土澆注后仍處于塑性狀態(tài)時(shí)，盡快地立即進(jìn)行水霧養(yǎng)護(hù)，對(duì)減少或防止混凝土的自收縮具有較明顯的效果。

另一技術(shù)措施是在混凝土中加入部分含水飽和的輕集料替代普通集料，含水飽和輕集料在混凝土中形成蓄水池，在混凝土內(nèi)部供水起內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。但此方法需根據(jù)混凝土強(qiáng)度要求而采用。

3.2 脆性

脆性可以描述為混凝土無(wú)法防止的不穩(wěn)定裂縫的擴(kuò)展與增長(zhǎng)。從混凝土承受軸向壓荷載作用下的應(yīng)力——應(yīng)變曲線(xiàn)中，峰值后下降曲線(xiàn)段的陡斜程度可以反映出混凝土的脆性大小。眾多的試驗(yàn)已表明，混凝土的強(qiáng)度愈高，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線(xiàn)過(guò)峰值后的下降段曲線(xiàn)愈陡斜。這意味著該混凝土的脆性愈大。因此，高強(qiáng)混凝土的脆性已引起廣泛的重視，而高強(qiáng)的高性能混凝土也同樣呈較大的脆性。在高強(qiáng)度混凝土中的脆性破壞，其裂縫往往貫穿粗集料。由于高性能混凝土能提高集料與硬性水泥漿體的粘結(jié)，即改善了界面過(guò)渡區(qū)，也使脆性有所增大。中等強(qiáng)度的高性能混凝土，雖然脆性比高強(qiáng)混凝土有所降低，但是其脆性仍然是個(gè)問(wèn)題。

混凝土脆性的增大會(huì)給工程結(jié)構(gòu)特別是有抗震要求的工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大的危害。在高性能混凝土中摻加纖維是一種有效的措施。國(guó)外已有學(xué)者提出HPFRC，而且將之與纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土和基材進(jìn)行拉伸應(yīng)力——應(yīng)變的對(duì)比。

纖維增強(qiáng)傳統(tǒng)混凝土比無(wú)纖維增強(qiáng)的基材僅僅是提高了延性，而纖維增強(qiáng)高性能混凝土與無(wú)纖維增強(qiáng)的基材相比，在HPFRC的拉伸應(yīng)力——應(yīng)變曲線(xiàn)中有三個(gè)特征是值得重視的：

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