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 01什么是高性能混凝土？

高性能混凝土（high performance concrete，HPC）是一種以耐久性為目標(biāo)，兼顧高強(qiáng)度、高工作性和高耐久性的新型的高技術(shù)混凝土。它可以大幅度提高普通混凝土性能，是針對不同用途要求，采用現(xiàn)代技術(shù)制作的低水膠比的混凝土。高性能混凝土對下列性能重點(diǎn)予以保證：耐久性、工作性、實(shí)用性、體積穩(wěn)定性、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)型。為此，高性能混凝土在配置上的特點(diǎn)是水膠比低，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物外加劑和化學(xué)外加劑。高性能混凝土在節(jié)能、節(jié)料、工程經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)保護(hù)以及環(huán)境保護(hù)扥各方面都具有重要意義，是一種環(huán)保型、集約型的新型材料，亦被稱為“綠色混凝土”。

高性能混凝土的概念是20世紀(jì)90年代初提出的（1990年5月），美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）和美國混凝土協(xié)會(huì)（ACI）在美國馬里蘭州蓋瑟斯堡召開的會(huì)議上首先正式提出高性能混凝土這一名詞的定義。實(shí)際上，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強(qiáng)混凝土。在最近的十多年中，高性能混凝土很快地被各國工程界所接受。這主要是因?yàn)楦咝阅芑炷恋氖褂脤τ诟鞣蕉季哂忻黠@的效益：對于業(yè)主或用戶來說，混凝土的耐久性好，安全使用期長，可減少維修費(fèi)，保證安全；對于社會(huì)來說，高性能混凝土降低能耗、料耗、利用工業(yè)廢渣，減少噪聲污染，對環(huán)境有利，并消除不安全感；對于施工者來說，高性能混凝土操作方便，改善勞動(dòng)條件，加快進(jìn)度，減少模板和勞力，可提前交工；對于設(shè)計(jì)者來說，高性能混凝土減小斷面，減輕自身質(zhì)量，增加使用空間，取得明顯的節(jié)約效果，還能幫助人們實(shí)現(xiàn)建筑的藝術(shù)性和靈活性。高性能混凝土在不少工程中得以推廣應(yīng)用，如高層建筑、海上石油鉆采平臺、橋梁工程、大型結(jié)構(gòu)、隧洞襯砌、放射性廢物貯罐等。而且隨著人們逐漸重視工程質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)安全和環(huán)境保護(hù)，高性能混凝土真正進(jìn)入推廣應(yīng)用時(shí)期。

日前，不同國家、地區(qū)以及不同學(xué)者對高性能混凝土的涵義的理解和見解還不統(tǒng)一。多數(shù)人認(rèn)為，高性能混凝土必須具有高強(qiáng)度，這就限制了高性能混凝土的應(yīng)用范圍，不可能形成混凝土的發(fā)展方向。我國已故的吳中偉院士指出：“實(shí)現(xiàn)中低強(qiáng)度等級混凝土的高性能化，高性能混凝土的發(fā)展才具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。”法國科學(xué)家已經(jīng)提出，即使從結(jié)構(gòu)角度上不要求用高強(qiáng)度的混凝土，但要求長期耐久性的一切工程必須采用高性能混凝土。這些觀點(diǎn)是全面的，是符合發(fā)展方向的。

高性能混凝土針對混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境特點(diǎn)而進(jìn)行相應(yīng)的性能設(shè)計(jì)，并通過施工過程控制使得相應(yīng)性能得到保證，能更好地滿足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求，能限度地延長混凝土結(jié)構(gòu)使用年限，降低工程造價(jià)。因此，高性能混凝土是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性得以保證的重要措施和必要措施之一。

02什么是高性能混凝土的工作性？

混凝土的工作性是指其流動(dòng)性、可塑性、穩(wěn)定性和密實(shí)性，是混凝土拌合物塑性狀態(tài)下所表現(xiàn)的若干基本性質(zhì)的綜合效應(yīng)。高性能混凝土應(yīng)具有良好的工作性，其新拌混凝土在成型過程中不分層、不離析，混凝土拌合物應(yīng)具有較高的流動(dòng)性，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。

與普通混凝土相比，高性能混凝土膠凝材料用量增大，盡管拌合物的流動(dòng)性大，但黏性增大，變形需要一定的時(shí)間。常用于高性能混凝土中的輔助膠凝材料主要有磨細(xì)礦渣、磨細(xì)粉煤灰和硅灰等，對高性能混凝土的工作性有不同影響，他們的摻量、細(xì)度和顆粒級配等都會(huì)影響混凝土的工作性。

一般不采用單一的混凝土坍落度值來評價(jià)高性能混凝土的工作性。從理論上講，高性能混凝土的流變性仍近似于賓漢流體，可以用屈服剪切應(yīng)力和塑性黏度兩個(gè)參數(shù)來表達(dá)其流變特性。在實(shí)際工程中，采用變形能力和變形速度兩個(gè)指標(biāo)來綜合反映高性能混凝土的工作性更為合理?；谶@種理論基礎(chǔ)，許多學(xué)者提出了一些評價(jià)高性能混凝土工作性的方法，Texas大學(xué)的Eric P. Koehler對世界范圍內(nèi)使用的工作性測試方法進(jìn)行了匯總，一共列出了61種測試方法，其中用于混凝土工作性測試方法有46種，自密實(shí)混凝土測試方法有8種，砂漿和凈漿測試方法有7種。

03什么是高性能混凝土的體積穩(wěn)定性？

混凝土的體積穩(wěn)定性主要與混凝土的收縮性能有關(guān)?；炷恋氖湛s是指由于混凝土中所含水分的變化、化學(xué)反應(yīng)及溫度變化等因素引起的體積縮小?；炷恋氖湛s按作用機(jī)理可分為自收縮、塑性收縮、硬化混凝土的干燥收縮、溫度變化引起的收縮變形及碳化收縮變形五種?；炷劣捎诟鞣N收縮而引起的開裂問題一直是混凝土結(jié)構(gòu)物裂縫控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

高性能混凝土應(yīng)具有較高的體積穩(wěn)定性，即混凝土在硬化早起應(yīng)具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形。低水膠比與礦物外加劑的大量摻入使高性能混凝土的硬化結(jié)構(gòu)與普通混凝土相比有著很大的差異，結(jié)構(gòu)的差異在帶來高性能混凝土諸多性能上的突破的同時(shí)，隨之帶來了它的一些本質(zhì)上的缺點(diǎn)：①自收縮大，主要發(fā)生在早期；②溫度收縮大，溫度收縮出現(xiàn)的時(shí)間提前；③混凝土施工后，早期收縮（其中包括部分自收縮值和干燥收縮）實(shí)測值較大、早期彈性模量增長快、抗拉強(qiáng)度并無顯著提高、比徐變變小等因素共同導(dǎo)致了高性能混凝土（特別是高強(qiáng)混凝土）的早期抗裂性差。

近幾年來，高性能混凝土在我國的應(yīng)用實(shí)踐表明，早期開裂問題已成為其在工程中應(yīng)用時(shí)最容易出現(xiàn)的問題。

04什么是混凝土的耐久性？

混凝土的耐久性是使用期內(nèi)結(jié)構(gòu)保證正常功能的能力，關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)物的使用壽命，隨著結(jié)構(gòu)物老化和環(huán)境污染的加重，混凝土耐久性問題已引起了各主管部門和廣大設(shè)計(jì)、施工部門的重視。混凝土的耐久性劣化是指結(jié)構(gòu)在所使用的環(huán)境下，由于內(nèi)部原因或外部原因引起的結(jié)構(gòu)的長期演變，最終使混凝土喪失使用能力，即耐久性失效。耐久性失效的原因有抗凍失效、堿-集料反應(yīng)失效、化學(xué)腐蝕失效和鋼筋銹蝕造成結(jié)構(gòu)破壞等。

強(qiáng)度和耐久性是混凝土結(jié)構(gòu)的兩個(gè)重要指標(biāo)，以往工程中習(xí)慣上只是重視混凝土的強(qiáng)度，或片面追求高強(qiáng)度而忽視混凝土的耐久性。曾有調(diào)查表明，國內(nèi)一些工業(yè)建筑在使用25～30年后即需大修，處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑物的使用壽命僅15～20年。許多工程建成后幾年就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土開裂。如果忽視耐久性問題，迎接人們的將是混凝土工程大修的高潮，其耗費(fèi)將數(shù)倍于工程建設(shè)投資。而其原因卻往往是由于混凝土耐久性不足引起的。

混凝土的外部環(huán)境、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、原料、密實(shí)度和抗?jié)B性是影響混凝土耐久性能的重要因素，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，有針對性地采取相應(yīng)措施來提高混凝土的耐久性。高性能混凝土的使用壽命比傳統(tǒng)混凝土有大幅度提高，能夠使混凝土結(jié)構(gòu)*可靠地工作50～100年以上。對于一些特殊工程的特殊部位，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的并不是混凝土的強(qiáng)度，而是其耐久性。

05影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的因素有哪些？

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素比較多，主要是混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件、建造結(jié)構(gòu)所用的混凝土的性能以及施工過程控制三個(gè)因素。其中，環(huán)境是影響結(jié)構(gòu)耐久性能的重要因素。環(huán)境中的氣體、液體和固體會(huì)通過擴(kuò)散、滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，混凝土在這些介質(zhì)作用下，會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)變化，有時(shí)是有益的，多數(shù)情況下會(huì)導(dǎo)致硬化混凝土性能的劣化?；炷两Y(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別分為碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、凍融破壞環(huán)境和磨蝕環(huán)境等。

提高混凝土耐久性的具體措施包括原材料的選擇，配合比設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和后期維護(hù)等環(huán)節(jié)。水泥、集料、摻合料的性能對混凝土耐久性影響很大，對其品種需加以認(rèn)真選擇。進(jìn)行混凝土配比的設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少水泥用量和用水量，降低水化熱，減少裂縫，提高密實(shí)度，采用合理的減水劑和引氣劑，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，摻入足量的混合料，提高混凝土耐久性能；按照使用環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度，預(yù)防外界氣體和液體介質(zhì)滲入內(nèi)部腐蝕鋼筋?；炷凉こ淌┕み^程中也應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)耐久性，混凝土的拌制工藝應(yīng)提高混凝土拌合料的和易性并減少用水量；大體積混凝土的澆筑振搗應(yīng)控制混凝土的溫度裂縫、收縮裂縫、施工裂縫、混凝土澆筑后應(yīng)充分合理地進(jìn)行振搗，提高混凝土密實(shí)度和抗?jié)B性，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，減少混凝土裂縫。結(jié)構(gòu)物在使用階段中應(yīng)注意檢測、維護(hù)和修理，對處于露天和惡劣環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施工程更應(yīng)如此。

06高強(qiáng)混凝土有什么特點(diǎn)？

強(qiáng)度是混凝土性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際工程應(yīng)用中混凝土強(qiáng)度等級的不斷提高，高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級下限也在不斷變化。CECS 104 ：99 《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》1.0.2條規(guī)定：“高強(qiáng)混凝土為采用水泥、砂、石、高效減水劑等外加劑和粉煤灰、超細(xì)礦渣、硅灰等礦物外加劑以常規(guī)工藝配制的C50～C80級混凝土。”但是近幾年，一般把強(qiáng)度等級為C60及其以上的混凝土才成為高級混凝土。

高強(qiáng)混凝土作為一種新的建筑材料，以其抗壓強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、密度大、孔隙率低的*性，在高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)以及某些特種結(jié)構(gòu)中得到的廣泛的應(yīng)用。高強(qiáng)混凝土的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高，故可減小構(gòu)件的截面，因此宜用于高層建筑。高強(qiáng)混凝土框架柱還具有較好的抗震性能。高強(qiáng)混凝土材料用在預(yù)應(yīng)力技術(shù)中，可采用高強(qiáng)度鋼材和認(rèn)為控制應(yīng)力，從而大大地提高了受彎構(gòu)件的抗彎剛度和抗裂度。因此，世界范圍內(nèi)越來越多地采用施加預(yù)應(yīng)力的高強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于大跨度房屋和橋梁中。高強(qiáng)混凝土還具有密度大的特點(diǎn)，可用作建造承受沖擊和爆炸荷載的建（構(gòu)）筑物，如原子能反應(yīng)堆基礎(chǔ)等。利用高強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能強(qiáng)和抗腐蝕性能強(qiáng)的特點(diǎn)，建造具有高抗?jié)B性和高抗腐要求的工業(yè)用水池等。

07高性能混凝土原材料組成有何特點(diǎn)？

高性能混凝土所用的原材料，除了傳統(tǒng)混凝土所用的水泥、砂、石和水四大組成，還有化學(xué)外加劑（亦成為混凝土的第五組分）和礦物外加劑（亦稱為混凝土的第六組分）。使用新型的高效減水劑和磨細(xì)礦物外加劑（或稱礦物外加劑）是使混凝土達(dá)到高性能的主要技術(shù)措施。前者能降低混凝土的水膠比，增大坍落度和控制值混凝土的坍落度損失，賦予混凝土高的致密性和良好的工作性、后者能填充膠凝材料的孔隙，參與膠凝材料的水化，除了提高混凝土的致密性外，還能改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，提高混凝土的耐久性與強(qiáng)度。由于高性能混凝土的高性能要求和配制特點(diǎn)，原材料中原來對普通混凝土影響不明顯的因素，對高性能混凝土就可能影響顯著，因此高性能混凝土和普通混凝土所用原材料的要求有所不同。

08為什么說高性能混凝土是綠色混凝土？

混凝土是世界上使用量、應(yīng)用廣泛的建筑材料，為營造人類的生存環(huán)境、建造現(xiàn)代社會(huì)的物質(zhì)文明作出了重要貢獻(xiàn)。在地球環(huán)境日益惡化的今天，世界各國都在積極行動(dòng)，開展工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排工作。混凝土產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排是建筑業(yè)節(jié)能減排的一個(gè)重要領(lǐng)域。

高性能混凝土應(yīng)用現(xiàn)代混凝土科學(xué)技術(shù)，使混凝土的生產(chǎn)過程和應(yīng)用過程綠色化：減少水泥用量；大量利用工業(yè)廢渣、代用集料；減少生產(chǎn)過程中的噪聲污染、粉塵污染等；更大量地利用廢棄混凝土和建筑垃圾，減少環(huán)境負(fù)荷；高性能混凝土的使用壽命長，對于一些特殊工程的特殊部位，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不是混凝土的強(qiáng)度，而是耐久性。能夠使混凝土結(jié)構(gòu)安全可靠地工作50～100年，減少維修費(fèi)用。這些都是使混凝土這種傳統(tǒng)材料成為綠色材料，能夠長期使用的關(guān)鍵措施。高性能混凝土是混凝土可持續(xù)發(fā)展的出路，是水泥基材料發(fā)展的方向，是對傳統(tǒng)混凝土的重大突破，在節(jié)能、節(jié)料、工程經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)保護(hù)以及環(huán)境等方面都具有重要意義，是一種環(huán)保型、集約型的新型材料，可稱為“綠色混凝土”。

高性能混凝土是混凝土綠色化生產(chǎn)的重要方向。目前上已廣泛認(rèn)識到，用高性能混凝土來替代傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)物和建造在嚴(yán)酷環(huán)境中的特殊結(jié)構(gòu)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

09高性能混凝土在水化結(jié)構(gòu)上有何特點(diǎn)？

通常高性能混凝土的復(fù)合膠凝材料中礦物外加劑的比例可達(dá)30%～50%，水膠比不高于0.40～0.42，對于高強(qiáng)混凝土可低于0.30。為了調(diào)整混凝土的工作性，還大量使用多種化學(xué)外加劑，改變了新拌漿體的結(jié)構(gòu)和性能，影響復(fù)合膠凝材料的水化過程及其性能，使其水化過程更加復(fù)雜。因此，在高性能混凝土水化結(jié)構(gòu)分析時(shí)，必須綜合考慮化學(xué)外加劑和礦物外加劑對混凝土性能的影響。

中國建筑材料科學(xué)研究總院采用多種微觀分析的方法（TG-DTA,XRD、SEM和壓泵法測孔等）研究和分析高性能混凝土的復(fù)合膠凝材料在低水膠比條件下的水化硬化過程。研究發(fā)現(xiàn)，磨細(xì)礦渣在水泥水化硬化過程中反應(yīng)活性較大，在水化早期即形成較多的膠凝產(chǎn)物，提高了漿體微結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，不僅減少了在漿體中的含量，而且也改善了的形態(tài)，普通細(xì)度的礦渣由于顆粒相對較粗而反應(yīng)較慢。比表面積在600/g以上的磨細(xì)礦渣在水泥水化硬化過程中，能夠表現(xiàn)出與普通磨細(xì)礦渣所不同的作用，摻磨細(xì)礦渣水泥的水化速度高于硅酸鹽水泥的水化速度，這是因?yàn)榧?xì)小的礦渣粒子迅速與反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，從而加速了水泥熟料礦物的水化。磨細(xì)礦渣的反應(yīng)活性較大，在水泥水化的早期階段即參與水化過程，消耗CH晶體，促進(jìn)水泥的水化，磨細(xì)礦渣和硅灰復(fù)合使用時(shí)表現(xiàn)出明顯的疊加效應(yīng)，能促進(jìn)水泥漿體中晶體的生長，使?jié){體在早期即可形成比較堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)骨架，同時(shí)又提高了C-S-H凝膠的生成數(shù)量，改善了硬化漿體的微觀結(jié)構(gòu)。復(fù)合膠凝材料系統(tǒng)在提高混凝中砂漿基體強(qiáng)度和集料與漿體之間的界面黏結(jié)性能方面有顯著作用。

清華大學(xué)閻培渝等人對大摻量粉煤灰體系性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：摻入粉煤灰的水泥凝膠體在水化初期水化產(chǎn)物中氫氧化鈣的含量明顯減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比未摻粉煤灰的水泥混凝土相比變得有些疏松。隨著齡期的延長，粉煤灰的二次水化開始，凝膠體開始變得密實(shí)。

總之，高性能混凝土中礦物外加劑一般都具有反應(yīng)活性，有些反應(yīng)或協(xié)還較大，在水化早期即形成較多的凝膠產(chǎn)物，提高了漿體微結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，減少了在漿體中的含量，也改善了的形態(tài)，使?jié){體在早期即可形成比較堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)骨架，改善了硬化漿體的微觀結(jié)構(gòu)。正是這些改善的水化結(jié)構(gòu)保證了高性能混凝土中砂漿基體強(qiáng)度，集料與漿體之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度都有所提高。