毕业设计高性能混凝土的研究与发展现状毕业论文.doc

毕 业 论 文课题名称 高性能混凝土的研究与发展现状系 别 建工系 专 业 材料工程 班 级 姓 名 学号 指导老师 摘 要随着我国改革开放和现代化进程的加快，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久的安全使用下去，日益受到各级政府和社会各界的广泛关注。在众多的土木工程建设中，混凝土的应用面之广，使用次数之多是很少见的。尤其中近年来，一种较新的混凝土技术正在快速发展并且运用到许多实际工程项目中，那就是高性能混凝土。高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC) 由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程。本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，列举了高性能混凝土在国内外研究应用中的重要成果，并对其发展趋势作出展望。随着我国建筑向高层化、大型化、现代化的发展，HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。关键词：高性能混凝土；耐久性；体积稳定性；绿色高性能混凝土。目 录引 言1一、高性能混凝土产生的背景和研究现状1（一）背景1（二）研究现状及发展方向2二、高性能混凝土的性能研究和应用分析4（一）高性能混凝土的概念4（二）高性能混凝土的性能6（三）高性能混凝土的水泥石微结构8（四）高性能混凝土发展和应用中所面临的问题8三、高性能混凝土质量与施工控制8（一）高性能混凝土原材料及其选用8（二）配合比设计控制要点101.设计思路有很大区别102.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例113.含气量的要求114.电通量指标11（三）高性能混凝土的施工控制11四、高性能混凝土的特点14（一）高耐久性能14（二）高工作性能14（三）抗冻性14（四）抗渗性15（五）抗疲劳性能15（六）其它16五、绿色高性能混凝土16（一）研发绿色高性能混凝土的必要性16（二）绿色高性能混凝土的可行性17（三）绿色高性能混凝土的基本概念18（四）绿色高性能混凝土的优越性能18（五）绿色高性能混凝土的应用20（六）绿色高性能混凝土的发展21六、高性能混凝土的发展前景22七、结 论23参考文献24致 谢24高性能混凝土的研究与发展现状引 言从1824年波特兰水泥发明开始，混凝土材料至今已有100多年的历史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具大的发展，由普通混凝土向高性能混凝土发展。从20世纪以来，混凝土就己成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构首选材料，混凝土作为土木工程中最大宗的人造材料，其用量巨大。据统计，当今我国每年混凝土用量约109m3，并且随着我国近年来工业化、城市化进程的加快，其用量将继续快速增长。人类进入21世纪，随着科学技术的快速发展，一种又一种新型混凝土涌现出来。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能，因此高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技术的发展方向。一、高性能混凝土产生的背景和研究现状（一）背景当代大跨、高层、海洋、军事工程结构的发展对混凝土提出的更高的要求，处在恶劣环境下既有建筑不断劣化、退化导致过早失效、退役甚至出现恶性事故造成巨大损失的严重后果;原材料生产、开采造成的生态环境恶化以及砂石料枯竭、资源短缺严重影响进一步发展的严酷现实。这就要求混凝土不断提高以耐久性为重点的各项性能, 多使用天然材料及工业废渣保护环境, 走可持续发展的道路, 高性能混凝土就是在这种背景下出现并逐步完善与发展的。混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用1t水泥，大概需要0.6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1.5t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强度意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。（二）研究现状及发展方向针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。从20世纪80年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久设计的考虑，从只重视强度设计向强度与耐久性并重。进入20世纪90后代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。高性能混凝土自提出以后的10多年以来，世界各国都对其进行了大量的研究开发与推广应用工作。其实早在高性能混凝土这个名词诞生以前，世界各国都已在客观上成功地应用了高性能混凝土，例如：美国西雅图双联广场C135 混凝土 (1988年) 美国芝加哥水塔大厦 C75 混凝土 (1975年) 美国纽约Trump塔楼 C65 混凝土 (1981年) 加拿大多伦多Nova Scotia广场中心大厦 C80 混凝土 (1987年) 日本明石海峡大桥 C40 混凝土 (1988年) 进入20世纪90年代以后，高性能混凝土的研究开发与推广应用快速发展，世界各国均对此予以高度重视。 1986年1993年，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等23个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并建成了示范工程。如Joigny城一座三跨后张法预应力钢筋混凝土桥，其混凝土强度等级相当于我国C70；又如Civaux核电站2号反应堆预应力混凝土安全壳，高85m，直径44m，混凝土强度等级为C70，其水泥用量只有240kg/m3，却有很高的气密性；再如英吉利海峡隧道衬里，由于设计寿命为120年，配制了水灰比为0.350.32，水泥用量为400kg/m3的混凝土，抗压强度为63MPa，渗透系数极低(K=1.410-13m/s)。1996年，法国公共工程部、教育与研究部又组织了为期4年的国家研究项目“高性能混凝土2000”，投入研究经费550万美元，对高性能混凝土材料设计、耐久性及工程性能进行广泛的研究。 日本建设省于19881993年进行了一项综合开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻质、超高层化技术的开发(简称“新RC计划”)”，该计划研究内容涉及到了有关高性能混凝土的高工作性、高强度等方面，获得大量的科研成果，并在工程中获得了试验验证与工程应用。 挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金(SINEF)持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。 瑞典1991年1997年由政府和企业联合出资5200万克朗，实施高性能混凝土研究的国家计划。 加拿大于1990年启动“优质混凝土科研网”，这是由该国政府提供科研基金(2.4亿加元)的一项国家重大科研项目，集中了7所大学和两家公司的科研力量，经过8年努力，在高性能混凝土及活性粉末混凝土领域取得了举世瞩目的成果，并制定了有关高性能混凝土的规范。 美国在高性能混凝土研究应用方面成果丰富。1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在10年内投资2亿美元进行研究和开发。美国国家自然科学基金(NSF)、美国国家标准与技术研究所(NIST)、美国联邦公路管理局(FHWA)以及一些州政府的运输部和美国工程兵研究机构，都一直投入大量经费来资助高强混凝土和高性能混凝土的研究开发，例如NSF以每年200万美元的经费定期资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合研究中心对高性能混凝土进行研究。1999年，美国NIST的建筑与防水研究试验室(BFRL)在国际互联网上公布了一个“高性能混凝土技术的伙伴关系(Partnership for High Performance Concrete Technology)”，由工业界四个大企业和国家预拌混凝土协会、波特兰水泥协会合作，承担“商品高性能混凝土结构项目中计算机集成知识系统(CIKS)的开发”的国家重点研究计划。 英国、西班牙、德国、澳大利亚、波兰等国也纷纷组织专门机构对高性能混凝土进行研究。 近年来，我国高强混凝土与高性能混凝土的研究、应用在有限的经费支持下发展也较快。清华大学于1992年开始进行有关高性能混凝土的研究，并得到各部门的重视与支持，1994年1997年由国家自然科学基金委员会、国家建设部、国家铁道部及国家建材局联合资助一项国家自然科学基金重点项目“高强与高性能混凝土材料的结构与力学性态研究”，项目由清华大学主持，有铁道科学研究院、中国建材科学研究院、原重庆建筑大学、东南大学共同承担，成果卓著。在“九五”期间，国家计委、国家科技部安排了重点科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”，一大批专家对该项目进行了跨行业、跨部门的联合攻关，重点对混凝土耐久性及高性能混凝土进行了系统研究，取得了大量成果。近年来，我国许多重大工程中都不同程度应用了高性能混凝土。20002003年期间，由中国工程院土木建筑学部国家建设部科技司组织，清华大学陈肇元教授主持下，国内有关专家讨论制定了“混凝土结构耐久性设计与施工指南”拟将对高性能混凝土应用与发展起到不小的推动作用。1995年1997年，中国最高、世界第三高的上海金茂大厦(总高420.5m)，采用了C40、C50、C60高性能混凝土，采用泵送施工，并创下一次泵送到3825m高度的世界纪录。此外，上海东方明珠电视塔、深圳地王大厦、首都机场航站楼、台湾东帝士大厦等工程中均成功应用了高性能混凝土。 我国近两年来在大力建设高速铁路,已经建成的武广客运专线等十一条高速铁路工程设计使用年限长达100年,普通混凝土已不能满足耐久性要求,因此高性能混凝土在高速铁路建设中开始了尝试性应用。因无具体标准,我国铁道部科学技术司于2005年发布了客运专线高性能混凝土暂行技术条件作为客运专线高性能混凝土质量的参考依据,技术条件中对高性能混凝土的技术指标、原材料质量都提出了一些要求,成为国内工程建设中第一个高性能混凝土执行依据。这对我国的铁路建设中高性能混凝土的应用起到了一定的作用。世界各国之所以能够成功地在诸多重点工程中应用高性能混凝土，是基于对高性能混凝土的基础研究才实现的。目前，高性能混凝土的发展有以下几个方向：(1)绿色高性能混凝土水泥混凝土是当代最大宗的人造材料，对资源、能源的消耗和对环境的破坏十分巨大，与可持续发展的要求背道而驰。绿色高性能混凝土研究和应用较多的是粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，大大提高了新拌混凝土的工作性能，明显降低混凝土硬化阶段的水化热，提高混凝土强度特别是后期强度。而且，节约水泥，减少环境污染，成为绿色高性能混凝土的代表性材料。(2)超高性能混凝土超高性能混凝土，如活性粉末混凝土（Reactive Powder Concreter）,其特点是高强度，抗压强度高达300MPa，且具有高密实性，已在军事、核电站等特殊工程中成功应用。(3)智能混凝土智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知、自适应、自修复特性的多功能材料，对环境变化具有感知和控制的功能。随着损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的出现，为智能混凝土的研究、发展和智能混凝土结构的研究应用奠定了基础。二、高性能混凝土的性能研究和应用分析（一）高性能混凝土的概念对高性能混凝土的定义或含义，国际上迄今为止尚没有一个统一的理解，各个国家不同人群有不同的理解。一般说来，高性能混凝土是指高强、高耐久性、高工作性。高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为HPC；中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。在我国，对高性能混凝土的含义也有争论，冯乃谦在其1996年出版的高性能混凝土著作中开宗明义地指出了：高性能混凝土必须是高强的，因为一般情况下高强对耐久性有利，同时他认为高性能混凝土发展的物质基础是现在有了好的掺合料和减水剂，因此高性能混凝土必须掺掺合料。冯乃谦的这些观点代表了当时我国大多数混凝土学者对高性能混凝土的认识。吴中伟针对当时科研界过度追求高强度的趋向，及时提出“有人认为高强度必须高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来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。吴中伟高度重视耐久性，并早在1986年就提出高强未必一定高耐久，低强也不一定就不耐久的观点是非常有前瞻性的，而且今天他的这个观点也是正确的。1990年5月由美国国家标准与技术研究所(NIST)与美国混凝土协会(ACI)主办了第一届高性能混凝土的讨论会，定义高性能混凝土为具有所需，陛能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制的，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。大多数承认单纯高强不一定耐久，而提出高性能则希望既高强又耐久。可能是由于发现强调高强后的弊端，1998年美国ACI又发表了一个定义为：“高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，如果采用传统的原材料组分和一般的拌和、浇筑与养护方法，未必总能大量地生产出这种混凝土。”ACI对该定义所作的解释是：“当混凝土的某些特性是为某一特定的用途和环境而制定时，这就是高性能混凝土。例如下面所举的这些特性对某一用途来说可能是非常关键的：易于浇筑，振捣时不离析，早强，长期的力学性能，抗渗性，密实性，水化热，韧性，体积稳定性，恶劣环境下的较长寿命。因为高性能混凝土的许多特性是相互联系的，改变其中之一常会使其它的特性发生变化，当混凝土为某一用途生产而必须考虑若干特性时，则每一个特性都必须清楚地规定在合同文件中”。1998年ACI定义与1990年ACI、NIST定义的区别是：前者把早强列入“特殊性能组合”可选性能之一，而不作为必要的规定而强调。而欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会则将高性能混凝土定义为水胶比低于040的混凝土小在日本，将高流态的自密实混凝土(即免振混凝土)称为高性能混凝土，强度一般为4045 MPa，混凝土中除水泥外，还有矿渣粉、粉煤灰及膨胀剂。也有一些部门根据其专业的特点对高性能混凝土提出具体的要求，如1995年美国联邦公路管理局(FHWA)将高性能混凝土分成4级，每级在与强度和耐久性有关的8个参数上都规定了定量的指标。美国战略公路研究计划(SHRP)提出高性能混凝土用于公路工程应满足：(1)水胶比035；(2)300次冻融循环，相对动弹模侣0；(3)抗压强度4 h172MPa，或24345 MPa，或28d689 MPa。该定义偏重于早强，定义了一个特定的高性能混凝土，缺乏普遍适用性。用于桥梁尤其是大跨度桥梁的高性能混凝土应满足：(1)水胶比040；(2)强度414 MPa；(3)徐变率低。 我国著名的混凝土科学家吴中伟教授定义高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点的予以保证；耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。1997年3月吴中伟教授在高强高性能混凝土会议上又指出，高性能混凝土应更多地掺加以工业废渣为主的掺合料，更多地节约水泥熟料，提出了绿色高性能混凝土(GHPC)的概念。中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会将高性能混凝土定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。与传统的混凝土相比，这种高性能混凝土在配比上的特点是低用水量(水与胶凝材料总量之比低于04，或至多不超过045)，较低的水泥用量，并以化学外加剂和矿物掺合料作为水泥、水、砂、石之外的必需组分。这也是现代高强混凝土的配制途径。实际上，正是现代高强混凝土技术的出现，为解决高性能混凝土的耐久性问题指明了出路。结合我国的推广应用高性能混凝土十几年的情况，2003年廉慧珍教授专门撰文反思了对高性能混凝土的理解存在的若干误区，造成对高性能混凝土使用的盲目和混乱，她对高性能混凝土的理解为，“高性能混凝土不是混凝土的一个品种，而是达到工程结构耐久性的质量要求和目标，是满足不同工程要求的性能和具有匀质性的混凝土。高强不一定耐久，高流动性也不是任何工程都需要的，也不是只要有掺合料就能高性能；混凝土的质量不是实验室配出来的，而是优选配合比的混凝土由生产、设计、施工和管理人员在结构中实现的，开裂的就不是高性能混凝土，除了特殊结构(如临时性结构)外，没有什么混凝土结构不需要耐久。针对不同工程的特点和需要，对混凝土结构进行满足具体要求的性能和耐久性设计，比笼统强调高性能混凝土的名词更要科学”。在这里，高性能混凝土强调的是混凝土的性能或者质量、状态、水平，或者说是一种质量目标，对不同的工程，高性能混凝土有不同的强调重点(即特殊性能组合)。虽然在不同的国家，不同的学者或工程技术人员，对HPC的理解有所不同。比如美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性。但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。（二）高性能混凝土的性能 与普通混凝土相比，高性能混凝土具有如下独特的性能：1.耐久性高性能混凝土的使用寿命长，对于一些特护工程的特殊部位，控制结构设计的不是混凝土的强度，而是耐久性。能够使混凝土结构安全可靠的工作50100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。目前，对于高性能混凝土耐久性的评定没有统一的指标和方法，对其进行试验和评价基本仍沿用普通混凝凝土的方法和指标。对于HPC的耐久性的安全使用期限，高性能混凝土可以保证重要建筑在不利环境中使用100年，在正常环境中使用200年，在特殊环境中使用300年。2.工作性高性能混凝土具有良好的工作性，坍落度是评价混凝土工作性的主要指标，HPC的坍落度控制功能好，在振捣的过程中，高性能混凝土粘性大，粗骨料的下沉速度慢，在相同振动时间内，下沉距离短，稳定性和均匀性好。同时，由于高性能混凝土的水灰比低，自由水少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。3.力学性能由于混凝土是一种非均质材料,强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。混凝土的强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、疲劳强度、粘结强度等。由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素的影响，但各种强度之间有一定的关系，一般可以用抗压强度的关系表现。高性能混凝土具有一定的强度和高抗渗能力，但不一定具有高强度，中、低强度亦可。4.体积稳定性混凝土的体积稳定性是指混凝土在抵抗物理、化学作用下产生变形的能力。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。高性能混凝土具有较高的体积稳定性，即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后期具有较小的收缩变形。5.经济性高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益；高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。前苏联学者研究发现用C110C137的高性能混凝土替代C40C60的混凝土，可以节约15%25%的钢材和30%70%的水泥。虽然HPC本身的价格偏高，但是其优异的性能使其具有了良好的经济性。概括起来说，高性能混凝土就是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价。（三）高性能混凝土的水泥石微结构按照中心质假说，在次中心质和次介质的尺度上，属于次中心质的未水化水泥熟料颗粒（H粒子）、属于次介质的水泥凝胶（L粒子）和属于负中心质的毛细孔组成水泥石。从强度的角度来看，孔隙率一定时，H/L粒子比值越大，水泥石强度越高；而H/L粒子比达到最佳值后，水泥石的强度随H/L粒子的比值的提高而下降；水灰比越低，H/L比值的最佳值越大。水泥在水灰比近似为0.44的水泥浆体中才能完全水化而留下最少的毛细孔。随着水灰比的降低，未水化的水泥增多。由此可见，高性能混凝土中增加了很多产生有利效应的次中心质和大中心质。也就是说，高性能混凝土中的H/L粒子比值比普通混凝土的高得多。水灰比很低的高性能混凝土中，水泥石得孔隙率也很低，在一定的H/L粒子比值下，强度随孔隙率的减小而提高。（四）高性能混凝土发展和应用中所面临的问题在高性能混凝土的应用过程中也存在一些问题，在高性能混凝土的原材料方面，我国水泥质量不稳定，离散性大；在骨料方面，粗骨料质量低劣，含泥量大，级配较差，细骨料细度模数不合要求；在外加剂和外掺料的选择上，尚缺乏充分的适用性的研究。在高性能混凝土的施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使HPC的密实性和质量不稳定；在高性能混凝土的耐久性方面，由于高性能混凝土微管中水分的蒸发与凝聚而产生的收缩，使混凝土表面产生裂缝，这对HPC的抗碳化、抗冻融循环作用以及抗氯离子扩散等都是不利的，高性能混凝土的水泥用量高，水灰比低，硬化后长期处于水中时，水分通过微管扩散到内部，未水化的水泥粒子进一步水化，产生微膨胀也会使混凝土表面产生裂缝，为各种有害介质渗透提供通道，给氯离子侵入、碱骨料反应的发生和钢筋锈蚀创造可能；在高性能混凝土的设计方面，由于高性能混凝土的后期强度增长不及普通混凝土，而且脆性大，需要特别注意。同时，在高性能混凝土的研究方面，现在的研究以实验室研究为主，但是实验室的情况与实际工况相差较大，这不利于今后高性能混凝土的推广应用。三、高性能混凝土质量与施工控制（一）高性能混凝土原材料及其选用1.细集料细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂,其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。砂的粗细程度对混凝土强度有明显的影响,一般情况下,砂子越粗,混凝土的强度越高。配制C50C80的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂,对于C80C100的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。2.粗集料高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石,级配符合规范要求。由于高性能混凝土要求强度较高,就必须使粗集料具有足够高的强度,一般粗集料强度应为混凝土强度的115倍210倍或控制压碎指标值10。最大粒径不应大于25mm,以10mm20mm为佳,这是因为,较小粒径的粗集料,其内部产生缺陷的几率减小,与砂浆的粘结面积增大,且界面受力较均匀。另外,粗集料还应注意集料的粒型、级配和岩石种类,一般采取连续级配,其中尤以级配良好、表面粗糙的石灰岩碎石为最好。粗集料的线膨胀系数要尽可能小,这样能大大减小温度应力,从而提高混凝土的体积稳定性。3.细掺合料配制高性能混凝土时,掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善,空隙得到充分填充,使硬化后的水泥石强度有所提高。更重要的是,加入活性细掺合料改善了混凝土中水泥石与骨料的界面结构,使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。活性细掺合料是高性能混凝土必用的组成材料。在高性能混凝土中常用的活性细掺合料有硅粉(SF)、磨细矿渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排出的烟道灰,它能有效提高混凝土的抗渗性,显著改善混凝土拌合物的工作性,大掺量粉煤灰混凝土还对环境保护和节约资源有重要意义。配制高性能混凝土的粉煤灰宜用含碳量低、细度低、需水量低的优质粉煤灰。矿渣是高炉炼铁排出的熔融矿渣在高温状态下迅速水淬冷却而成的,用于高性能混凝土的磨细矿渣细度大于水泥,能提高混凝土的工作性和耐久性。硅粉是电炉法生产硅铁合金所排放的烟道灰,SiO2含量大于90,平均粒径约011m,比表面积20000/kg,借助大剂量高效减水剂和强力搅拌作用,可以填充到水泥或其他掺合料的间隙中去,并且具有很高的活性,在各种掺合料中对混凝土的增强作用最为显著,是国际上制备超高强混凝土最通用的超细活性掺合料。4.减水剂及缓凝剂由于高性能混凝土具有较高的强度,且一般混凝土拌合物的坍落度较大(1520左右),在低水胶比(一般0.35)一般的情况下,要使混凝土具有较大的坍落度,就必须使用高效减水剂,且其减水率宜在20以上。有时为减少混凝土坍落度的损失,在减水剂内还宜掺有缓凝的成份。此外,由于高性能混凝土水胶比低,水泥颗粒间距小,能进人溶液的离子数量也少,因此减水剂对水泥的适应性表现更为敏感。因大部分高性能混凝土施工时采用泵送,故掺减水剂后混凝土拌合物的坍落度损失不能太快太大,否则影响泵送。5.矿物掺合料(1)粉煤灰,粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细微粉末,又称“飞灰”(Fly Ash),其颗粒多呈球形,表面光滑。大量的实践证明:掺用粉煤灰的混凝土,其长期性能可得到大幅度的改善,对延长构筑物的使用寿命有重要意义。粉煤灰在混凝土中的主要作用包括以下几个方面:填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层,产生“滚珠润滑”效应;对水泥颗粒起物理分散作用,使其分布得更均匀;粉煤灰和聚集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应,生成具有胶凝性质的产物,加强了薄弱的过渡区,对改善混凝土的各项性能有显著作用;粉煤灰延缓了水化速度,减小混凝土因水化热引起的温升,对防止混凝土产生温度裂缝十分有利;可减小混凝土温度开裂的危险,同时由于加快了火山灰反应,还可提高28d强度。值得注意的是,粉煤灰的水泥取代率对强度影响显著,较好的早期强度和后期强度的水泥取代率应小于10%。当粉煤灰掺量较低时,只会对水泥早期水化热有影响,但对7d龄期的水化热几乎没有影响。(2)硅粉(Silica Fume,简写SF)又称硅灰,是从生产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。硅粉主要由非常微小、表面光滑的玻璃态球形颗粒组成，粒径为0.1m1.0m,是水泥粒径的1/501/100,一般比表面积为18500/kg20000/kg,主要化学成分为二氧化硅,其含量在90%以上。在混凝土中掺加少量硅粉或以硅粉取代部分水泥,结合应用减水剂,可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高,硅粉的适宜掺量为水泥用量的510。硅粉的加入,对混凝土的性能的影响主要有:改善了新拌混凝土的粘聚性、保水性,提高了需水量; 提高了混凝土的强度,增大了弹性模量和混凝土的干缩; 提高了混凝土的耐久性。另外,在配制硅粉混凝土时必须注意: 由于硅粉的需水量比水泥大,在配制硅粉混凝土时,一般要掺加减水剂。在选择减水剂时,应使之与所用的水泥具有相容性,否则,容易影响混凝土的工作性能。同时,根据减水剂性能及需求的减水需求来选择合适的掺量。 比表面积和活性SiO2含量是硅粉的重要指标,硅粉比表面积越大、活性SiO2含量越高,硅粉性能越好,配制硅粉混凝土需选择具有良好性能的硅粉。 硅粉混凝土的干缩一般比普通混凝土大,配制高性能混凝土时应采取补偿收缩的措施,如掺加粉煤灰等。（二）配合比设计控制要点1.设计思路有很大区别在以往的配合比设计方法中，是按混凝土的强度等级要求计算水灰比，而现在则是按耐久性的要求，首先根据环境作用等级确定电通量指标，由此来选择水胶比、控制胶凝材料最小用量以及掺和料的比例。由于客专隧道的衬砌和仰拱设计强度等级为C30或C35，一般来说，为满足电通量要求和水胶比限值要求，混凝土的强度一般都是超强的。2.胶凝材料用量及粉煤灰所占比例在进行配合比参数设计时，为保证混凝土的耐久性，混凝土中胶凝材料总量应处在一个适宜范围内，不仅有最低限要求，同时，对于C30及以下混凝土，胶凝材料总量不宜高于400kg/m3，C35C40不宜高于450kg/m3。铁路客运专线大力提倡使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料，与普通硅酸盐水泥一起作为胶凝材料。使用粉煤灰等矿物掺和料，并不是单纯地考虑降低混凝土成本，首先是为了混凝土耐久性的需要，特别是可以有效改善混凝土抵抗化学侵蚀的能力（包括氯化物侵蚀、硫酸盐侵蚀、碱骨料反应等）。国内外的大量研究表明，粉煤灰的掺量在20%以上时，改善混凝土耐久性的效果较佳，更有研究资料表明，粉煤灰的最大掺量可达到50%左右。在铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定中明确规定，一般情况下，矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的20%，当大于30%时，混凝土的水胶比不得大于0.45。3.含气量的要求含气量的要求也是客运专线高性能混凝土与普通混凝土的重要区别之一。以往工程仅在有抗冻要求时才考虑适当提高混凝土的含气量，这是对混凝土耐久性的规律认识不足的表现。实际上，混凝土中适量的引气，不仅能改善抗冻性，同时可显著减轻混凝土的泌水性，使水在拌合物中的悬浮状态更加稳定，从而提高混凝土材料的均匀性和稳定性。因此，客运专线规定，即使配制非抗冻混凝土时，含气量也应不小于2%，并且作为施工质量控制的必检项目之一。为适当提高混凝土的含气量，并获得较佳的减水和保塑效果，可使用新型聚羧酸盐减水剂。4.电通量指标该指标是客运专线对混凝土耐久性最重要、最具体的指标。目前我国尚无电通量试验的国家标准，铁路行业电通量试验方法是以美国ASTMC1202 快速电量测定方法为基础制定的，其所测指标可以最大程度地区分和评价混凝土的密实度，而密实度正是影响混凝土耐久性最为关键的因素。以往多是以抗渗性来评价混凝土的密实程度，但实践证明，抗渗试验只适合于判定较低强度等级混凝土的密实性，当强度等级超过C30后，抗渗等级几乎都能达到P20以上，再往下试验比较困难。这正是用电通量指标取代抗渗标号作为混凝土耐久性控制的主要原因。混凝土的电通量主要取决于水胶比，通过大量试验得到规律，一般水胶比小于0.5时基本可满足电通量小于2000 的要求，水胶比小于0.45时基本可满足电通量小于1500的要求。（三）高性能混凝土的施工控制1.搅拌混凝土原材料应严格按照施工配合比要求进行准确称量,称量最大允许偏差应符合下列规定(按重量计):胶凝材料(水泥、掺合料等)1%；外加剂1%；骨料2%；拌合用水1%。应采用卧轴式、行星式或逆流式强制搅拌机搅拌混凝土,采用电子计量系统计量原材料。搅拌时间不宜少于2min,也不宜超过3min。炎热季节或寒冷季节搅拌混凝土时,必须采取有效措施控制原材料温度,以保证混凝土的入模温度满足规定。对高效减水剂的掺加可采用分次掺加法，做法是在拌合物出机前掺入一部分高效减水剂，到工地卸料前再加入其余高效减水剂，并在加入高效减水剂后继续搅拌至少1min后卸料。分次掺加法有利于减小坍落度损失，尤其适用于混凝土运送距离较远的工程。2.运输应采取有效措施，保证混凝土在运输过程中保持均匀性及各项工作性能指标不发生明显波动。应对运输设备采取保温隔热措施,防止局部混凝土温度升高(夏季)或受冻(冬季)。应采取适当措施防止水分进入运输容器或蒸发。混凝土宜在搅拌后60min内泵送完毕，且在1/2初凝时间前入泵。全部混凝土应在初凝前浇筑完毕。在交通拥堵和气候炎热等情况下，应采取特殊措施防止混凝土坍落度损失过大。3.浇筑(1)混凝土入模前,应采用专用设备测定混凝土的温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能；只有拌合物性能符合设计或配合比要求的混凝土方可入模浇筑。混凝土的入模温度一般宜控制在530(2)混凝土浇筑时的自由倾落高度不得大于2m当大于2m时,应采用滑槽、串筒、漏斗等器具辅助输送混凝土,保证混凝土不出现分层离析现象。(3)混凝土的浇筑应采用分层连续推移的方式进行,间隙时间不得超过90min,不得随意留置施工缝。(4)新浇混凝土与邻接的己硬化混凝土或岩土介质间浇筑时的温差不得大于15。4.振捣可采用插入式振动棒、附着式平板振捣器、表面平板振捣器等振捣设备振捣混凝土。振捣时应避免碰撞模板、钢筋及预埋件。采用插入式振捣器振捣混凝土时,宜采用垂直点振方式振捣。每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准,一般不宜超过30s,避免过振。若需变换振捣棒在混凝土拌合物中的水平位置,应首先竖向缓慢将振捣棒拔出,然后再将振捣棒移至新的位置,不得将振捣棒放在拌合物内平拖。混凝土搅拌完毕后总是含有相当数量的分散在集料空隙中的空气泡。当拌合物布入模板后，又因粘滞性很大而不能在自重下流动，并与模板和钢筋以及旱先入模的拌合物相接触，总要留下许多尺寸较人的形状不规则的空洞。振动增实是关系到工程质量的主要环节。混凝土振动方法必须避免粗集料从混凝土中分离出来，个别集料分离出来不一定有害，但粗集料分离出来聚集成堆则会影响混凝土质量。在这种情况下，需要把粗集料重新分散到混凝土中进行捣实，以免产生蜂窝状空隙和麻面。振捣时，振动棒应等间距地垂直插入，均匀地捣实全部范围的混凝土。振动间距一般不大于振动半径的1.5倍。要做到不漏振，不过振，振动时间以混凝土停止下沉、不冒气泡表而平坦、泛浆为止,混凝土表面用木抹搓毛。振捣时应避免振动棒碰撞模板、钢筋及其它预理件。5.养护养护指混凝土拌合物经密实成型后，保证水泥能正常完成早期水化反应，以使获得预定的物理力学性能和耐久性能所采取的工艺控制措施。养护是获得优质混凝土的关键工艺之一，当表层混凝土迅速干燥到相对湿度75%以下，水泥水化停止,混凝土各项性能受到损害。做好混凝土成型压光和覆盖浇水养护，防止混凝土出现裂缝。养护一般采用草帘或麻袋覆盖，并经常浇水保持湿润，养护期视水泥品种和气温而定。养护期在最初三天内自天每隔2h浇水一次，夜间至少两次，以后每昼夜至少浇水四次，干燥和阴雨天适当增减。大体积混凝土的养护需按照大体积混凝土的专项研究确定方案进行。高性能混凝土早期强度增长较快,一般3天达到设计强度的60%,7天达到设计强度的80%,因而,混凝土早期养护特别重要。通常在混凝土浇注完毕后采取以带模养护为主,浇水养护为辅,使混凝土表面保持湿润。养护时间不少于14天。6.质量检验控制除施工前严格进行原材料质量检查外，在混凝土施工过程中，应对混凝土的以下指标进行检查控制：混凝土拌合物：水胶比、坍落度、含气量、入模温度、泌水率、匀质性。硬化混凝土：标准养护试件抗压强度、同条件养护试件抗压强度、抗渗性、电通量等。混凝土也是一种产品，对于具体的工程，也有一定的质量要求。由于混凝土是一种非均质的材料，其组成质量变化较大，因此全过程质量控制对混凝土的使用性能至关重要。混凝土质量控制的最终目标是得到质量均匀的、体积稳定的、耐久的、满足设计强度而且经济的混凝土。要得到这样的优质混凝土，必须使拌和物有良好的工作性能，便于搅拌、运输、浇筑、振捣密实、充满模型，并且始终均匀。因此，拌和物质量控制的目标是具有施工条件要求的足够流动性、体积稳定性以及尽可能低的温度应力。对于高性能混凝土拌和物的要求：流动性坍落度在170mm以上，坍落流动度在430mm以上（不振捣的拌和物坍落度为240270mm，坍落流动度为550700mm）；体积稳定性不离析、不泌水，有稳定的表观密度；温度应力浇筑的混凝土内外温度差不高于25，浇筑时拌和物温度夏季不高于35，冬季不低于12。与普通混凝土相比，HPC的生产和施工并不需要特殊的工艺，但是在工艺个环节中普通混凝土不敏感的因素，HPC却会很敏感，因而需要严格控制和管理。尤其是在工地现场施工时，包括试配、原材料管理、搅拌、浇筑、振捣成型、拆模养护等问题，需要做特别强调。四、高性能混凝土的特点（一）高耐久性能高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性, 而耐久性则取决于抗渗性;抗渗性又与混凝土中的水泥石密实度和界面结构有关。混凝土的耐久性主要取决于其渗透性,在这个方面高强混凝土应被称之为高性能混凝土,但若裂缝的产生和发展不在控制之下,其优势将会丧失。众所周知,随着强度的提高,大多数结构材料如钢材,砖石以及混凝土的塑性相应降低。如果不考虑这一因素,必将导致更多的脆性结构的出现。由于高性能混凝土掺加了高效减水剂,其水胶比很低(0138),水泥全部水化后,混凝土没有多余的毛细水,孔隙细化,最可几孔径很小, 总孔隙率低;再者高性能混凝土中掺加矿物质超细粉后,混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构, 使其100m的孔含量得到明显减少,矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。以上这些措施对于混凝土的抗冻融、抗中性化、抗碱- 集料反应、抗硫酸盐腐蚀,以及其它酸性和盐类侵蚀等性能都能得到有效的提高。高性能混凝土良好的耐久性来自于高性能混凝土水泥石、孔结构和界面的结构特征混凝土的强度和体积稳定性都是由水泥石的亚微观结构决定的在水泥石中应量消除或减少100mm以上的有害孔, 使水泥石的孔结构对混凝土的性能不造成负面影响高性能混凝土集料和水泥石的界面应消除如同普通混凝土界面薄弱层, 使其界面粘结强度不小于水泥石或集料母体的强度。 由于人们以强度作为衡量混凝土水平和质量的定势,往往从设计到混凝土生产,再到施工,对混凝土的强度层层加码,并非工程实际要求那么高的强度。大多数工程所要求的是C30 ,C40 这样中等强度等级的混凝土。正如吴中伟所论述:“如果强调高性能混凝土必须在C50 以上,则必然大大限制高性能混凝土的应用范围。大量使用的钢筋混凝土建筑物如低层和多层房屋以及高层房屋的上层构件,又如海工,水工,尤其是在不利的环境中的结构物大体积混凝土等,对强度的要求并不高, 但对耐久性要求却很高, 高性能混凝土不只是高强度的,而是包括各强度等级的。”（二）高工作性能高性能混凝土具有良好的流变学性能, 高流动性,不泌水,不离析,能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性,对于某些结构的特殊部位(如梁柱接头等钢筋密集处)还可采用自流密实成型混凝土,从而保证该部位的密实性,这样就可以减轻施工劳动强度,节约施工能耗。（三）抗冻性抗冻性可间接地反映混凝土抵抗外界有害介质侵蚀的能力, 被认为是混凝土耐久性指标之一普通混凝土可通过掺加引气剂在硬化混凝土中形成微气泡, 从而获得必要的抗冰冻一除冰盐侵蚀的能力然而在高性能混凝土中因微气泡会降低强度,故而一般不使用引气剂试验表明, 在水胶比小于0.3， 并掺人适量的磨细矿物掺和料, 能使界面结构得到很好的改善的不加引气剂的高性能混凝土, 比加人引气剂的混凝土的抗冻性还要好得多。（四）抗渗性高性能混凝土具有很高的密实度, 抗渗性很好,用现行的压力透水法无法评价目前世界上多采用 AASHTO T277和 ASM C1202的直流电法评定高性能混凝土的抗渗性,该方法是把直径为100mm、高为50mm的圆柱体混凝土试件, 在真空的条件下浸泡和后, 两个侧面分别安装在两个带有铜网电极的试验箱中, 带正极的试验箱中倒入0.3mol的NaOH溶液, 带负极的试验箱中装入3%的NaCl溶液, 测量在60V的电压下,通电6h通过的电量其评价范围见表1.表 表1 混凝土渗透性与通过混凝土的电的关系通过混凝土的电量混凝土的渗透性混凝土类型4000高W/C 0.6的普通混凝土2000 4000中W/C0.40.6一的普通混凝土1000 2000低 W/C 0.4 的普通混凝土100 1000极低 改性乳胶混凝土 100可忽略 聚合物混凝土由上表知, 高性能混凝土属于后两类, 其抗渗是极好的（五）抗疲劳性能对高性能混凝土的疲劳性能进行了研究试验制作了两种性能混凝土, 其强度分别为70MPa和90MPa, 水灰比分别