摘 要：高性能混凝土是对传统混凝土技术的一大突破，它的出现和发展对土木工程起到了重要推动作用。文章介绍了高性能混凝土的优越性和原材料组成，并结合某大桥的配合比设计实例提出了需要研究和探讨的问题。
关键词：高性能混凝土 耐久性 原材料 配合比
中图分类号：TU528.31 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）03-0042-02
一、前言
高性能混凝土（High-Performance concrete 简称HPC）是20 世纪80 年代提出的概念。它采用现代混凝土技术，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的掺合料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土，能根据不同使用要求，满足耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性等。由于强度提高、性能改善，结构使用寿命增长，工程结构采用高性能混凝土可以节约资源、降低工程造价，利于环境保护和可持续发展，所以被国际上称为之为“21 世纪绿色混凝土”。
二、高性能混凝土的优越性
（1）高强度:多数学者认为高性能混凝土必须是高强的，将其强度限制在50～60MPa；也有学者认为，高性能混凝土应根据具体的工程要求，允许向中等强度的混凝土（30～40MPa）适当延伸。
（2）高耐久性:高性能混凝土具有优异的抗渗和抗介质侵蚀能力。因为要求混凝土的高体积稳定性和高抗裂性，使它具有高弹模、低收缩、低徐变和低温度应变的特性。且在硬化过程中体积稳定，水化热低，温升小，冷却时温度收缩小，干燥收缩小，具有致密的细观结构，不易产生宏观及微观裂缝，抗渗性能优良。
（3）高工作性:即高流动度、可泵性好，或自密实、免振捣。上海金茂大厦、东方明珠电视塔工程施工实现一次泵送C60 混凝土达到380 米高度。高性能混凝土的拌合物除高流动性外，还必须具有良好的填充和抗离析能力。
（4）经济合理性:由于高性能混凝土中运用大量的工业废渣，副产品等，节约能源并且保护了环境。虽然其单价成本高于普通混凝土，但从总体造价来讲，由于显著减少了“非材料”费用（人工，机械费用）等，建设成本还是比普通混凝土低。另外，利用高性能混凝土建造大跨度的桥梁和高层、超高层建筑，可以大大减轻结构自重，降低基础荷载，减少材料用量和运输量，带来了可观的经济效益。
三、高性能混凝土的材料组成
高性能混凝土是以水泥、粗骨料、细骨料和水为主要材料，同时掺入足够数量的矿物掺合料和高效外加剂，经过适当拌合、硬化而成。合理的施工配合比的设计，能提高混凝土结构的密实度，增加混凝土结构的耐久性。高性能混凝土对材料的要求如下：
（1）水泥：水泥过细，C3A 含量过高，将导致水泥水化速度过快，使混凝土收缩增大、内外温差偏大、抗裂性下降，影响混凝土的耐久性。要求水泥比表面积≤350m2/kg；C3A≤8.0%。水泥中的碱含量过高不仅容易引发混凝土的碱—骨料反应，而且增加混凝土的开裂倾向。要求碱含量≤0.06%。通常使用强度等级不小于42.5 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
（2）粗骨料：粗细骨料总量占混凝土体积 65 %～75%，在混凝土中起主要骨架作用。宜选用级配合理、粒形良好（三维尺寸接近）、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石。一般采用致密的辉绿岩、花岗岩、大理石等材料。最大粒径不超过15～20mm。
（3）细骨料：宜选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河砂。细度模数在2.6～3.2 之间。
（4）水：高性能混凝土拌和用水采用饮用水。
（5）掺和料：高性能混凝土需掺入适量的、比表面积为4000～8000cm/g 的活性矿物掺合料，以降低新拌混凝土硬化过程中的温度升高、改善施工性能、增进抗腐蚀能力和提高强度.工程中普遍采用的矿物掺合料有磨细和分选粉煤灰、磨细高炉矿渣和硅粉等 ，同时掺入两种的效果较好。
（6）外加剂：对混凝土具有良好的改性作用。应采用减水率高、坍落度损失小、适量引气、能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品。外加剂的性能品质、匀质性和与水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本条件。除采用减水剂外，还要加入一些缓凝剂、引气剂、增稠剂、膨胀剂等。
四、配合比设计实例
1．原材料的选用
某大桥是新建铁路温福线上的一座特大型桥梁，全长8496.28 米。设计采用高性能混凝土。原材料的选用如下：
（1）水泥： P.O42.5 级水泥，各项指标符合要求。
（2）掺和料：选用的矿渣的比表面积在400m2/kg 左右。用双掺（即矿渣和粉煤灰）的办法，利用二者的细度和活性差异可使二者起到互补作用。选用的粉煤灰是F 类Ⅱ级灰和F 类Ⅰ级灰；选用的矿渣是S95 级，各项指标符合要求。
（3）骨料：采用的碎石是隧道洞渣，由5～16mm 和16～31.5mm 的二级配碎石配制C50 以下级别的混凝土，而C50 以上的混凝土用碎石是5～16mm 和10～20mm 的二级配碎石。为预防混凝土发生碱—骨料反应，选用的是非碱活性骨料。
（4）外加剂：外加剂的性能品质、匀质性和与水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本条件。选用的是聚羧酸系列CX-8 型。该外加剂通过多个权威部门的检测，性能满足相关规范要求。
（5）水：采用的是自来水，经检测各项指标均满足要求。
2．配合比设计原则
高性能混凝土配合比设计应充分考虑强度和耐久性，以及原材料的性能、水胶比、砂率、用水量等多重因素，遵循综合设计的原则。
胶凝材料的凝结硬化过程是混凝土获得强度及耐久性的重要环节，混凝土的破坏常常是从水泥石凝胶的变形开始的。过高的胶凝材料用量，不仅可使混凝土开裂趋势增大，而且可能造成混凝土的泛浆分层，对混凝土的耐久性反而不利。胶凝材料的数量主要是满足工作性和胶结强度的需要，单方胶凝材料用量应尽可能减少。
在水泥品质得到保障的前提下，可以使用大掺量矿物掺合料——磨细矿渣和粉煤灰。但掺量太多也可能带来负面影响，如硬化初期对温、湿度的敏感性，应充分考虑掺合料品质、水胶比影响、外加剂的掺入效应、养护技术等要求。高强混凝土的保证措施之一是严格控制混凝土的总碱含量和总氯离子含量，措施之二是掺加矿物掺合料。配合比设计是确保混凝土耐久性最关键的环节之一，提出混凝土最大水胶比、最小胶凝材料用量限值，就是有效而可行的措施。在以往按强度设计混凝土配合比的方法中，首先按强度等级计算水灰比；按耐久性要求设计混凝土配合比时，首先是根据环境类别和作用等级，确定混凝土的水胶比和各种胶凝材料用量。在条件许可的情况下，尽量选用较低的水胶比，减少单方用水量和胶凝材料用量，有利于提高混凝土的密实性，降低混凝土的渗透性并减少收缩量，对提高混凝土的耐久性非常有利。
砂率主要影响混凝土的工作性。当水胶比不同时，最优砂率也有所不同。一般而言，随着混凝土砂率的增加，强度呈增长的趋势，而弹性模量则呈下降趋势。高性能混凝土的砂率可根据胶凝材料总用量、粗细骨料的颗粒级配及泵送要求等因素来选择。
3．配合比设计成果
配合比设计全过程如下：
掌握高性能混凝土配合比理论—配合比计算书—选择原材料—试配并观测拌和物性能—配比调整—反复试配—拌和物性能测试—混凝土力学性能测试—整理报告资料—提交报告—监理审批—铁道部质量监督检测中心验证。
4．配合比的检测
新拌混凝土的性能检测包括和易性、坍落度、泌水率、含气量等；混凝土凝结硬化后的抗裂性、强度、弹性模量、电通量等几个方面。其中预制梁的配合比和材料送铁道部质量监督检测中心验证，六项耐久性指标全部符合要求。该大桥已生产混凝土的质量均达到高性能混凝土标准，实体浇注试件强度和56d 电通量值全部满足设计要求。生产检测情况见表1。
五、需要研究和探讨的问题
（1）高性能混凝土推广使用时间仅10 多年，成熟的经验不多，相应规范、指南刚刚出版，需要尽快加强相关实用经验的收集整理工作。规范、指南的学习尚不能满足高性能混凝土施工的要求。
（2）高性能混凝土的概念提出来了，但原材料仍和以前普通混凝土使用的原材料区别不大，需要加强原材料层面的研究与开发。
（3）高性能混凝土成型后，外观光洁度和普通混凝土相比要差很多，色差也比较大，需经过更多的实验研究。
（4）该桥已完成的墩身中，有多处出现裂纹，裂纹出现时间一般在墩身混凝土灌注完成后15～30 天，裂纹宽度0.05～0.2mm，深度约40mm。高性能混凝土在其他工程的应用，也大都出现过裂纹，原因不太明确，有待进一步研究。
参考文献
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