高性能混凝土

高性能混凝土

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高性能混凝土，是指一種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的混凝土組分材料和通常的攪拌、澆搗和養護的習慣做法所獲得。

高性能混凝土（High performance concrete,簡稱HPC）是一種新型高技術混凝土，採用常規材料和工藝生產，具有混凝土結構所要求的各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。

目錄

基本內容

中文名稱：高性能混凝土

簡稱：HPC

外文名稱：High performance concrete

提出時間：1950年5月

簡介

它以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途要求，對下列性能重點予以保證:耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩定性和經濟性。為此，高性能混凝土在配置上的特點是採用低水膠比，選用優質原材料，且必須摻加足夠數量的摻合料（礦物細摻料）和高效外加劑。

定義

1950年5月美國國家標準與技術研究院（NIST）和美國混凝土協會（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。但是到目前為止，各國對高性能混凝土提出的要求和涵義完全不同。

美國的工程技術人員認為：高性能混凝土是一種易於澆注、搗實、不離析，能長期保持高強、韌性與體積穩定性，在嚴酷環境下使用壽命長的混凝土。美國混凝土協會認為：此種混凝土並不一定需要很高的混凝土抗壓強度，但仍需達到55MPa以上，需要具有很高的抗化學腐蝕性或其他一些性能。

日本工程技術人員則認為，高性能混凝土是一種具有高填充能力的的混凝土，在新拌階段不需要振搗就能完善澆注；在水化、硬化的早期階段很少產生有水化熱或干縮等因素而形成的裂縫；在硬化後具有足夠的強度和耐久性。

加拿大的工程技術人員認為，高性能混凝土是一種具有高彈性模量、高密度、低滲透性和高抗腐蝕能力的混凝土。

綜合各國對高性能混凝土的要求，可以認為，高性能混凝土具有高抗滲性（高耐久性的關鍵性能）；高體積穩定性（低干縮、低徐變、低溫度變形和高彈性模量）；適當的高抗壓強度；良好的施工性（高流動性、高粘聚性、自密實性）。

中國在《高性能混凝土應用技術規程》（CECS207-2006）對高性能混凝土定義為：採用常規材料和工藝生產，具有混凝土結構所要求各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。

高性能混凝土的技術路線

高性能混凝土是由高強混凝土發展而來的，但高性能混凝土對混凝土技術性能的要求比高強混凝土更多、更廣乏，高性能混凝土的發展一般可分為三個階段：

（1）振動加壓成型的的高強混凝土——工藝創新

在高效減水劑問世以前，為獲得高強混凝土，一般採用降低W/C（水灰比），強力振動加壓成型。即將機械壓力加到混凝土上，擠出混凝土中的空氣和剩餘水分，減少孔隙率。但該工藝不適合現場施工，難以推廣，只在混凝土預製板、預製樁的生產，廣泛採用，並與蒸壓養護共同使用。

（2）摻高效減水劑配置高效混凝土——第五組分創新

20世紀50年代末期出現高效減水劑是高強混凝土進入一個新的發展階段。代表性的有萘系、三聚氰胺系和改性木鈣系高效減水劑，這三個系類均是普遍使用的高效減水劑。

採用普通工藝，摻加高效減水劑，降低水灰比，可獲得高流動性，抗壓強度為60~100MPa的高強混凝土，是高強混凝土獲得廣泛的發展和應用。但是，僅用高效減水劑配製的混凝土，具有坍落度損失較大的問題。

（3）採用礦物外加劑配製高性能混凝土——第六組分創新

20世紀80年代礦物外加劑異軍突起，發展成為高性能混凝土的第六組分，它與第五組分相得益彰，成為高性能混凝土不可缺少的部分。就現在而言，配製高性能混凝土的技術路線主要是在混凝土中同時摻入高效減水劑和礦物外加劑。

配製高性能混凝土的礦物外加劑，是具有高比表面積的微粉輔助膠凝材料。例如：硅灰、細磨礦渣微粉、超細粉煤灰等，它是利用微粉填隙作用形成細觀的緊密體系，並且改善界面結構，提高界面粘結強度。

特性

自密實性

高性能混凝土的用水量較低，流動性好，抗離析性高，從而具有較優異的填充性。因此，配好恰當的大流動性高性能混凝土有較好的自密實性。

體積穩定性

高性能混凝土的體積穩定性較高，表現為具有高彈性模量、低收縮與徐變、低溫度變形。普通混凝土的彈性模量為20~25GPa，採用適宜的材料與配合比的高性能混凝土，其彈性模可達40~50GPa。採用高彈性模量、高強度的粗集料並降低混凝土中水泥漿體的含量，選用合理的配合比配製的高性能混凝土，90天齡期的干縮值低於0.04%。

強度

高性能混凝土的抗壓強度已超過200MPa。28d平均強度介於100~120MPa的高性能混凝土，已在工程中應用。高性能混凝土抗拉強度與抗壓強度值比較高強混凝土有明顯增加，高性能混凝土的早期強度發展加快，而後期強度的增長率卻低於普通強度混凝土。

水化熱

由於高性能混凝土的水灰比較低，會較早的終止水化反應，因此，水化熱相應的降低。

收縮和徐變

高性能混凝土的總收縮量與其強度成反比，強度越高總收縮量越小。但高性能混凝土的早期收縮率，隨着早期強度的提高而增大。相對濕度和環境溫度，仍然是影響高性能混凝土收縮性能的兩個主要因素。

高性能混凝土的徐變變形顯著低於普通混凝土，高性能混凝土與普通強度混凝土相比較，高性能混凝土的徐變總量（基本徐變與乾燥徐變之和）有顯著減少。在徐變總量中，乾燥徐變值的減少更為顯著，基本徐變僅略有一些降低。而乾燥徐變與基本徐變的比值，則隨着混凝土強度的增加而降低。

耐久性

高性能混凝土除通常的抗凍性、抗滲性明顯高於普通混凝土之外，高性能混凝土的Clˉ滲透率，明顯低於普通混凝土。高性能混凝土由於具有較高的密實性和抗滲性，因此，其抗化學腐蝕性能顯著優於普通強度混凝土。

耐火性

高性能混凝土在高溫作用下，會產生爆裂、剝落。由於混凝土的高密實度使自由水不易很快地從毛細孔中排出，再受高溫時其內部形成的蒸汽壓力幾乎可達到飽和蒸汽壓力。在300°C溫度下，蒸汽壓力可達8MPa，而在350°C溫度下，蒸汽壓力可達17MPa，這樣的內部壓力可使混凝土中產生5MPa拉伸應力，使混凝土發生爆炸性剝蝕和脫落。因此高性能混凝土的耐高溫性能是一個值得重視的問題。為克服這一性能缺陷，可在高性能和高強度混凝土中摻入有機纖維，在高溫下混凝土中的纖維能熔解、揮發，形成許多連通的孔隙，使高溫作用產生的蒸汽壓力得以釋放，從而改善高性能混凝土的耐高溫性能。

概括起來說，高性能混凝土就是能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的混凝土，能最大限度地延長混凝土結構的使用年限，降低工程造價。

正確認識

1、高性能混凝土的特性是針對具體應用和環境而開發的。

2、高性能混凝土製備技術應該注意克服追求高早強的傾向，這對混凝土的體積穩定性意義重大。

3、流動性不可作為高性能混凝土的指標，需根據工程特點注意拌合物的工作性。

高性能混凝土應加入足夠的礦物細摻料，且前提是水膠比較低，不可說只要加入「礦物細摻料」就是高性能混凝 土。

4、中國建築材料科學研究總院對C30—C50中等強度混凝土提出「壽命優先，強度適宜」的混凝土配合比設計思路。

5、混凝土高性能化的發展重點應該是：混凝土的長期性和耐久性。

前景

HPC工作性能好，耐久性好，所以其成本與同級高強混凝土相比，直接節約32—58.8元/每平方米。這個概念就是說按1000萬平方米/年，HPC節約材料費40元/每平方米，僅節約材料就達4億元/年。因此高性能混凝土的優越性與經濟，使其用途不斷擴大，在不少工程中得以推廣應用。

配比要求

高性能混凝土的配合比應根據原材料品質、設計強度等級、耐久性以及施工工藝對工作性能的要求，通過計算、試配、調整等步驟確定。進行配合比設計時應符合下列規定：

1、對不同強度等級混凝土的膠凝材料總量應進行控制，C40 以下不宜大於400kg/m3；C40 ~ C50 不宜大於450kg/m3；C60 及以上的非泵送混凝土不宜大於500kg/m3，泵送混凝土不宜大於530kg/m3； 配有鋼筋的混凝土結構，在不同環境條件下其最大水膠比和單方混凝土中膠凝材料的最小用最應符合設計要求。

2、混凝土中宜適量摻加優質的粉煤灰、磨細礦渣粉或磁灰等礦物摻合料，用以提高其耐久性，改善其施工性能和抗裂性能，其摻量宜根據混凝土的性能要求通過試驗確定，且不宜超過膠凝材料總量的20%。當混凝土中粉煤灰摻最大於30% 時，混凝土的水膠比不得大於0.45；在預應力混凝土及處於凍融環境的混凝土中，粉煤灰的摻量不宜大於20%，且粉煤灰的含碳量不宜大於2%。對暴露於空氣中的一般構件混凝土，粉煤灰的摻量不宜大於20%，且單方混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量不宜小於240kg。

3、對耐久性有較高要求的混凝土結構，試配時應進行混凝土和膠凝材料抗裂性能的對比試驗，並從中優選抗裂性能良好的混凝土原材料和配合比。

4、混凝土中宜適量摻加外加劑，但宜選用質量可靠、穩定的多功能複合外加劑。

5、凍融環境下的混凝土宜採用引氣混凝土。凍融環境作用等級D級及以上的混凝土必須摻用引氣劑，並應滿足相應強度等級中最大水膠比和膠凝材料最小用量的要求；對處於其他環境作用等級的混凝土，亦可通過摻加引氣劑(含氣量不小於4% )提高其耐久性。混凝土抗凍性的耐久性指數(DF) 應符合現行行業標準《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規範》 (JTG/T B07-01 )的規定。引氣混凝土的適宜含氣量和氣泡間距係數應符合規定。

6、對混凝土中總鹼含量的控制，應符合規定。混凝土中的氯離子總含量，對鋼筋混凝土不應超過膠凝材料總質量的0.10%；對預應力混凝土不應超過0.06%。

7、混凝土的塌落度宜根據施工工藝的要求確定，條件允許時宜選用低塌落度的混凝土施工。

技術要求

水泥

水泥應選用硅酸鹽水泥或普硅酸鹽水泥。水泥中C3A含量應不大於8%，細度控制在10%以內，鹼含量小於0．8%，氯離子含量小於O．1%。水泥中的C3A含量高、細度高，比表面積就會增大，混凝土的用水就會增加，從而造成混凝土落度損失過快，有時甚至會出現急凝和假凝現象，這不僅會影響混凝土的外觀質量，同時也將直接影響其耐久性，為了更好地達到各項指標，水泥的存放時間以3天為宜。

礦物摻和料

礦物摻和料對混凝土具有減水、活化、緻密、潤滑、免疫、填充的作用，它能延緩水泥水化過程中水化粒子的凝聚，減輕坍落度損失。礦物摻合料選用品質穩定的產品，礦物摻合料的品種宜為粉煤灰、磨細粉煤灰、礦渣粉或硅灰。其各項指標應滿足：粉煤灰的細度≤20%，燒矢量≤5%，含水量≤0%，氯離子含量≤0．02%。

外加劑

外加劑與水泥相適應性、減水率、流動性、含氣量、摻量都將影響混凝土的工作性，高速鐵路外加劑宜採用聚羧酸系列產品，其技術指標主要包括：減水率不應低於20%，硫酸鈉含量小於10%，鹼含量不得超過10%，硫酸鈉含量小於10%，外加劑中的氯離子含量不得大於0．2%，含氣量不小於3%。

細骨料

含泥量、泥塊含量也是影響高性能混凝土各項技術指標的重要原因之一，含泥量、泥塊含量過高，不僅能降低混凝土強度，同時易造成內部結構的毛細通道不能有效的阻止有害物質的侵蝕。對於高速鐵路工程來說，細骨料應選用處於級配區的中粗河砂，砂的細度模數要求為2．3—3．O。

粗骨料

粗骨料宣選用二級配、三級配碎石，保持良好的級配能增加混凝土強度。在選擇粗骨料時，一定要控制大骨科的含量，大骨料的含量超標，將直接影響保護層外側混凝土的質量，會導致混凝土的表面乾裂紋，影響表觀質量。碎石粒徑宜為5mm-20mm，最大粒徑不應超過25mm，級配良好，壓碎指標不大於8%，針片狀含量不大幹10%，含泥量低於1.0%，骨料水溶性氯化物折合氯離子含量不超過集料質量的0.02%。