高性能混凝土的研究与发展方向

　摘要

随着我国改革开放加上现代化技术的加速发展，我们国家建筑的规模也在逐渐加大。如何保证我们建筑的项目有优良的质量和长期的安全性，就吸引了XX和各级社会主管部门的重视。在许多土建工程项目中，混凝土的用量非常大。尤其是最近这些年，依托新的混凝土技术的发展，新型混凝土就被应用于越来越多的实际建筑项目中了，新性能混凝土也就是高性能混凝土。本文中，介绍了高性能混凝土的发展历程，在国内外的发展程度，还有现状。根据混凝土的物理化学性质，分析了高强度混凝土的特点，论述了高强度混凝土在国内外的一些研究成果和发展的程度。随着中国高层、大规模、现代化建筑物的建设，高强度混凝土在新世纪会成为非常重要的建筑材料。

　关键词：高性能混凝土；耐久性；体积稳定性ABSTRACT

第1章引言

从1824年波特兰水泥生产到现在，已经有将近200年的时间了。以水泥作为主要成分的混凝土也经历了两个世纪的发展与进步，从最开始的普通混凝土到现在的高强度混凝土，质量变得越来越好，同时生产的过程对环境的破坏程度越来越低。所以，最近的100多年，混凝土被广泛应用于各种建筑工程项目中，比如人们的住房建筑，公路铺设，桥梁架设等等。混凝土作为很多建筑物中用量最大的建筑材料，混凝土的消耗量是非常巨大的。根据相关数据记载，近些年，我国混凝土每年的用量大约为110立方米，并且，随着人们生活水平的不断提高，住房需求不断提升，这就加快了我国城市化的建设，随着城市化的扩大，水泥的用量在成倍数增长。在这个过程中，混凝土也在不断进步，不断发展。由于混凝土要用于一些比较重要的建筑，那么安全性，稳定性，能保持多久，就显得尤为重要。所以，高性能混凝土的研究必然会继续发展。

第2章高性能混凝土产生的背景和研究现状

　　2.1背景

随着社会的不断发展，出现了很多的超高层建筑，长距离的公路建设，水下施工工程，还有一些要求更加严格的军事工程。这样，对混凝土的质量要求就更高了。在追求品质与效率的同时，面临比较恶劣的自然环境，有的传统建筑就出现了质量老化，结构损坏，甚至出现了一些恶性事件。生产水泥的过程，需要开采一些必要的生产原材料，这样就破坏了自然环境，影响了生态平衡，这不符合可持续发展的原则。所以，我们的研发思路是，在提高混凝土质量的同时，节约资源，减少对自然环境的破坏。合理利用工业废弃物，变废为宝。而高性能混凝土的研发和发展，刚好符合这个大方向。这就是高性能混凝土产生并且不断发展的现实背景。

在一个建筑物中，混凝土是人工材料应用最多的一种建筑用料。那么，混凝土制作过程中，对自然环境的破坏就必须被重视。传统的混凝土的原料全部来自天然资源，制备10吨水泥需要沙子15吨以上，清水6吨以上，石头13吨以上。想要生产1吨波特兰水泥，就得消耗1.5吨石灰岩，同时还需要大量煤和电能源，排放1吨二氧化碳气体。长此以往，地球的温室效应会加重，影响大气气候。由于制备混凝土消耗了大量的砂砾，导致很多地区的砂石开采过

度，造成了地形，地貌的严重破坏。同时，也严重影响当地的农业生产。随着城市现代化建设，老旧建筑为的改造，势必会拆除一些老旧建筑物，这些被拆掉的混凝土又成了工业废料，对环境造成了一定的威胁。

所以，未来的混凝土研发应充分考虑废弃物混凝土资源的再利用，从根本上节约水泥的原料得使用，以各种工业废弃物为原料，更多地资源重复利用。将来的混凝土应具有高性能，特别需要耐久性。意味着节约耐久性和强度两方面的资源。在这个背景下生产“高性能混凝土”。

　2.2研究现状及发展方向

考虑到混凝土的早期退化，发达国家在1980年代中期开始了以提高受到世界XX关注的混凝土材料的耐久性为目的的“高性能混凝土”的开发和研究的高潮[2]。上个世界80年代以后，人们越来越重视混凝土的强度，和耐久性，尤其是耐久性，更是被推上了一个新的重视地位。研发人员，通过各种不同的环境，建筑材料损失的程度及侧重点，做了各种大量的实验，并不断改进，从而使水泥的耐久性不断提高。现代建筑物的质量也越开越高。当代，高性能混凝土的研究方向大概在以下几个方面。

　2.2.1绿色高性能混凝土

水泥混凝土是人们加工而成的材料。它消耗了很多自然资源和能源量，破坏了自然环境。这样，一款高性能，并且绿色环保得混凝土研发就显得尤为迫切。这就是绿色高性能混凝土。绿色高性能混凝土的普及很大程度降低了传统水泥硬化阶段产生的中和热，这就提高了混凝的强度。并且，节约水泥原料，减小对自然环境的破坏是绿色高性能混凝土的突出特色。

　2.2.2超高性能混凝土

超高性能混凝土如反应性粉末混凝土（rpc）具有高强度，压缩强度和高致密性，高达300mpa。那个在军队、核电站和其他特别的项目中被很好地使用了。

　2.2.3智能混凝土

所谓智能混凝土，就是在混凝土原始成分的基础上，加上了一些智能成分，从而使混凝土成为一种多功能材料。具体的智能，多功能体现在哪些方面呢？比如，智能混凝土可以感知环境的变化，面对不同的环境，对自身做出一定的调节反应，以适应当前环境。之恩混凝土的自我识别，环境感知，自我诊断，自我控制等功能的出现和完善，都是智能混凝土以后的研究重点。

　第3章高性能混凝土的性能研究和应用分析

3.1高性能混凝土的概念

高性能混凝土是最近二十年左右开始研发的一种新型混凝土。欧洲混凝土协会和国际预应力混凝土协会在日

本，高流动自我填充混凝土（即无振动混凝土）被称为HPC的中国土木学会的高强度高性能混凝土委员会作为基本要求，HPC定义为耐久性和可持续性的开发和适合混凝土生产和建设的混凝土[3]。不同的地域，不同的学者和不同的技术人员对高性能混凝土有着不同的认识。例如，X的学者更注重高强度和体积稳定性，欧洲的学者则更注重水泥地耐用性，但是呢日本的学者则更多地注重比较高地实用性。但是，他们的基本特点是耐久性高。3.2高性能混凝土的性能

　3.2.1耐久性

超塑剂和矿物超微粉末的组合可以有效减少水的消耗，缩减混凝土中的间隙，这样就可以使混凝土的结构保持五十到一百年的安全稳定。这就大大提高了高性能混凝土的耐久性。3.2.2工作性

评价混凝土和易性的一个重要指标是褪色实验。高性能混凝土具有自我控制功能。收到碾压时，高性能混凝土具有粘度大、粗骨架沉降速度慢、沉降距离短、稳定性好、碾压时间均匀的特点。另一方面，水灰低，含水率低，高性能混凝土的超细粉体基本上没有稀释淡化现象。水泥浆的粘度大，偏析少。

　3.2.3力学性能

混凝土是多种材料混合而成，并不是一种稳定的溶剂。它的强度会收到很多因素的影响。比如水灰比就会在很大程度上影响混凝土的强度。但是水灰比并非越大越好。不同的建筑物，不同的施工环境，不同的施工季节，对水灰比的要求都会不一样。传统的混凝土，改变水灰比的时候，混凝土的抗压强度就会随之变化。而高性能混凝土有一定的自我调节能力，可以缓解水灰比变化引起的抗压程度的变化。同时，高性能混凝土在制作的过程中，还加入了一定的矿物材料，这些矿物材料可以填补水泥颗粒之间的缝隙，改变了接触面的物理结构，这也就提高了混凝土的密实度，同时强度也就提高了。

　3.2.4体积稳定性

混凝土在刚施工完，到早期硬化，再到最终硬化的过程，体积会发生很大的变化。而高性能混凝土的体积稳定性就比较好，即混凝土在早期硬化阶段水化热比较低，所以，在后期收缩阶段，收缩变形引起的体积变化就不大。这既是体积稳定性。

　3.2.5经济性

高性能混凝土还具有比较高的经济性。这是由它的基础性质，强度高，耐久性强而决定的。由于高性能混凝土具有很高的耐久性，那么，用高性能混凝土建造成的建筑物，就结实耐用，使用寿命也很长，并且不容易出故障，维修成本就降低了。这就高性能混凝土的经济性。相关研究表明在同一个建筑工程中，把碳60的混凝土，换成碳110碳137高性能混凝土可节约钢材15%～25%，节约水泥30%～70%。高性能混凝土虽然自身的价格比较高，但同时质量也高，相同的工程量用量也少，所以综合来看，还是节约成本的。

　第4章高性能混凝土发展和应用中所面临的问题

高性能混凝土在生产和应用推广方面确实也存在一些问题。首先是生产过程中，原材料方面，粗骨料质量普遍比较差，同时细骨料的细化比又不足够满足要求。在这方面，我国仍然缺乏一些比较实用性强的统一的规范。其次，就是在施工过程中，施工人员的技术良莠不齐，又缺乏统一规范的技术培训，导致在实际施工的过程中，技术手段不成熟，维护措施不到位，而使高性能混凝土的强度和密实度没有得到充分的发挥。再次，关于高强度混凝土的研究，很多是在实验室取得的数据，而在自然环境中，环境的温度，湿度，风速，都是不断变化的，这也导致在实际应用中，高强度混凝土取得的实际成绩还是和实验数据有一定的差异。从高强度混凝土的耐久性来看，高性能混凝土微管中的水分蒸发和凝结引起的体积收缩会在混凝土表面产生一定裂缝，这不利于氯离子的扩散，而氯离子可以防止碳化、抗冻融循环。高性能混凝土水泥用量高，水灰比低。硬化后，水会进入水中很长一段时间，水会通过微管扩散到内部。未水化的水泥颗粒将进一步水化，产生微膨胀，这也为混凝土表面的裂缝和各种有害介质的渗

透提供了通道。在高性能混凝土的设计中，会产生氯离子侵入、碱-骨反应和钢筋腐蚀的可能性，混凝土的强度折减比普通混凝土小且易碎，需要特别注意。

　第5章高性能混凝土质量与施工控制5.1高性能混凝土原材料及其选用

　　5.1.1细集料

细骨料必须是坚硬、干净、倾斜的天然介质和粗大的河沙，它的质量要符合普通混凝土对砂砾的规范要求。沙子的厚度会在很大程度上影响混凝土的强度。一般情况，沙子的直径越大，混凝土的强度也越大。为了搅拌强度在C50～C80混凝土砂，应该选择纤维系数在2.3以上的中间砂，而对于强度在C80～C100混凝土砂则应该选择纤维系数在2.6以上的细密率的中沙或者粗砂。

　5.1.2粗集料

高性能混凝土必须在高强度、低水吸收等方面使用粗大的骨料。硬砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩砾，选择粗面、三角形、低针片状的含量，达到等级。另外，粗骨料也要注意骨料的粒度、粒度、岩石的种类。一般来说，采用连续等级，特别是格调好的石灰岩砂石，粗糙面。粗骨料的线膨胀系数要尽可能小，这样可以大大降低温度应力的影响，混凝土的体积稳定性就会越高。

5.1.3细掺合料

在高性能混凝土的制备过程中，适当加入一些活性物质可以在一定程度上提高水泥的流动性，在水泥充分硬化后，强度也就在很大程度上提高了。并且，加入活性物质的过程，也改善了水泥中骨料之间的接触面的机构，增加了混凝土的不透明度，耐久性延长。高性能混凝土中常用的活性细掺合料包括油炸粉、碎矿渣粉、硅灰、天然沸石粉等。粉煤灰是火力发电厂燃煤锅炉排放的烟道灰。可以有效改善混凝土的不透水性，大大提高混凝土混合物的施工性[4]。大量的腾空混凝土对环境保护和资源保护也有很大意义。为了制备高性能的混凝土，必须使用低碳含量，低纯度，低水需求的飞灰。

5.1.4减水剂及缓凝剂

由于高性能混凝土的高强度和一般混凝土混合物的大萧条（约15-20cm），所以在低水结合剂比（通常为<0.

35）的一般条件下，使用高效的水减速装置使混凝土大幅下降，水的还原率必须在20%以上。另外，为了减少混凝土塌陷的损失，也可以在减速剂中添加添加添加成分。而且，高性能混凝土具有比较低的水结合性，水泥颗粒间的间距就比较小，这样就有少量离子可以自由进入溶液，还原剂对水泥的适应性很敏感。由于在建设过程中用泵抽水最高性能的混凝土，所以添加水还原剂后混凝土混合物的塌陷损失不会太快或太大。

　5.1.5矿物掺合料

（1）飞灰是从锅炉烟道气中提取的微粉炭，被称为飞灰。那个粒子主要是球形的，表面光滑。许多实施方式表明，与飞灰混合的混凝土的长期性能大大提高。混凝土中飞灰的主要功能包括以下两点：①填充聚集体粒子的间隙

②可物理分散水泥颗粒并均匀分散③在骨料颗粒周围聚集的飞灰和氢氧化钙晶体之间的溶胶反应生成具有水泥性质的产物，强化弱的过渡带，在改善混凝土性质上起着重要作用④腾空球延缓了中和速度⑤减少混凝土的温度裂纹风险，减少由非常有益的水合热引起的混凝土的温度上升，并且可以通过加速聚苯乙烯反应增加28d强度。

　5.2配合比设计控制要点

　　5.2.1设计思路有很大区别

过去，是采用分配设计的方法，也就是通过工程中对混凝土强度登记的要求来确定水和灰之间的比例。在现在建筑中，水泥的水灰比并不是一个固定的值，而是根据实际的建筑工程的具体情况，来确定的一个动态的数值。比如，特殊隧道的修建和反拱设计强度的施工等水泥的强度要求会大于普通建筑。

　5.2.2胶凝材料用量及粉煤灰所占比例

在混凝土的搅拌过程中，为了保证混凝土的稳定性，就需要加入一定的掺合料。比如，粉煤灰，矿渣材料等等。铁路客运专线大力提倡将粉煤灰、矿渣粉等无机混合物与普通硅酸盐水泥一起用作水泥材料。矿物混合材料如粉煤灰的使用不仅降低了水泥的生产成本，还提高了水泥的性能。首先，应提高混凝土的耐碱性和抗氯离子侵蚀性。国内外研究表明，当粉煤灰掺量大于20%时，混凝土的耐久性得到很好的提高[5]。更多的研究数据表明，飞灰色的最大含量达到约50%。一般来说，水泥混和材料的含量不到水泥材料总量的20%，这在铁路混凝土结构物耐用性设计的中间规定中明确规定。当超过30%时，混凝土的水结合率不超过0.45。

　5.2.3含气量的要求

含气量也是高强度混凝土和过去常用地普通混凝土地一个很常见地区别。过去，如果一个正在建筑地项目有防冻要求，比如冬季施工，就会在混凝土地制作过程中适当增加含气量，也就是掺入更多的空气。在混凝土中掺入一定量的空气，不仅使混凝土更加抗冻，有利于冬季施工，还大大增加了混凝土的稳定性。所以，规定即使在制造防冻混凝土时，客运专线的风量也不受限制2%以下，而是建设品质管理所需的检查事项之一。为了适当增加混凝土的空气含量，并获得更好的水还原和塑料存储效果，可以使用新的聚羧酸盐还原剂。

5.2.4电通量指标

这个指标对于旅客专用线的混凝土耐久性来说是最重要和特别的指标。目前影响混凝土紧凑性的最重要因素混凝土的紧凑性。以前，混凝土的密实度用混凝土的抗渗性来评价。但是抗渗性实验在测定低强度混凝土的实验中比较好用。当混凝土的强度超过碳三十的时候，水泥地不透明程度已经很强了，这就很难继续测试了。这是电化学指标取代不透水标志作为混凝土耐久性控制的主要原因。混凝土的流量主要取决于水胶比。这条规则可以通过许多测试获得。一般来说，当水粘结剂比小于0.5时，基本上可以满足少于2000的助焊剂要求，而当水粘结剂比小于0.45时，基本上可以满足少于1500的助焊剂要求。

5.3高性能混凝土的施工控制

　　5.3.1搅拌

混凝土各种原材料的配比要严格按设计规范，计量的最大允许偏差比如符合有关规范的要求。原材料必须用电子测量装置测量。混合时间不满2分钟，不超过3分钟。在高温和寒冷期混合混凝土时，为了使混凝土的成型温度符合规则，有必要采取有效的控制原料温度的对策。5.3.2运输

为了确保运输过程中混凝土的均匀性，采取了有效措施，各种工作性能指数没有明显波动。为了防止当地混凝土的温度上升（夏天）或结冰（冬天），必须对运输装置采取绝热对策。运输容器应采取适当措施，防止水分混入或蒸发。

5.3.3浇筑

（1）在将混凝土装入模具之前，使用特殊设备测量温度、跌落、空气量、水结合率、桥接率及混凝土的其他加工性，只有混合性能符合设计或调配要求的混凝土才注入模具。混凝土的注水温度一般要控制在5-30℃（2）混凝土注入时的自由落下高度不在2m以上。超过2m支持输送混凝土以确保没有混凝土层分离，使用射门、装配桶、漏斗和其他器具。3）连续注入混凝土。间隙时间不超过90分钟。工程接头不能写在遗嘱上。4）注水过程中新注入的混凝土与相邻的硬化混凝土和地基工程介质之间的温度差不在15℃以上。

5.3.4振捣

可以使用浸液振荡器、安装板振荡器、表面板振荡器和其他振动装置来振动混凝土。请避免振动期间、型号、加强和嵌入部件的碰撞。当使用浸液振荡器振动混凝土时，使用纵向振动。各点的振动时间应受到表面的泛滥或较大泡沫的影响。通常，为了避免振动，不超过30秒。如果需要将振荡器的水平位置改变为具体的混合物，则振荡器在垂直方向上缓慢地被提取，并且最初缓慢地移动到新的位置。振荡器被放置在混合物中，并且不能水平拉伸。5.3.5养护

高性能混凝土在刚浇筑完的几天，硬度会快速加强，一般会在3天内达到设计强度的60%，在7天内达到设计强度的80%。所以说，混凝土的早期养护特别关键。一般来说，混凝土浇筑后，为了保持混凝土表面的湿润性，主要采用模板养护。硬化时间不得少于14天。

　第6章高性能混凝土的发展前景

随着高性能混凝土的快速发展和普及应用，建筑过程对自然环境的破坏越来越严重。研究表明，水泥作为建筑领域最主要的原材料，根源上它是一种不可再生的资源。因此，高性能混凝土的技术核心是在一个建筑项目中减少水泥用量，减少建筑生产对自然环境的破坏。这才符合绿色施工原则。可持续发展不仅现在人们赖以生存的环境，而且还为子孙后代节约了资源。普及绿色高性能混凝土的研发制造与实际应用，从环保的角度看，迫在眉睫。

　结论

有关高性能混凝土的生产，制作，配置的规范和要求的主要技术方法，本文讨论了关于前期原料的选择，还有中期的一些施工工艺要求，以及一些规范要求的理论依据。制备高性能混凝土的主要方式主要有改变原材料，改变原材料中各物质的颗粒大小，改变原材料各物质之间的分配比例，以及施工工艺方面的一些改善，例如振捣等。使用高强度混凝土不仅可以提高建筑物的质量，结实程度，还可以节约资源，减少环境污染。这样就降低了成本，使整个工程在造价方面具有很大的竞争优势，这就给混凝土的推广提供了有利的条件。本文提出的设计思路具有精度高、操作方面、适用范围广泛等特点。用本文的方法制造的混凝土具有很多优良特点，比如和异性好，力学性能很稳定，用这种混凝土建造的建筑物，有比较好的耐久性，质量更好。所以未来，高性能混凝土技术在我国的研究和发展会非常迅速，是一个比较有前景的研究方向。

　参考文献

[1]吴中伟.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[2]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[3]丁大钧.高性能混凝土及其在工程中的应用[M].北京:机械工业出版社,2007.[4]俞瑞堂．高性能混凝土的发展与展望[M]．水利水电工程设计，1997.

[5]陈肇元.等.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.[6]卞春丽,梁晓平.高性能混凝土技术特点及应用[J].ft西建筑2007,33(2):1822183.[7]陈家辉.高性能混凝土应用现状及其前景[J]广东土木与建筑,2000,(05).

　致谢

这篇研究和论文在我的导师的精心照料和精心指导下完成。他的严肃科学态度、严谨的学术精神和优秀的工作作风深深感染了我，影响了我。老师不仅对我的研究给予了谨慎的指导，对我的思考和人生也给予了细心的注意。我想向老师表示真诚的感谢和敬意。也感谢一起愉快地度过毕业论文的学生。为了您的帮助和支持，我可以克服困难，一个一个地克服疑问，直到这篇论文的成功。

论文要完成的时候，我的心情不可能平静。从一开始就把主题顺利完成，有几个受人尊敬的老师、同学和朋友给了我无言以对的帮助。请接受我真诚的感谢！最后，我要感谢我的父母，我成长了，忍受了苦难。谢谢！

最后，衷心感谢老师和同学。