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标  题: 21世纪的混凝土及其面临的几个问题
发信站: 紫 丁 香 (Mon Jul 26 15:31:27 1999), 转信

21世纪的混凝土及其面临的几个问题
                                                        廉慧珍　阎培渝
摘　要　高性能混凝土是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，是以耐久性作为设计的主要目标。高性能混凝土适应了人类更大规模改善和保护环境、节省
资源和能源的需要，因此高性能混凝土是可持续发展的混凝土，是21世纪的混凝土。在高性能混凝土发展过程中，还要解决材料与工
程技术乃至管理方面的很多问题。
关键词　高性能混凝土　耐久性　可持续发展


　　水泥混凝土是近代使用最广的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。据不完全统
计，世界水泥产量已超过13亿t，折合混凝土不少于40亿m3。水泥混凝土与其他常用建
筑材料如钢铁、木材、塑料等相比，生产能耗低、原料来源广、工艺简单，因而生产成本低，
并具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。因此，在今后相当长的时期仍将是应
用最广、用量最大的建筑材料。但混凝土同时也有明显的缺陷。事物的发展总是遵循对立统一的规律，任何事物总是在不断克服自身
缺点的过程中发展的，经过不断的否定之否定，趋向于完善。从混凝土的发展也可以看到这个过程。
1　水泥混凝土现状和问题
　　近百年来，混凝土的发展趋势是强度不断提高。30年代平均为10 MPa，50年代约为
20 MPa，60年代约为30 MPa，70年代已上升到40 MPa，发达国家越来越多地使用50 MPa以上的高强混凝土。这是由于使用部门不断
提高强度的要求所致。尤其是近50年来，片面提高强度尤其是早期强度而忽视其他性能的倾向，造成水泥生产向大幅度提高磨细程度
和增加硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，水泥28 d胶砂抗压强度从30 MPa左右猛增到60 MPa，增加了水化热，降低了抗化学侵蚀的能
力，流变性能变差。提高混凝土强度的方法除采用高标号水泥外，更多的是增加单方水泥用量，降低水灰比与单方加水量。因此混凝
土的和易性随之下降，施工时振捣不足，易引起质量事故。直到80年代，混凝土耐久性问题愈显尖锐，因混凝土材质劣化和环境等因
素的侵蚀，出现混凝土建筑物破坏失效甚至崩塌等事故，造成巨大损失，加上施工能耗、环境保护等问题，传统的水泥混凝土已显示
出不可持续发展的缺陷。
　　我国近年来常用混凝土强度已从20～30 MPa提高到30～50 MPa，使用强度等级C50以
上的混凝土越来越多，目前出现了各部门竞相配制80 MPa以上混凝土的局面。混凝土强度越高，结构延性越差，给结构抗震性能带
来的隐患越大。由于对施工质量的不信任，混凝土的试配强度往往比设计强度等级提高一个等级以上，C50混凝土的强度实际上超过6
0 MPa，再加上水泥用量的增加，进一步增加了产生温度应力、收缩开裂和化学侵蚀破坏的可能。
2　高性能混凝土——21世纪的混凝土
   自从波特兰水泥出现后，经历了漫长的发展过程。经过无数改革、创造与发明，混
凝土科技内容已十分丰富。但在没有现代水泥的古代，混凝土能经历几百年甚至2 000多年仍然完好，是石灰－火山灰胶凝材料具有卓
越耐久性能的最有力证据。在科学技术飞速发展的今天，混凝土耐久性问题却一直被认为是技术上未能解决的难题，混凝土耐久性指
标被定在30年、50年，最多也不过100至200年。混凝土耐久性已成为各国混凝土科技人员致力研究的重要课题。
　　早在30年前，28 d抗压强度超过50 MPa的高强度混凝土已较多地在工程中应用。有
些有远见卓识的专家考虑到某些工程的需要，在提出高强度指标的同时，也提出耐久性和施工性的要求。直到80年代末、90年代初以
后，尤其是近5年来，在很多重要工程中成功地采用高性能混凝土(High Performance Concrete，简称HPC)。尽管不同国家不同学者结
合各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土有不同的定义和解释，但共同的观点是：高性能混凝土的基本
特征是按耐久性进行设计——保证拌合物易于浇筑和密实成型，不发生或尽量减少由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，
内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀性。对不同的工程有其重点的要求，因此，吴中伟教授为高性能混凝土下的定义是：
高性能混凝土是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，以耐久性作为
设计的主要指标。针对不同用途要求，在耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性、经济性等性能方面有重点地予以保证。各个
强度等级的混凝土都可做到高性能。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，除水泥、水和骨料外，必须
掺加足够数量的矿物细掺料和高效减水剂，减少水泥用量。
　　高性能混凝土不仅是对传统混凝土技术的重大突破，而且在节能、节料、工程经济
、劳动保护以及环境等方面都具有重要意义，是一种环保型、集约型的新型材料，并将为建筑工程自动化准备条件。有学者预言，高
性能混凝土是21世纪的混凝土，是近期混凝土技术的主要发展方向。
　　近年来，我国高强混凝土和高性能混凝土的研究、应用在有限的经费支持下发展较
快，但缺少统一的规划，由于经费不足而缺乏系统研究，有很多只是低水平或同水平的重复。研究的内容大多集中在高强度、高流动
性混凝土的配制和施工。有人认为只要加入了粉煤灰或磨细矿渣，坍落度大就是高性能；有人认为达到高强、泵送就是高性能…… 实
际上，在高性能混凝土今后的发展过程中，还要解决材料与工程技术乃至管理方面的很多难题，现列举如下。
2.1　如何选择和使用矿物细掺料
　　矿物细掺料的使用是火山灰材料→石灰胶凝材料→硅酸盐水泥→混合材料水泥→高
性能混凝土的组分这样一个否定之否定的发展过程。矿物细掺料不仅有利于水化作用，提高强度、密实度和施工性，增加粒子堆积密
度，减小孔隙率，改善孔结构，而且对抵抗侵蚀和延缓性能的劣化等都有较大作用。当前需要研究以下问题。
　　(1) 矿物细掺料在混凝土中的使用不同于按现行标准生产的掺合料水泥(如火山灰质
硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥以及复合硅酸盐水泥)，而是将矿物细掺料作为混凝土中除水泥、水和骨料外的必要
组分进行设计，设计方法区别于传统的方法。
　　(2) 古罗马时代石灰－火山灰混凝土均用于拱、券、墙等受压结构，未使用钢筋。
现代钢筋混凝土和预应力混凝土不可能照搬，原因一是石灰－火山灰胶凝材料凝结时间缓慢，不适应现代施工速度的要求；二是碳化
对钢筋的保护不利。高性能混凝土掺用大量矿物细掺料，在混凝土水胶比很低且没有裂缝的情况下，可有效地起到保护钢筋的作用。
但是对于受弯构件，当受拉区出现裂缝后，碳化性能如何?如何检查钢筋锈蚀情况?由此推算矿物细掺料的上限应是多少?
　　(3) 按现行标准检验属于相同级别的矿物细掺料，实际使用时的效果会有很大差别
(如强度发展、凝结性能、流变性能等)。为保证矿物细掺料的稳定性，如何准确而全面地评定矿物细掺料的活性?如何科学地分类?如
何根据各自的优缺点进行复合，以取长补短，充分发挥其有利作用?
2.2 高效减水剂与复合外加剂的开发改性和使用以及相关问题
　　高效减水剂解决了高性能混凝土的低水胶比和低用水量与施工性之间的矛盾，因而
成为不可缺少的组分。如何使用以便更好的发挥其效率，还有很多工作要做。
　　(1) 目前我国用量最大的萘系高效减水剂生产十分分散，质量差别很大，不利于集
约化生产和总体质量的提高。如何优选品牌达到生产规模化以提高和稳定产品质量?
　　(2) 开发新品种时不仅应注重提高其减水率，而且应考虑环境保护和劳动保护，认
真进行毒性检验和在混凝土中的溶出实验。最近有些单位从改进生产工艺来提高现有萘系高效减水剂的减水率，是值得提倡的。
　　(3) 高效减水剂的作用受使用方法的影响。目前主要在配制混凝土时掺入，其中与
拌合水同时加入的方法效果最差，国外多采用液体高效减水剂后掺法，可提高减水率，减少混凝土坍落度损失。但最有效的方法是在
生产水泥时与水泥共同粉磨，则高效减水剂的品种和掺量对水泥性能的影响规律如何?水泥检验标准如何与之相适应?
　　(4) 高效减水剂与其他外加剂以及细掺料复合使用的产品化、定型化。
2.3 适应高性能混凝土需要的高性能胶凝材料的研究与生产应用
　　目前国产水泥质量差异很大，一项工程在施工时经常更换不同牌号的水泥。水泥和
高效减水剂相容性很不稳定，不能适应低水胶比高性能混凝土的需要，给高性能混凝土施工质量控制造成很大困难。预先在工厂从流
变性能的需要进行石膏、掺合料和外加剂等各组分的选择和配合比优化，再选择合适的水泥熟料，调节其他辅助材料，以合适的参数
共同磨细，制成适用于不同强度等级高性能混凝土的胶凝材料，则可大大简化施工过程，稳定混凝土质量。用于混凝土时，可在达到
相同施工性时，选用较低的水胶比；在得到高流动性的同时，拌合物不离析、不泌水，有良好的可泵性和填充性，硬化后可得到良好
的耐久性。
　　从生产来说，可降低煅烧熟料的能耗和CO 2的排放，大量利用工业废料，属于吴中
伟教授提出的“环保型高性能胶凝材料”，可望在水泥工业的改造中发挥重要作用，并闯出一条水泥工业可持续发展的新路。除生产
外，需要研究检验标准和确定混凝土配合比的方法。
2.4 配合比选择和施工质量控制的计算机软件开发
　　高性能混凝土对原材料和施工管理要求较高，应当建立配合比选择的专家系统以及
质量管理和施工控制的计算机软件，以提高混凝土工程质量和施工效率。目前有些同志尝试编制软件，但因力量分散、数据和参数的
数量不足，以致缺乏普遍性。建议由权威性管理部门投入经费，组织实力雄厚的单位和专家集中攻关。
2.5 完善高性能混凝土的性能，使其向理想化发展
　　高性能混凝土大量使用矿物细掺料，既提高了混凝土性能，又减少了对水泥的需求
，同时可降低煅烧熟料时CO 2的排放。因大量使用粉煤灰、矿渣及其他工业废料，减少了自然资源和能源的消耗以及对环境的污染。
安全使用期长，可减少因修补或拆除造成的浪费和建筑垃圾。高性能混凝土适应了人类更大规模改善和保护环境、节省资源和能源的
需要，因此高性能混凝土是可持续发展的混凝土，是21世纪的混凝土。但对高性能混凝土仍要一分为二，发挥其优点，克服缺点，以
期不断完善。例如解决由于低水胶比引起的自收缩问题以及如何提高混凝土韧性的问题等。各具特点的不同材料复合，不仅可取长补
短，而且可产生吴中伟教授提出的“超叠加效应”。如目前与钢管或钢骨架组合，用合成纤维提高抗裂性能和断裂韧性等，可望成为
带有方向性的技术路线。法国和加拿大的学者创造的活性细粒混凝土(Reactive Powder Concrete,缩写为RPC)，是复合化路线的一种
体现，不仅强度可达200 MPa以上，而且与钢纤维或钢筒、钢骨架共同作用，可得到极好的结构力学性能，其造价只及钢材价格的
五分之一，可在同体积的基础上代替钢材，用于桥梁等高荷载结构中。
　　高性能混凝土具有很丰富的技术内容，但其核心是保证耐久性，不能片面追求任何
单一性能，这需要我们不断全面地认识和改造，使其向理想化发展。


参考文献
　[1]　吴中伟.高性能混凝土(HPC)的发展趋势与问题.建筑技术，1998，(1)
　[2]　吴中伟.环保型高效水泥基材料.混凝土，1996，(4)

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