浅谈绿色高性能混凝土101011416

浅谈绿色高性能混凝土

101011416 谢美蓉

摘要：混凝土的大量使用，需要大量水泥，而水泥的生产又极大地影响了环境，影响了子孙后代的生活，所以绿色高性能的发展是适在并行的。当今，既能满足材料性能要求，又不破坏环境甚至能改善环境的“绿色建材”日益受到重视。绿色高性能混凝土应时代发展的要求站在了世人面前。绿色高性能混凝土的研究与使用，既保护了环境，又提高了混凝土的性能，为绿色建筑做出了很大地贡献。

关键字:混凝土 绿色高性能混凝土 绿色建筑 环境

1.高性能混凝土的定义与特征

1.1.定义

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。一些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，这可能由于日本更重视混凝土振捣工艺对工人听力的不利作用，而推广不需振捣的自密实混凝土。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的掺合料和减水剂，因此高性能混凝土必须掺掺合料。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，不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。

1.2.特征

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。 高性能混凝土具有良好的工作性，混凝土拌和物应具有较高的流动性，混凝土在成型过程中不分层、不离析，易充满模型；泵送混凝土、自密实混凝土还具有良好的可泵性、自密实性能。

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地工作50～100年以上，是高性能混凝土应用的主要目的。

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。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。

2.高性能混凝土在现代工程中得应用

高性能混凝土技术正在世界各地成功地用于很多离岸结构物和长大跨桥梁的建造，Langley等人叙述了几种加拿工大一长大跨桥梁所用的拌合物。它们用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥用量为450Kg/m3，水153L/m3，引气剂160mL/m3和高效减水剂3L/m3。其坍落度大约在200mm；含气量6.1%；1d、3d、28d抗压强度分别为35、52和82MPa；基础和其他大块混凝土的混合水泥用量为307 Kg/m3，粉煤灰133Kg/m3，用水量接近，但引气剂和高效减水剂掺量大幅度减小，坍落度约在185mm；含气量7%；1d、3d、28d和90d抗压强度分别为10、20、50和76MPa。根据加拿大和美国的透水性与氯离子快速渗透标准方法实验结果表明：两部分混凝土都呈现非常低的渗透性。对高性能混凝土结构的施工，需要非常强调加强现场实验室试验和质量验收。

高性能混凝土发展的另一领域是高性能轻混凝土，相对于钢材，普通混凝土的强度/自重比很低，掺有高效减水剂的高强混凝土则大大提高了该比例；用有大量微孔的轻骨料代替部分普通骨料，就能进一步提高这个比例。

采用掺10~15%硅粉甚至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土，具有优良的粘附力，因此适用于湿喷的喷射混凝土进行结构修补，这也是高性能混凝土的应用领域之一。

2.1.高性能混凝土在高层建筑中的应用

高性能混凝土（>40MPa）首先用于30层以上高层建筑物的钢筋混凝土结构，因为这种建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土时断面很大。除节省材料费用外，与钢结构相比，加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点。

应用实例：1.高性能混凝土应用C80高强与高性能混凝土在沈阳方园大厦、大西电业园等多项高层建筑钢管混凝土柱中应用。2.上海高性能混凝土研究领域中取得一大批可喜的成果，其中具有代表性的成果有：中华第一高楼——88层金茂大厦的C40一次泵送到382.5m；明天广场矿渣微粉C80泵送混凝土；在上海教育电视台综合楼大体积基础混凝土，水泥用量只占胶凝材料总量的46%，配制的混凝土浆量饱满，混凝土工作性、粘聚性和抗离析性能都十分优异，强度达到C40的高性能混凝土。

2.2.高性能道面混凝土

随着对交通运输要求的日益提高，发展“长寿命低维护路面”，采用高性能道面混凝土，提高混凝土的抗折强度与耐久性是当前道面混凝土的发展趋势。1997年召开的第十六届国际混凝土路面会议，提出路面设计不仅要提出平均强度要求，还应提出耐久性要求。在未来发展方向中提出抗拉强度达17MPa的超高强混凝土，用于铺筑连续的混凝土路面。提高混凝土道面表面的致密性、抗渗性都是很重要的，而这是需要通过高性能混凝土来实现的。

高性能道面混凝土的重要特征是具有高抗折强度。使用高性能道面混凝土可以显著提高道面的承载能力，延长使用寿命或减薄道面的厚度以降低工程造价。高性能道面混凝土的主要特征是具有足够的耐久性，能够抵抗气候和环境的长期破坏作用，保证在道面的设计使用期限内，混凝土能够正常工作。

3.高性能混凝土在建筑工程中的设计要点分析

应该根据工程的使用功能与混凝土结构周围环境的具体情况设计混凝土的目标性能。要

求混凝土具有全面的高性能是不科学的。这不仅在技术上难以达到，而且也要造成资源上的极大浪费。

采用低水胶比，控制混凝土中的水泥用量。其目的是为了降低混凝土的温升，增强硬化混凝土的体积稳定性能，减少硬化混凝土的收缩裂缝。水胶比较大时，混凝土中会留下较多的毛细孔，增加硬化混凝土的收缩。

掺加足量的矿物细掺料。使用矿物细掺料是配制高性能混凝土的一个重要手段。其目的是为了抑制混凝土中碱骨料反应的危害。在配制高性能混凝土时，掺入部分活性矿物细掺料可以促进水泥水化生成物的进一步转化。改善硬化混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性能。应该注意，矿物细掺料的使用不是简单的对水泥的代替。应该根据具体情况确定矿物细掺料的品种与掺量。研究表明，将两种以上的矿物细掺料复合使用时，其综合效果优于其分别单独使用的总和，这就是所谓的超叠加效应。

掺加高效外加剂。高效外加剂是配制高性能混凝土的必备材料。正是由于高效外加剂的发展才使高性能混凝土的制造成为可能。现在已经有了制造各种高性能混凝土的系列外加剂，虽然他们的性能还有待进一步提高。超叠加效应也存在于外加剂与外加剂的复合使用以及外加剂与矿物细掺料的复合使用中。将两种奈系高效减水剂按照一定的比例复合使用，可以使复合后的产品的各组分间的作用相互调节，从而达到发挥其各自的优势的目的，其综合效果超过两种外加剂单独使用的效果的总和，应该通过试验，找出最佳匹配材料与最佳匹配比例。

在连续浇注的混凝土结构中，必须保证混凝土具有相同的塌落度。当混凝土的塌落度不同时，混凝土在硬化过程这产生的收缩也不同，两种不同塌落度的混凝土之间容易产生较大的收缩裂缝。根据工程的具体情况采取不同的结构形式以赋予混凝土最佳的性能。例如钢纤维增强混凝土、杜拉纤维增强混凝土、钢管混凝土等。

对混凝土中碱骨料反应的研究结果表明，引起混凝土中碱骨料反应的三个主要条件是使用了碱活性骨料、使用了高含碱量的水泥和混凝土结构所在处的环境中有水存在。其中结构使用环境中有水存在是发生碱骨料反应的必要条件。碱骨料反应除了可以应用复合使用矿物细掺料的方法加以抑制外，也可以破坏其产生的条件来加以避免。例如，用于室内的不接触水的结构，可以不考虑碱骨料反应的危害；对于用于室外的混凝土结构，我们也可以将使用碱活性骨料配制成钢管混凝土，由于环境中的水很难渗透进钢管里，因此碱骨料反应就难以发生。含有碱活性成分的骨料也是可以使用的。这就为我们找到了合理利用高碱活性骨料的新途径。

4.高性能混凝土的现状及发展趋势

4.1.国内外高性能混凝土的研究进展

1990年5月，美国国家标准与技术研究所和美国混凝土协会在马里兰州盖瑟斯堡召开的会议上首先正式提出“高性能混凝土”这一名词。实际上，此前的一些重要工程中已采用了高工作性和高耐久性的高强混凝土。日本、欧洲、美国、加拿大都认为高性能混凝土是一种跨世纪的新材料，在严酷环境中使用高性能混凝土具有显著的经济效益。这些国家在高强高性能混凝土配制方法、耐久性能检验方法和提高混凝上耐久性技术途径方面进行了大量的研究，

并在桥梁、码头等易腐蚀结构中成功地应用了外掺活性掺合料的高性能混凝土。

中国对高性能混凝土的研究基本与国际同步。自上世纪90年代初期国家自然科学基金支持高性能混凝土研究开始，在多个国家大型科研项目的支持下，我国在高性能混凝土新材料研发、耐久性控制、设计和施工技术等方面取得突破：开发了多品种的工业废渣掺合料，通过物理活化和化学活化解决早期活性、抗裂、收缩等问题，并大量应用；从控制各种原材料的氯离子和含碱量人手；控制混凝土的碱—集料反应和钢筋锈蚀反应，全国很多地区和大型工程都建立了碱集料反应分布图和安全集料矿山；清水混凝土技术及自流平混凝土制作大型体育馆看台、盾构管片、大口径预应力钢简混凝土管都达到国际领先水平。

国内外通过近20年的研究和实践，已经得出一些制备高性能混凝土的具体技术措施：水泥、集料、掺合料的性能对混凝土耐久性影响很大，对路品种需加以认真选择。混凝土配合比设计时，尽量减少水泥用量和用水量，降低水化热，减少裂缝，提高密实度；合理使用减水剂和引气剂，改善混凝土内部结构；掺入足量的矿物掺合料，提高混凝土耐久性能。按照使用环境设计相应的混凝土保护层厚度，预防外界气体和液体介质渗人内部，腐蚀钢筋。混凝土工程拌制过程中应提高混凝土拌合物的和易性，并减少用水量；大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝、收缩裂缝、施工裂缝；混凝土浇筑后，应进行充分合理的振捣，提高混凝土密实度和抗渗性，加强养护，减少混凝土裂缝。结构在使田阶段还应注意检测、维护和修理，对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此。提高混凝土耐久性需要从原材的选择、配合比设计和结沟设计、施工和后期维护等环节加以重视。

目前全世界都已经把高性能混凝土的研究点集中到混凝土服役寿命的设计方面。国际结构混凝土联合会在2006年6月提出了全概率方法的寿命设计流程图，法国土木工程师学会在2007年提出了混凝土结构服役寿命设计指南，欧盟也正在研究提出一个过渡的基于性能的耐久性设计方法。我国的《GB／T 50476-2008们混凝土结构耐久性设计规范》也是吸纳了最新的国内高性能混凝土耐久性研究最新成果，根据混凝土的环境条件进行分级，规定混凝土的最大水胶比和最小水泥用量等参数来进行耐久性设计。混凝土服役寿命的设计研究建立的耐久性模型尚有许多不确定因素，有些模型参数还不能量化，确定这些参数的难度较大，另外还缺少重复性好的测试方法，对有些破坏类型还缺少可靠的模型，如干湿循环和硫酸盐腐蚀等。

4.2.我国高性能混凝土研发取得的突出成果

从1996年开始，国家计委、国家科技部连续设立科技攻关项目和国家科技支撑项目，大力支持对高性能混凝土的创新研究。包括中国建筑材料学研究总院在内的国内几十所科研位、高等院校的一大批专家完成多个高性能混凝土的研究项目，高性能混凝土的研究得到推和普及，并在多个重点工程中进行实践。

关注混凝土早期收缩开裂的控制。高性能混土配制时通常都使用较高的胶凝材料总量，并且掺有大量磨细矿物掺合料，这些措施引起了较大的混凝土自收缩，表现为混凝土的裂趋势增加。近年来，高性能混凝土研究的重点之一就是早期收缩的机理、测量方法和设备、影响因素和改善措施，取得了突出进。大连理工大学和中国建筑材料科学研究总院共同完成的国家自然科学基金重点项目“混凝土结裂缝的形成与发展机理及控制技术研究”是近年来针对

混凝土早期收缩开裂问题开展系统研究的项目之一，该项目从材料和结构两个不同角度深入研究了影响混凝土早期收缩开裂的原因。研究工作有重要的学术意义和普遍的工程应用价值。

中等强度等级高性能混凝土的研究和应用。在“十五”科技攻关中，中国建筑材料科学研究总院对C30~C50中等强度混凝土高性化的关键技术进行了系统研究，提出了“寿命优先，强度适宜”混凝土配合比设计思路，科学定义了高性能混凝土应具有良好的工作性、高的耐久性和工程所需要的强度。通过优化胶材料颗粒级配，实现混凝土结构缺陷最小化，达到强度和耐久性的合理匹配。该技术扩大了性能混凝土的使用范围，在我国具有重要的技术经济和社会效益，也在理论和实践上丰富了中国院士上世纪90年代末，提出的“中等强度等级高性能混凝土”的概念。

高性能混凝用化学外加剂快速发展 。混凝土化学外加剂是配制高性能混凝土必不可少的原材料。我自上个世纪50年代开始研制和少量使用混凝土化学外加剂。近10年来，在高性能混凝土快速发展的带动下，合成水剂也完成了升级换代，其中发展最突出的是聚羧酸票高性能减水剂。它具有较高的减水率、好的坍落度保持性能和一定的引气性，生产工艺比萘系简单，2007年的产量达到41．43万吨。国内科研单位开发了多种具有创新性和实用性的外加剂产品。中国建筑材料科学研究总院开发高速铁路无砟轨道板专用早强型聚羧酸系高性能减水剂和早强矿物掺合料；研发了煤矿建设结法施工专用的早强减水剂和防裂密实剂，支持了我国重点工程高性能混凝土的施工。这些加剂对控制混凝土体积变形、促进早期强度发展、减少动态坍落度损失方面有特殊功能，成在多家企业生产应用，获得了很高的经济效益。

5.小结

混凝土是当今世界使用量最大，使用面最广的建筑材料之一。混凝土的发展与我们的学习生活相关，大到各个国家与城市的现代化建筑物，小到普通市民居住工作学习的场所，混凝土等建筑材料发挥着举足轻重的作用。了解这些建筑材料对我们而言有重要的意义。不仅如此，作为当代大学生的我们，在这个经济发展与环境污染并存的世界，了解与掌握绿色材料与清洁生产的相关知识，树立环保观念，对世界的和谐发展，对人类与自然地和平共处有着积极意义。当今，发展与环境保护这对日益严重的矛盾，就像一座大山压在我们的身上。因此，提高对绿色材料与清洁生产的认识，是我们寻求可持续发展之路的需要，是我们寻求世界高速发展的需要。

参考文献：

[1]唐飚白玉芹， 绿色高性能混凝土的可持续发展，《中外房地产导报》2003年 第4期 ，2012-5-18 [2]焦楚杰周云张季超，建筑技术开发，中国建材出版社， 2005-7-16 [3]杨惠芬方坤河杨华山，混凝土，化学工业出版社，2005-12-25

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