Transcript 高性能混凝土 ——定义、现状与发展方向

混凝土的高强与
高性能化
混凝土是用量最大的工程材料
世界年消耗量100亿吨，我国约40亿吨。
 世界平均每人每年1.8吨。
 用途广泛，成本低廉。

过去一百年的混凝土没有打好
— Metha
混凝土技术的发展应该做到法天师地，应该向古
人学习，做到历久弥坚
－ 黄兆龙
传统混凝土面临的挑战

工程结构复杂，荷载大，所处环境严酷

混凝土结构的耐久性问题突出

混凝土的使用对生态环境的影响
工程结构复杂，荷载大，
所处环境严酷
人类开发的重点转向海洋、沙漠、两极。
 高层建筑、大跨桥梁、地下工程

混凝土结构的耐久性问题突出




传统混凝土并不十分耐
久
基础设施损坏严重
维修和更新费用超过新
建费用
重要设施要求长寿命
混凝土的使用对生态环境的影响
生产水泥排出CO2对温室效应的影响
 混凝土消耗大量自然资源可导致对生态环境
的破坏
 发达国家限制水泥工业发展

世界水泥产量变化趋势（百万吨）
1995
2000
2005
2010
欧盟
168.1
187.9
194.1
189.3
其它欧洲国家
前苏联地区
65.8
58.1
80.0
80.3
90.2
110.1
94.7
128.2
北美
东亚
其它地区
92.9
623.4
386.9
94.9
732.7
486.2
94.8
798.8
551.1
94.7
844.3
594.9
总计
1395.2
1662
1839.1
1946.1
实际上2005年中国水泥产量已逾10亿吨
未来的混凝土必须从根本上减少水泥
熟料用量，必须更多地利用多种工业废料
作为其原材料；未来的混凝土又必须是高
性能的，尤其是耐久的。耐久和高强同样
意味着资源的节约。现代高强混凝土和高
性能混凝土就是在这样一种背景下发展起
来的，已被科技和学术界看成是21世纪的
混凝土。
高强混凝土
现代高强混凝土技术最初是以混凝土的高
强度和拌合物的高工作度为目标，而其致密的
结构通常又使这种混凝土兼具其它的优良性能，
如很高的抗渗性、耐磨性以及荷载作用下的较
小变形与徐变等。
我国高强混凝土应用现状

已有二十年的应用历史
高层建筑——已有上百幢建筑采用C50以上混
凝土建造底层柱
 桥梁——红水河铁路桥
万县长江公路大桥
 其它——码头，核电站，采油平台等

国家重点科研项目：
《高强混凝土结构性能、设计方法及施工
工艺的研究》
《高强混凝土材料的结构力学性态研究》
《高性能混凝土在荷载与侵蚀性因素复合
作用下的耐久性研究》

中国土木工程学会高强混凝土委员会编
写的中国工程建设标准化协会标准《高
强混凝土结构技术规程》（CECS104-99）
已颁布施行。

正在修订中的《混凝土结构设计规范》
(GBJ10-89) 也将混凝土的最高强度等级
从C60扩大到C80。
在高强混凝土的推广应用上，我
们仍受到某些传统观念的有害束缚：
有些技术人员总觉得多用水泥或少用
掺合料会对混凝土质量带来好处，而不是
尽量使用粉煤灰等矿物掺合料和将水泥用
量限制到最小程度。
在消除了对高强混凝土的神秘感之后，
又会对高强混凝土自身的一些弱点缺乏足
够的重视，从而在结构的设计构造和施工
的各个环节中完全沿用普通混凝土中的做
法而无视高强混凝土的特殊要求，结果造
成工程严重开裂或留下结构延性不足等安
全隐患。
高强混凝土的组成特点

传统混凝土一般只以水泥、砂、石、水作为
四大组分

现代高强混凝土的重要区别是：以高效减水
剂等化学外加剂和优质矿物掺合料作为其第
五和第六组分。
高强混凝土的配制途径与结构
 降低水灰比

 掺加超细粉

浆体结构密实
改善过渡层结构
（硅粉、亚粘土等）
 使用高效减水剂

保持高工作性
高强混凝土主要通过不同用水量以及选
取不同品种和掺量的矿物掺合料调节其
强度。
 需要的强度愈高，水胶比就愈低。
 C90以上的混凝土以掺有硅粉的复合矿物
掺合料为主；C70-C90混凝土以掺超细矿
渣粉为主；C50-C70混凝土以掺优质粉煤
灰为主。

高强混凝土的研究进展
配制不同等级高强混凝土的技术途径，并对
硬化混凝土高强机理以及高强混凝土拌合物
的工作性能进行了微观和宏观水平上的系统
研究。
 开发了配制高强混凝土所需的化学外加剂。


系统研究了钢筋高强混凝土构件的力学
性能，尤其是抗震性能，提出了符合我
国结构设计体系的高强混凝土结构设计
计算方法。

利用计算机模拟与辅助设计来研究高强
混凝土技术中的一些复杂问题，如水化
机理、开裂机理或具体用于配比设计等。
高强混凝土应用中需注意的问题 1
高强混凝土的高脆性对结构抗震设计的影
响——高强混凝土在高抗震设防区的应用要受
到限制。烈度为8度时，抗震柱的混凝土强度不
宜超过C70；烈度为9度时，不宜超过C60，
将很高强度的混凝土用于抗震柱时，应该
尽量采用具有优良延性的钢管混凝土柱，其次
是钢骨混凝土。
高强混凝土应用中需注意的问题 2

高强混凝土的早期裂缝控制：
高强混凝土由于水胶比低，胶凝材料用量
大，导致水化温升高，泌水少，因此自身收缩
大，温度收缩大，易产生塑性开裂。
高强混凝土因早期收缩引起的开裂倾向要
比通常设想的更为严重。
高强混凝土虽然有较高的抗拉强度，
可是弹性模量也高，在相同收缩变形下会
引起较高的拉应力，更由于高强混凝土的
徐变能力低，应力松弛量较小，所以抗裂
性能甚差。
自生收缩

主要在水化初期发生，可达数百微应变。

高水胶比的普通混凝土小；低水胶比的高强
混凝土大。

现行的混凝土收缩测量方法不能测定自生收
缩。
温度收缩

高强混凝土的胶凝材料用量较多，水化热释
放量大，内部温峰高，导致的温差收缩大。

高达35-40℃的温升在高强混凝土施工中并不
少见，加上初始温度后可使最高温度超过7080℃。
高强混凝土的塑性收缩

硬化前新拌混凝土因表面水份蒸发而引起的
收缩，并可产生塑性开裂。当新拌混凝土的
表面水份蒸发速度大于混凝土内部从下至上
的泌水速度时，表面就会失水干缩。
混凝土裂缝控制的设计与施工措施
1
混凝土原材料和配比
尽可能降低水泥用量并采用低放热量的水
泥品种，选用膨胀系数低的粗骨料如石灰岩骨
料，并加大优质粉煤灰的掺量。
掺加缓凝剂和有机纤维。
膨胀剂的使用要慎重。
2
混凝土的温度控制
高强混凝土的设计施工必须考虑温度
控制。
控制混凝土最高浇筑温度，养护期的
最高温度，内、表最大温差，以及最大温
降速率等。
3
混凝土养护
混凝土的养护包括湿度与温度二个方
面。高强混凝土应及早养护，并持续至少
7 天。
4
构造措施
设置各种连接缝（伸缩缝、控制缝、
施工缝）以及在约束界面上设置滑动层、
缓冲层等构造方法对于防止和控制混凝土
开裂有着十分重要的作用。
高强混凝土应用中需注意的问题 3

强度验收的评定方法：
国内众多混凝土搅拌站生产高强混凝土的
时间不长，积累经验有限，所以一般情况下宜
采用非统计方法。如有足够的经验和数据积累，
也可采用标准差已知的统计方法。
标准差未知的统计方法，用于高强混凝土
可能保证不了强度要求。
高强混凝土应用中需注意的问题 3

标准养护试件的28天强度在不少情况下已较
难准确反映实际结构中的混凝土强度。

试验条件，试件尺寸的影响。
高性能混凝土

现阶段的高性能混凝土以耐久性作为其主要
特色。重要工程要求安全使用寿命大于500年

具有所要求的性能和匀质性。
1998年
ACI 的正式定义
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
组分和通常的拌合、浇筑与养护方法，未必
总能大量地生产出这种混凝土
当混凝土的某些特性是为某一特定的用
途和环境而制定时，这就是高性能混凝土。
例如下面所举的这些特性对某一用途来说可
能是非常关键的：易于浇筑，振捣时不离析，
早强，长期的力学性能，抗渗性，密实性，
水化热，韧性，体积稳定性，恶劣环境下的
较长寿命。
吴中伟教授的定义
高性能混凝土为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
性作为设计的主要指标，针对不同用途的要
求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、
施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济
性。
高性能混凝土特定的定义
高性能混凝土定义为以耐久性和可持续
发展为基本要求并适合工业化生产与施工的
混凝土。
混凝土的耐久性

耐久性的含义是有长久的安全使用寿命。混
凝土的耐久性是指抵抗大气环境作用、化学
侵蚀、磨损及其它劣化作用的能力。

混凝土工程中最常见的劣化过程有钢筋锈蚀、
冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱-骨料反应等。
钢 筋 锈 蚀
影响混凝土结构耐久性的最重要因素
 决定钢筋锈蚀速率的因素：
碳化
氯盐（临海和海工构筑物，除冰盐）
水分渗入（结构密实程度）

冻 融 循 环
使混凝土崩裂并发展到表层剥落、钢筋外露
甚至整体崩坏。
 防止冻融破坏的有效措施是在混凝土拌合物
中外加引气剂。
 降低混凝土的水胶比能够改善混凝土的孔结
构，对于提高抗冻能力有重要作用。

硫 酸 盐 侵 蚀

化学作用，生成膨胀性的钙矾石（水泥杆
菌），导致混凝土结构开裂。

延迟钙矾石生成。

掺加粉煤灰可抑制硫酸盐侵蚀。
碱-骨料反应

缓慢的化学反应过程，生成凝胶状物质，导致混凝
土体积膨胀并开裂。

发生碱-骨料反应的前提是：混凝土中有足够高的碱
含量、骨料具有较高的活性以及有足够的水分参与。

掺加矿物掺合料可抑制。
耐久性与高性能混凝土
不管是上述哪一种因素主导着混凝土的劣化
过程，其共同点是混凝土体内需有充足的水
分和其他有害物质的侵入。
 为满足耐久性要求，高性能混凝土必须有足
够的密实性并且不出现有害裂缝，以抵抗水
分和侵蚀性介质渗入体内，
 混凝土的抗渗性是衡量其耐久性的最主要指
标。


采用低水胶比和加入矿物掺合料是提高
混凝土密实性的基本途径，也是高性能
混凝土实现高耐久性目标的关键。

较低的水泥用量和用水量，以及加入矿
物掺合料也是避免出现有害裂缝的主要
手段。

高性能混凝土的耐久性还必须有非同一
般的养护措施来保证。
高性能混凝土组成特点
高性能混凝土在配比上的特点是低用水量
(水与胶结材料总量之比低于0.4，或至多不超
过0.45)，较低的水泥用量，并以化学外加剂和
矿物掺合料作为水泥、水、砂、石之外的必需
组分。
高强高性能混凝土实例
中低放射性核废料储存容器用高性能混凝
土。要求：
使用寿命300~500年，
28天劈裂抗拉强度大于5MPa。
配合比与性能

胶凝材料总量550kg/m3


P.O42.5水泥 385 kg/m3


矿渣粉-沸石粉复合掺合料

165kg/m3


水胶比 0.33

砂率 0.44



坍落度 16~18cm
28d抗压强度 >85MPa
28d劈裂抗拉强度 >5MPa
抗渗性 >P40
氯离子渗透电量 <1000库仑
28d收缩 <400micron
抗冻性与抗碳化性良好
中等强度高性能混凝土实例 1
北京东方广场工程用高性能混凝土。
要求：
一次性（不用大修）使用寿命百年以上。
配合比特点：
对于用量最大（ >92%）的C35，C40
胶凝材料总量：420~500 kg/m3
 PO42.5水泥：320~410 kg/m3
 UEA膨胀剂：44~48 kg/m3
 II级粉煤灰：58~90 kg/m3
 水胶比：0.39~0.42

性
能

强度达到并超过设计要求

工作性满足泵送要求（坍落度 >16cm）

体积稳定性好，无碱-骨料反应的危险，抗碳
化性良好（ <1mm），抗硫酸盐侵蚀性良好，
抗渗性优良（ >S30），冻融100次无损伤。
中等强度高性能混凝土实例 2
深圳地铁工程用高性能混凝土。要求：
设计寿命在100年以上。
工程所处环境特点：
沿线地下水位高，含有多种对混凝土有中等
以上腐蚀性的介质。
配合比特点：
对于用量最大的C30
胶凝材料总量：420~440 kg/m3
 PO42.5水泥：150~200 kg/m3
 磨细矿渣粉（比表面积 400~460 m2 / kg）
80 kg/m3
 II级粉煤灰：140~180 kg/m3
 UEA膨胀剂：0~50 kg/m3
 水胶比：0.39~0.42

性
能

力学性能达到并超过设计要求

工作性满足泵送要求（坍落度 >16cm）

水化温升小，体积稳定性好，浆体内pH值大
于12，抗渗性优良（ >P12），抗硫酸盐侵
蚀性良好，氯离子渗透电量 <1000库仑，抗
钢筋锈蚀性优良。
高强混凝土与高性能混凝土的差异

高强混凝土的强度等级等于或超过C60

高性能混凝土不一定必须高强，而强调优良
的综合性能，特别是耐久性。

单纯依靠增大水泥用量，甚至不用任何矿物
掺合料，所配制的高强混凝土很难满足高性
能混凝土的要求。
大掺量矿物掺合料混凝土
是耐久性很好的高性能混凝土
 大量利用工业废渣，减少水泥用量，符合可
持续发展方针。
 主要的矿物掺合料：

磨细矿渣粉
粉煤灰
硅灰

硅酸盐水泥自身的水化硬化特性决定了
单用硅酸盐水泥不可能制备耐久性优良
的混凝土。

由硅酸盐水泥和矿物掺合料组成的复合
胶凝材料可发挥各组分的优点，取长补
短，制备耐久性优良的混凝土：
减少Ca(OH)2量
密实浆体结构
增强界面过渡区
磨细矿渣粉

细度高，活性大，促进早期强度发展；对降
低水化热和减少收缩不利。

适宜的细度，与水泥相当或稍细。

掺量可达70%

已全部被利用
粉 煤 灰

排放量最大的工业废渣，中国的年排量1.4亿
吨，利用率约30%。

火山灰材料

传统观念认为粉煤灰活性低，在混凝土中的
掺量应限制。
低胶比条件下情况有了变化
水化机理——只需有限水化产物
 作用原理——作为微集料

大掺量粉煤灰混凝土逐渐被接受
不含粉煤灰的混凝土将进入博物馆
商品混凝土都包含不同比例的粉煤灰
美国著名的混凝土专家 E.Abdun-Nur说：
在现代混凝土世界中，粉煤灰应象硅酸盐水泥、
骨料、水和化学外加剂一样成为一种基本成分。
加拿大大掺量粉煤灰混凝土
研究成果
W/C
胶凝材料
水泥
矿渣
1
0.28
484 kg/m3 65%
35%
2
0.29
350 kg/m3 43%
3
0.27
488 kg/m3 92%
4
0.27
485 kg/m3 100%
粉煤灰 硅灰
57%
8%
强度与耐久性
10n 后 Cl-
抗压强度（MPa）
渗透性
1d
7d
28d
90d
1n
4n
10n
(库仑)
1
45.6
57.2
63.4
63.3
76.2
97.3
99.8
237
2
7.8
34.0
49.9
82.5
95.6
110
112
0
3
58.4
63.4
66.8
69.1
79.2
87.1
91.2
565
4
41.5
51.4
59.9
75.6
88.2
99.4
102
381
美国佛罗里达运输局的新规范
1
所有处于中等侵蚀性环境中的桥梁混凝土，
包括预应力混凝土，都应使用粉煤灰。
2
粉煤灰替代水泥的比例为18%-22%
3
大体积混凝土中的粉煤灰可达50%
高性能混凝土的制备技术
为了保证混凝土的耐久性，并有利于节约
资源，高性能混凝土在原材料选择、混凝土拌
制、输送和养护各个环节均需采取有别于传统
混凝土的技术。
技术路线

掺用矿物掺和料，降低水泥用量

使用高效减水剂和其它必要的化学外加剂，
降低水胶比和单位体积用水量

优选骨料
普通混凝土高性能化技术途径
普通强度砼（NSC）+矿物
质超细粉+化学外加剂
混凝土高
性能化
高强度砼(HSC)+矿物质超细
粉+高效减水剂
混凝土高性能化的技术途径
掺用矿物掺和料，降低水泥用量


提高混凝土抗化学腐蚀
性
增加混凝土的密实度


改善水泥浆体与骨料间
的过渡区结构
降低水化温升
使用高效减水剂和其它必要的化
学外加剂，降低水胶比和用水量

高性能混凝土的水胶比必须很低，以得到很低的渗
透性；以及使活性矿物掺合料充分发挥其强度效应。

为了获得低水胶比，高效减水剂成为高性能混凝土
必要的组分。
优 选 骨 料

配制高性能混凝土的粗骨料颗粒尺寸必须大
小搭配、即有良好的级配,减少空隙率。

应选用粒径较小的石子。

要选用粒形接近于等径状的石子，控制针、
片状颗粒含量不大于5%。
拌合物的工作度及其测定方法

高性能混凝土拌合物的流变特性
宾汉姆体，需要两个流变学参数来表征，
即屈服应力和塑性粘度。
坍落度试验的局限性
坍落度的大小主要与拌合物的屈服剪应力有
关。
 对于普通混凝土，屈服剪应力和塑性粘度大
体存在线性关系。
 高强和高性能混凝土的组分复杂，其中的化
学外加剂与矿物掺合料对屈服剪应力和塑性
粘度的影响各不相同。

投入高效减水剂可使屈服剪应力急剧
下降，导致坍落度大幅度增加，但塑性粘
度仅有轻微减少；
投入引气剂的效果则相反，对坍落度
影响不很大，而塑性粘度显著降低；
掺加粉煤灰后，屈服剪应力的降低幅
度要大于塑性粘度；
而掺加硅粉后反而使屈服剪应力增加，
坍落度减少。
便于工程现场使用的两种测试方法：
1) 用传统的坍落度筒，测试拌合物的坍落度S
和扩展度D；
2) 用倒置的坍落度筒，测试筒内拌合物自由
下落的排空时间t。
胶凝材料与外加剂的相容性
由于不同品牌水泥所含的矿物成份各不相
同，各种高效减水剂的化学成份也各异，所以
使用前需要对水泥（包括矿物掺合料）和高效
减水剂进行低水灰比（水胶比）条件下的相容
性检测。
相容性好，表示拌合物有良好的流动
性，而且能够在较长时间内保持其流动性，
以满足混凝土拌合物从工厂预拌、运输到
现场并进行浇注成型的整个过程所需。
选用铝酸三钙含量较低（小于8%）且
含碱量也低的水泥效果较好。早强水泥的
铝酸三钙含量普遍偏高、粉磨细度大，用
于配制高强混凝土时容易出现相容性差的
现象。
高性能混凝土的生产
组分多，拌和物粘稠，需用强制式搅拌机。
应延长搅拌时间。
 严格控制各个工艺环节。特别是砂石含水率。
 坍落度损失大是高性能混凝土需要解决的问
题。应控制混凝土入模温度，并严禁在现场
加水。

养护的重要性
养护的作用是保证混凝土有合适的湿度和温
度。
 高性能混凝土需要加强养护已经在学术界形
成共识，但尚需使工程界充分认识其重要性。
 现行的养护制度是针对高水灰比、纯硅酸盐
水泥、无凝结控制外加剂的普通混凝土；已
不能适应高性能混凝土的要求。

高性能混凝土胶凝材料的水化
硬化理论
胶凝材料组成和水胶比的变化，导致高性
能混凝土中胶凝材料的水化硬化过程发生很大
变化，也使高性能混凝土的内部结构发生变化，
并影响到高性能混凝土的施工性能与最终使用
性能。

硅酸盐水泥与矿物掺和料的比例对复合
胶凝材料的水化速率和水化程度的影响

复合胶凝材料的最佳水化程度

后期水化的影响

水化温升
发展我国的高性能混凝土

协作研究与发展

把握方向——高强与普通强度之争

发展新性能测试方法，制订规范
最 终 目 标

随着混凝土的高性能化，高性能混凝土与普通混凝
土的界线将不再存在，我们将为客户提供精心制备
的满足其要求的混凝土。

混凝土不能被继续认为是便宜、低技术的材料，它
也是需要知识和经验的高技术材料。
A. Neville
为了促进人类的可持续发展，混凝土
工业有责任采用新技术，减少温室气体的
排放，减少资源和能源的消耗，综合利用
工业废渣。
高性能混凝土能达到上述目标。