高性能混凝土的回顾与展望

覃维祖 清华大学土木工程系

摘  要：高性能混凝土（HPC）不是一种特定的混凝土，它的性能是因工程条件、环境条件、施工工艺等的要求而异的。品质稳定的原材料是生产HPC至关重要的前提条件；HPC要具备所要求的性能，必须根据条件的变化，及时改变生产中的参数。应用大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土是发展HPC最可行的途径，不仅能提高混凝土的品质，还能有效地降低生产成本。

关键词：高性能混凝土；高强混凝土；匀质性

                                Review and Looking Forward to High Performance Concrete

                                                       QIN Weizu

Abstract: The high performance concrete is not a specific concrete. Its performance is different according with requirements of various conditions in engineering, environment, and  construction craft. Uniform quality of raw materials is important prerequisite for HPC. Having all required performance, HPC in production must change the parameters in time, however, when change of condition happened. It is the most feasible way of HPC development to use high volume fly-ash concrete, or high volume ground granular blast-furnace slag concret, which can not only increase the quality of concrete, but also reduce the cost of HPC application.

Keywords: high performance concrete; high strength concrete; homogeneity

高性能混凝土（HPC）一词泊来中国至今大约整10年光景，对它进行一番回顾和展望，可能是不无裨益的，本文拟从它的由来和定义，也就是究竟什么样的混凝土才是HPC谈起。

一、HPC的由来和定义

自20世纪70年代起，高效减水剂和硅灰开始用于混凝土。1983年9月，美国的“混凝土国际”杂志刊登了一篇题为“24小时100MPa”[1]的文章，叙述瑞士Sika公司如何通过掺用高效减水剂和硅灰配制出在常温条件下1天抗压强度达到100MPa的混凝土。该文章在全世界引起了轰动，标志着一场混凝土技术重大变革的开始。

当时，美国等许多国家正面临大量基础设施老化的问题，这些设施不少都使用混凝土构件，翻修那些陈旧的混凝土结构物需要巨额资金投入，因此不约而同地认识到：采用新型的混凝土，可能具有显著的经济性。这种共识的结果是好几个国家都将其列为国家级科研项目，例如挪威的高强混凝土（HSC）项目；日本的“利用高强混凝土与增强措施开发先进混凝土技术”（简称“新RC”）项目；法国的“混凝土新法”项目和加拿大政府以开发新型建筑材料、HSC结构设计和开发新的制品与施工技术三部分内容的国家项目。

在美国，当时也已经列有多个有关HPC的研究项目，但是美国原国家标准局，后改为美国国家标准与技术研究院（NIST）感到对HPC的研究尚缺乏全面的规划。为综合HPC的研究进展，建立设计规范以保证安全应用，并维持美国在世界混凝土技术领域的领导地位，因此提出了一项国家HPC计划，并在1990年5月由它和美国混凝土学会（ACI）主办召开了第一次国际HPC研讨会[2]。在这次会议上首次提出了有关HPC的定义：

HPC是具备所要求的性能和匀质性的混凝土，这种混凝土按照惯常作法，靠传统的组分、普通的拌合、浇注与养护方法是不可能获得的。作为例子，所要求的性能可以包括：易于浇注和压实而不离析；高长期力学性能；高早期强度；高韧性；体积稳定；在严酷环境下使用寿命长久。

会议还讨论了一系列发展HPC需要研究的问题，包括原材料与配合比、施工与养护、力学性能与试验方法、耐久性和试验方法、结构性能与设计、标准和验收规范以及克服社会方面的障碍、研究计划的补充等，并且指出：混凝土业通常被称为“低技术”，因此需要把混凝土技术从经验技术转变为具有扎实的材料科学和结构力学根基的技术，这个转变将使混凝土称为可以预测的、性能更为优异的材料。

1998年，美国混凝土学会（ACI）技术委员会对上述HPC的定义进行了修改[3]，虽然内容并没有很大变化：“高性能混凝土——满足特定功能与匀质性综合需要的混凝土。采用普通的组分材料和通常的搅拌、浇注与养护操作，未必能日常生产这种混凝土”，但是将作为“所要求的性能”举例中列出的一些性能从定义中删去，而放到定义后面的注释里。

注释：高性能混凝土的特性，是针对一定的应用和环境所要求的。例如：易于浇注；早期强度；渗透性；水化热；体积稳定性；可捣实、不离析；长期力学性质；密度；韧性；在服务环境中运行寿命长久。

注释随后还有一段话，似乎反映了美国人强调技术的实用性，但也可能还是为了进一步说明定义的实质：高性能混凝土的许多特性是相互关联的，改变其中一个常牵扯到一或多个其他特性发生变化。因此，如果对某一应用提供的混凝土有若干特性必须同时满足，则必须将其中每一项都在合同书上规定清楚。
由此我们可以看出编写定义者们的一番苦心，希望人们能够正确地认识HPC的含义，从而明确努力的方向。

二、对HPC的认识

与会议主办者和定义撰写者不同，很多人将HPC理解为是对高强混凝土（HSC）的补充，必须具备第一次国际研讨会所拟定义上诸多性能的混凝土才是HPC，换句话说，HPC是高工作性、高强度、高尺寸稳定性和高耐久性的混凝土。正因为这个原因，1998年美国混凝土学会技术委员会才对HPC进行了上述修改，但是这次修改并没有引起足够的注意。

HSC（确切地说，是“高早强混凝土”）之所以一出现，立即引起轰动效应，是因为它满足了长期以来人们对于缩短混凝土结构物施工期、尽快交付使用的愿望，同时还带来加快模板周转率，降低模板费用的经济效益。但是由于配制HSC引起水泥用量增多、水化温升加剧，拌合物粘稠、工作度损失快泵送困难，以及水灰比（有掺和料时为水胶比）下降带来自身体积变形增大，早期强度增长迅速引起混凝土体内集聚很大的弹性拉应力，使得各种混凝土结构普遍开裂等一系列新问题，而尤其是开裂现象会严重影响在侵蚀环境中运行的结构物耐久性，所以让人们寄希望于通过发展HPC，来使得上述问题得到解决。

HPC这一概念传入我国，正值基础设施建设的高潮和HSC推广应用时节，因此更加普遍地认为HPC就是“三高”（高工作度、高强度和高耐久性）混凝土。不少人还进一步简化为：掺有高效减水剂和掺合料，工作度满足泵送要求的高强混凝土就是HPC。因为“高尺寸稳定性”和“高耐久性”难以评价，而“高工作性”——大坍落度和高强度的混凝土，用常规方法就很容易检测评价。然而，定义上所说要“具备所要求的匀质性”和“这种混凝土按照惯常作法，靠传统的组分、普通的拌合、浇注与养护方法是不可能获得的”这两段话则被很多人所忽略。

针对国内一些人将HPC看作必须是HSC的说法，已故中国工程院士吴中伟先生曾指出[3]：“建议将HPC的强度下限降低到C30左右，以不损及混凝土内部结构（如孔结构、水化物结构、界面区结构等）为度，以保证其耐久性与体积稳定性。……许多大体积水工建筑、基础等对强度要求不高，但对耐久性、工作性、均匀性、体积稳定性、低水化热等有很高要求，都必须采用HPC。日本明石大桥采用20MPa的HPC是很正确的”。可惜上述论点很少被引用和遵循。

将HPC与HSC等同或者混淆的，在欧美各国都大有人在。但是笔者认为：对此需要具体情况具体分析，不能简单照搬，不能一概而论。欧洲一些人认为HPC只不过是HSC换了一个名词而已，有以下几个原因：

1）他们开发HSC时的出发点主要就是为了提高混凝土耐久性，据最早出版“高性能混凝土”著作的作者——法国的Malie估计，85％以上的工程采用HSC是从耐久性角度考虑的；

2）欧洲在开发HSC过程，混凝土技术已经较为发达，不是像普通混凝土一样，“靠传统的组分、普通的拌合、浇注与养护方法”来制备和施工混凝土的，因此能够“满足特定功能与匀质性综合需要”，因此也符合HPC的内涵；

3）欧洲地区的气候比较适合混凝土在结构工程中的应用——气温不高、湿度较大。混凝土由于干缩、温度收缩等变形受约束产生的弹性拉应力较小，而水胶比较低的HSC或HPC早期产生激烈的自生收缩通过采取措施可以得到有效的控制（例如冰岛建筑研究院在开发HSC时不得不采用当地孔隙率达6～15％的骨料，发现预湿这种骨料的内养护作用恰巧可以有效地克服混凝土的自干燥作用，抑制了自生收缩产生的内应力）。

因此，笔者认为：HPC不是一种特定的混凝土，它的性能是因工程条件、环境条件、 施工工艺而异的。以拌合物的工作度为例，对于不同的施工工艺，“高工作度”的含义就有非常显著的差异。

例如，碾压混凝土——拌合物需要足够地干硬，以支撑非常沉重的振动压实机械不致下陷而正常地行进和工作。

滑模摊铺混凝土（用滑模摊铺机械摊铺路面板）——拌合物需要具备适当的坍落度（2~5cm），使摊铺机正常地行进和工作。

自密实混凝土——拌合物需要有足够大的流动性和粘聚性，在没有外加振捣的条件下能够成型密实。

1998年笔者到加拿大参加“高性能混凝土与活性粉末混凝土”国际研讨会时，主办方加拿大谢尔布鲁克大学安排了一个用碾压混凝土修补路面的演示（见图1、2、3——笔者在现场拍摄的照片）。

该演示确实采用的是HPC，因为：

1）采用碾压混凝土修补路面，可以像摊铺沥青混凝土那样，施工后立即开放交通，以尽量缩短中断交通的时间，这是交通工程翻修时首要的需求。

2）由于在该混凝土拌合物里掺入了特殊的引气剂，很好地解决了在非常干硬拌合物里引气的难题，现场检测数据表明含气量达到5％，有效地保证翻修后的路面可以长期经受撒布化冰盐而不致过早出现剥落。

3）主办方在会上的发言表明[5]：该碾压混凝土的骨料最大粒径才10mm，而水泥用量还不到250kg/m3，用水量仅约100 kg/m3，显然收缩变形会明显减小。

再举一个HPC混凝土满足高早强需要的例子。与著名的法国诺曼底斜拉桥和A13号公路相连的St.Sauveur桥是一座跨度为290m的高架拱桥，为了减小模板的费用，业主对现场预制半拱构件（图4）的生产周期提出要求为1段/2d。因此混凝土早期强度需要满足18h 达到 20MPa。为了满足高早期强度的要求，同时保证混凝土密实而不会开裂，承包商将拌合物的浇注温度降到－5℃，待拌合物在周围环境正温作用下凝固后，再通过模板内预先埋设的加热管用70℃热水使隔热模板里的混凝土升温，促使混凝土强度迅速增长。图5为采用液氮 冷却混凝土拌合物。

三、发展HPC存在问题

由于我国混凝土生产与一些先进工业国还存在很大的差距，因此在发展HPC过程还存在一系列问题，而将HPC与HSC混淆，误认为配制和生产出本来就并不难实现的高早强混凝土，或掺有矿物掺和料的HSC就是HPC了，不顾它们易于在早期出现开裂，影响在侵蚀环境下运行的结构耐久性等问题，这对HPC的正常发展带来很不利的影响，首先需要给以澄清。至于差距，笔者认为主要体现在如下几方面：

1. 原材料的生产与选用

骨料的品质低劣，是制约我国混凝土生产水平提高的瓶颈。我国的粗骨料生产水平至今十分落后，大部分或绝大部分粗骨料仍然是由分散的小采石厂生产，采用落后的颚式破碎机破碎，粒形不好、针片状颗粒多；由于破碎前的表土或夹层土去除需要较大投入，所以破碎后的骨料含泥量通常偏大；除水工混凝土外，水泥混凝土通常采用单粒级粗骨料，其中的5～10mm（甚至5～15mm）颗粒常常空缺，孔隙率大，因此拌和物需要浆体量多，不仅增加了胶凝材料用量，而且混凝土的变形也随之增大，尤其在用于承受动载的桥梁、道路等构件时，对其抗冲击、抗疲劳荷载的能力更加不利。可以这样说，骨料品质低劣与离散性大得不到改观，HPC就不可能实施。然而骨料品质的改善并不是可望而不可及的事，不要说国外，国内的沥青混凝土生产所用骨料的品质和级配就讲究得多。原因呢？通常认为是沥青比水泥昂贵，尽量减小沥青用量是主要出发点。这固然不错，但是从使用性能和耐久性来说，骨料品质的影响也是非常重要的。混凝土用骨料品质的提高，会增加这方面的费用，这是人们普遍的顾虑所在。但是随之而来水泥和胶凝材料的减少亦同样有经济效益。至于目前市场上品质较好的骨料价格偏高的现象，笔者认为它在水泥混凝土中应用的市场发展了，价格就会逐渐得到调整。

在为混凝土工程选用骨料时，目前也还存在一些误区，例如特别关注的是骨料的压碎强度高低。许多学校的教科书和专著中，仍然沿用骨料压碎强度应为混凝土强度1.2～1.7倍，尤其是在配制HSC时，更是将压碎强度作为主要的取舍指标，四处寻找压碎强度尽量高的骨料，而骨料的其他许多重要品质参数，如粒形级配、线胀系数、弹性模量等则很少考虑。笔者认为，上述骨料与混凝土强度的比例要求，对中低强度等级混凝土只针对软弱颗粒而言，即使在配制HSC时，也主要从适当减小最大粒径等角度考虑，我们曾用筒压强度仅14MPa的轻骨料就配制出28d抗压强度80MPa的混凝土，这一事实是更加雄辩的证据。

很多人在和国外的混凝土相比较时，总是感叹我们的水泥、外加剂、掺和料等原材料质量不如别人。实际上，近些年来各种原材料，主要是外加剂和掺和料的品质已经有很大提高，例如新建发电厂排放的粉煤灰，烧失量大幅度地降低；一些高效减水剂的减水率也和国外的相差无几。而原材料品质的波动显著，才是我们最薄弱的环节。粗骨料的生产如上所述，其品质波动自不用说；其他原材料，例如河砂，许多地方都是直接从河床抽吸到船上就交付给用户。笔者在深－汕高速公路的现场就发现：不同批次砂子的细度模数差异竟超过了0.5；水泥厂，即使是很大的水泥厂，出厂产品的波动也很惊人，甚至同一水泥厂不同批次的产品离散性也会很大。国外的外加剂产品要比我们的贵得多，尚能占领了一片不小的市场份额其原因就是品质稳定。

2. 混凝土的生产

原材料的品质波动，在很大程度上制约了混凝土生产质量的稳定性；而混凝土生产过程缺乏产品质量稳定性的意识，在生产厂建设过程不考虑均化设施，例如粗骨料的分级堆存和计量、粗细骨料的洗筛与遮挡、水泥与掺和料的倒库等，以及在选择原材料时忽视其品质的稳定性，则是进一步造成其波动显著的原因。诚然，建设均化设施需要增加投入，乃至增加生产成本，但是产品品质的稳定会带来显著的技术和经济效益，也是毋庸多说的。

根据笔者的理解，第一次国际研讨会上提出的定义中所说，靠传统的组分不可能制备HPC，这里并非是指需要采用特殊的原材料组分，然而，品质波动大的原材料肯定生产不了满足匀质性需要的混凝土产品，可见品质稳定的原材料对生产HPC是至关重要的前提条件。

HPC要具备所要求的性能，因此混凝土生产过程另一个至关重要的问题，就是必须根据条件的变化，及时变化生产中的参数。举个例子，今年5月笔者得知某地一工程浇注了三块底板，前两块均正常，然而第三块混凝土浇注后十多天还未凝固。笔者分析并随后得到证实：突然来的寒流——降温10℃，引起一系列的连锁反应——各原材料组分温度随之降低，水泥的水化速度减慢、运到现场的拌合物温度明显下降，于是对温度十分敏感的，掺有缓凝剂的拌合物凝结时间发生急剧的变化。以上例子再一次说明：仅在实验室条件下配制出来的混凝土，即使进行了很全面的试验，也难以表征它是否HPC。

3. 混凝土施工

HPC一般都掺有高效减水剂，水灰比（水胶比）可以大幅度降低，拌合物具有较好的粘聚性，在运输和浇注过程不易离析，且要比干硬混凝土易于捣实，这是HPC工作性的一些优点。但是事物总是一分为二的——有利必有弊，表现在以下几方面。

1）因为比较粘，用“普通的”拌合设备就难以搅拌均匀，目前大部分试验室仍使用的立轴强制式（或自落式）搅拌机就更不用说了， 所以需要采用先进的搅拌设备，例如逆流式或行星式搅拌机，否则不得不放大水灰比（水胶比），不仅增加胶凝材料用量，而且获得不了粘聚性良好的拌合物。

2）因为比较粘稠，用插入式振捣棒捣实时振动作用的衰减会加剧，明显增大了适当振捣的困难——容易出现漏振或过振现象，而且在振捣过程还容易出现局部离析现象——振捣棒拔出时所造成。

3）在水灰比（水胶比）降低、泌水减少的同时，混凝土表面向外蒸发的水分得不到补充，塑性收缩开裂的现象随之加剧，因此及早开始覆盖和湿养护非常必要。正确的养护方式，是覆盖湿麻袋或其他保湿物品，并不断喷雾，借助水分蒸发以尽量降低混凝土的温峰，防止早期开裂。当环境温度与混凝土温度相差较大时，需要在温度检测表明混凝土达到温峰以后，撤去湿麻袋并铺设塑料膜或其他保温材料，以减小降温阶段其体内外的温差。在混凝土升温阶段覆盖塑料膜或浇水养护，以及盲目延长浇水时间作为“加强养护”的做法，都是错误的，不仅白白浪费大量净水，而且会加剧混凝土的开裂。

四、展望HPC的前景

任何新技术、新材料的发展，都需要经历漫长的、反复的过程，需要克服的诸多障碍中，首先是人们的观念和认识。当前我国正处于基础设施建设的高潮，对于HPC的发展应该是一个难得的机遇。

当然，任何发展迅速的新技术，都必定给相关的业界带来显著的效益。Mehta在几年前预见[6]：大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土将会给混凝土业带来巨大的影响和冲击。笔者认为：应用大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土发展HPC是最可行的途径，因为它不仅能够提高混凝土的品质，还能有效地降低生产成本。在人们对发展HPC取得共识的基础上，注重骨料品质的提高，并将大掺量粉煤灰混凝土和大掺量矿渣混凝土恰当地用于我国的基础设施建设，这不仅有利于混凝土业的可持续发展，同时对整个国民经济建设的可持续发展都会发挥一定的促进作用。

参考文献

[1] Theodor A.Bürge., 14000psi in 24hours. CONCRETE INTERNATIONAL. Sept, 1983.

[2] N. J. Carino and J.R. Clifton. High Performance Concrete: Research Needs to Enhance its Use. Concrete International. Sept 1991.

[3] H.G.Russell.  ACI Defines High-Performance Concrete.  Concrete International. Feb 1999.

[4] 吴中伟   绿色高性能混凝土与科技创新  建筑材料学报 1998年第一期（创刊号）。

[5] E. Ouellet, J. Marchand, L. Boisvert and M. Pigeon. Mechanical Properties of High-Performance Roller-Compacted Concrete for Pavement Construction. Inter. Symposium on HPC and RPC. 1998.

[6] P. K. Mehta. Advancements in Concrete Technology.  Concrete International. June 1999.

已投稿《建筑技术》杂志，刊登在2004年第1期上。