特种混凝土详解及重点工程应用

特种混凝土详解及重点工程应用

混凝土，这个星球上用量最大用途最广的建筑材料，大家也许对它熟视无睹。然而，它远非你我想象的那么简单，经过多年的发展和推陈出新，不再是你所了解的那般冰冷坚硬，灰暗乏味。它可以多才多艺，千变万化，平凡中见峥嵘，细微处窥洞天。

高性能混凝土

想必你或多或少地了解和感受到，一方面传统混凝土工业的发展带来了越来越多和越来越严重的环境和社会问题，例如结构劣化、资源匮乏、温室效应、城市内涝等等。另一方面，正如多位业内权威专家预测的那样，混凝土在未来50年内，将继续发挥不可替代的重要作用。

据著名混凝土专家库玛·梅塔（P. K. Mehta）预测，到21世纪中叶，随着全球人口增长速率渐慢，混凝土的年消耗量才有可能减少。在此之前，混凝土的消耗量将继续逐年增长。

这不禁让砂石菌想到了著名的莎士比亚之问：To be or not to be？我们既离不开混凝土带给人类的福祉，又很想摆脱它那些烦人的缺陷。这的确进退两难。

这些新型混凝土或特种混凝土，往往围绕“可持续性”（Sustainability）和“耐久性”（Durability）两大主题做文章。

可持续性”至少包括人、效益和环境三个方面；“耐久性”则主要体现在环境、社会和经济领域。

这里所说的特种混凝土，是指某一方面或某几个方面具有特殊的性质或功能，从而满足特殊工程应用的混凝土。这些混凝土绝大多数是在普通混凝土的基础上，结合新创意、新材料、新技术和新工艺而得到的。显然，这些特种混凝土是技术进步和市场需求的必然结果。

事实上，特种混凝土种类繁多。下面这张表格足以为证。

特种混凝土的种类

上表列出的特种混凝土多达69种，其中主要以水泥为胶凝材料制备的有54种，以其他胶凝材料制备的有15种。这里主要介绍高性能混凝土，所谓高性能混凝土（High Performance Concrete，简称为HPC），通常有“三高”。

正因为这“三高”，使得HPC特别适用于高层超高层建筑、大跨度超大跨度桥梁和设计寿命超长的建（构）筑物。那么HPC的这“三高”是如何实现的呢？可以总结为这么三个方面：

采用低水胶比、增加水泥用量；

大量使用矿物掺合料等超细粉体；

大量使用矿物掺合料等超细粉体。

事实上，要实现前两个方面，必须得依靠第三个方面，因此是关键。同时，也只有降低水胶比，才能使混凝土性能实现质的飞跃。

因此，与普通混凝土相比，HPC的配合比也具有一些特点。下图为真实工程案例：

这是著名的加拿大邦联大桥，建成于1996年， 是北美最大的桥梁工程之一 。该桥大量使用了高性能混凝土建造。该桥的不同部位分别使用了这样三种配合比的HPC：

显然，HPC的水胶比比普通混凝土（通常在0.50以上）低得多，同时掺入了硅粉、粉煤灰和超塑化剂（也就是高效减水剂）。从这三种HPC的性能试验数据来看，“三高”是非常明显的，28d的强度最高达到100MPa，坍落度高达200mm。这样的工程实例比比皆是，又如：

工程应用中的典型高性能混凝土的配合比

注：高性能混凝土在欧美和日本等发达国家发展和应用比中国早，表中4个配合比数据均源自既有真实工程项目（具体见表下注释）。为了不破坏原始数据的完整性和真实性，此处未予翻译。

HPC优异的性能，使得它被迅速应用于工程中。三个众所周知的实例，三峡大坝和杭州湾跨海大桥是中国人的骄傲；哈利法塔是全人类的骄傲，目前还是世界上最高的建筑物。

这些地标性工程都不无例外地运用了HPC。需要强调的是，HPC的“三高”在不同工程应用中，不必面面俱到，可能强调的是某一个方面。例如，三峡大坝的HPC，强调的是高耐久性，因为它的设计寿命是500年；杭州湾跨海大桥坐落于严酷的海洋环境，建造它的HPC必须具有高耐久性；而哈利法塔这样的摩天大楼，则需要利用HPC的高强度优势。

如何事物都具有两面性，我们在利用和鼓吹HPC优势的同时，不要忘了它照样有“短板”，而且这些“短板”同样与前面所说的造就HPC的三个技术途径不无关系。

HPC的主要缺陷是早龄期非荷载因素导致的变形大，容易发生早期开裂，从而影响其“高性能”的发挥。

相对于欧美和日本，高性能混凝土在我国的发展和推广应用起步较晚，但近年来处于快速发展期。特别是2014年，住建部和工信部联合发文，要求推广应用高性能混凝土，加快高性能混凝土的应用基础研究，并把抗裂关键技术纳入主要研究内容之一。

“高性能混凝土” 和“高强混凝土”（High Strength Concrete，简称HSC）这两个专业术语，经常被相提并论，甚至混为一谈。其实二者是有区别的，与高强混凝土单一明确的“强度”属性指向不同，高性能混凝土包含了更丰富的属性内涵。