高性能混泥土在土木工程中的应用

高性能混凝土在土木工程中的应用 作者 余红权

【摘要】：高性能混凝土是对普通混泥土从性能、材料上的改进,所以了解高性能混凝土 在原料的选择、配合比设计、物理力学性能、耐久性、工作性、结构性能以至应

用技术，才能更好地服务于大型建筑的建设中。 【关键词】：高性能混凝土；发展；耐久性；活性细掺料； 外加剂； 集料 ；胶凝材料； 高性能混凝土水灰比；配合设计比；强度；质量；控制；养护等 【正文】：

1. 高性能混凝土（High Performance Concrete）的发展

高性能混凝土是近期混凝土技术发展的主要方向，国外学者曾称之为21世纪混凝

土。挪威于1986年首先对此进行了研究，在1990年由美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土学会（ACI）共同主办的一次研讨会上正式定名。由于高性能混凝土具有综合的优异技术特性，引起了国内外材料界与工程界的广泛重视与关注。十多年来，世界上许多国家相继投入了大量的人力、财力、物力进行该项研究与开发应用，使高性能混凝土技术取得了很大的进展，在原料的选择、配合比设计、物理力学性能、耐久性、工作性、结构性能以至应用技术等方面都取得了既有理论基础又有实用价值的科技成果，内容颇丰，不能一言而尽之。 1.1 国内研究和应用现状

1.1.1 国内研究

1993年，我国国家自然科学基金八五重点项目“高强与高性能混凝土的结构与力学性态研究”正式启动，共投入经费110万元，分别由清华大学、铁道科学研究院、中国建筑材料研究院和重庆建筑大学共同承担。其中，由蒲心诚教授负责的90MPa-110MPa高性能混凝土研制工作，经过多年的研究，研究成功强度等级最高达150MPa的超高强高性能混凝土，研究表明，其流动性良好、耐久性优异，通过收缩补偿，其体积稳定性也很高。

对于国际上近年来出现的RPC，清华大学最早开始研究，随后湖南大学、北京交通大学、东南大学、中南大学等单位也对RPC的配合比、成型工艺进行了系统研究。北京交通大学自1999年以来，对在常规的搅拌工艺条件下矿物掺合料、纤维品种与掺量、养护制度等问题进行了大量的试验研究。在材料研究的基础上，设计了铁路桥梁中常用的T梁、箱梁、槽梁、无配筋RPC200空心板，并将RPC制品应用于实际工程中；重庆大学蒲心诚教授曾用碱矿渣混凝土技术制成了28d抗压强度为100MPa，110MPa，120MPa的UHPC，一年后强度增至132MPa；而湖南大学通过掺硅灰、高效减水剂和钢纤维并加热养护的技术途径配制了抗压强度高达298.6MPa的超高强钢纤维混凝土，这是目前我国超高强混凝土研究的最高强度记录。

1.1.2 国内应用

我国从1992年开始引进UHPC这一概念，在研究中己取得突破性进展。近十年来，UHPC己在很多工程中得以成功应用，例如北京首都国际机场、中华世纪坛、上海南浦大桥、金茂大厦等，并将在今后逐渐代替一百多年来普通混凝土在绝大多数工程中的使用。以下为UHPC在国内应用的部分经典实例。 1.2 国外研究和应用现状

1.2.1 国外研究

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1986年～1993年，法国政府组织了政府研究机构、高等院校和建筑公司等单位，承担了高性能混凝土的研究项目“高性能混凝土2000”，投入研究经费550万美元。挪威皇家科技研究院和工程研究基金持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。日本建设省于1993年～1998年进行了一项综合开发计划“钢筋混凝土结构建筑物的超轻质、超高层化技术的开发”(简称“新RC计划”)。为实施该项研究计划，共成立了五个分科会，其中高强混凝土材料分会由水泥协会、建筑协会建设省研究所、建材实验中心、化学外加剂协会等机构和多所高等院校以及有关公司参加。1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在10年内投资2亿美元进行研究和开发。瑞典在1991年～1997年由政府和企业联合出资5200万法郎，实施高性能混凝土研究的国家计划。

挪威在使用和研究高强混凝土和超高强混凝土方面更是走在世界前列，他们在北海油田的海上钻井平台上，曾进行了立方体抗压强度超过100MPa的超高强混凝土施工，并于1989年就制订和实施了抗压强度高达105MPa的SHPC结构设计标准；前面提到的英国帝国公司与牛津大学合作研制成功的无宏观缺陷(MDF)水泥，其抗压强度300MPa，抗折强度达50MPa-200MPa。近些年来，国际上又出现了活性粉末混凝土(RPC)，其抗压强度已达800MPa。

二十世纪末，法国的Lafarge公司研究成功了一种超高强、低脆性和优异耐久性的新型混凝土——活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)。RPC由石英砂、石英粉、硅灰、水泥、高效减水剂和钢纤维组成，成型工艺与普通混凝土相似，其抗压强度可与钢材相媲美。RPC制作的结构自重与钢结构相当，而造价仅为钢结构的三分之一，应用前景十分广泛。 1.2.2 国外应用

当前，超高性能混凝土除了在实验室进行研究外，也逐步在工程实践中得到应用。90年代，美国、加拿大、日本、挪威、前苏联各国、德国、澳大利亚等，成为应用UHPC最多的国家。美国的芝加哥、西雅图、纽约、休斯敦，加拿大的多伦多，德国的法兰克福等均有多幢UHPC建筑；日本不仅应用UHPC建造高层住宅，而且用其制造预应力混凝土桥梁、预应力混凝土桩、桁架、管、电杆等。目前应用UHPC最好的国家是挪威，其已有C105级超高强混凝土结构设计规范，此为目前世界上强度等级第二高的混凝土结构设计规范(德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级，强度等级为当今世晃之最)。超高性能混凝土在工程实践中已经得到了应用，有代表性的为：法兰克福BFG行政大楼建造并应用了C115的UHPC；1993年美国联邦公路管理局发起了在全国公路桥梁建设中推广应用高性能混凝土的计划，1996年美国公路与运输协会和美国联邦公路管理局联合立了高性能混凝土工作小组，以实施HPC在公路工程中的应用。美国制备了130MPa的高性能混凝土并已应用于高层建筑，美国的P.Mendis还介绍了强度达150MPa的高性能混凝土。

2. 什么是高性能混凝土

高性能混凝土是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土。 3. 高性能混凝土的特点

具体是：

1） 拌合料呈高塑或流态、可泵送、不离析，便于浇筑密实；

2） 在凝结硬化过程中和硬化后体积稳定，水化热低，不产生微细裂缝，徐变小；

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3） 有很高的抗渗性。其中高工作性是高性能政必须具备的首要条件，即高流动性、高抗分离性、高间隙通过性、高填充性、高密实性、高稳定性；并同时具备低成本的技术经济合理性。

4. 高性能混泥土在土木工程中的具体应用（简单列举几项）

4.1 高性能混凝土应用于京津城际铁路（重点介绍）

4.1.1 项目名称：

京津城际铁路高性能混凝土耐久性及其应用技术研究 4.1.2 项目简介：

该项目针对轨道结构形式特点和铁路作用环境类别，以高工作性、高耐久性、高体积稳定性为目标，以低水泥用量、低水胶比、低水化热为原则，以掺加多元化胶凝组分、功能性矿物掺和料及优化粒度分布为技术手段，创新性地提出面向环境作用与轨道结构形式的混凝土制备技术理论。

该项目针对京津地区气候特征、地质条件与原材料情

况，制备出满足设计要求与施工要求的高性能混凝土 (包括轨道板、底座板、箱梁、桩、墩承台等)，并成功应用于京津城际铁路的建设中。

该项目创造性地选择混凝土拌和物为研究对象，建立了混凝土拌和物关键技术参数与不同环境作用下混凝土耐久性指标之间的相关关系，研究确定了影响结构耐久性的混凝土拌和物关键技术参数。

该项目提出了混凝土拌和物水胶比、单方用水量、容重、拌和物温度、原材料物化性能以及混凝土配合比之间的关系函数，确定了混凝土拌和物关键技术参数现场快速检验技术途径，实现了对混凝土拌和物关键技术参数的现场快速检测。

在统计分析、理论剖析、试验研究及现场验证的基础上，该项目结合我国铁路行业混凝土现场质量控制水平及统计分析结果，首次提出了现场混凝土拌和物快速检测结果满足混凝土耐久性设计要求的评定指标。

鉴于铁路工程露天作业的环境特征，在系统研究环境作用下混凝土劣化机制的基础上，该项目针对铁路混凝土工程的五大作用环境，从混凝土结构耐久性三大作用要素(材料、施工及作用环境)出发，建立了基于环境作用的混凝土耐久性评价双指标模型。 4.1.3 项目创新点：

该项目以京津城际铁路无砟轨道为研究目标，以满足设计使用年限与无砟轨道结构特征为前提，根据我国建筑材料特点与铁路工程作用环境特征，研究提出面向环境作用与轨道结构的高性能混凝土设计理论，并将其应用于京津城际铁路的主体结构中。

该项目选择混凝土拌和物为研究对象，

研究结构耐久性与混凝土拌和物之间的相关关系，建立了基于耐久性的混凝土拌和物关键技术参数体系，研发了混凝土质量现场快速检测系统。

该项目从铁路工程露天服役环境特征及混凝土耐久性作用三要素出发，研究提出混凝土耐久性双指标模型，丰富了混凝土基础理论。 4.1.3.1 基础理论

该项目首先提出了面向使用寿命与轨道结构的高性能混凝土设计理论。

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项目技术人员针对设计使用寿命年限、无砟轨道结构形式及轨道结构的受力状态，根据我国混凝土施工水平，确定了不同结构部位高性能混凝土的工作性能、施工方法、力学性能以及耐久性能指标。

其次，该项目提出了环境作用下混凝土耐久性评价的双指标模型。项目技术人员基于不同环境下混凝土耐久性劣化机理、耐久性作用几个要素，从整体论思想出发，通过试验研究、理论模型验证，研究提出了基于铁路作用环境的混凝土耐久性双指标评价模型，为有效、合理地评价混凝土耐久性提供了理论依据。 4.1.3.2 应用基础

在应用基础方面，项目技术人员建立了基于耐久性的混凝土拌和物关键技术参数体系。本项目在研究混凝土拌和物关键技术参数与混凝土耐久性之间相关性的基础上，基于铁路工程常见作用环境，结合耐久性双指标模型，通过混凝土耐久性模型与系统的试验研究，确定了影响耐久性的混凝土拌和物关键技术参数，建立了影响混凝土耐久性的混凝土拌和物关键技术参数体系，为现场快速评价混凝土耐久性提供了控制指标。 4.1.3.3 应用技术

项目技术人员制备出了满足京津城际铁路设计要求的无砟轨道主体结构混凝土，包括满足脱模强度、工作性能 (密实浇注成型、合理拉毛时间)、力学性能、弹性模量与耐久性能要求的高性能混凝土；满足了低弹模高抗裂要求的底座板混凝土以及满足工作性能 (泵送性与密实成型)、力学性能(初张拉、移梁、终张拉)、耐久性能以及温升控制要求 (芯部温度不超过60摄氏度)的箱梁混凝土。

研究提出了基于耐久性要求的混凝土质量现场快速检测技术途径 项目技术人员基于混凝土拌和物关键技术参数之间的关系函数，研发了适合于现场的混凝土质量快速检测系统。混凝土质量现场快速检测系统是一种基于结构耐久性的混凝土拌和物现场快速检测仪。

首次提出了基于耐久性要求的混凝土拌和物关键技术参数的评定指标 项目技术人员在借鉴国内外先进研究成果的基础上，通过对不同水胶比、不同含气量、不同种类混凝土开展了200多组试验室试验以及560多组客运专线铁路现场混凝土的验证试验，并结合现场混凝土质量的数理统计分析、理论分析以及试验研究等结果，首次提出了混凝土拌和物关键技术参数的评定指标。

4.1.4 经济和社会效益

本项目制备的高性能混凝土集功能性、经济性与环保性于一体，每方混凝土约可利用100千克工矿业固体废弃物，减少了堆放工矿业固体废弃物占用土地以及日常管理维护费用。另外，混凝土的材料成本与人工成本较低，每方混凝土综合成本可节省10元至20元。高性能混凝土在京津城际铁路无砟轨道主体结构中的

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应用量达179.6万立方米，在制备出高性能混凝土的同时，消纳工业固体废弃物(粉煤灰、矿渣等)达170多万吨，社会效益、经济效益与环境效益显著。

本项目所提出的基于耐久性的现场混凝土拌和物关键技术参数检测评价技术体系及所研发的混凝土耐久性现场快速检测系统，对于控制现场混凝土质量波动、确保混凝土结构的耐久性、减少混凝土结构后期维护费用，具有重要的工程应用价值和市场应用前景。

4.2 高性能混泥土应用在东海大桥

高性能混凝土胶凝材料（Premixed Blend-Cementing Material for High Performance Concrete，代号PBC）是在前期大量高性能混凝土配制技术研究成果的基础上，经过大量现场试验和施工实践形成的新产品，用其配制的混凝土不仅具有优异的抗氯盐侵蚀性能，而且还具有良好的强度和其它工作性能。该产品已于2003年3月28日通过了

上海市鉴定，与会专家对其给予了高度评价，该产品已先后在东海大桥，洋山港等多项工程中获得了大规模应用，继成功开发“高性能混凝土胶凝材料”之后，为了便于施工管理，2004年开始我院与上海建材集团水泥有限公司合作以特种水泥的形式，开发专门用于配制海工高性能混凝土的“抗氯盐硅酸盐水泥”。通过一 年多的

抗氯盐硅酸盐水泥应用于东海大桥

努力，该项目已全面完成并于今年 2月通过了上海市新产品鉴定，鉴定意见认为处于国内领先水平。抗氯盐硅酸盐水泥通过了洋山港指挥部组织的专家论证，在洋山港二期工程中共用此特种水泥浇筑高性能混凝土构件约

51000 m3，强度，应用情况良好，电通量和氯离子扩散系数均满足设计要求。目前正在进行产品的改进工作，争取在三期工程中，质量

更加稳定，产品进一步系列化，以满足不同构件的要求。现在抗氯盐硅酸盐水泥正在申请专利，并已通过初审。

4.3 高性能混泥土应用于厦门翔安隧道

厦门翔安隧道是我国第一条规模宏大、举世瞩目的大断面浅埋暗挖法施工的海底隧道。全长约9公里，其中海底隧道5.95公里，其中海域段4.2公里。起自厦门岛五通，止于厦门市翔安区西滨，隧道最深在海平面下约70米，工程总投资约32亿元人

民币。隧道分左线和右线双向六车道的行车主隧道和两面三个行车隧道之间一条服务隧道。该海底隧道陆域段地下水丰富且与海水连通，海域段更直接

受海水腐蚀，因此隧道结构防水工程确立了\"多道防水，以堵为主，排放为辅\"的防水原则。初期支护进行注浆堵水加固；在初支和二衬间，铺设无纺布，在无纺布上施作防水板（PVC和ECB）；按模版的长度设分区防水，处理施工缝和变形缝，预埋注浆管；

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墙底设纵向盲管，将水引入侧沟；二衬混凝土自防水，混凝土强度C45，抗渗等级P12，采用双渗高性能混凝土。 4.4 加拉大Sherbrooke人行桥

使用RPC的第一个大型建筑结构是长60.1m，桥面宽4.2m，横跨Mougog河的单跨步行桥。这座桥位于加拿大Quebec省Sherbrooke市，是由美国、加拿大、瑞士、法国共同进行RPC开发的一项试点工程，于1997年11月27日正式开通。当地气候条件恶劣，湿度大，冬季严寒，最低温度达-40℃，雪天须经常洒盐水化冰，对结构的耐久性要求很高，因而使用RPC200进行结构设计。桥的构造由RPC预制梁、预制板和钢管约束RPC组合而成。设计者采用三维空间桁架的设计思想，由预加应力抵抗桁架杆件的主拉应力及上承支撑的挠曲应力；而其他由剪应力和次挠曲产生的拉应力直接由RPC承担。预应力RPC在极大地减轻结构自重的同时，保证了结构的整体刚度。各基本构件均按常规混凝土工艺预制，只有施加预应力所使用的小型锚具是为这项工程特别设计的。该桥建成后至今使用状态良好。这一工程最突出的特点是完全用RPC制造，而未使用传统的受力钢筋，经预制用起重机现场安装。这一设计使得RPC基于密实的微观结构，所具有的优越力学性能得到充分的发挥，从而为RPC提供了广阔的发展空间。 4.5 伊利诺斯州屋盖和Two Union square大厦

美国于2001年在伊利诺斯州用RPC材料建成了18m直径的圆形屋盖，该屋盖未采用任何钢筋，设计中考虑了RPC的延性，直接承受拉、弯应力及初裂应力。现场拼装用时11d， 若采用钢结构，现场拼装则需要35d，因此大大缩短了施工工期。该屋盖因其先进的建筑材料和结构形式获得2003年Nova奖提名。

美国西雅图市的Two Union squar大厦应用了强度高达135MPa的超高强混凝土。该建筑58层，高230.15m，其主要特点是采用了超高强混凝土的钢管混凝土柱子。由于采用了超高强混凝土，整个工程降低结构造价30%，此工程已成为超高性能混凝土用于超高层建筑的范例。

4.6 高性能混泥土应用于武广客运专线

武广客运专线新广州站使用C50高性能混凝土

参考文献：

[1]混凝土质量控制标准

[2]混凝土拌和物性能试验方法标准 [3]混凝土拌和用水—_Jq 63—200 [4] 《混凝土结构设计规范》（GB50010——2002）

[5]混泥土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002 [6]客运专线高性能混泥土过程质量控制 [7]客运专线铁路无砟轨道施工要点手册

[8]JGJ 52-2006 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准

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目录

【摘要】： ........................................................................................................................................ 1 【关键词】： .................................................................................................................................... 1 【正文】： ........................................................................................................................................ 1 1. 高性能混凝土（High Performance Concrete）的发展 ......................................................... 1 1.1 国内研究和应用现状........................................................................................................... 1 1.1.1 国内研究 ........................................................................................................................... 1 1.1.2 国内应用 ........................................................................................................................... 1 1.2 国外研究和应用现状........................................................................................................... 1 1.2.1 国外研究 ........................................................................................................................... 1 1.2.2 国外应用 ........................................................................................................................... 2 2. 什么是高性能混凝土 .............................................................................................................. 2 3. 高性能混凝土的特点 .............................................................................................................. 2 4. 高性能混泥土在土木工程中的具体应用（简单列举几项） .............................................. 3 4.1 高性能混凝土应用于京津城际铁路（重点介绍） ........................................................... 3 4.1.1 项目名称： ....................................................................................................................... 3 4.1.2 项目简介： ....................................................................................................................... 3 4.1.3 项目创新点： ................................................................................................................... 3 4.1.3.1 基础理论 ................................................................................................................... 3 4.1.3.2 应用基础 ................................................................................................................... 4 4.1.3.3 应用技术 ................................................................................................................... 4 4.1.4 经济和社会效益 ............................................................................................................... 4 4.2 高性能混泥土应用在东海大桥 ........................................................................................... 5 4.3 高性能混泥土应用于厦门翔安隧道 ................................................................................... 5 4.4 加拉大Sherbrooke人行桥.................................................................................................. 6 4.5 伊利诺斯州屋盖和Two Union square大厦 .................................................................... 6 4.6 高性能混泥土应用于武广客运专线 ................................................................................... 6

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