1 普通混凝土的劣化问题引发对混凝土耐久性的新思考
100多年来, 从材料与成分的选择到混凝土拌合物, 从混凝土形成构件到发展它的强度, 人们对混凝土进行了广泛而深入的探索和研究。现如今, 混凝土强度的发展已完全能够满足结构设计的需要。然而, 根据高强混凝土在应用中的实际状况分析, 混凝土质量的劣化问题也逐渐暴露出来, 由此不仅引起了巨额经济损失, 甚至因为结构提前失效而造成了重大安全事故。
据统计, 美国每年用于混凝土工程维护和重建的费用估计将高达3000亿美元;在这些受到不同程度损害的混凝土结构中, 有的使用还不到20年;在英国, 每年用于混凝土工程维护费用为5亿英镑;在南非, 全国每年用于修补和部分重建的费用约为1.2~2.3亿美元;乌克兰境内的切尔诺贝利核电站因混凝土结构提前失效引发的泄漏, 造成了大面积的放射性污染, 生态环境遭受到了很严重的破坏;日本的一些钢筋混凝土桥梁, 投入使用不到20年, 由于碱一骨料反应, 使桥梁遍布裂缝, 失去了使用能力;我国滨海地区的一些钢筋混凝土公路桥, 自1990年左右建成投入使用, 历经10年, 混凝土保护层大片脱落, 钢筋严重锈蚀, 也只好放弃使用。我国50年代所建设的混凝土工程已使用近50余年, 如果我国混凝土工程的平均寿命按30~50年计, 在今后的10~30年内, 为了维修建国以来所建基础设施的费用, 将是极其巨大的。目前, 我国的基础设施建设工作规模宏大, 每年投资高达2万亿元人民币以上, 那么, 约在30~50年后, 这些工程也将进入维修期, 所需的维修费或重建费, 将更为巨大。如今, 混凝土工程耐久性已成为国际工程界关注的重大课题。作为21世纪的混凝土, 除了强度之外, 更应重视的是耐久性问题, 以免除使用过程中巨额的维修和重建费用。
2 高性能混凝土的定义
20世纪90年代出现的高性能混凝土正是根据混凝土耐久性要求而设计的混凝土, 高性能混凝土的出现不仅满足了结构设计要求, 而且符合人类保护自身生存环境的需要。
高性能混凝土一词来源于英文的High Performance Concrete简写为HPC。HPC这个名词的第一次提出, 是在1990年5月, 美国国家标准与技术研究院 (NSIT) 与美国混凝土学会 (ACI) 在美国马里兰州 (Gaithersburg) 城召开的第一届高性能混凝土的讨论会上, 该讨论会将高性能混凝土定义为:靠采用传统的组分和普通的拌和、浇筑、养护方法不可能制备出的具有所要求的性质和匀质性的混凝土。H P C的性能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, 在恶劣的环境下使用寿命长。
高性能混凝土强调的是混凝土的综合性能, 对不同的工程和不同的场合, 对混凝土所要求的性能是不同的, 如有的工程和场合要求高长期的力学性能, 而对于有的工程和场合则强调高早期强度;HPC的定义强调了匀质性的要求, 这是体现现代工程对混凝土品质的高要求, 也就是说, 越重要、质量要求越高的工程, 对HPC匀质性的要求也就越高, 这也是现代化工业生产中普遍对产品质量进行控制的要求在建设工程中的体现。
对于高性能混凝土, 世界上许多国家的学者给予了界定。法国的Y.Malier认为:高性能混凝土的特点在于具有良好的工作性、高强度及早期强度、工程经济性高和高耐久性, 特别适用于桥梁、港口、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构中。美国的P.K.M e h t a和加拿大的P.C.Aitcin及英国的A.Neville认为:HPC除应具有比普通混凝土抗压强度高的特点之外, 还具有高弹性模量、高密实性能、低渗透性以及能抵御多种形式侵蚀的性能, 特别适用于高层建筑、桥梁及暴露在恶劣环境中的结构;日本的OZawa和OKmura认为:HPC应具有高工作性 (高的流动性、粘聚性与可浇筑性) 、低水化热、低干缩率、高抗渗性和足够的强度, 他们强调高性能混凝的施工性能, 混凝土浇注时不受施工好坏的影响, 甚至不需要振捣而达到自密实的状态。
我国科研工作者在高性能混凝土领域也做了大量的研究, 以吴中伟院士及清华大学廉慧珍教授为代表的中国学者对高性能混凝土做出了的如下定义: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。
3 高性能混凝土的技术特征
虽然不同国家不同学者对高性能混凝土有不同的定义和解释, 但共同的观点是:高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计, 并保证拌和物易于浇筑和密实成型, 不发生或尽量减少由温度和收缩产生的裂缝, 硬化后有足够的强度, 内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀性。
先前, 国内外很多学者认为高性能混凝土必须是高强混凝土 (大于C50) , 但从目前已取得的效果以及从工程安全性与安全使用期等要求来看, 高强混凝土却不一定就是高性能混凝土。因为材料的性能除了力学性能之外, 还包括诸如抗渗性、抗腐蚀性、体积稳定性、高填充性和组分不离析等非力学性能, 而单纯的高强混凝土不一定就具有高性能。
吴中伟院士曾提出:“把高强度混凝土认为就是高性能混凝土的观点是不全面的, 因为高强度混凝土也会带来不利于耐久性的因素。”在实际的工程中, 大量使用的钢筋混凝土建筑物, 如低层和多层房屋以及高层房屋的上层构件, 又如海工、水工, 尤其是在不利环境中的结构物、大体积混凝土等, 对强度要求并不高, 但对耐久性的要求却很高, 高性能混凝土恰能满足此要求。因此, 高性能混凝土不只是高强度的, 而是包括各种强度等级的, 其应用范围十分广泛, 这也正是高性能混凝土能成为混凝土的发展方向的重要原因。如果强调高性能混凝土必须在50MPa以上, 则必定大大限制高性能混凝土的应用范围, 大大妨碍了HPC的推广和应用, 更重要的是抑制了HPC向绿色高性能混凝土 (GHPC) 方向的发展, 不能迅速改变水泥混凝土愈来愈沦为而不可持续发展的材料的可怕的前景。但为了保证建设工程在服役期内的耐久性等要求, 高强度的混凝土必须是高性能混凝土, 以防止在混凝土结构在复杂环境下的质量的劣化。高性能混凝土是一个普遍性和特殊性的概念, 区别在于是否需要特殊的防护和处理, 对原材料、混凝土组分等是否有特殊的要求。在某种特定的服役环境中, 能够满足特定的使用功能的任何一种混凝土都应属于高性能的范畴。
混凝土的工作性是高性能混凝土技术特征的另一个重要方面, 良好的工作性是使混凝土质量均匀、获得高性能而安全可靠的前提。没有良好的工作性就不可能有良好的耐久性。例如:不均匀的拌和物 (离析、泌水) 就会造成混凝土分层和不密实, 流动性和填充性不足时还可能造成混凝土中出现孔洞、蜂窝等严重缺陷。工作性对混凝土技术和管理现代化有重大影响。良好的工作性可因操作方便而加快施工进度, 改善劳动条件, 有利于环境保护, 因此, 对工作性应特别重视。工作性的提高会使混凝土的填充性、自流平性和均匀性得以提高, 并为高性能混凝土的生产和施工走向全盘机械化、自动化、计算机控制和机器人操作提供可能性, 这是提混凝土高工作性的又一个重大意义。
4 结语
高性能混凝土因其优异的综合性能必将逐步取代过去的普通混凝土, 可以预想, 21世纪将成为高性能混凝土的时代。
摘要：经过一个多世纪的发展, 混凝土已成为土木工程中最主要、用量最大、应用最为广泛的建筑材料之一, 然而, 根据高强混凝土在应用中的实际状况分析, 混凝土质量的劣化问题也逐渐暴露出来, 由此不仅引起了巨额经济损失, 甚至因为结构提前失效而造成了重大安全事故。高性能混凝土从结构耐久性出发, 保证混凝土结构的力学性能和各项综合性能。
关键词：高性能混凝土,质量劣化,耐久性,技术特征
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