我国混凝土技术发展概述及展望

我国混凝土技术发展概述及展望
摘要： 100多年来，随着混凝土的应用与发展过程的加快，其强度与性能也的不断提高。

按混凝土强度和性能的提高进程，混凝土的发展可以简单地划分成普通混凝土、高强混凝土和高性能混凝土。

要提高混凝土结构的耐久性，延长使用寿命，最重要的是提高混凝土强度和性能，故高性能混凝土成为今后混凝土技术发展的方向。

本文分别介绍了各种混凝土的发展及特点，并对高性能混凝土的进一步研究方向和内容提出了展望。

关键词：普通混凝土，高强混凝土，高性能混凝土，智能混凝土
引言：从1824年波特兰水泥的发明算起，混凝土材料至今已有100多年的历史。

混凝土已广泛应用于土木建筑、交通运输与海洋开发等方面，甚至航天工业也有混凝土的足迹，为人类的文明与建设做出了巨大的贡献。

混凝土在这100多年来的应用与发展的过程，也就是其强度与性能不断提高的过程。

按混凝土强度和性能的提高进程，混凝土的发展可以简单地划分成普通混凝土、高强混凝土和高性能混凝土。

普通混凝土(W/C>0.38)，从水泥水化相图上来看，硬化水泥石中，有水泥凝胶、凝胶水和毛细管水，水泥石中有连通毛细管和界面的水膜层。

这种混凝土的抗渗性低，耐久性差，工作寿命短。

高强混凝土(W/C>0.38)，硬化水泥石中有部分未水化的水泥颗粒和凝胶水，但没有毛细管水。

在界面上，由于Ca(OH)
结晶的积聚和定向排列，对强度、抗
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渗性和耐久性均有很大影响。

ASTMC 1202的导电量比较高。

高性能混凝土(W／C<O．38)，掺入物质超细粉，硬化水泥白结构致密，孔径细化，界面结构改善，具有高的抗渗性、耐久性和强度：ASTMC 1202导电最低丁1000C，约为相同强度等级的高强混凝土的一半。

1普通混凝土
1．1普通混凝土的发展
混凝土是指由胶凝材料将集料胶结成整体的工程复合材料的统称。

通常讲的“混凝土”一词是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料；与水（加或不加外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土，也称普通混凝土。

混凝土中气、液、固三相的比例及空间的相互关系称为混凝土结构。

由于物理化学、物理力学的作用。

引起此三相在数量与形态上的变化而形成一定的空间相关关系的过程，称为混凝土结构形成过程。

我国现阶段普通混凝土技术水平强度等级不大于C40，在我国当前应用约占90％以上。

研究其结构形成和性能特点，进一步改善并提高其性能，对提高混凝土结构工程的质量极为重要。

混凝土的起源，最早可追溯到上古时代埃及人使用不纯的烧石膏（CaSO
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供作建筑工程的粘结材料。

石灰应用于建筑方面则开始于希腊和罗马时代，是将石灰石烧成石灰后，掺砂及水拌混使用。

1796年Parker在英国kentish海岸发现一种岩石，经烧制后可制成上好的水硬性水泥，这种产品当时称为罗马水泥。

1818年法国Vicat以纯净的石灰石与适当比例的土质原料，烧成后可获得品质较为均匀的产品。

1824年英国人Aspdin获水泥产品的首个专利权，因这种粘结材料凝固的颜色与Portland 岩石颇为相似，将其产品命名为波特兰水泥。

1845年Johnson 将Aspdin的产品加以改良，并经多年经验才确立原料配比及煅烧温度，自此近代的波特兰水泥工业开始有了雏形与发展。

20世纪初，有人发表了水灰比等学说，初步奠定了混凝土强度的理论基础。

以后，相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土，各种混凝土外加剂也开始使用。

60年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土；高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土；具有自我诊断、自我调节、自我修复和预报寿命等功能的智能混凝土。

现代测试技术也越来越多地应用于混凝土材料科学的研究。

1．2普通混凝土的技术特点
普通混凝土的性质包括混凝土拌合物的和易性、混凝土强度、变形及耐久性等。

和易性又称工作性，是指混凝土拌合物在一定的施工条件下，便于各种施工工序的操作，以保证获得均匀密实的混凝土的性能。

和易性是一项综合技术指标，包括流动性（稠度）、粘聚性和保水性三个主要方面。

强度是混凝土硬化后的主要力学性能，反映混凝土抵抗荷载的量化能力。

混凝土强度包括抗压、抗拉、抗剪、抗弯、抗折及握裹强度。

其中以抗压强度最大，抗拉强度最小。

混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。

非荷载作用下的变形有化学收缩、干湿变形及温度变形等。

水泥用量过多，在混凝土的内部易产生化学收缩而引起微细裂缝。

混凝土耐久性是指混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力。

包括混凝土的抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。

普通混凝土浇筑成型后，由于重力作用而产生沉降。

粗骨料的表观密度较水泥浆大，会下沉，同时把水泥浆往上挤，最后形成粗骨料在底部，水分与水泥浆浮至上部，称之为外分层，如图1所示。

水分上浮时，在粗骨料的下面停滞不动，形成“水囊”，硬化后形成孔隙，称之为内分层，如图2所示：
图1 混凝土外分层图2 混凝土内分层
由此可见，混凝土浇筑成型后，由于内部水分运动及粗骨料沉降．造成混凝土中出现内分层与外分层；普通混凝土的不均匀结构，是强度低、耐久性差的根本原因。

2高强混凝土
高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰超细矿渣硅灰等矿物掺合料以常规工艺配制的C50～C80级混凝土，是在普通混凝土大量应用的基础上，发展起来的。

二次世界大战后经济恢复，结构向大跨度、高层与超高层的方向发展，混凝土结构也向预应力大跨度与向发展，需要高强混凝土。

在20世纪40年代，由于没有高效减水剂，高强混凝土向低水灰比于硬性方向发展，需要强力振捣。

当时国内外按此工艺浇筑的混凝土强度一般可达50MPa 左右。

20世纪50年代高效减水剂的出现，使高强度高流态混凝上成为新的发展方向。

2．1高强混凝土的结构特点
高强混凝土的W／C低，需要掺入高效减水剂。

硬化后界面过渡层上有大量结晶、钙矾石、C—S—H相及大量孔隙。

Scivener等人测得定向排列的Ca(OH)
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含与不含硅粉的高强混凝土与普通混凝土过渡层的孔隙率在界面过渡层，含硅粉的混凝土孔隙率明显降低，且观察不到孔隙率梯度，不含硅粉的高强混凝土。

过渡层的孔隙率远低于普通混凝土。

高强混凝土作为—种新的建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。

高强混疑土最大的特点是抗压强度高，一般为普通强度混疑士的4～6倍，故可减小构件的截面，因此最适宜用于高层建筑。

试验表明：在一定的轴压比和合适的配箍率情况下，高强混凝土框架柱具有较好的抗震性能。

高强混凝土材料为预应力技术提供了有利条件，可采用高强度钢材和人为控制应力，从而大大地提高了受弯构件的抗弯刚度和抗裂度。

因此世界范围内越来越多
地采用施加预应力的高强混凝土结构，应用于大跨度房屋和桥梁中。

此外，利用高强混凝土密度大的特点，可用作建造承受冲击和爆炸荷载的建(构)筑物，如原子能反应堆基础等。

利用高强混凝土抗渗性能强和抗腐蚀性能强的特点，建造具有高抗渗和高抗腐要求的工业用水池等。

2．2高强混凝土的渗透性与耐久性
用我国目前的抗渗等级法、渗透系数法与渗水高度法等3种渗透性试验方法，是无法获得高强混凝土试验结果的。

高强混凝土在一般水压力作用下，不可能透水，其中抗渗等级法更受设备最大水压(小于4MPa)所限。

对高强混凝土通常按ASTMCl202导电量的高低来判断其渗透性。

高强混凝土的W/C=O．3～0．4时，28 d强度大约为50～80MPa，相应的28d导电量为1 236～2094C，属ASTMC 1202Cl-渗透性中等一低等范围内，比普通混凝土的导电量低，但高于相血强度等级的高性能混凝土。

这是由于高强混凝土界面过渡层的C-S-H相密集且定向排列，以及界面过渡层的多孔结构所致。

有的学者认为“高强混凝上并不一定具有高的耐久性”，其主要原因是由下界面过渡层不良所致。

图3 高强混凝土的界面过渡层形成简图
2．3高强混凝土的优缺点
（1）高强混凝土的早期强度高，但后期强度增长速度比普通混凝土要慢得多；（2）高强混凝土由于强度高，故抗渗、抗冻、抗碳化、抗腐蚀等耐久性指标比普通混疑土都要高，从而可以大大的提高建筑物的使用年限：（3）由于高强混疑土强度高，因此，构件截面尺寸可大大缩小，从而可以改变。

梁柱肥大而不美观的问题，即可以减轻建筑物的自重，还可以增加建筑物的使用面积；（4）由于高强混凝土的密实度好。

抗渗、抗冻、抗压等耐久性指标均优于普通混疑土，因此，高强混凝土除高层建筑工程和大跨度工程外，还可以广泛用在铁路、公路、桥梁(隧道)、海港、码头工程，它耐海水侵蚀和冲刷的能力也大大高于普通混凝土，可以延长使用年限；（5）高强混凝土强度比较高，由于水泥用量大而产生的水化热急剧加大，使混凝土内外温差过高，容易产生裂缝，其次强度越高，干缩也较大，混凝土易脆、易开裂：（6）高强混凝土在低水灰比的情况下，坍落度很小，有时甚至没有坍落度，其成型和振捣特别困难，特别是C80等级以上混凝土，
无法在现浇混凝土施工中广泛运用；（7）绝大部分建筑工地离混凝土搅拌站距离很远，要把混凝土从搅拌站运送到工地上需要很长时间。

混凝土在运输的过程中，其坍落度随时间的增加而减小，如何保证坍落度是发展和使用高强高性能混凝土的一个障碍；（8）高强度混凝土的可泵性比普通混凝土要差：（9）高强受混凝土的养护时间要比普通养护要长一些，最好7—14天。

2．4高强混凝土面临的问题
（1）低水灰比，大坍落度。

高强混凝土一般要求低水灰比，这种低水灰比的混凝土早在60年代末，我国就有过研究与应用，但由于混凝土在低水灰比的情况下，坍落度很小，甚至没有坍落度，其成型和捣实都很困难，无法在现浇混凝土施工中应用。

（2）坍落度损失问题。

现代城市混凝土施工，一般采用预搅或商品混疑土。

施工工地往往与搅拌站相距很远，要把混凝土从搅拌站运到工地需用较长的时间。

混凝土在运输的过程中，其坍落度随时间的增加而减小，这对高强混凝土来说无疑又增加了难度。

（3）混凝土可泵性问题。

泵送混凝土几乎是高层建筑施工的唯一方法。

所以高强和泵送几乎是不可分割的。

所以对高强混凝土要解决混凝土可泵送的要求。

3高性能混凝土
3.1高性能混凝土的定义
高性能混凝土是在高强混凝土的基础上发展起来的。

是近年来混凝土材料发展的一个重要方向。

不同国家，甚至是同一个国家的不同应用部门，对高性能混凝土的定义都有差别。

美国战略公路研究项目(SHRP)对高性能混凝土的定义是：(1)W／C≤0．35；
(2)300次冻融循环，相对动弹性模量不小于80％；(3)浇筑后4h内强度达到21 MPa，24h时不小于34MPa，28d时不小于67MPa。

ACI对高性能混凝土的定义是：易于浇筑捣实但不影响强度；长期力学性能好；早期强度高，韧性好；体积稳定性好；在恶劣环境下长期性能好。

日本学者冈村的观点是：免振自密实混凝土就是高性能混凝土，设计基准强度一般为40～45MPa(相当于我国的C50)。

混凝土材料中除水泥外，还有矿粉、粉煤灰及膨胀剂等。

综上所述，高性能混凝土的W／C<0．38，矿物质超细粉及高效减水剂是高性能混凝土必要组成材料；在施工过程中，高性能混凝土具有良好的工作性，保证施工密实性；硬化后，高性能混凝土具有高的体积稳定性和耐久性。

3.2高性能混凝土的技术特点
高性能混凝士首先必须解决施工问题，混凝土是否轻质、高强、多功能，是否有利于环保、经济、耐久实用等，都属于混凝土的使用性能。

随着混凝土结构
物向大型化、高层化方向发展，现代施工更趋于机械化，任何混凝土都应首先满足建筑施]：要求，因此，现代混凝土具有高流动性是第一位的。

另外，高性能混凝土以满足现代施工要求为条件，以达到使用性能和耐久性要求为目的，包括其他一些水泥基复合材料在内的混凝土，如钢筋混凝土、预应力混凝土、纤维增强混凝土、聚合物混凝土、喷射混凝土等。

高性能混凝土是高流动性的混凝土．同时也是高耐久性的混凝土。

混凝土要实现高性能化，解决问题的关键在于组成材料和工艺过程。

首先，在组成材料和配合比方面，通常使用高性能减水剂和超细矿物掺和料。

高性能减水剂应是性能更好、更能满足实际需要的高效减水剂，即除具有高效减水、改善混凝土孔结构和密实程度等性能外，还能控制混凝土的坍落度损失，更好地解决混凝土的引气、缓凝、泌水等问题。

为改善高强混凝土的结构并提高其性能，10多年前，挪威人在混凝土中掺入了硅粉，使混凝土的强度大幅度提高。

据报道，掺硅粉的混凝土强度可达230MPa。

同时，由于掺入了硅粉，混凝土的界面结构得到了改善，混凝土中水泥石结构也得到改善，抗渗性大幅度提高，ASTMC 1202的28d导电量可降至1 000C 以下。

高性能混凝土具有高强度、高抗渗性与高耐久性。

图4 高性能混凝土的界面过渡层形成简图
3.2高性能混凝土的发展
针对混凝土的过早劣化，发达国家在20世纪80年代中期掀起了一个以改善混凝土材料耐久性为主要目标的“高性能混凝土”开发研究的高潮，并得到了各国政府的重视。

从20世纪80年代开始，各国混凝土结构设计规范中逐渐突出了耐久性设计的考虑，从只重视强度设计向强度与耐久性并重。

进入20世纪90年代以后，混凝土结构耐久性设计方法成为土木工程领域中的研究重点。

针对不同环境类别的侵蚀作用，提出材料性能劣化的理论或经验模式，并据此估算结构的使用寿命，成为发展和研究耐久性设计方法的主流。

目前，高性能混凝土的发展有目前，高性能混凝土的发展有以下几个方向：
(1)绿色高性能混凝土，（2）高强轻质混凝土，（3）纤维增强混凝土，（4）
自密实混凝土，(5)智能混凝土。

4高强轻质混凝土
4．1高强轻质混凝土的定义
高强轻质混凝土是指利用高强轻粗集料(在我国通常称它为高强陶粒)、普通砂、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1 950 kg／m3，强度等级为LC30以上的结构用轻质混凝土，具有轻质高强，脆性较大，低弹性模量，高收缩及高徐变等特点。

从高强轻质混凝土的定义我们可以看出，它除了和普通混凝土一样牵涉到粗、细集料、水泥和水以外，所不同的是还涉及到表观密度(原称容重)的最大限值和最小的强度等级限值。

4．2高强轻质混凝土的优点
(1)轻质高强。

具有更高的比强度高强轻质混凝土的表观密度一般为1560—1950 kg／m3，比普通混凝土减轻了20％一40％，而强度可达到或超过普通混凝土的强度等级。

(2)耐久性能好。

在高强轻质混凝土中由于高强陶粒的多孔性及其粗骨料和水泥砂浆之间过渡区的高品质材料，骨料和水泥浆体之间的弹性协调，其耐久性特别是抗冻性、抗渗性、抗氯盐和海水腐蚀能力等方面均较普通混凝土要好。

(3)无碱骨料反应。

高强轻质混凝土中的高强陶粒表面具有良好的火山灰活性，也是一种碱活性很强的骨料，但因为它的多孔性，可以缓解它和混凝土中碱性物质反应形成的巨大应力，使混凝土结构免遭破坏。

(4)体积稳定性好。

我们对高强轻质混凝土体积稳定性最关心的问题是硬化初期的水化热及收缩变形对混凝土可能产生裂缝的影响。

大量研究表明，虽然在相同水泥用量的情况下，高强轻质混凝土的水化热最高温升比普通混凝土略高，收缩率也比较大，但由于它的多孔性赋予它具有较好的保温、隔热性能，较低的线胀系数和弹性模量，使得它无论是早期水化热引起的内外温差，或是后期混凝土收缩较大引起的温度——收缩应力，都较同条件的普通混凝土低。

4．3高强轻质混凝土的不足
(1)需要采用高强陶粒，并且在要求强度较高时，需要较多的水泥用量，与同体积混凝土相比，价格较高。

(2)用水量、拌和及浇筑都需要更严格的控制，这就要求具有较高施工技术水平和质量管理水平。

这也是目前我国在工程中较少应用高强轻质混凝土的一个主要原因。

(3)高强轻质混凝土的E值抗拉强度较小，所以用于受弯构件时，抵抗荷载变形能力较差，开裂较早。

高强轻质混凝土的收缩、徐变较相同强度等级的普通混凝土大，所以当其应用于预应力桥梁上时，其较大的收缩、徐变将引起较大的
预应力损失。

(4)研究表明，高强轻质混凝土对局部压碎比普通混凝土较敏感。

5纤维增强混凝土
5.1纤维增强混凝土的定义
纤维增强混凝土是纤维和水泥基料（水泥石、砂浆或混凝土）组成的复合材料的统称。

为了改善混凝土的抗拉性能差、延展性差等缺点，在混凝土中掺加纤维，以改善混凝土性能的研究发展得相当迅速。

目前研究较多的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。

在承重结构中，发展较快、应用较广的是钢纤维混凝土。

而钢纤维主要有用于土木建筑工程的碳素钢纤维和用于耐火材料工业中的不锈钢纤维。

用于土木建筑工程的钢纤维主要有以下几种生产方法：（1）钢丝切断法；（2）薄板剪切法；（3）钢锭（厚板）铣削法；（4）熔钢抽丝法。

当纤维长度及长径比在常用范围,纤维掺量在1%到2% (体积分数,本文中的掺量均指体积分数)的范围内,与基体混凝土相比,钢纤维混凝土的抗拉强度可提高40% -80%,抗弯强度提高50%-120%,抗剪强度提高50%-100%,抗压强度提高较小,在0-25%之间,弹性阶段的变形与基体混凝土性能相比没有显著差别,但可大幅度提高衡量钢纤维混凝土塑性变形性能的韧性。

5.2纤维增强混凝土的特点
5.2.1减少塑性裂缝和混凝土的渗透性
试验表明，掺加合成材料纤维的混凝土，明显增加了混凝上旱期抗收缩裂缝和震动引起裂缝的能力。

加入量为0.9kg/m3聚丙烯纤维增大了抗拉强度，这一点特别重要。

因为大部分混凝土裂缝在浇筑后第一个24h内产生，这时混凝土最敏感产生震动裂缝、收缩裂缝和沉陷裂缝。

旱期裂缝一旦发生，会增加混凝土的渗透性，并使使混凝上暴露于易损伤环境的表面增加，这使混凝土旱期老化，并缩短其不少用寿命。

在加州大学伯克利分校和圣荷西州立大学进行板件裂缝试验表明，纤维丝在控制混凝土裂缝的作用甚至在不是很好的养护条件下都十分明显。

试验采用了很多不同原料和配比，而且加和不加纤维掺料两种情况，无一例外，纤维混凝土在抑制裂缝发生方而比无纤维的对比试件要少90%-100%。

混凝土板为无纤维掺加料的试板，2.5h就开始有微细裂缝，大部分裂缝在4h就己出现。

而掺纤维的混凝上板在25h甚至28d后未见裂缝。

对素混凝土和加入不同量纤维的补强混凝上试件的渗透性进行比较，由渗透量表明，在掺加量为0.9593kg/m3时，渗透系数减少33%-44%，而掺加量为1.186kg/m3时，渗透系数减少高达79%。

5.2.2增加抗破损能力
纤维混凝土和素混凝土抗破损能力试验用压力试验机测定。

试件尺寸为525mm×150mm ×150mm，高宽比为3.5:1，以模拟高层建筑的柱子，压力试验机加载速度为0.635mm/min 。

试验结果表明，纤维混凝土试件的压缩变形比素混凝上试件大10%，且并不碎塌，而素混凝上试件在出现第一个裂缝后，很快就碎裂坍塌。

这一纤维混凝土的特性对考虑震动荷载下结构对生命财产的影响是十分重要的。

在混凝上劈裂时，纤维就显露，纤维从混凝上中拉出时，整个长度都和混凝上水泥浆粘结良好。

5.2.3增加抗冲击能力
大不列颠哥伦比亚大学应用山Mincless博士研制的复杂的纤维混凝土抗冲击试验。

结果表明，对有钢筋的梁和无钢筋的粱，加入的纤维束对混凝土有明显增加其能量吸收的作用。

纤维束有两种作用，它们阻止裂缝进一步发展，并在承受应力时，在钢筋周围加强混凝上和钢筋的连结。

当纤维量达0.5%时，对有钢筋的混凝上梁抗冲击能力有明显提高。

6自密实混凝土
6.1自密实混凝土的发展
自密实混凝土这一概念最早由日本学者Okamum于1986年提出来的。

随后，东京大学的Ozawa等开展了自密实混凝土的研究。

1988年，自密实混凝土第一次使用市售原材料研制成功，获得了满意的性能，包括适当的水化放热、良好的密实性以及其他性能。

近20多年来，自密实混凝土在美国、日本、欧洲等发达国家和地区都得到了广泛的应用。

在将自密实混凝土投入到实际应用的同时，工程技术人员还对自密实混凝土的物理化学性能及力学性能进行了研究，研究成果被纳入相应的设计施工指南和手册中。

6.2自密实混凝土的性能特点
与普通混凝土相比，自密实混凝土具有以下性能特点：(1)在新拌阶段，不需人工额外振捣密实，依靠自重充模、密实。

(2)早龄期阶段，避免了原始缺陷的产生。

(3)硬化后，具有足够的抗外部环境侵蚀的能力。

自密实混凝土不需机械振捣，而是依靠自重使混凝土密实。

混凝土的流动度虽然高，但仍可以防止离析。

配制这种混凝土的方法有：（1）粗骨料的体积为固
（2）细骨料的体积为砂浆体积的40%；
（3）水灰比为0.9-1.0；体混凝土体积的50%；
（4）进行流动性试验，确定超塑化剂用量及最终的水灰比，使材料获得最优的组成，这种混凝土的优点有：在施工现场无振动噪音；可进行夜间施工，不扰民；对工人健康无害；混凝土质量均匀、耐久；钢筋布置较密或构件体型复杂时也易于浇筑；施工速度快，现场劳动量小。