高强混凝土进展与应用

高强混凝土应用与研究进展

前言

高强混凝土在我国房屋建筑中的使用比例仍处于非常低的水平。推广应用高强混凝土有利于提高我国混凝土质量的总体水平。通过分析高强混凝土工作学性能、强度与国内外对高强混凝土的应用，了解它的优点和意义。并且从施工技术、结构、经济效益等方面分析高强混凝土存在的问题，指出需进一步深入研究的方向。为高强混凝土这种土木工程材料的科研与工程应用提供了参考意见。

1．高强混凝土的定义

1930年前后，就已经出现了抗压强度为100Mpa以上的高强混凝土。在1966年第五次预应力混凝土国际联盟大会上，阐述了高强混凝土技术的现状，并提出用强度为100Mpa的预应力混凝土结构，有可能比钢结构还要轻。这个报告影响很大，从此高强混凝土的关心就多起来了。

高强混凝土（High Strength Concrete 简称HSC）对于划分高强混凝土的范围，国内外没有一个确定的标准。在国外，规范强度（Mpa）：

美国混凝土协会≥41

欧洲混凝土委员会 50～100

挪威 44～94

芬兰 60～100

日本 50～80

德国 65～115

荷兰 65～105

瑞典 60～80

法国 50～80

随着混凝土技术的提高，现在很多学者认为强度等级不低于C60的混凝土即

为高强混凝土。由于这类混凝土有别于C60以下的普通混凝土，其原材料选择和施工质量控制更为严格，而且受压破坏表现出更大脆性，因而在结构计算和构造方法上与普通混凝土也有所差别。通常还将强度大于C80的混凝土称为超高强混凝土。

从我国现今的结构设计和施工技术水平出发，也考虑到混凝土材料性的变化，一般把强度等级为C50~C80的混凝土称为高强混凝土。【2】这标准与美国混凝土学会（ACI）在1984年提出的高强混凝土定义不相上下。它是用水泥、砂、石原材料外加减水剂或同时外加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料，经常规工艺生产而获得高强的混凝土。

2．高强混凝土的特点

利用高强混凝土的高强、早强及高变形模量的特可以大幅度缩减底层墙柱的截面尺寸并增大建筑使用面积[3],可以扩大柱网间距并改善建筑使用功能,可以加快模板周转并缩短施工工期,可以增加结构刚度、减少高层房屋的压缩量与水平位移，采用高强混凝土之后 ,由于墙柱截面缩小,在保证构件配筋率提高的前提下仍有可能节约钢材,此外还减轻了结构自重和作用于地基的荷载。高强混凝土在受弯构件中也能发挥作用,可以增加梁跨和减薄楼板厚度,并为房屋建筑采用更大跨度的预应力板以及在预应力梁中应用更高强度的钢索提供了可能。高强混凝土有优异的抗渗性能,在遭受侵蚀物质作用的工业厂房、储罐、城市汽车库、海滨设施等建筑工程中也有广泛用途。

如以 C60~ C80 的混凝土取代 C30~ C40的混凝土, 生产钢筋混凝土构件, 可以大大减少混凝土及钢筋用量。经计算表明,高层框架的普通钢筋混凝土柱, 底层体积配筋率高达6%,如果用 C60 的混凝土替代 C30 的混凝土, 每 m3混凝土减少钢筋用量 24kg[4]。由此可见, 使用高强混凝土不但节省了材料, 还大大减轻了结构物自重, 同时对混凝土建筑物的设计与施工将会产生重要的影响。这就充分表明高强混凝土的研究,有其重大的技术经济意义。

但混凝土强度越高，脆性愈显著。在用于钢筋混凝土抗震柱时必须慎用。高强混凝土几乎不透水，当发生火灾时，材料内部的结合水在高温下转变为高压蒸

汽不能逸出，于是造成材料崩裂，防火性能不如普通混凝土。高强混凝土的坍落度损失快、低水灰比，凝固很快，施工技术要求高。

3．高强的应用

高强混凝土具有抗压强度高、抗冲击性能好、耐久性较好等特点，自问世以来，已在高层及大跨度建筑、桥梁工程、防护工程及海工基础等工程中得到广泛应用。高强混凝土甚至动摇了钢结构在超高层建筑中的统治地位，现在世界上最高的建筑已不再是钢结构，而是让位与钢混结构的哈利法塔（828米）。

由于有美国世贸大楼的教训，哈利法塔采用的是钢混结构，而不是单纯的钢结构，目的是为能够承受飞机撞击以及大火的袭击。哈利法塔高度为95m的第26层以下墙壁用C80A混凝土，碎石最大粒径为20mm; 高度为452m的第126层以下墙壁C80混凝土，碎石最大粒径14mm; 高度为570m的第154层以下墙壁用C60混凝土，所有楼层的楼板混凝土均为C50混凝土。

马来西亚吉隆坡的双子塔1483英尺(452米),88层。这两座高楼于1998年完工,也是目前世界上最高的双子楼。采用钢筋混凝土柱-筒体结构，楼层侧为钢-混凝土组合结构，其底部的柱与筒体用C80高强混凝土，往上改用C60混凝土，再高处用C40混凝土。

另外1980年前后铁道部率先建成了我国第一个采用泵送施工的C60级高强混凝土结构——红水河铁路斜拉桥预应力箱梁；但只是到80年代末期,高强混凝土才开始在多、高层房屋建筑中得到应用,其中以辽宁省应用较早,从1988年建成我国第一个采用高强混凝土的房屋建筑——辽宁省工业技术交流馆（共18层，底部12层柱用C60混凝土）以后的短短四五年内，辽宁地区在新建多、高层建筑中应用高强混凝土的就已超过白座，仅材料费用就节约3000万元以上。

4．高强混凝土的研究进展

4.1 高强混凝土收缩及塑性开裂研究

高强混凝土收缩开裂趋势的研究是目前国际混凝土科学研究的热点，也是混凝土工程中迫切需要解决的实际问题。

重庆大学的王海阳较为系统地研究了影响高强早期收缩及其开裂的主要因素，并探讨了改善塑性开裂的措施，取得一些试验结果。

中国建筑材料科学研究院的马丽媛高强混凝土与普通混凝土收缩开裂趋势的不同:并分析了水胶比及各种矿物掺合料对高强混凝土收缩开裂趋势的影响;探索了纤维、膨胀剂、减缩剂对高强混凝土收缩开裂趋势的改善效果。同时也证明了纤维、膨胀剂、减缩剂对高强混凝土收缩开裂都着积极的作用。

4.2 高强混凝土耐火性研究

混凝土是良好的耐火材料,但高温对混凝土材料及结构构件有一系列不利影响,主要表现在:受火过程中,一系列的物理化学变化导致混凝土材料及结构构件材料强度及耐久性降低,构件刚度及承载力减小;温度梯度和骨料与水泥胶体间的热膨胀差异在混凝土结构构件内引起附加应力;混凝土,特别是高强混凝土高温爆裂导致结构构件面层破坏(如隔热防护层、混凝土保护层受损),构件截面尺寸减小,受力钢筋和内部的混凝土直接暴露在高温下,使得结构构件提早破坏。

广东工业大学的李友群，苏健波综述目前高强混凝土的抗火灾高温性能的研究进展，并对聚丙烯纤维、橡胶粉、钢纤维等对改善高强混凝土的高温性能情况进行比较，指出研究中所存在的问题和今后的研究发展方向，对高强混凝土的高温性能研究和应用起到指导作用。

昆明理工大学的刘利先认为对高强混凝土耐火性能的研究还缺乏系统性和深入性,特别是高强混凝土高温后在潮湿环境中,其强度具有恢复功能,可以降低火灾后混凝土结构构件的加固修复成本,具有重大的经济价值和社会意义,很有必要对此进行详细和深入的研究。

4.3 再生骨料高强混凝土研究

近年来，我国工程建设进入高速发展阶段，大量的建筑物因达到使用年限或因老化被拆毁，同时市政工程的动迁及重要基础设施的改造，均产生大量的建筑垃圾，对城市环境造成严重污染。目前处理这些废弃混凝土块的方法有两种:一是作为回填材料简单使用，二是直接运往郊区堆放。可以说废料都没有得到合理的利用。如果能将旧建筑物的废弃混凝土块就地回收，经破碎、清洗、分级后作为骨料再利用，生产再生混凝土用到新建建筑物上，则不仅可以省掉运走废弃混