摘要：本文主要介绍了高性能混凝土发展的历史背景及目前国内外的研究现状，阐明了高性能混凝土的特性，由于影响高性能混凝土性能的因素很多，本文结合工程实践应用，从原材料、配合比设计、生产施工技术等技术环节出发，初步探讨了高性能混凝土的配制施工技术，探讨研发绿色混凝土的必要性，并对高性能混凝土的发展趋势作出展望。
关键词: 高性能混凝土,原材料,配合比,质量控制,绿色混凝土
一、高性能混凝土产生的背景和研究现状
（一）背景
传统的混凝土已有近200 年的历史，是近代使用最广的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。据不完全统计，世界水泥产量已超过13亿吨，折合混凝土不少于40亿立方米。水泥混凝土与其他常用建筑材料如钢铁、木材、塑料等相比，生产能耗低、原料来源广、工艺简单，因而生产成本低，并具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。近百年来，混凝土的发展趋势是强度不断提高。30年代平均为10 MPa，50年代约为20 MPa，60年代约为30 MPa，70年代已上升到40 MPa，发达国家越来越多地使用50 MPa以上的高强混凝土[[1] 廉慧珍，阎培渝．21世纪的混凝土及其面临的几个问题][1]。
随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。这些混凝土工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇筑时不产生缺陷，更要耐久性好，使用寿命长。
混凝土作为用量最大的人造石，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。实践证明绿色混凝土可以彻底解决城市垃圾和污泥问题，是保护生态环境，实现零污染最为有效的途径。[[2] 张射墟，黄祖华．生态水泥的特性与应用[J]．中国建材，2002，(1)：36－37
][2]
因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。因此，对高性能混凝土需要进一步的研究。
（二）研究现状及发展方向
20世纪60年代开发应用高效减水剂后，使混凝土技术进入了高强度与高流态的新领域；20世纪90年代的粉体工程，进一步使混凝土进入了高性能时代。我国近年来在铁路、公路、桥梁建设中、高层建筑及机场建设等工程中已广泛应用C60高性能混凝土；C80混凝土也在工程中试点应用。在国际上强度为90MPa、100MPa、110MPa、120MPa，甚至大于150MPa、200MPa的高性能混凝土，在工程中都获得了应用。然而工程经验证明，许多工程如桥梁、道路、海港和污水建筑物混凝土结构的过早破坏，其原因不是强度不够，而是耐久性不足。由于修复损坏的混凝土建筑物的费用昂贵，如以美国为例，每年劣化混凝土的维修费用达2000亿美元之多，这使很多设计者意识到混凝土耐久性的重要性。人们开始考虑能否采用使用年限较长的高性能混凝土结构，例如使用年限不是30～50年而是100年。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。进入20世纪90后代以后，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。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)超高性能混凝土
(3)智能混凝土
二、高性能混凝土的性能研究和应用分析
（一）高性能混凝土的概念
高性能混凝土是近20余年发展起来的一种新型混凝土。欧洲混凝土学会和国际预应力混凝土协会将HPC定义为水胶比低于0.40的混凝土；在日本，将高流态的自密实混凝土（即免振混凝土）称为HPC；中国土木工程学会将HPC定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。虽然在不同的国家，对HPC的理解有所不同，但是他们的基本点都是高耐久性，这方面的认识是一致的。
（二）高性能混凝土的性能特点
耐久的混凝土必须能抵抗风化作用、化学侵蚀、磨耗和其他破坏过程，这表示高性能混凝土不仅应有高强度，而且应具有高刚度，体积变化小，实际上不透水，氯离子难以渗透，高弹性模量，收缩徐变小，热应变小等特点。因此，高性能混凝土在组成和结构上与普通混凝土应有所不同，首先应具有以下结构特点[[3] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.][3]：`
(1)孔隙率很低，而且基本上不存在大于100nm的大孔；
(2)水化物中Ca(OH)2含量减少，C-S-H和Aft含量增多；
(3)未水化颗粒多，未水化颗粒和矿物细掺料等各级中心质效应增多，中心质网络骨架得到强化；
(4)界面过渡层厚度小，并且孔隙率低， Ca(OH)2数量减少，取向程度下降，水化物
结晶颗粒尺寸减少，更接近于水泥石本体水化物的分布，因而得到加强。
其次，高性能混凝土的配制特点是低水胶比、掺加高效减水剂和矿物细掺料，故从组成和配比来看，高性能混凝土还应具有以下特点:
(1）水灰比（W/C）≤0. 38
按照Rüch提出的相图[[4] 冯乃谦编著.高性能混凝土[M].北京: 中国建筑工业出版社，1996.][4]，当水灰比>0.38时，水泥全部水化后，水泥石中含有水泥凝胶、凝胶水、毛细水和空隙。而毛细水在混凝土中是可以扩散渗透的，也就是说，W/C>0.38时，混凝土中有毛细管存在，抗渗性降低，耐久性降低。所以配制高性能混凝土时，水灰比不应大于0.38。
(2）高效减水剂是降低混凝土中水灰比的必须材料，也是高性能混凝土不可或缺的组分。为使混凝土具有良好的工作性能，高效减水剂除了具有高的减水率外，还应具有有效控制塌落度损失的功能。
(3）矿物掺合料是高性能混凝土的功能组分之一，它可以填充水泥的空隙，在相同的水胶比下，能提高流动性，硬化后也能提高强度。更重要的是能改善混凝土中水泥石与集料的界面结构，使混凝土的强度、抗渗性与耐久性均得到提高。
(4）对高性能混凝土有抗冻或其他要求时，应掺加引气剂，以及其他有关的外加剂，如阻锈剂等。
三、高性能混凝土质量与施工控制
（一）高性能混凝土原材料及其选用
1.细集料。细集料宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的天然中、粗河砂,其质量要求应符合普通混凝土用砂石标准中的规定。配制C50～C80的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.3的中砂,对于C80～C100的混凝土用砂宜选用细度模数大于2.6的中砂或粗砂。
2.粗集料。高性能混凝土必须选用强度高、吸水率低、级配良好的粗集料。宜选择表面粗糙、外形有棱角、针片状含量低的硬质砂岩、石灰岩、花岗岩、玄武岩碎石,级配符合规范要求。最大粒径不应大于25mm,以10mm～20mm为佳。
3.细掺合料。配制高性能混凝土时,掺入活性细掺合料可以使水泥浆的流动性大为改善,空隙得到充分填充,使硬化后的水泥石强度有所提高。
4.减水剂及缓凝剂。由于高性能混凝土具有较高的强度,且一般混凝土拌合物的坍落度较大(15～20㎝左右),在低水胶比(一般＜0.35)一般的情况下,要使混凝土具有较大的坍落度,就必须使用高效减水剂,且其减水率宜在20﹪以上。
5.矿物掺合料。(1)粉煤灰,粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细微粉末,又称“飞灰”(Fly Ash),其颗粒多呈球形,表面光滑。 (2)硅粉(Silica Fume,简写SF)又称硅灰,是从生产硅铁或硅钢等合金所排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘。结合应用减水剂,可使混凝土各方面的物理力学性能都得到显著提高。
（二）高性能混凝土的配合比设计
1．高性能混凝土配制目标和影响因素
（1） 耐久性：如前所述，HPC配制的目标主要是耐久性，由于大多数造成混凝土劣化的物理或化学侵蚀都是有害介质通过水的浸入而发生的，所以低的渗透性是混凝土的第一道防线。影响混凝土渗透性的主要因素是拌合物的均匀性、稳定性，以及硬化混凝土的密实度、中心质网络的形成、界面结构、 尺寸稳定性和所用原材料的品质等。
（2）强度：由于具有减少高层建筑柱和大跨度桥梁等构件的断面、降低结构物自重、扩大使用面积等优势，在允许减小断面的部位，应尽量提高混凝土的强度。目前，结构设计中对混凝土的要求仍以抗压强度为主要指标，因此混凝土配合比可见的设计依据首先也还是抗压强度。影响强度和密实度的主要因素是水胶比和矿物掺合料的用量，同时受界面的影响，粗集料的粒径、砂率和浆体数量也会对强度有所影响。
（3）工作性：HPC的工作性很重要，是保证混凝土浇筑质量的关键。HPC应具有高流动性、可泵性，拌合物应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性，同时为了保证施工质量，在配料时还应考虑减少流动性损失。影响HPC拌合物工作性的主要因素有水泥浆用量（涉及水胶比、胶凝材料用量及砂率等）、集料级配、外加剂品种及其掺量等。
2．高性能混凝土配合比设计
根据高性能混凝土的特点，在配合比设计时应遵循以下法则：
（1）灰水比法则：混凝土的强度与水泥强度成正比，与灰水比成正比。灰水比一经确定，不能随意变动。这里的“灰”包括所有胶凝材料，也可称为胶水比。
（2）混凝土密实体积法则：可塑状态混凝土的总体积为水、水泥（胶凝材料）、砂、石的密实体积之和。这一法则是计算混凝土配合比的基础。
（3）最小单位用水量或最小胶凝材料用量法则：在灰水比固定、原材料一定的情况下，使用满足工作性的最小加水量（即最小的浆体量），可得到体积稳定、经济的混凝土。
（4）最小水泥用量法则：为降低温升，提高混凝土抵抗环境因素侵蚀的能力，在满足混凝土早期强度要求的前提下，应尽量减少胶凝材料中的水泥用量。
3．高性能混凝土配合比参数的选择
高性能混凝土的配合比参数主要有水胶比、浆集比、砂率和减水剂用量。
（1）水胶比：水灰比（或水胶比）不仅极大的影响混凝土的强度，同时会极大的影响混凝土的抗渗性能和耐久性，水灰比大的水泥石的毛细孔隙较大，渗透性增加，耐久性降低。《普通混凝土配合比设计技术规程》[[5] JGJ 55-2011，普通混凝土配合比设计规程，中国建筑工业出版社，2011][5]中由于对耐久性有要求，规定了最大水灰比与最小水泥用量。对于高性能混凝土，为达到低渗透性以保证混凝土的耐久性，其水灰比不宜大于0.35～0.40。有研究表明，硅酸盐水泥水化时，结合水约占水泥重量的22%，即在目前所用水泥和高效减水剂的条件下，采用普通的拌合、浇筑和养护技术措施，最佳水灰比约为0.22。水灰比小于0.22，则水泥石达不到足够的密实程度，因此高性能混凝土的水灰比取值范围应为0.22～0.35。如陕西钟佳墙采用0.236的水胶比，掺加Ⅱ级粉煤灰配制出C80的泵送达流动性混凝土[[6] 钟佳墙，刘凯等．Ⅱ级粉煤灰在C80泵送大流动性混凝土中的试验研究[A]．第三届全国商品混凝土大会论文集[C]，2006][6]。
（2）浆集比：水灰比确定以后，胶凝材料总量就反映了水泥浆和集料的比例，即浆集比。试验证明，HPC中水泥浆/集料的体积比宜为35/65。即为保证混凝土具有良好的流动性，要求有较大的胶凝材料总用量，但随胶凝材料用量的增加，混凝土的弹性模量会有所下降，混凝土的收缩也会有所增加。根据经验，HPC的胶凝材料总量以不超过550 kg/m3为宜，并随混凝土强度等级的下降而减少，但最少不能低于300 kg/m3。
此外由于水灰比较低，水泥用量较高时，高性能混凝土会有较高的水化热，温升较高，容易引起体积变形，产生温度裂缝。因而从技术性能与经济上考虑，需要掺加辅助胶凝材料，以减少混凝土的温升和干缩，提高抗化学侵蚀的能力，增加密实度，并降低成本。一般以10%～30%的辅助胶凝材料取代水泥，可以单独掺加硅灰、矿渣、粉煤灰，也可以掺加硅灰与粉煤灰或硅灰与矿渣的混合物。
（3）砂率：在水泥浆量一定的情况下，细集料对混凝土配合比的影响比粗集料更为显著，重量一定时，细集料的表面积比粗集料大得多，所有集料的表面都需要有胶凝材料浆体包裹，因而砂的颗粒级配以及砂率的大小均对浆体的需要量有直接的影响。高性能混凝土胶凝材料用量较大，若细集料用料较少，粗集料用量较大，则可以减少浆体用量，比较经济，也可以获得较高的强度，故在和易性能满足施工要求的条件下，可以选择较小的适宜的砂率。P.K.Mehta认为[4]，应用适当的粗集料，水泥浆/集料的体积比为35/65的条件下，可以制造出尺寸稳定性好的高性能混凝土，在粗集料最大粒径为12～19mm时，推荐的砂率为36%～39%。通过对国外典型工程和实验室配合比的统计，发现对于28d抗压强度为60～120的高性能混凝土，砂率大多在34%～44%范围内；当强度在80～100之间时，砂率主要集中在38%～42%之间；且随混凝土强度的增高，砂率呈减少的趋势。如内蒙古杭美艳采用0.36的砂率，掺加650㎡/kg的超细矿渣配制出C80的高性能混凝土[[7] 杭美艳，赵根田，高春彦．用超细矿渣微粉配制C80混凝土的研究[J]．混凝土，2007:55-57][7]。
（4）减水剂掺量：在上述低水灰比的条件下，要拌制高施工性能的混凝土是十分困难的，必须要应用高效减水剂。高效减水剂具有较强的分散作用，其减水率可以高达30%以上，在水泥用量大或水泥颗粒相对较细时，分散作用更为显著。高效减水剂的掺量一般以水泥质量的1.0%左右较为适宜，或者掺加0.8%～1.0%的高效减水剂和0.2%左右的木质素磺酸钙，以适当控制混凝土的坍落度损失。当胶凝材料用量较大时，高效减水剂的掺量需要增加。
(三)高性能混凝土的施工控制
如果材料选择与配合比设计正确，高性能混凝土的耐久性在很大程度上决定于施工质量是否优良，混凝土的制造和施工决定了混凝土的性能。加料顺序正确，拌和彻底、均匀、运输与搬运过程混凝土拌合物不离析、振捣密实、养护充分等均是保证高性能混凝土质量的重要因素。
高性能混凝土可以应用普通混凝土的施工设备进行施工，但其施工质量控制应该更加严格，配料计量误差要在允许的范围之内，原材料质量变化的检查次数要增加，混凝土的拌和要彻底均匀，应保证新拌混凝土具有良好的施工性能。HPC特别强调的一个方面就是应具有适宜的和易性以保证满意的浇筑质量，为利于浇筑，HPC通常需要较大的，如10～20cm的坍落度。但由于HPC胶凝材料用量大，水灰比较小，混凝土拌合物比较粘稠，坍落度损失较快，如果坍落度损失过大将不利于混凝土的浇筑、密实和均匀化，影响结构整体质量。因此，在高性能混凝土施工过程中除要求高效减水剂具有良好的控制塌落度损失性能外，还应特别注意施工组织安排，尽量减小混凝土塌落度损失。
此外，由于高强和高性能混凝土均有较高的水化温升，根据混凝土成分和环境条件的不同大约在浇筑后24～48h到达最高温度，所以HPC施工一般不应过早拆模，同时拆模后不宜立即移走模板，应持续保护几小时，以避免冷击。同时，正确的抹面和水养护是获得不透水表面的重要步骤[[8] 张传仓，杨利民等．大体积混凝土测温技术工程实践应用[J]．混凝土，2007（4）:101-102][8]，对于低水灰比的HPC，不仅需要保持内部水分不蒸发，还要注重从外部环境中补充水分，应进行外界潮湿养护，以保证混凝土充分水化，提高混凝土的综合性能。
四、高性能混凝土的特点
（一）高耐久性能
高性能混凝土的重要特点是具有高耐久性。由于高性能混凝土掺加了高效减水剂,混凝土中骨料与水泥石之间的界面过渡区孔隙能得到明显的降低,而且矿物质超细粉的掺加还能改善水泥石的孔结构, 使其≥100μm的孔含量得到明显减少,矿物质超细粉的掺加也使得混凝土的早期抗裂性能得到了大大的提高。
据清华大学赵铁军、童良等学者的研究成果显示[[9] 赵铁军．高性能混凝土的渗透性研究[D]．[博士学位论文]．北京：清华大学，1997][9][[10] 童良．混凝土中碱――集料反应研究[R]．[博士后研究工作报告]．北京：清华大学，1996][10]，高性能混凝土可保证下列安全使用期(以混凝土材质变化为主要因素)：
正常环境中：200年；重要建筑物在不利环境中：100年(英国海港―油田平台、明石大桥)；特殊用途：300年(法国核废料贮罐设计)；钢筋混凝土预期可能：500年(日本正在研究中，完全可能)。
（二）高工作性能
高性能混凝土具有良好的流变学性能, 高流动性,不泌水,不离析,能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性,对于某些结构的特殊部位(如梁柱接头等钢筋密集处)还可采用自流密实成型混凝土,从而保证该部位的密实性,这样就可以减轻施工劳动强度,节约施工能耗。
五、研发绿色高性能混凝土的必要性
1990年美国首先提出了高性能混凝土HPC，得到了世界各国和专家的认可，法国政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等单位开展了高性能混凝土的研究。在我国最早提出绿色高性能混凝土概念的是吴中伟院士，他指出混凝土能否长期作为最大宗的建筑结构材料，关键在于能否成为绿色材料。绿色混凝土是混凝土的发展方向。[[11] 吴中伟．高性能混凝土――绿色混凝土[J]．混凝土与水泥制品， 2000，(1)： 3－6
][11]水泥和混凝土堪称为世界上耗用量最大的材料，在我国尤其如此。我国人多地少，资源缺乏，同时也是世界上能源消耗的大国，以水泥和混凝土为例，我国水泥的年产量大约9亿吨，占世界水泥产量的三分之一，混凝土产量约12亿m³，世界混凝土年产量大约30亿m³，混凝土的大量使用，需要大量水泥，水泥的生产又极大地影响了环境，直接影响子孙后代的生活，所以绿色高性能的发展是势在必行。绿色高性能混凝土的研究及使用，既保护了环境，又提高了混凝土的性能。以粉煤灰为例，现已研发与使用的绿色高性能混凝土，绝大部分把粉煤灰作主要掺料，粉煤灰是工业废料，如不很好利用，会对环境造成二次污染，在绿色高性能混凝土中采用粉煤灰，既解决了二次污染，又降低了混凝土的成本，同时提高了混凝土的性能，主要表现在提高了混凝土的耐久性和工作性。1991年美国在提交国会《国家公路与桥梁现状》的报告中指出，为了修理或更换现已存在缺陷的桥梁，需投资91亿美元，如拖延维护进程，费用将增至1310亿美元，美国每年用于混凝土维修的费用大约300亿美元。我国是发展中国家，在工程建设中基本没有维修费用，工程费用主要在新建工程，站在历史的角度，站在发展的角度，研究混凝土高性能的意义巨大。
六、高性能混凝土的发展前景
随着HPC的开发和应用, 建筑对生态环境产生的影响正引起社会的关注。建筑物在建造和运行的过程中需消耗大量的自然资源和能源,并对环境产生不同程度的影响。有专家指出, 作为建筑工业主要原料的水泥,实际上是一种不可持续发展的产品。因此,高性能混凝土的技术核心是在限制水泥用量以获得混凝土高性能的同时,坚持其可持续性的发展原则。21世纪前后, 吴中伟等提出了绿色混凝土的概念,在高性能混凝土的基础上增加了三个含义: （1）节约资源、能源; （2）不破坏环境,更有利于环境; （3）可持续发展, 既要满足当代人的需求,又不危害后代人满足其需要的能力。大力开展绿色高性能混凝土的研究和应用高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能,对混凝土的发展将起重要作用, 并为HPC的发展指明了非常明确的方向。
七、结 论
有关资料[[12] 高长明，国际水泥工业最新技术进展及预测[J]．水泥技术，2005(3)：15－19][12][[13] 汪澜．论水泥工业能源消耗控制战略[J]． 中国水泥，2006(10)：22－25][13]显示，我国的混凝土工业在污染防治与能源消耗控制方面与发达国家还存在着相当的差距，还有许多艰巨的任务要完成。我们必须高度重视保护生态环境的意义，坚持科学的发展战略，全力发展绿色高性能混凝土。发展的过程必须有政府的控制管理和法律、法规的保障, 必须有企业的自律和积极参与, 必须有科技的投入和创新。有了这些，我们可以相信：混凝土的未来是绿色的。
参考文献
[1]廉慧珍，阎培渝．21世纪的混凝土及其面临的几个问题
[2]张射墟，黄祖华．生态水泥的特性与应用[J]．中国建材，2002，(1)：36－37
[3] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社，1999.
[4]冯乃谦编著.高性能混凝土[M].北京: 中国建筑工业出版社，1996.
[5] JGJ 55-2011，普通混凝土配合比设计规程，中国建筑工业出版社，2011
[6] 钟佳墙，刘凯等．Ⅱ级粉煤灰在C80泵送大流动性混凝土中的试验研究[A]．第三届全国商品混凝土大会论文集[C]，2006
[7]杭美艳，赵根田，高春彦．用超细矿渣微粉配制C80混凝土的研究[J]．混凝土，2007:55-57
[8]张传仓，杨利民等．大体积混凝土测温技术工程实践应用[J]．混凝土，2007（4）:101-102
[9] 赵铁军．高性能混凝土的渗透性研究[D]．[博士学位论文]．北京：清华大学，1997
[10]童良．混凝土中碱――集料反应研究[R]．[博士后研究工作报告]．北京：清华大学，1996
[11] 吴中伟．高性能混凝土――绿色混凝土[J]．混凝土与水泥制品， 2000，(1)： 3－6
[12]高长明，国际水泥工业最新技术进展及预测[J]．水泥技术，2005(3)：15－19
[13]汪澜．论水泥工业能源消耗控制战略[J]． 中国水泥，2006(10)：22－25
