摘要：在加拿大，為修復劣化損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程估計要耗費5 000億美元。在英國，調(diào)查統(tǒng)計了271個工程劣化破壞實例，其中碳化銹蝕占17%，環(huán)境氯鹽銹蝕占33%，內(nèi)部氯鹽銹蝕占5%，混凝土凍蝕10%，混凝土磨蝕10%，混凝土堿—骨料反應(yīng)破壞9%，硫酸鹽化學腐蝕4%，其他各種不常發(fā)生的腐蝕破壞7%。

　　關(guān)鍵詞：高性能混凝土,定義,耐久性,存在問題

　　高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世紀80年代末90年代初，一些發(fā)達國家基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計提出的一種全新概念的混凝土，它以耐久性為首要設(shè)計指標，這種混凝土有可能為基礎(chǔ)設(shè)施工程提供100年以上的使用壽命。區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩(wěn)定性等許多優(yōu)良特性，被認為是目前全世界性能最為全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特別是在橋梁、高層建筑、海港建筑等工程中顯示出其獨特的優(yōu)越性，在工程安全使用期、經(jīng)濟合理性、環(huán)境條件的適應(yīng)性等方面產(chǎn)生了明顯的效益，因此被各國學者所接受，被認為是今后混凝土技術(shù)的發(fā)展方向。

　　1 高性能混凝土產(chǎn)生的背景

　　傳統(tǒng)的混凝土雖然已有近200年的歷史，也經(jīng)歷了幾次大的飛躍，但今天卻面臨著前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)：

　　(1)隨著現(xiàn)代科學技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，各種超長、超高、超大型混凝土構(gòu)筑物，以及在嚴酷環(huán)境下使用的重大混凝土結(jié)構(gòu)，如高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應(yīng)堆、有毒有害廢物處置工程等的建造需要在不斷增加。這些混凝土工程施工難度大，使用環(huán)境惡劣、維修困難，因此要求混凝土不但施工性能要好，盡量在澆筑時不產(chǎn)生缺陷，

　　更要耐久性好，使用壽命長。

　　(2)進入20世紀70年代以來，不少工業(yè)發(fā)達國家正面臨一些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，特別是早年修建的橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施老化問題，需要投入巨資進行維修或更新。1987年美國國家材料咨詢局的一份政府報告指出：在美國當時的57.5萬座橋梁中，大約有25.3萬座處于不同程度的破壞狀態(tài)，有的使用期不到20年，而且受損的橋梁每年還增加3.5萬座。1991年在提交美國國會的報告“國家公路和橋梁現(xiàn)狀”中指出，為修復或更換現(xiàn)存有缺陷橋梁的費用需投資910億美元;如拖延修復進程，費用將增至1 310億美元。美國現(xiàn)存的全部混凝土工程的價值約6萬億美元，每年用于維修的費用高達300億美元。

　　　　我國結(jié)構(gòu)工程中混凝土耐久性問題也非常嚴重。建設(shè)部于20世紀90年代組織了對國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)建筑及露天構(gòu)筑物在使用25～30年后即需大修，處于有害介質(zhì)中的建筑物使用壽命僅15～20年，民用建筑及公共建筑使用及維護條件較好，一般可維持50年。

　　相對于房屋建筑來說，處于露天環(huán)境下的橋梁耐久性與病害狀況更為嚴重。據(jù)2000年全國公路普查，到2000年底我國已有各式公路橋梁278 809座，公路危橋9 597座，每年實際需要維修費用38億元，而實際到位僅8億元。

　　港口、碼頭、閘門等工程因處于海洋環(huán)境，氯離子侵蝕引發(fā)鋼筋銹蝕，導致構(gòu)件開裂、腐蝕情況最為嚴重。1980年交通部四航局等單位對華南地區(qū)18座碼頭調(diào)查的結(jié)果，有80%以上均發(fā)生嚴重或較嚴重的鋼筋銹蝕破壞，出現(xiàn)破壞的時間有的距建成僅5—10年。

　　(3)混凝土作為用量最大的人造材料，不能不考慮它的使用對生態(tài)環(huán)境的影響。傳統(tǒng)混凝土的原材料都來自天然資源。每用1t水泥，大概需要0.6t以上的潔凈水，2t砂、3t以上的石子;每生產(chǎn)1 t硅酸鹽水泥約需1.5 t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應(yīng)的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產(chǎn)?昆凝土所消耗的能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴重影響環(huán)境和天然景觀。有些大城市現(xiàn)已難以獲得質(zhì)量合格的砂石。另一方面，由于混凝土過早劣化，如何處置費舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環(huán)境帶來威脅。

　　因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，必須更多地利用各種工業(yè)廢渣作為其原材料;必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強都意味著節(jié)約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產(chǎn)生的。

　　2 高性能混凝土的定義與性能

　　對高性能混凝土的定義或含義，國際上迄今為止尚沒有一個統(tǒng)一的理解，各個國家不同人群有不同的理解。一般說來，高性能混凝土是指高強、高耐久性、高工作性。一些美國學者更強調(diào)高強度和尺寸穩(wěn)定性(北美型)，歐洲學者更注重耐久性(歐，洲型)，而日本學者偏重于高工作性(日本型)，這可能由于日本更重視混凝土振搗工藝對工人聽力的不利作

　　用，而推廣不需振搗的自密實混凝土。在我國，對高性能混凝土的含義也有爭論，馮乃謙在其1996年出版的《高性能混凝土》著作中開宗明義地指出了：高性能混凝土必須是高強的，因為一般情況下高強對耐久性有利，同時他認為高性能混凝土發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)是現(xiàn)在有了好的摻合料和減水劑，因此高性能混凝土必須摻摻合料。馮乃謙的這些觀點代表了當時我國大多數(shù)混凝土學者對高性能混凝土的認識。吳中偉針對當時科研界過度追求高強度的趨向，及

　　時提出“有人認為高強度必須高耐久性，這是不全面的，因為高強混凝土會帶來不利于耐久性的因素……”。高性能混凝土還應(yīng)包括中等強度混凝土，如C30混凝土。吳中偉高度重視耐久性，并早在1986年就提出高強未必一定高耐久，低強也不一定就不耐久的觀點是非常有前瞻性的，而且今天他的這個觀點也是正確的。

　　1990年5月由美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)與美國?昆凝土協(xié)會(ACl)主辦了第一屆高性能混凝土的討論會，定義高性能混凝土為具有所需，陛能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴格的施工工藝，采用優(yōu)質(zhì)材料配制的，便于澆搗，不離析，力學性能穩(wěn)定，早期強度高，具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土。大多數(shù)承認單純高強不一定耐久，而提出高性能則希望既高強又耐久。可能是由于發(fā)現(xiàn)強調(diào)高強后的弊端，1998年美國ACI又發(fā)表了一個定義為：“高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土，如果采用傳統(tǒng)的原材料組分和一般的拌和、澆筑與養(yǎng)護方法，未必總能大量地生產(chǎn)出這種混凝土。”ACI對該定義所作的解釋是：“當混凝土的某些特性是為某一特定的用途和環(huán)境而制定時，這就是高性能混凝土。例如下面所舉的這些特性對某一用途來說可能是非常關(guān)鍵的：易于澆筑，振搗時不離析，早強，長期的力學性能，抗?jié)B性，密實性，水化熱，韌性，體積穩(wěn)定性，惡劣環(huán)境下的較長壽命。因為高性能混凝土的許多特性是相互聯(lián)系的，改變其中之一常會使其它的特性發(fā)生變化，當混凝土為某一用途生產(chǎn)而必須考慮若干特性時，則每一個特性都必須清楚地規(guī)定在合同文件中”。1998年ACI定義與1990年ACI、NIST定義的區(qū)別是：前者把早

　　強列入“特殊性能組合”可選性能之一，而不作為必要的規(guī)定而強調(diào)。

　　而歐洲混凝土學會和國際預應(yīng)力混凝土協(xié)會則將高性能混凝土定義為水膠比低于0.40的混凝土小在日本，將高流態(tài)的自密實混凝土(即免振混凝土)稱為高性能混凝土，‘強度一般為40—45 MPa，混凝土中除水泥外，還有礦渣粉、粉煤灰及膨脹劑。也有一些部門根據(jù)其專業(yè)的特點對高性能混凝土提出具體的要求，如1995年美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)

　　將高性能混凝土分成4級，每級在與強度和耐久性有關(guān)的8個參數(shù)上都規(guī)定了定量的指標。美國倡議公路研究計劃(SHRP)提出高性能混凝土用于公路工程應(yīng)滿足：(1)水膠比≤0.35;(2)300次凍融循環(huán)，相對動彈模≥侶0%;(3)抗壓強度4 h≥17.2MPa，或24≥34.5 MPa，或28d≥68.9MPa。該定義偏重于早強，定義了一個特定的高性能混凝土，缺乏普遍適用性。用于橋梁尤其是大跨度橋梁的高性能混凝土應(yīng)滿足：(1)水膠比≤0.40;(2)強度≥41.4 MPa;(3)徐變率低。

　　我國著名的混凝土科學家吳中偉教授定義高性能混凝土為一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，它以耐久性作為設(shè)計的主要指標，針對不同用途要求，對下列性能有重點的予以保證;耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性以及經(jīng)濟合理性。為此，高性能混凝土在配制上的特點是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并除水泥、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和高效外加劑。1997年3月吳中偉教授在高強高性能混凝土會議上又指出，高性能混凝土應(yīng)更多地摻加以工業(yè)廢渣為主的摻合料，更多地節(jié)約水泥熟料，提出了綠色高性能混凝土(GHPC)的概念。

　　中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會將高性能混凝土定義為以耐久性和可持續(xù)發(fā)展為基本要求并適合工業(yè)化生產(chǎn)與施工的混凝土。與傳統(tǒng)的混凝土相比，這種高性能混凝土在配比上的特點是低用水量(水與膠凝材料總量之比低于0.4，或至多不超過0.45)，較低的水泥用量，并以化學外加劑和礦物摻合料作為水泥、水、砂、石之外的必需組分。這也是現(xiàn)代高強混凝土的配制途徑。實際上，正是現(xiàn)代高強混凝土技術(shù)的出現(xiàn)，為解決高性能混凝土的耐久性問題指明了出路。

　　結(jié)合我國的推廣應(yīng)用高性能混凝土十幾年的情況，2003年廉慧珍教授專門撰文反思了對高性能混凝土的理解存在的若干誤區(qū)，造成對高性能混凝土使用的盲目和混亂，她對高性能混凝土的理解為，“高性能混凝土不是混凝土的一個品種，而是達到工程結(jié)構(gòu)耐久性的質(zhì)量要求和目標，是滿足不同工程要求的性能和具有勻質(zhì)性的混凝土。高強不一定耐久，高流動性也不是任何工程都需要的，也不是只要有摻合料就能高性能;混凝土的質(zhì)量不是實驗室配出來的，而是優(yōu)選配合比的混凝土由生產(chǎn)、設(shè)計、施工和管理人員在結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的，開裂的就不是高性能混凝土，除了特殊結(jié)構(gòu)(如臨時性結(jié)構(gòu))外，沒有什么混凝土結(jié)構(gòu)不需要耐久。針對不同工程的特點和需要，對混凝土結(jié)構(gòu)進行滿足具體要求的性能和耐久性設(shè)計，比籠統(tǒng)強調(diào)高性能混凝土的名詞更要科學”。在這里，高性能混凝土強調(diào)的是混凝土的‘性能’或者質(zhì)量、狀態(tài)、水平，或者說是一種質(zhì)量目標，對不同的工程，高性能混凝土有不同的強調(diào)重點(即‘特殊性能組合’)。

　　3 高性能混;ii土的研究開發(fā)現(xiàn)狀

　　針對混凝土的過早劣化，發(fā)達國家在20世紀80年代中期掀起了一個以改善混凝土材料耐久性為主要目標的“高性能混凝土”開發(fā)研究的高潮，并得到了各國政府的重視。1990年，加拿大政府提出了一個協(xié)作網(wǎng)研究計劃，專門用來資助對國家今后長遠發(fā)展有影響的科研項目，最終從158個提議的項目中評選出15項，屬于土木工程學科的僅占1項，這就是“高性能混凝土協(xié)作網(wǎng)”研究計劃，獲得了640萬加元資助進行為期4年的研究。到1994年在原有的15個協(xié)作網(wǎng)中有l(wèi)o個繼續(xù)取得資助以進行下一個4年的研究，其中高性能混凝土的資助份額為550萬加元，可見其被重視的程度。法國在1986年由政府組織包括政府研究機構(gòu)、大學、公司等23個單位開展了“混凝土的新途徑”研究項目，進行高性能混凝土的研究并造示范工程。這一項目已于1993年完成，建成的示范工程有Joigny城的1座3跨后張法預應(yīng)力鋼筋混凝土橋，其混凝土強度等級相當于我國的C70，比原設(shè)計的C40減少混凝土量30%，減少自重24%;Civaux核電站2號反應(yīng)堆預應(yīng)力鋼筋混凝土安全殼等，高85 m，直徑44 m，混凝土強度等級C70，其水泥用量只有240kg/m’，有很高的氣密性;1996年法國政府公共部和教育與研究部又組織了為期4年的“高性能混凝土2000"的國家研究計劃，投入研究經(jīng)費550萬美元。

　　1994年，美國聯(lián)邦政府16個機構(gòu)聯(lián)合提出了一個在基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中應(yīng)用高性能混凝土的建議，計劃在10年內(nèi)投資2億美元進行研究和開發(fā)。美國國家自然科學基金(NSF)、美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)、美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)以及一些州政府的運輸部和美國工程兵等機構(gòu)，都一直投入大量經(jīng)費，資助高強、高性能混凝土的研究，NSF以每年200萬美元的經(jīng)費，定期資助以西北大學為首的水泥基復合材料聯(lián)合研究中心對高性能混凝土的研究。德國、瑞典、挪威等國家在發(fā)展高性能混凝土上也有很大投入，挪威是較早對高強高性能混凝土開展研究的國家之一，至今已建造了20多個混凝土海洋采油平臺，挪威皇家科技學院的科學與工業(yè)研究基金(SINTEF)持續(xù)資助高性能混凝土的研究。瑞典1991～1997年由政府和企業(yè)聯(lián)合出資5 200萬克朗，實施高性能混凝土研究的國家計劃。日本則在發(fā)展自密實混凝土方面取得很大的成就，其初衷也是為了消除混凝土振搗中的缺陷和增加混凝土的密實性，以改善混凝土的耐久性為目標。

　　1999年美國NIST的建筑與防火研究實驗室(BFRI。)在國際互聯(lián)網(wǎng)上公布了一個“高性能混凝土技術(shù)的伙伴關(guān)系(Partnership for High Perfor—mance Concrete Technology，縮寫為PHPCT)”，由工業(yè)界4個大企業(yè)和國家預拌混凝土協(xié)會、波特蘭水泥協(xié)會協(xié)作，承擔“商品高性能混凝土結(jié)構(gòu)項目中計算機集成知識系統(tǒng)(CIKS)的開發(fā)”的國家重點研究計劃，包括7個專題：專題。為計算機集成知識系統(tǒng)的開發(fā)，HYPERCON;專題1為HPC的制備工藝過程;專題2為混凝土和混凝土材料的特征化;專題3為性能預測;專題4為高強度高性能混凝土在火中的結(jié)構(gòu)性能;專題5為結(jié)構(gòu)性能;專題6為HPC的經(jīng)濟性。重點是性能檢驗和預測工具的開發(fā)和應(yīng)用，這是優(yōu)化可*的HPC產(chǎn)品和給出可由最有效的途徑得到的知識所必需的。專題1—6提供輸入專題0的要素。

　　從20世紀80年代開始，各國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中逐漸突出了耐久性設(shè)計的考慮，從只重視強度設(shè)計向強度于耐久性并重。進入20世紀90年代以后，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法成為土木工程領(lǐng)域中的研究重點。針對不同環(huán)境類別的侵蝕作用，提出材料性能劣化的理論或經(jīng)驗?zāi)Ｊ剑?jù)此估算結(jié)構(gòu)的使用壽命，成為發(fā)展和研究耐久性設(shè)計方法的主流。日本于1986年提出“考慮耐久性的建筑物設(shè)計、施工維護大綱”，在1989年制定了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計準則(試行)》，把耐久性設(shè)計定義為：全面地考慮材料質(zhì)量、施工工序和結(jié)構(gòu)構(gòu)造使結(jié)構(gòu)在一定的環(huán)境中正常工作，在要求的期限內(nèi)不需要維修。它采用了與結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的思路，要求構(gòu)造各部位的耐久性指數(shù)大于或等于環(huán)境指數(shù)。歐洲混凝土委員會(CEB)1989年通報了“耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南”，國際材料與結(jié)構(gòu)試驗研究室聯(lián)合會(RILEM)的130—CSI。技術(shù)委員會1996年提出了《混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計》的報告，對基于材料劣化模型分析的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法作出了全面系統(tǒng)的論述。