水泥混凝土是近現(xiàn)代最廣泛使用的建筑材料，也是當(dāng)前最大宗的人造材料。進(jìn)入20世紀(jì)以來，以混凝土為建筑材料的工程結(jié)構(gòu)物得到飛速發(fā)展，與其他建筑材料相比，混凝土以其良好的綜合性能已成為樓宇、橋梁、大壩、公路和城市運(yùn)輸系統(tǒng)等現(xiàn)代化標(biāo)志的首選材料。

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界每年消耗的混凝土量不少于45億立方米，而且在21世紀(jì)將繼續(xù)穩(wěn)定增長。

　　水泥混凝土從問世以來，經(jīng)歷了低強(qiáng)度、中等強(qiáng)度、高強(qiáng)度乃至超高強(qiáng)度的發(fā)展歷程，似乎人們總是樂于追求強(qiáng)度的不斷提高。但是近四五十年以來，混凝土結(jié)構(gòu)物因材質(zhì)劣化造成過早失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外都屢見不鮮，并有愈演愈烈之勢(shì)。這些混凝土工程的過早破壞，其原因不是由于強(qiáng)度不足，而是由于混凝土耐久性不良。例如，在日本海沿岸，許多港灣建筑、橋梁等，建成后不到10年的時(shí)間，混凝土表面即出現(xiàn)開裂、剝落，鋼筋銹蝕外露。美國國家材料顧問委員會(huì)1987年提交的報(bào)告報(bào)道，約有253萬座混凝土橋面板出現(xiàn)不同程度的破壞(其中部分僅使用不到20年)，而且每年還將增加35萬座；同年Litvan和Bickley發(fā)表了對(duì)加拿大停車場(chǎng)的檢測(cè)報(bào)告，他們發(fā)現(xiàn)大量停車場(chǎng)在遠(yuǎn)比預(yù)計(jì)的服務(wù)壽命要早得多就出現(xiàn)破壞。美國1991年在提交國會(huì)的報(bào)告《國家公路和橋梁現(xiàn)狀》中指出，美國當(dāng)時(shí)的全部混凝土工程價(jià)值約6萬億美元，而每年用于維修的費(fèi)用高達(dá)300億美元；南非1981年用于拆換橋梁、擋土墻、墩柱、路面、路緣、蓄水壩、系樁柱、防波堤、電桿基礎(chǔ)等的經(jīng)費(fèi)就超過2700萬英鎊，這些結(jié)構(gòu)物多是在建成后3～10年內(nèi)就發(fā)現(xiàn)開裂破壞。英格蘭島中部環(huán)形線的21km快車道，11座混凝土高架橋的建造費(fèi)是2800萬英鎊(1972年)，因冬季撒鹽化冰雪，兩年后就發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕將混凝土順筋脹裂，到1989年的15年間，修補(bǔ)費(fèi)高達(dá)4500萬英鎊(即為造價(jià)的16倍)，估計(jì)以后15年(到2004年)還要耗費(fèi)12億英鎊(累計(jì)接近造價(jià)的6倍)!日本目前每年僅用于房屋結(jié)構(gòu)維修的費(fèi)用即達(dá)400億日元以上，日本引以自豪的“新干線”使用不到10年就出現(xiàn)大面積混凝土開裂、剝蝕現(xiàn)象。

　　我國基本建設(shè)比發(fā)達(dá)國家遲三十多年，但已建的一些工程也有類似令人堪憂的狀況，有不少混凝土工程使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有建筑面積50億平方米，其中約23億平方米需分期分批進(jìn)行鑒定加固，近10億平方米急需維修加固。1989年，建設(shè)部科技發(fā)展司組織調(diào)查組對(duì)北京、西寧、貴陽等地的一些建筑物進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，建國初期的建筑均已達(dá)到必須大修的狀態(tài)，現(xiàn)有大多數(shù)工業(yè)建筑不能滿足安全使用50年的要求，一般使用25～30年就需大修和加固。我國在50年代興建的大壩有許多已經(jīng)成為陷入危境的“病壩”：截至1997年年底，馳名中外的安徽佛子嶺、梅山、響洪甸三座老壩共虧損1億多元，僅佛子嶺1997年一年就虧損1700萬元，而在修補(bǔ)佛子嶺的設(shè)計(jì)預(yù)算中，只修兩個(gè)拱就需要1400萬元。1985年水電部調(diào)查報(bào)告表明：我國水工混凝土的凍融破壞在“三北”地區(qū)的工程中占100%，這些大型混凝土工程一般運(yùn)行也就30年左右，有的甚至不到20年，如云峰寬縫重力壩，運(yùn)行19年后下游面受破損顯著，表面剝蝕露出骨料，總面積約8500平方米；而豐滿重力壩自從運(yùn)行后就年年維修，運(yùn)行33年后，上、下游面及尾水閘墩破損明顯，表面露出鋼筋，凍害嚴(yán)重，致使壩頂抬高10余厘米。港口碼頭工程，特別是接觸海水工程，其受凍破壞的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，破壞的結(jié)構(gòu)主要是防波堤、胸墻、碼頭、棧橋等，如天津新港的防波堤，采用普通混凝土的部分，經(jīng)十幾年左右的運(yùn)行，就被凍融破壞以致不能發(fā)揮作用了。地處寒冷地區(qū)的水電站、工業(yè)廠房、鐵道橋涵、交通部門的混凝土路面、橋梁及市政工程等的混凝土，接觸雨水、蒸汽的部分，排水系統(tǒng)及受滲透水作用的部分，都受到了凍融破壞，如通遼發(fā)電廠的冷卻塔，筒壁混凝土由于滲水致使混凝土遭受凍融破壞而發(fā)生表皮剝落、空鼓等現(xiàn)象。

　　為使上述及類似工程繼續(xù)發(fā)揮作用，各部門每年都要耗巨資加以維修，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，混凝土工程安全使用期和維護(hù)使用期的比例為1：3～10，但維護(hù)使用期的維修費(fèi)用卻高達(dá)建設(shè)費(fèi)用的1～3倍。我國南方海港浪濺區(qū)鋼筋混凝土建筑物由于以往設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低和施工質(zhì)量問題，通常使用8～10年即出現(xiàn)因氯鹽腐蝕鋼筋引起的開裂剝落破壞，維修費(fèi)用及由此造成的直接、間接經(jīng)濟(jì)損失驚人，例如某10萬噸級(jí)礦石中轉(zhuǎn)碼頭，使用不到十年即要大修，大修防護(hù)費(fèi)用預(yù)計(jì)高達(dá)上千萬元。有專家預(yù)計(jì)，21世紀(jì)初我國將出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)物的維修高潮，每年所需的維修費(fèi)用可能高達(dá)數(shù)千億元。我國北方如北京、天津等地的鋼筋混凝土立交橋，即使沒有像美國北方冷天要常撒鹽化冰雪，使用時(shí)間也并不長，卻已廣泛顯示鋼筋銹蝕和混凝土順筋脹裂的破壞跡象，并日益加劇發(fā)展。1998年，曾調(diào)查我國北方某國際機(jī)場(chǎng)使用僅數(shù)年的混凝土停機(jī)坪，發(fā)現(xiàn)混凝土道面多數(shù)出現(xiàn)坑蝕剝落破壞，嚴(yán)重影響飛機(jī)正常安全起降。后分析得知是由于道面混凝土遭受凍融及除冰鹽侵蝕雙重破壞作用所致。

　　可見，由于混凝土的耐久性劣化或失效，世界各國為此付出的代價(jià)十分沉重。然而，值得慶幸的是，由于工程安全因素更由于耗費(fèi)巨資的經(jīng)濟(jì)因素提醒了我們，現(xiàn)在，混凝土耐久性問題已越來越受到人們的重視。美國學(xué)者用“五倍定律”形象地說明了耐久性的重要性，尤其是設(shè)計(jì)對(duì)耐久性問題的重要性，例如設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)新建項(xiàng)目在鋼筋防護(hù)方面無謂地每節(jié)省1美元，就意味著當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時(shí)采取措施要多追加維修費(fèi)5美元，順筋開裂時(shí)需多追加維修費(fèi)25美元，嚴(yán)重破壞時(shí)需多追加維修費(fèi)125美元。沉重的代價(jià)使人們認(rèn)識(shí)到，不僅要用耐久性良好的材料及時(shí)修復(fù)已出現(xiàn)耐久性劣化的混凝土工程，更重要的是必須使今后新建的混凝土工程具有足夠的耐久性以保證設(shè)計(jì)使用壽命，例如一些國家要求建設(shè)更為耐久的結(jié)構(gòu)物，設(shè)計(jì)使用壽命為100年或更長。為此，世界各國都開始專門研究混凝土的耐久性及其改善技術(shù)。日本建設(shè)省從1980年就組織進(jìn)行“建筑物耐久性提高技術(shù)”的開發(fā)研究，并于1985年提交了研究成果概要報(bào)告，1986年開始陸續(xù)出版發(fā)行了《建筑物耐久性系列規(guī)程》。有關(guān)混凝土耐久性的國際會(huì)議也已召開多次，反映了各國研究的最新成果。由歐洲RILEM等公司發(fā)起的建筑材料與構(gòu)件的耐久性國際會(huì)議，自1976年以來，每三年舉行一次；1989年美國和葡萄牙都舉辦了有關(guān)結(jié)構(gòu)耐久性的國際會(huì)議；1991年美國和加拿大聯(lián)合舉行了第二屆混凝土結(jié)構(gòu)耐久性國際學(xué)術(shù)會(huì)議?；炷恋哪途眯詥栴}在我國也日益受到重視。全國鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性學(xué)術(shù)組于1991年成立；中國土木工程學(xué)會(huì)混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會(huì)混凝土耐久性專業(yè)委員會(huì)也于1992年11月在濟(jì)南成立。我國的混凝土耐久性研究已進(jìn)入有組織的工作階段。我國正處于基本建設(shè)的高潮期，特別是當(dāng)前國家西部大開發(fā)的戰(zhàn)略部署，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施工程正在或即將建設(shè)，每年混凝土用量高達(dá)十多億立方米，其中許多設(shè)施屬重點(diǎn)工程，如三峽水利樞紐工程、跨?？缃奶卮笮蜆蛄骸⒏叩燃?jí)公路、大中型飛機(jī)場(chǎng)等，都是國家投以巨資的項(xiàng)目，均要求高壽命。發(fā)達(dá)國家走過的路已經(jīng)表明，如果不重視工程混凝土的耐久性，將付出極大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，甚至影響經(jīng)濟(jì)建設(shè)的推進(jìn)步伐。所以我國十分重視工程質(zhì)量和耐久性，朱基總理就曾對(duì)三峽工程作出指示——“千年大計(jì)，國運(yùn)所系”；國家計(jì)委、國家科技部在“九五”期間安排了由8家實(shí)力雄厚的科研院所承擔(dān)的重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“重點(diǎn)工程混凝土安全性的研究”，針對(duì)混凝土安全性存在的抗堿—骨料反應(yīng)性、耐腐蝕性、抗凍性、耐鋼筋銹蝕性等問題，從材料角度研究混凝土的耐久性。

　　由此看來，混凝土耐久性已成為國際工程界普遍關(guān)注的重大課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，人類生產(chǎn)活動(dòng)涉及的范圍越來越廣，各種在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的混凝土工程，如跨海大橋、海洋工程、核反應(yīng)堆、電站大壩等不斷增多，這些工程關(guān)系國計(jì)民生，必須實(shí)現(xiàn)百年大計(jì)甚至千年大計(jì)，這就更加要求混凝土具有優(yōu)異的耐久性即足夠長的使用壽命。

　　為此，人們對(duì)混凝土耐久性的追求已越來越主動(dòng)和自覺，甚至超過了過去對(duì)混凝土強(qiáng)度的追求，于是以高耐久性為核心內(nèi)容的高性能混凝土(High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱HPC)便應(yīng)運(yùn)而生了。

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一、高性能混凝土的定義

　　高性能混凝土這種新型混凝土是在20世紀(jì)90年代初才提出的。高性能混凝土這一名詞的出現(xiàn)至今也就10多年，不同國家、不同學(xué)者按照各自的認(rèn)識(shí)、實(shí)踐、應(yīng)用范圍和目的要求，對(duì)高性能混凝土給出了不同的定義和解釋。

　　1.美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)與美國混凝土協(xié)會(huì)(ACI)于1990年5月在馬里蘭州Gaithersburg城召開的討論會(huì)上指出：高性能混凝土是具有某些性能要求的勻質(zhì)混凝土，必須采用嚴(yán)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(xué)性能穩(wěn)定，早期強(qiáng)度高，具有韌性和體積穩(wěn)定性等性能的耐久的混凝土，特別適用于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)。

　　2.美國的PKMehta認(rèn)為：高性能混凝土不僅要求高強(qiáng)度，還應(yīng)具有高耐久性，且耐久性應(yīng)當(dāng)放在高性能混凝土的首位，同時(shí)具有高體積穩(wěn)定性(高彈性模量、低干縮率、低徐變和低的溫度應(yīng)變)、高抗?jié)B性及高工作性。

　　3.法國的Malier認(rèn)為：高性能混凝土的特點(diǎn)在于有良好的工作性、高的強(qiáng)度和早期強(qiáng)度、工程經(jīng)濟(jì)性高和高耐久性，特別適用于橋梁、港工、核反應(yīng)堆以及高速公路等重要的混凝土建筑結(jié)構(gòu)中。

　　4.日本的小澤一雅和岡村甫認(rèn)為：高性能混凝土應(yīng)具有高工作性(高的流動(dòng)性、粘聚性與可澆筑性)、低溫升、低干縮率、高抗?jié)B性和足夠的強(qiáng)度。他們強(qiáng)調(diào)高性能混凝土首先應(yīng)具備高工作性，甚至要達(dá)到免振搗，即自流平的狀態(tài)。

　　5.日本的Sarkar提出：高性能混凝土具有較高的力學(xué)性能(如抗壓、抗折、抗拉強(qiáng)度)、高耐久性(如抗凍融循環(huán)、抗碳化和抗化學(xué)侵蝕性)、高抗?jié)B性，屬于水膠比很低的混凝土家族。

　　6.加拿大Pierr-Claude和Adam Neville于1993年提出：高性能混凝土除比普通混凝土抗壓強(qiáng)度高以外，還具有高彈性模量、高密實(shí)性能、低滲透性以及能抵御多種形式侵蝕的性能；特別適用于高層建筑、橋梁及暴露在惡劣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)。

　　7.以美國弗吉尼亞州交通研究院的CO(jiān)zyildirim為代表強(qiáng)調(diào)：用于交通設(shè)施的高性能混凝土最重要的性能是低滲透性與高早期強(qiáng)度，在一些特殊設(shè)施中還要求較高的極限強(qiáng)度(40～60MPa)。

　　8.我國的吳中偉院士給出高性能混凝土的如下定義：高性能混凝土是一種新型高技術(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)，選用優(yōu)質(zhì)材料，在嚴(yán)格質(zhì)量管理?xiàng)l件下制成的；除了水泥、水、骨料外，必須摻加足夠數(shù)量的摻合料和高效外加劑，且水膠比較低；針對(duì)不同用途要求，高性能混凝土對(duì)下列性能有重點(diǎn)地予以保證：耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，但應(yīng)以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。

　　9.黃大能教授認(rèn)為：高性能混凝土應(yīng)具有適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)性能，但必須有良好的耐久性，能抵抗各種化學(xué)侵蝕作用，體積穩(wěn)定性好。

　　綜合以上觀點(diǎn)，我們可以看出，大家公認(rèn)高性能混凝土應(yīng)具有高耐久性。本文章也持類似的觀點(diǎn)，即高性能混凝土最核心內(nèi)容是優(yōu)異的耐久性，也就是說高性能混凝土首先應(yīng)具備高耐久性，同時(shí)兼有良好的工作性和適宜的強(qiáng)度。此處“適宜的強(qiáng)度”并非指高強(qiáng)度，而是指滿足工程設(shè)計(jì)及使用要求的具有足夠可靠度的強(qiáng)度，即高性能混凝土未必要求很高的強(qiáng)度指標(biāo)。因?yàn)榇罅渴褂玫匿摻罨炷两ㄖ铮绲蛯雍投鄬臃课菁案邔臃课莸纳蠈硬糠?，又如海工、水工混凝土，尤其是一些大體積混凝土，對(duì)強(qiáng)度要求并不高(例如C30左右即足矣)，但對(duì)耐久性要求都很高，如日本明石海峽大橋2號(hào)和3號(hào)大體積柱基，91d設(shè)計(jì)強(qiáng)度只有17MPa(配制強(qiáng)度為24MPa，實(shí)測(cè)91d強(qiáng)度為42MPa)，但為了保證這一20世紀(jì)全世界最長懸索橋的安全性和使用壽命，混凝土是按耐久性設(shè)計(jì)的，屬于高性能混凝土。過去忽視耐久性的慘痛教訓(xùn)和未來混凝土工程可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，都告誡我們不論任何強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，要求其具有足夠的耐久性應(yīng)該總是合理的。過去人們?cè)O(shè)計(jì)混凝土只單一以強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，導(dǎo)致很長時(shí)期以來人們一直將注意力放在了混凝土強(qiáng)度的不斷提高上而忽視了耐久性，這一趨勢(shì)在高性能混凝土提出之后發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

　　總之，高性能混凝土因其優(yōu)異的綜合性能必將逐步取代過去的普通混凝土，可以預(yù)想，21世紀(jì)將成為高性能混凝土的時(shí)代

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二、高性能混凝土發(fā)展概況

　　高性能混凝土自提出以后的10多年以來，世界各國都對(duì)其進(jìn)行了大量的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用工作。其實(shí)早在高性能混凝土這個(gè)名詞誕生以前，世界各國都已在客觀上成功地應(yīng)用了高性能混凝土，例如：

　　美國西雅圖雙聯(lián)廣場(chǎng)　　　　　　　　　　　　　　　　C135混凝土 (1988年)
　　美國芝加哥水塔大廈 　　　　　　　　　　　　　　　 C75混凝土 (1975年)
　　美國紐約Trump塔樓 　　　　　　　　　　　　　　　　C65混凝土 (1981年)
　　加拿大多倫多Nova Scotia廣場(chǎng)中心大廈　　　　　 　　C80混凝土 (1987年)
　　日本明石海峽大橋 　 　　　　　　　　　　　　　　　C40混凝土 (1988年)

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，高性能混凝土的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用快速發(fā)展，世界各國均對(duì)此予以高度重視。

　　1986年～1993年，法國由政府組織包括政府研究機(jī)構(gòu)、高等院校、建筑公司等23個(gè)單位開展了“混凝土新方法”的研究項(xiàng)目，進(jìn)行高性能混凝土的研究，并建成了示范工程。如Joigny城一座三跨后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋，其混凝土強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)于我國C70；又如Civaux核電站2號(hào)反應(yīng)堆預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼，高85m，直徑44m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C70，其水泥用量只有240kg/m3，卻有很高的氣密性；再如英吉利海峽隧道襯里，由于設(shè)計(jì)壽命為120年，配制了水灰比為0.35～0.32，水泥用量為400kg/m3的混凝土，抗壓強(qiáng)度為63MPa，滲透系數(shù)極低(K=1.4×10-13m/s)。1996年，法國公共工程部、教育與研究部又組織了為期4年的國家研究項(xiàng)目“高性能混凝土2000”，投入研究經(jīng)費(fèi)550萬美元，對(duì)高性能混凝土材料設(shè)計(jì)、耐久性及工程性能進(jìn)行廣泛的研究。

　　日本建設(shè)省于1988～1993年進(jìn)行了一項(xiàng)綜合開發(fā)計(jì)劃“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的超輕質(zhì)、超高層化技術(shù)的開發(fā)(簡(jiǎn)稱“新RC計(jì)劃”)”，該計(jì)劃研究內(nèi)容涉及到了有關(guān)高性能混凝土的高工作性、高強(qiáng)度等方面，獲得大量的科研成果，并在工程中獲得了試驗(yàn)驗(yàn)證與工程應(yīng)用。

　　挪威皇家科技研究院的科學(xué)與工程研究基金(SINEF)持續(xù)資助高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土的研究。

　　瑞典1991年～1997年由政府和企業(yè)聯(lián)合出資5200萬克朗，實(shí)施高性能混凝土研究的國家計(jì)劃。

　　加拿大于1990年啟動(dòng)“優(yōu)質(zhì)混凝土科研網(wǎng)”，這是由該國政府提供科研基金(2.4億加元)的一項(xiàng)國家重大科研項(xiàng)目，集中了7所大學(xué)和兩家公司的科研力量，經(jīng)過8年努力，在高性能混凝土及活性粉末混凝土領(lǐng)域取得了舉世矚目的成果，并制定了有關(guān)高性能混凝土的規(guī)范。

　　美國在高性能混凝土研究應(yīng)用方面成果豐富。1994年，美國聯(lián)邦政府