HPC混凝土发展的若干问题探讨
摘 要：本文通过对HPC混凝土的发展与应用进行介绍，指出高性能混凝土是混凝土材料发展的必然趋势。然后以房山区长周路工程中桥面铺装所用混凝土C40W6F200为例，对HPC内在的强度、耐久性和工作性进行阐述，指出高性能的普通混凝土是今后若干年高性能混凝土的发展方向；其次对制约HPC混凝土发展的水泥品质、现行规范和施工养护工艺等外在因素作了深入分析，希望引起有关专家学者共同关注，为我国高性能混凝土发展创造必要的外部环境。本文详细阐述了HPC混凝土发展对水泥质量的要求、HPC混凝土的体积稳定性、HPC混凝土的配合比设计及HPC混凝土的发展对施工养护工艺的要求。
关键词：高性能混凝土的发展 普通混凝土高性能化 高性能水泥 混凝土体积稳定性 配合比设计
引 言：混凝土是当前国外最广泛应用的工程材料。进入21世纪后仍然是这样。据有关资料介绍，世界混凝土的年产量约30~35亿m3，中国大陆约占总产量的45%。因此混凝土的高性能问题，对我国的当前及未来，均具有深远的意义。人类进入21世纪，要进一步持续发展，面临着"人口膨胀、资源短缺与环境恶化"三大问题，在工程材料的领域要求与环境协调，也即从省能源、资源、长寿命与再生循环利用的角度，发展工程材料。高性能混凝土中，胶凝材料40%左右是工业废弃物超细粉，只有60%的水泥，达到了省能源，省资源的目的。HPC的寿命是100年，甚至更长。可见HPC是环境高度协调的工程材料，成为国内外研究的热点，发展的方向。
一 HPC混凝土的发展与应用
（一）HPC混凝土产生的背景
传统的混凝土虽然已有近200年的历史，也经历了几次大的飞跃，但今天却面临着前所未有的严峻挑战：
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。
2 进入20世纪70年代以来，不少工业发达国家正面临一些钢筋混凝土结构，特别是早年修建的桥梁等基础设施老化问题，需要投入巨资进行维修或更新。1987年美国国家材料咨询局的一份政府报告指出：在美国当时的57．5万座桥梁中，大约有25．3万座处于不同程度的破坏状态，有的使用期不到20年，而且受损的桥梁每年还增加3．5万座。
我国结构工程中混凝土耐久性问题也非常严重。建设部于20世纪90年代组织了对国内混凝土结构的调查，发现大多数工业建筑及露天构筑物在使用25～30年后即需大修，处于有害介质中的建筑物使用寿命仅15～20年，民用建筑及公共建筑使用及维护条件较好，一般可维持50年。
相对于房屋建筑来说，处于露天环境下的桥梁耐久性与病害状况更为严重。据2000年全国公路普查，到2000年底我国已有各式公路桥梁278 809座，公路危桥9 597座，每年实际需要维修费用38亿元，而实际到位仅8亿元。
港口、码头、闸门等工程因处于海洋环境，氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀，导致构件开裂、腐蚀情况最为严重。1980年交通部四航局等单位对华南地区18座码头调查的结果，有80％以上均发生严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现破坏的时间有的距建成仅5—10年。
3 混凝土作为用量最大的人造材料，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。每用1t水泥，大概需要0．6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1 t硅酸盐水泥约需1．5 t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。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。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置废旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。
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。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。
（二）HPC混凝土的发展
自“高性能混凝土(HPC)”一词提出以来，至今对它没有统一的解释或定义。在1993年，美国混凝土学会下属的技术委员会提出一新的高性能混凝土定义：满足工程特殊要求的各种性能，可包括易浇捣而不离析，高长期力学性能、高早期强度、高坚韧性与高体积稳定性，或在严酷环境中使用寿命长久，并且匀质性良好的混凝土。近年来，美国混凝土学会又给出一个文字上较精练的定义：“高性能混凝土是一种要能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土，此种混凝土往往不能用常规的混凝土组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。”
在我国1988 年高强混凝土开始发展，1990 年提出了HPC。 我国著名的混凝土科学家吴中伟教授定义高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途要求，对下列性能有重点的予以保证；耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。1997年3月吴中伟教授在高强高性能混凝土会议上又指出，高性能混凝土应更多地掺加以工业废渣为主的掺合料，更多地节约水泥熟料，提出了绿色高性能混凝土(GHPC)的概念。
为了更好的理解什么是高性能混凝土，有必要对混凝土的发展给予重新的审视。最早的混凝土是一种低强度的塑性混凝土，当时密实成型设备不过关，又没有外加剂可掺，混凝土是一种高水灰比、低强度的塑性混凝土。后来振动和挤压成型工艺发展后，干硬性混凝土得以发展，这种混凝土水灰比大大降低，又通过特殊的搅拌成型工艺进行密实成型于是制得了干硬性的强度较高的混凝土，这是最早使用的高强混凝土。但这种混凝土施工工艺较难实现，强度指标离散性大。随着化学外加剂的发展，混凝土在满足强度使用要求的情况下，逐步实现了塑性和流态化，于是发展了流态混凝土。流态混凝土的发展和泵送混凝土施工工艺的广泛采用，使混凝土施工进入现代化施工的范畴，大大提高了施工效率并改善了劳动和施工环境，在此基础上又发展了流态高强混凝土。随着新型高效减水剂的使用和优质超细矿物质掺合料的使用，混凝土进入到高性能混凝土的范畴。它们的各自特点：
塑性混凝土 高W/C，坍落度中等，无外加剂
高强混凝土 低W/C，无坍落度，无外加剂，
强制成型流态混凝土 W/C适中，有外加剂，
大坍落度流态高强混凝土 W/C较小， 高效外加剂，
大坍落度高性能混凝土 低W/C，大坍落度，高效减水剂，超细粉
高性能混凝土是混凝土材料发展的必然趋势。近年来，HPC 的使用越来越多，特别是混凝土的强度越来越高，使用C60 及其以上(即高强) HPC 的工程与日俱增。可以预见，不久的将来，C100 及其以上(习惯上称之为超高强) HPC 也会从目前的试验性尝试应用扩展到正式推广应用。HPC 技术以及高强、超高强高性能混凝土技术，是目前混凝土技术的核心和重要发展方向。因此，迫切需要我们更进一步的探索与研究， 并将之应用于实践当中。
（三）HPC混凝土的应用
纵观我国高性能混凝土的应用实践可以发现，C60 及其以上(即高强) HPC 的工程越来越多，如国家大剧院部分钢管柱采用C100 高强高性能混凝土。但是量大面广的普通C20～C50流动性泵送混凝土普遍面临着体积稳定性差、早期塑性开裂等耐久性劣化问题，已成为困惑商品混凝土发展的严峻现实课题。普通泵送混凝土的耐久性提高应该是高性能混凝土的发展最具现实意义的主导方向。以普通泵送混凝土C20～C30 的胶结材总量(300～350)kg/m3 ，就能配制出抗化学侵蚀、干缩小、抗渗性能成倍提高的C40～C50 高性能混凝土。无论是现实的技术储备，还是商品混凝土生产水平和泵送施工技术，完全能实现C20～C50 流动性泵送混凝土的高性能化。然而，基于对高性能混凝土的认知程度，以及现行规范的约束，高性能混凝土的发展依然是任重道远。
房山区长周路（长辛店-周口店）道路工程由房山区管委投资建设，由北京建工路桥工程建设有限责任公司承建，混凝土由北京韩村河混凝土搅拌站提供。本文以该工程中桥面铺装所用C40W6F200混凝土为例，剖析HPC混凝土发展的若干制约因素,同大家共同探讨，希望引起有关专家学者共同关注，为我国高性能混凝土发展创造必要的外部环境。
房山区长周路道路工程-小清河桥
1 工程概况
房山区长周路（长辛店-周口店）道路工程。设计等级：道路为一级公路，桥梁设计荷载标准为公路I级，全长分为7个标段，我项目部为第三标段，全长2.8公里，主要构造物为小清河桥，是预制T梁桥。桥梁全长727.4米，桥梁全宽24.5米。
2 桥面铺装混凝土技术要求
（1） 最大水灰比0.50
（2） 预应力混凝土构件最大氯离子含量0.06%，普通钢筋混凝土构件最大氯离子含量0.3%
（3） 最大碱含量3.0kg/m3
（4） 抗冻指标≥F200
（5） 抗氯离子侵蚀采用添加钢筋阻锈剂措施。
（6） 抗渗指标≥W6
二 HPC混凝土的强度、耐久性和工作性
（一）HPC混凝土的强度
C40W6F200属于高性能混凝土的范畴吗？冯乃谦在其专著《高性能混凝土》中开宗明义的指出：“高性能混凝土必须是高强的，因为一般情况下高强对耐久性有利。”吴中伟针对当时科研界过度追求高强度的趋向，及时提出“有人认为高强度必然高耐久性，这是不全面的，因为高强混凝土会带来不利于耐久性的因素……。高性能混凝土还应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。”但黄士元认为把包括30 MPa的普通强度而耐久性好的混凝土也归人高性能混凝土范畴，则很难划分普通混凝土与高性能混凝土的差别，也难于与国际混凝土界沟通。因此，如何界定高性能混凝土，是需要混凝土界人士进一步探讨的问题。
吴中伟院士还曾提出，大量处于严酷环境中的海工、水工结构对混凝土强度要求并不高(C30 左右) ，但耐久性要求却很高。以吴院士的表述推论，对于C40W6F200混凝土，混凝土强度等级只有C40，由于掺加了引气剂，但其抗冻能力却远胜于C50～C60 的高强混凝土。因此，混凝土的技术进步不能以高强为目标，而应是高性能，单纯以高抗压强度来表征混凝土的高性能是不确切的。而高性能混凝土应根据工程建筑的要求，包括不同强度等级的高性能混凝土，如普通强度的高性能混凝土、高强高性能混凝土。
综上所述，本人认为C40W6F200是高性能的普通混凝土，目前一般工程中大量应用的是C50以下强度等级的混凝土(称为“普通混凝土”)，因此高性能的普通混凝土是今后若干年高性能混凝土的发展方向。
（二）HPC混凝土的耐久性
高性能混凝土的重要特性是长寿命、耐久性好。根据什么条件来评价呢？几十年来，混凝土均以强度设计为目标，如何进行混凝土的耐久性设计呢？
在实际工程中对混凝土的耐久性必须进行“事前”控制。等到建筑物在使用阶段出了问题再去弥补，将造成不可估量的损失。但遗憾的是：我国现行（混凝土结构设计规范）仅在构造措施和对正常使用极限状态下的验算方面考虑了结构的耐久性要求，并未引入结构耐久性设计的概念。我国现行《混凝土结构工程施工及验收规范》未考虑水泥品质对混凝土耐久性的影响，而我国《混凝土质量控制标准》对混凝土耐久性的要求欠具体。这就是说，我国工程从设计到施工均未有效地进行结构耐久性的“事前”控制，就C40W6F200混凝土而言，设计为抗渗W6，抗冻F200，能否达到桥梁的正常使用年限，是否超过了正常使用年限造成了浪费无从考证。而工程验收也未对耐久性做出专门规定，一般仅做外观评价、回弹法检测砼强度等。因此，急切需要耐久性设计规程和配套的施工规范的出台。
（三）HPC混凝土的工作性
我项目部于2008年9月27号，首次进行桥面铺装C40W6F200的泵送浇注。考虑到混凝土的密实性，我项目部要求搅拌站到场的砼坍落度140mm左右。因为交通拥堵砼坍落度有不同程度的损失，再加上我项目部承建的小清河桥高20米，泵送相当困难，砼流动性很差。相关领导当即决定：鉴于桥高坍落度小，要求搅拌站及时调整坍落度。经过几次试拌最终到场砼坍落度控制在170-180mm左右，满足现场施工要求，流动性良好。
高性能混凝土在工作性方面，必须具备较强的保塑性和一定的流动度保持能力，不能单纯从密实性考虑。只要具有一定的流动性，能满足泵送要求，满足施工所需的和易性、密实性即可。
三 HPC混凝土的发展对水泥质量的要求
通过对韩村河搅拌站所用水泥的进货渠道及使用情况的调研，了解到水泥高性能化的重要性。长期以来，水泥和混凝土分属建材、建工两大系统，历史形成的条块分割格局，不利于高性能混凝土产业发展方向。混凝土技术人员不了解水泥制造工艺，水泥企业不知晓混凝土发展动态。在水泥产品结构上，以高细度、高标号、高早强为标志的“三高水泥”成了近年来水泥质量的发展主流。随着对碱骨料反应的重视，水泥的碱含量才被真正关注。从目前水泥产品的结构和质量现状而言，远远不能适应高性能混凝土对耐久性的要求。因此，高性能混凝土的发展的前提条件，是实现水泥的高性能化。
（一）HPC混凝土对水泥矿物组成的要求
在水泥矿物组成中C3A 需水量最大，水化快放热集中，对外加剂吸附量最大，适应性差，抗硫酸盐侵蚀能力较弱。尤其是在低温条件下烧成的熟料，析晶出来的C3A 和C4AF 含量高，水泥标准稠度用水量大，与外加剂相容性差。有研究表明，水泥熟料中C3A 含量每增加1% ，标准稠度用水量也同步提高1%；而水泥标准稠度用水量每增加1% ，混凝土用水量相应提高(6～8)kg/ m3 。另外，水泥净浆流动度随C3A + C4AF总量的减少而提高。水泥碱含量越大，对萘系减水剂相容性就越差，凝结时间缩短。
因此，减少水泥熟料中C3A 和C4AF 总量是高性能水泥必须具备的主要特征。
（二）水泥中的掺合料对配制高性能混凝土的影响
韩村河搅拌站高级工程师李帼英告诉我们：“国家允许在水泥生产中掺加混合料可以充分利用当地自然资源，减少水泥生产对环境负荷的影响，整合地方资源优势。但是这些掺和料增加了水泥质量中的不确定因素，加上水泥价格上扬，市场供求关系失衡，水泥厂家惟利是图，给混凝土质量控制带来不可逾越的质量盲点。”这一现状加重了我们对水泥质量的担忧。经过大量水泥质量调查发现在水泥中的掺和料存在以下问题：
1 现行水泥标准对普通水泥烧失量的限值为5 % ，明显过于宽松，商品混凝土企业在水泥验收检验中又往往将烧失量指标忽略，事实上普通水泥的烧失量超过4%已相当普遍，导致当前水泥的需水量明显上升，目前普通水泥的标准稠度用水量均值已突破27 %。
2 部分水泥企业掺入大量轻烧态的火山灰混合材，引起混凝土严重泌水，使混凝土体积明显减缩，并发生塑性开裂。
3 一些水泥粉磨站(配制厂) 将从不同水泥厂采购的熟料和不同电厂排放的粉煤灰分别混于一仓，用于配制普通水泥。
4 另一些发生水泥购并的集团企业，不同产地的熟料冠以同一牌号销售，致使同一厂家同一牌号的水泥矿物组成差异悬殊，需水量和凝结时间令商品混凝土企业无法掌控。
综上所述，水泥品质的现状已成为制约高性能混凝土的发展的严重瓶颈，从高性能混凝土的发展着言，水泥生产工艺中应取消掺加混合材，普通水泥应尽快退出历史舞台。
（三）HPC混凝土对水泥细度要求
水泥中4~30um的颗粒对强度增长贡献最大，大于60um的颗粒对强度基本不起作用，小于3um的颗粒对减少泌水、缩短凝结时间、提高1天强度有利。水泥颗粒分布集中，颗粒堆积的空隙率大，水泥标准稠度大，凝结时间长，1天强度低，与外加剂的相容性也较差，故配制高性能混凝土的水泥，应具有连续的颗粒分布级配，使水泥粉体达到最佳堆积密度，用水量最低，与外加剂匹配性强。因此，高性能混凝土用水泥的细度，应以颗粒分布级配表征，取代目前的细度评价法。
四 HPC混凝土的体积稳定性
（一）提高混凝土体积稳定性的技术途径
高性能混凝土的出现，给土木工程界最直接的冲击是对混凝土耐久性的重视有所加强了，粉煤灰、矿渣等掺合料的使用增多了，预拌混凝土更普遍了。但是，近年来在国内外却发生较多“高性能混凝土”结构开裂，特别是早期开裂的问题。而混凝土的裂缝正是在使用阶段环境侵蚀性介质侵入的通道，进而削弱其耐久性。高性能混凝土在国内外的应用实践表明，早期开裂问题已成为制约其在工程中应用的重要因素。因此，改善高性能混凝土的抗裂性是高性能混凝土研究中急需解决的问题。
为控制大体积砼温差裂缝，在设计和施工方面已有许多成功经验、措施，如掺入缓凝剂、粉煤灰、降低砂石温度和埋设冷水管等，但代价较大。根据吴中伟院士提出的砼干缩和冷缩联合补偿的理论，在水泥中掺加UEA膨胀剂、粉煤灰和缓凝减水剂的“三掺”技术，在降低水化热的同时，通过UEA产生的前期膨胀以补偿砼干缩，后期（14~16d）微膨胀以补偿冷缩。我项目部在桥面铺装施工中要求搅拌站按照“三掺”技术要求报送配合比，这种方法较好地解决了大体积砼尤其C40以上大体积砼的温差裂缝的控制问题。
因此，在高性能混凝土的发展中，必须引入具有减缩、补偿收缩为功效的设计理念，合理选材，从源头上采取措施提高混凝土的体积稳定性。
施工单位：北京建工路桥建设有限责任公司工程名称：房山区长周路3#标 施工部位：桥面铺装
设计强度： C40W6F200 申请强度：C40W6F200 要求坍落度： 170-180 mm
搅拌方法： 机械 浇捣方法： 机械振捣 养护方法： 标准养护
水泥品种及标号： P.O42.5 出厂日期： 2008-11-19 试验编号： 2008-00050
厂别牌号: 前景水泥、太行山 进厂日期 2008-11-19
砂子产地及品种：鑫源石料厂 细度模数：2.5 含泥量 ：1.4% 试验编号：2008-00023
石子产地及品种：周口店碎石 最大粒径：25mm 含泥量: 0.6% 试验编号：2008-0031
其它材料： 聚丙烯纤维 阻锈剂 减水剂
掺和料名称：I级 粉煤灰 2008-F0048 外加剂名称： UEA膨胀剂 2008-0028
天字-115减水剂 2008-00025
桥面铺装混凝土配合比申请单
（二）混凝土体积稳定性研究中的三阶段划分
对混凝土的体积稳定性研究应包括不可分割的三个阶段：一阶段，从加水到混凝土初凝，混凝土从流动状态到塑性丧失期，此阶段混凝土固相颗粒沉降，伴随泌水发生，体积减缩，为塑性收缩期；二阶段，混凝土初凝之后到24h 龄期，混凝土由塑性转型为弹粘性体，该时段以混凝土自收缩最为显著集中，为自收缩阶段；三阶段，24h 龄期后为干缩期。三个阶段的基准零点界限清晰，测试方法相对独立，其中第三阶段实测的干缩值包含了一部分后期的自收缩。
当前学术界较关注于后两个阶段，忽略了第一阶段的收缩值。学术研究中的浮澡性，“大掺量等量取代”在一定程度上误导了一部分商品混凝土企业，迎合了一部分商品混凝土企业“降本节支”的需求，忽视了矿渣微粉的颗粒形貌特征对混凝土体积稳定性带来的负面影响。工程实践和早期的试验说明，大流动性的泵送混凝土低龄期的收缩不可忽略。在高性能混凝土的体积稳定性研究中，除考虑自收缩和干缩对混凝土的体积稳定性影响外，更不可低估混凝土的塑性收缩对早期开裂的决定作用。
五 HPC高性能混凝土的配合比设计
（一）现行规范的适应性
高性能混凝土虽有多年的研发历史，但迄今为止，国内尚无纲领性的配合比设计指南。具体体现在“普通混凝土配合比设计规程”中关于“最大水灰比”和“最低水泥用量”的表述和理解上：对处于“干燥环境”下“正常居住或办公用房屋内部件”的钢筋混凝土，其“最大水灰比”不得超过0.65 ，最小水泥用量不得小于260kg/m3 。此处的“水灰比”应理解为“水胶比”，“水泥用量”泛指“胶结材总量”。然后该规程在泵送混凝土配合比设计中，又提出了“泵送混凝土的用水量与水泥和矿物掺合料的总量之比不宜大于0.60”， 泵送混凝土的水泥和矿物掺合料的总量不宜小于300kg/ m3”。此处又十分明确地运用了“水胶比”和“胶结材总量”概念。前后两者的概念表述就本质而言是连贯的，并不矛盾。然而，在实际工程中，以下表中的“桥面铺装混凝土配合比”为例，水胶比为0.38 ，水灰比0.51。施工图设计说明中标注：为保证桥梁结构混凝土的耐久性，全桥混凝土构件最大水灰比0.50。不谙材料研究的监理理直气壮地理解为：水灰比0.51 ，不符和设计要求，拒绝混凝土施工浇筑，给施工造成困扰。
桥面铺装混凝土配合比
强度等级
C40W6F200
水胶比
0.38
水灰比
0.51
砂率
39%
材料名称
项目 水泥 水 砂1 石1 石2 外加剂 掺合料
1) (2) (3) (1) (2)
Kg/m3
331
170
677
1059
\
12.26
36
13
74
\
配合比 1:0.38:1.54:2.4 试配编 号 08SP-012-05
备注：
说明：本配合比所使用材料均为干材料，使用单位应根据材料含水情况随时调整。
（二）HPC混凝土配合比设计遵循原则
传统的混凝土配合比设计方法( 即假定容重法和绝对体积法) 是以强度为基础的，即根据“水灰比定则”设计配合比。而现代混凝土因为外加剂和掺和料等的加入，结构组成已经改变；水灰比概念已经不符合现代混凝土配合比设计要求。HPC混凝土配合比设计应遵循以下原则：
（1） 水胶比法则：根据这一法则确定水灰比，以保证混凝土的强度和耐久性，对高性能混凝土，由于将矿物细掺料当作胶凝材料的一部分，因此计算的应该是水胶比。
（2）最大密实度法则：该法则的基本思路是各项材料互相填充空隙，以达到混凝土密实度最大，换言之就是各项材料的密实体积总和等于1m3绝对密实的混凝土。根据这一法则可确定配合比中的浆集比与砂率，以确保混凝土的强度、耐久性与经济性。
（3） 最小单位用水量法则：根据这一法则可在水胶比一定及原材料一定的情况下，确定能满足混凝土工作性的最小用水量，这和普通混凝土中的恒用水量法则相似。
根据上述三大{学}法则，可以初步确定混凝土配合比中的水胶比、浆集比、砂率与最小单位用水量这四个最基本的参数，再通过一定的方法，根据经验和试配确定外加剂和外掺料的用量。
（三）HPC混凝土的最大外掺料限量
1高性能混凝土配合比设计应以最大限度地减少水泥用量为终极目标，努力减轻水泥混凝土生产对环境负荷的影响程度为己任。 目前商品混凝土中普遍掺加了粉煤灰，在配比过程中要合理运用“粉煤灰效应”的技术意识，使粉煤灰对混凝土性能作出更多的贡献。其要点就是：尽量使粉煤灰能在新拌、硬化中和硬化后过程中都能充分发挥粉煤灰的“功能”。此外，要使粉煤灰的应用具备显著的经济效益。
2粉煤灰的最佳掺量应根据混凝土的强度等级、水泥品种、工程对象、施工工艺等通过试验确定，并应限制其不利影响。JGJ28-86《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》规定，在普通钢筋混凝土中，粉煤灰的掺量不宜超过基准混凝土水泥用量的35%，且粉煤灰取代水泥率不宜超过20%；GBJ146-90《粉煤灰混凝土应用技术规范》中则更明确地规定钢筋混凝土、高抗冻融性混凝土、高强混凝土中粉煤灰取代水泥量的限量为≤25%；中低强度、泵送及大体积混凝土中粉煤灰取代水泥量的限量为≤40%。
3在北京地区，虽然粉煤灰的应用较早，但很多是以单纯降低混凝土的成本考虑的，而且掺量一般在20%以下。这种做法虽然可以避免粉煤灰掺入过多所带来的负面影响，但也对粉煤灰的很多功能作了“牺牲”，也限制了粉煤灰“综合效应”的发挥。有试验表明：在相同的水胶比下，粉煤灰的掺量不超过20%时，粉煤灰混凝土与基准混凝土的性能不致发生多大的变化，只是混凝土的温升稍有降低。只有在其掺量超过25%时，粉煤灰才会显著改变混凝土的性能。
高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土，如何利用粉煤灰的合理掺入，既能改善混凝土的强度、耐久性及工作性，又能起到降低工程造价、节约能源的效用，值得关注。
（四）HPC混凝土的最低水泥用量
最低水泥用量的提出，是为确保混凝土必要的耐久性。但对部分经改性处理，活性和综合耐久性指标符合甚至超过GB/T 18736-2002“高强高性能混凝土用矿物外加剂”的二元、三元复合外掺料，应不受规范相应条款的限制。如规范[11]中规定上部结构最低水泥用量为200kg/m3 ，但只要高性能化的技术途径可行，设计方法正确，合理选材配伍，仅120kg/m3的水泥用量，就能配制出抗渗等级P21 以上的高性能混凝土[4] 。另一方面，从混凝土成本考虑，对胶结材总量为300kg/m3的普通混凝土高性能化，水泥用量不突破200kg/m3的限制要求，则无法付诸实际应用。
（五）HPC混凝土的用水量
降低混凝土的用水量是配制高性能混凝土的主要技术手段，而混凝土的用水量与外加剂的总体应用水平相关。目前商品混凝土采用的泵送剂仍以普通减水剂为主导品种，随着粉煤灰和矿粉双掺技术的应用，减水率达12 %～15 %的中效减水剂应运而生，高效减水剂则主要用于高强混凝土。由表3可知，目前外加剂在混凝土的成本构成中不超过5 %，普通减水剂则更低。显然这一应用水平与高性能混凝土的发展要求相距甚远。在水泥价格持续走低的条件下，使用高效减水剂配制普通泵送混凝土会导致成本上升。商品混凝土企业宁可多消费水泥，也不愿使用对提高耐久性有利的高效减水剂。因此，高性能混凝土的发展必须以提高我国混凝土外加剂的总体应用水平为前提，从立法上明确限制混凝土单位用水量。现阶段，鉴于合理的承受能力，应鼓励使用价格适中的减水率为15 %～18 %的萘系高效减水剂，使配制C40以下等级泵送混凝土的用水量不超过180kg/m3成为可能。
六 HPC混凝土的成本分析
表3 为在保持水胶比不变前提下，分别用不同类型的高效减水剂对常用的C30 泵送混凝土高性能化后的成本分析结果。从中可以看出，选用价格较低的萘系高效减水剂，50 %复合高性能外掺料配制的高性能混凝土，其成本同比下降2 %，但混凝土性价比却大幅度提升；对性能优异的聚羧酸高性能减水剂，虽然配制的高性能混凝土可见成本较高，但由于强度、耐久性能的进一步提高，其潜在的综合经济效益理应是最佳的。国外的研究也表明，用粉煤灰和矿粉取代部分水泥配制的高性能混凝土，只会降低成本。
表3 高性能混凝土成本分析
砼类型 C F（Ⅱ） 复合料 S G W A 混凝土成本
元/m3 A/混凝土成本/%kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 kg/m3 品种 参量/%减水量
C30
18-20cm 305
(内掺30%矿粉) 55 800 1020 180 中效 1.0 13 178.1
4.4
HPC
(A) 175 175 810 1020 175 奈系高效 1.2 16 174.2
6.8
HPC
(B) 150 150 910 1000 150 聚羧酸 1.2 30 191.2
18.8
七 HPC混凝土的发展对施工养护工艺的要求
（一）目前混凝土养护的现状
养护不好是混凝土产生裂缝的主要原因之一，另外“抢工期”是目前施工中普遍存在而无法回避的问题，如何确保养护措施合理、及时，如何杜绝混凝土因拆模过早而缺损的问题是需要工程界重视的问题。目前大多数的施工单位都存在一种这样的思想，即使用了搅拌站的商品混凝土，则所有与混凝土有关的质量问题都由搅拌站来负责，因此，对商品混凝土的使用经常是既不按规范施工，也不按规范进行养护。几乎没有施工单位严格按照规范要求对商品混凝土进行养护，也不配备专业人员、材料和设施，这是造成目前商品混凝土开裂多、投诉多、争议多的主要因素，也严重影响了工程质量。
（二）起始养护时间对控制商品混凝土早期收缩的重要性
对不掺用减水剂的的普通混凝土而言，早期收缩很小，早期的洒水养护主要是使水泥充分水化，保证混凝土强度的发展，因此，我国混凝土结构工程施工质量验收规范的规定，混凝土的起始养护时间是浇筑后12小时以内。但对大量掺用减水剂的现代商品混凝土，经相关试验证明，初凝后8小时内的收缩急剧增加，而在实际工程中最大量的板面裂缝也主要出现在混凝土初凝后几小时以内，因此，掌握好起始养护时间是控制商品混凝土早期收缩裂缝的关键，如果继续按照浇筑后等12小时再进行洒水养护，就失去了控制早期收缩裂缝的产最佳时间，从早期收缩裂缝控制来讲，将失去任何的作用。
（三） HPC混凝土需要及时而充分的湿养护
所谓及时养护主要是在混凝土的表面没有失水前就进行养护，在实际操作过程中，要掌握及时养护有一定的困难，往往需要根据混凝土拌合物性能、气候等情况来确定（一般在混凝土刚初凝就要进行湿养护），如果在养护时表面已出现失水现象，则需要在养护前对表面因失水造成的缺陷先行进行处理再养护，以保证养护的效果。所谓充分养护主要是要保证在整个规定的养护期间混凝土都不失水，不失水则养护是充分的，否则就是不充分的，养护越充分则混凝土存在的缺陷就少，不充分则存在的缺陷就多。
（四）湿养护7天期间内各阶段对HPC混凝土养护的影响
根据试验资料和生产资料, 商品混凝土的7d 强度约为28d 强度的65%～ 85% ,因此规范要求湿养护7 天是合理的，最好能保持7 天都不失水。根据我们的经验，在这7 天中, 时间越靠前, 混凝土越容易失水, 越容易形成缺陷, 防止失水也越重要。3d 强度约为28d 强度的45 %～60 % , 所以前3 天防止失水尤为关键。前3 天若不失水, 之后继续浇水保湿至7 天, 从工程实际来看, 效果都不错。而第一天则尤为关键，如果第一天失水过多, 所造成的缺陷可能以后都很难弥补。我们发现有的工程第一天不注意保养, 第二天才开始蓄水养护, 养护结束以后, 板面还是有很多的裂缝，分析其原因, 是因为第一天已经有了裂缝的产生，这说明第一天的不养护致使粗大的毛细孔已经形成，难于愈合。所以，我个人认为：湿养护7 天, 关键前3 天, 最关键是第1 天，因此，我们不管用什么方式保养, 都要保证第1 天达到不出现失水的问题。
（五）混凝土二次抹压的重要性
一次抹平后, 如果不立即养护, 至混凝土初凝前, 必须至少再抹一次, 这次不只是抹平,还要“压”, 将混凝土表面抹压密实, 称为“二次抹压”。二次抹压的主要作用有三：一是消除混凝土的表面缺陷及早期的塑性裂缝, 二提高混凝土表层的密实度, 三是表层密实度提高后, 减缓了混凝土内水分迁移蒸发的速度, 提高了混凝土的抗裂能力。从一次抹平至二次抹压, 是混凝土逐渐初凝的过程, 有较长一段时间，只要环境相对湿度低于100 % , 混凝土就会失水, 形成缺陷。这些缺陷不消除,在混凝土继续失水的情况下, 孔道进一步加深, 裂缝进一步扩展, 出现开裂。我们发现, 在湿养护不够及时、不够充分的情况下(例如传统湿养护) , 只有一次抹平而没有二次抹压, 混凝土的开裂将很严重，实施二次抹压后, 开裂程度大大减轻。因此, 除非实施即时养护, 使混凝土表面不能生成失水缺陷, 否则二次抹压工艺是必须的。
二次抹压后,必须立即对混凝土进行充分的湿养护,以避免混凝土再次失水，只有这样, 才能保证混凝土早期水化良好, 提高硬化混凝土的质量, 为混凝土耐久性的提高打下早期质量基础。
（六）应用与效果
我项目部在桥面铺装砼浇注的技术交底中对混凝土的养护作了具体规定：
1设专职养护员负责现场的砼养护和环境保护。
2混凝土浇筑振捣密实后, 为了表面的平整度, 必须先用木抹子将表面抹平,初凝前钢抹压实成活，最后表面用木抹搓成糙面，称为“三次抹平成活”。
3混凝土浇筑面广，抹平持续时间长。最先成活的混凝土容易产生裂纹。因此在“拉毛”过程中可适当洒水养生。
4混凝土初凝后立即采用无纺布进行养生，控制养护期在7天以上。
5气温低于5℃时，混凝土不得浇水，须进行保温养护。
6混凝土养护浇水次数，保持混凝土具有足够的湿润状态为度。在一般气候条件（气温在15℃）下，混凝土浇筑后最初3天时，白天应每隔2h浇水1次，夜间至少浇水2次，在以后的养护期中，每昼夜至少浇水4次。在干燥的气候条件下，浇水次数应适当增加。
7混凝土在养护过程中，如因苫盖不好、浇水不足，以致表面泛白或出现细小裂缝时，要加强养护工作，仔细苫盖、充分浇水，并延长浇水日期，加以补救。
我施工单位在桥面铺装砼养护中，根据现在HPC混凝土的特点在混凝土刚初凝（失表面水前）就采取合理养护措施，有效降低收缩，减少开裂。
房山区长周路3#标桥面铺装砼浇筑
八 结论
高性能混凝土的发展必须以现实国情为基础，合理的经济性为原则，授众的承受力为前提。在技术层面上，应以适宜的工作性、适宜的强度和适宜的耐久性为量化导向。普通混凝土高性能化是高性能混凝土的发展的重中之重。
高性能混凝土的发展必须以实现水泥的高性能化和提高我国混凝土外加剂的总体应用水平为前提。高性能水泥必须具备较低的需水性，与外加剂适应性好；在矿物组成上，应增加对提高混凝土耐久性有利的矿物含量，减少对需水量影响大，外加剂适应性差及耐久性不利的C3A、C4AF 含量；高性能水泥还应具有较佳的连续颗粒分布级配，使之符合用水量最小化的耐久性设计原理，同时，高性能水泥应以水泥的颗粒分布级配表征，细度评价法不适用于高性能水泥。
在高性能混凝土体积稳定性研究中，提出了对塑性收缩、自收缩、干缩三阶段的划分。三阶段的划分有助于提高混凝土塑性收缩率对早期开裂影响的认知程度，针对性地从混凝土塑性阶段介入以减缩、补偿收缩为目的的设计理念，并从塑性阶段辅以必要的保温保湿措施。
高性能混凝土的发展亟盼一部前瞻性强的纲领性技术指南。明确水胶比、复合胶凝材料总量等适用于高性能混凝土的概念及定义。在配合比设计上，应体现更大的自由度，更广阔的研发空间，以最大限度降低水泥用量，并努力减少混凝土产业对自然资源的索取为最高目标。
在日益突出的商品混凝土早期开裂问题上，既有水泥质量的不可控因素，又有外掺料使用不当引起塑性致裂，更有传统施工养护工艺的局限性所致。就整个大环境而言，高性能混凝土的发展更是一项跨行业、跨部门、跨学科的庞大系统工程，也是历史赋予当代混凝土工作者义不容辞的艰巨使命。
