1.2 高性能混凝土研究进展
1.2.1 高性能混凝土的定义
世界上对高性能混凝土的研究及其应用与日俱增，高性能混凝土越来越广泛地应用于各国工程实际。高性能混凝土是从高强混凝土发展而来的，不同国家、不同学者依照各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土有不同的定义和解释［12］：
（1）美国国家标准与技术研究所（NIST）与美国混凝土协会（ACI）认为HPC是用优质水泥、集料、水和活性细掺料与高效外加剂制成的，同时具有优良的耐久性、工作性和强度的匀质混凝土。1990年5月，美国国家标准局组织召开了关于HPC的专题讨论会，参加者认为，HPC具备的性能应包括易于浇注捣实（免振自流平）而不离析，优良且长期保持的力学性能；高早强、高韧性；体积稳定；严酷环境下的长久使用寿命。对于普通混凝土可通过控制水灰比来调节抗压强度，但提高强度时，工作性、耐久性、体积稳定性等综合性能指标并不能得到保证，而HPC则从全方位角度改变了混凝土的工作概念。
（2）欧洲重视强度与耐久性，常把高性能混凝土与高强混凝土并提，法国与加拿大正在研究超高性能混凝土，北欧正开发高强HPC。1992年法国Malier认为，HPC的特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性高和高耐久性，特别适用于桥梁、港工、核反应堆以及高速公路等重要的混凝土建筑结构。
（3）日本重视HPC的工作性与耐久性，而不过分强调强度。1992年日本的小泽一雅和冈村甫认为，HPC应具有高工作性（高的流动性、黏聚性与可浇注性）、低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。同年，日本的Sarker提出，HPC具有较高的力学性能（如抗压、抗折、抗拉强度）、高耐久性（如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀）、高抗渗性，属于水胶比很低的混凝土。
（4）我国著名的混凝土科学家、中国工程院院士吴中伟教授认为，高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，有重点对耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性予以重点保证。赵国藩认为，高性能混凝土是指具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面优越性的混凝土［13］。
笔者认为，高强混凝土不一定是高性能混凝土，高性能混凝土也不只是高强混凝土，而是包括各种强度等级的具有良好的各种性能的混凝土。水工混凝土薄壁结构要求有很长的安全使用期，且所处环境都比较复杂（寒冷、干热以及高速水流冲刷等），因此对耐久性、体积稳定性和工作性有很高的要求，而对强度要求不是很高。
1.2.2 高性能混凝土组分
1.2.2.1 水泥
水泥的水化热是单位质量水泥中的各种化合物与水反应的过程中放出的热量，以J/g表示。影响水泥水化热的因素很多，包括水泥熟料矿物组成、水泥细度、混合材掺量及质量、水灰比、养护温度等，但主要是决定于熟料矿物的组成与含量。硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙、氧化硅、氧化铝、氧化铁4种氧化物组成，这些氧化物并不是单独存在的，而是反应生成多种矿物集合体。水泥熟料是多种矿物的聚积体，主要包括硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写C3S）、硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写C2S）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写C3A）。
普通硅酸盐水泥的水化是熟料组分、硫酸钙和水发生交错的化学反应，反应的结果导致水泥浆体不断地稠化和硬化。从化学上讲，水化是一种复杂的溶解—沉淀的过程，各种水泥矿物以不同的速率同时进行，而且彼此影响。硅酸盐水泥水化反应主要为：
CaO•SiO2+6H2O—→3CaO•SiO2•3H2O+3Ca(OH)2
2 (2CaO•SiO2)+4H2O═══3CaO•SiO2•3H2O+Ca (OH)2
3CaO•Al2O3+6H2O═══3CaO•Al2O3•6H2O
水化放热速率（rate of heat evolution）随水化时间的变化见图1.1，水化反应龄期与水化度的关系见图1.2。
从图1.1可以看到，水泥和其他矿物的水化过程可以分为4个阶段，即初始阶段、稳定阶段、加速阶段、衰减阶段。第一阶段在水泥与水混合接触之后，C3A和石膏激剧反应并生成钙矾石，钙矾石生成的同时也降低了C3A的反应，因此放热速率迅速降低，该阶段持续时间为15～30min，水化反应仅影响混凝土的初始浇筑温度，释放的能量也仅使混凝土初始温度升高1～2℃；稳定阶段发生在混凝土拌和、运输、浇筑的过程中，持续时间1～3h，由于这一阶段水化反应率很低，所以几乎没有能量的释放；加速阶段发生在混凝土浇筑后，持续时间3～12h，这一阶段是水化反应最激烈的阶段，伴随有大量的热量释放；混凝土放热高峰到达以后，水化放热速率开始逐渐减小并最终趋于稳定。在实际混凝土水化放热理论与计算研究中，前两个阶段由于发生在混凝土浇筑以前，持续时间很短，且水化放热量很小，常常忽略不计，一般的计算模型仅从第三阶段（即混凝土浇筑后加速水化阶段）开始，这使问题得到大大简化。
图1.1 水泥的水化反应过程［14］
图1.2 水化反应龄期与水化度的关系［14］
事实上，水泥的水化反应是其组分分别与水的化学反应，每种组分的水化反应持续时间和速率是不一样的，它们的活性顺序大致为：C3A>C3S>C2S。除此之外，每一个化合物与水反应的反应速率还取决于它的生产过程；颗粒尺寸、粒径分布和水化温度对水化反应速率也影响很大。如果考虑每种组分的水化反应，那需要了解水泥的每种化学组分的物理和化学特征，模型将会很复杂。鉴于此，这里考虑的水化反应是指每种化学组分的平均水化反应。
1.2.2.2 集料［15］
（1）粗集料。天然岩石一般强度都很高，在80～150MPa。因此，对于高性能混凝土，最重要的不是强度，而是粗集料的粒形特征，包括粒形、粒径、表面状况、级配以及分化石含量等。在高强高性能混凝土中，集料的粒性特征对混凝土的强度和性能影响更大。
（2）细集料。细集料宜选用石英含量高、颗粒形状浑圆、洁净、具有平滑筛分曲线的中粗砂，细度模数为2.6～3.2。细度模数在3附近时，混凝土工作性最好，强度最高。应按砂石标准严格控制砂子的质量，尤其是含泥量和泥块的含量，以确保混凝土质量。
1.2.2.3 矿物掺合料
为了提高混凝土的耐久性、抗渗性、体积稳定性和工作性等，高性能混凝土往往掺有大量矿物掺合料。这些掺合料对混凝土热学和力学特性有重要影响，可降低温升，改善工作性，增进后期强度，并可改善混凝土内部结构，提高抗腐蚀能力。尤其是磨细矿物掺合料对碱-骨料反应的抑制作用已引起国内外专家的极大兴趣。因此，国外将这种混合材料称为辅助胶凝材料，是高性能混凝土不可缺少的成分。
矿物掺合料主要包括粉煤灰、矿渣、火山灰等，其对水泥水化的影响各不相同。水泥中掺入粉煤灰能够减小水化放热量和水化反应速率[16-18]，矿渣水泥比普通水泥的水化热要低，而且和普通水泥的水化放热过程相比，在水化过程中要经历两个水化放热高峰[19，20]，火山灰水泥由于其矿物成分能够加速水泥的水化，水化放热速度要高于一般水泥，但总的水化放热量降低[21-23]。
1.2.2.4 高效减水剂
除矿物掺合料外，高效减水剂也是高性能混凝土一个关键组成部分。减水剂使混凝土中的水泥用量减少，超细粉用量增大，在施工过程中混凝土不会离析，它的坍落度保持在200mm以上，稍加振捣或免振捣就能使混凝土在钢筋密集部位得到很好的填充，使制作流态混凝土包括自流平及自密实混凝土的技术得到实现。
1.2.3 高性能混凝土的应用
随着大跨度、超高建筑的发展，高性能混凝土越来越被广泛地应用。在国外，高性能混凝土应用相对较多，比如美国的芝加哥、西雅图、纽约、休斯敦；加拿大的多伦多、德国的法兰克福等均有多幢超高强高性能混凝土建筑，芝加哥SOUTH WACKER大厦低层柱为C95混凝土；西雅图65层的双联广场钢管混凝土柱，28d抗压强度115MPa。应用超高强高性能混凝土最好的国家是挪威，挪威已在建造北海油田的钻井平台中使用超高强高性能混凝土，并将超高强高性能混凝土广泛用于道路工程，明显提高了混凝土路面的耐磨性，适应了挪威严寒地区汽车带钉轮胎对路面的强磨蚀状况。
我国在混凝土技术方面也取得了明显的进步。在普遍应用C30、C40等级混凝土的基础上，C50、C60高性能混凝土的工程应用范围不断扩大，大量的C50、C60用于高层建筑和大跨桥梁，如上海金茂大厦、东方明珠电视塔、上海杨埔大桥、万县长江大桥等。也有少量C80高强泵送混凝土在实际工程中得到应用，如上海明天广场、北京静安中心大厦等［24］。
在水利界，由于高性能混凝土的耐久性强，它越来越多地被应用于南水北调东线中线结构工程当中。南水北调工程约有2000座新建渡槽、泵站、水闸、船闸、倒虹吸、地涵和各种交叉建筑物，这些水工混凝土薄壁结构所处环境条件恶劣，要求具有较高的耐久性，因此大都采用高性能混凝土，南水北调中线某渡槽工程就采用C50高性能泵送混凝土。随着时间的推移和技术的发展，高性能混凝土在中国的应用也将更加广泛。
1.2.4 高性能混凝土收缩变形
1.2.4.1 自收缩
自收缩 （基本收缩），是指混凝土在硬化阶段，在恒温、与外界无水分交换的条件下混凝土宏观体积的减少[25-27]。研究表明，自收缩在混凝土内部是相对均匀地发生，而不仅仅在混凝土表面或内部发生[28]。从收缩机理方面来看，一般认为，混凝土自收缩主要是由水泥水化引起的混凝土内部自干燥产生的毛细管张力造成的。水泥的水化动力学使得水泥浆的自干燥水平受到限制，因而也使得自收缩的发展受到限制[29，30]
自收缩的发展受到很多因素的影响，最主要的是混凝土的材料组成方面，为此，国内外很多专家进行了研究。Miyazawa［31］试验研究了混凝土类型、水灰比、骨料类型与级配对高性能混凝土内部水分变化和自生体积收缩的影响。李家和［32］研究了硅灰、磨细矿渣、磨细粉煤灰三种掺合料对高性能混凝土自收缩的影响，结果表明：硅灰和磨细矿渣增大了高性能混凝土3d前的自收缩值，而磨细粉煤灰降低了高性能混凝土3d前的自收缩值。Zhang［33］介绍水灰比和硅粉对自生体积收缩的影响。祝昌暾［34］以掺硅粉的大流动性高强混凝土为研究对象，对混凝土在常温常湿的室内条件下的自收缩进行了研究。
为减小混凝土自生体积收缩，Bentur［35］试验研究采用湿的轻骨料来替代传统的高性能混凝土骨料，以通过内部的湿养护来达到减小混凝土自生体积收缩的目的。值得注意的是，过高的轻骨料含量会降低混凝土的强度，Zhutovsky［36］通过试验确定了合理的轻骨料含量，蒋亚清［37］提出了HPC中轻骨料含量的计算方法。Collepardi［38］研究了减缩剂对HPC自生体积收缩的影响。韩建国［39］给出了减缩剂对抗混凝土自收缩及受限收缩的作用效果。另外，最近的研究显示，减水剂的使用使得混凝土的自生体积收缩量大大增加［40，41］，应当引起足够的重视，对掺减水剂的混凝土应特别加强早期养护、做自收缩试验和防裂研究。
1.2.4.2 干燥收缩
置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小变形，称为干燥收缩（简称“干缩”）［26］。理论上讲，干缩是混凝土在干燥条件下实测的变形减去相同温度下密封试件的自缩变形。干燥收缩的测定比较困难，一方面是由于干燥收缩很难和自收缩分离，另一方面是各国学者对干燥收缩测定的起始点（我国规定为混凝土成型后第二天）和对自收缩测定的起始点（一般为混凝土初凝或终凝时）不一致，另外，干缩是在大气中进行测量的，所以干缩结果中也包含碳化收缩的影响。研究发现，混凝土失水后收缩、吸湿后膨胀，但是恢复也是部分恢复，因此，干缩可分为可逆干缩和不可逆干缩。不可逆干缩是由于一部分接触较紧密的凝胶颗粒在干燥期间失去吸附水后发生新的化学结合，这种结合即使再吸水也不会被破坏［30］。
综上所述，干燥收缩机理复杂，测定难度大；同时，Erika认为［42］，对高性能混凝土而言，由于水胶比低，干燥收缩对其总收缩的贡献相对较小。
1.2.4.3 温度收缩
温度收缩也称为冷缩，是指混凝土随温度下降而发生的收缩变形。水泥的水化热和环境的温度变化是引起温度收缩的主要原因。混凝土在刚浇筑完不久，由于水泥的水化反应而产生大量水化热，并通过边界把部分热量向四周散热。在早期，水泥水化速率快，放出的热量大于散发的热量，混凝土温度升高，按照一般的规律，每10kg水泥产生的绝热温升为1.11～1.78℃［42］。水泥水化速率随时间减慢，当发热量小于散热量时，混凝土温度便开始下降。混凝土在升温时发生膨胀，在降温时发生收缩。温度引起的变形有些是弹性的，随着温度的恢复变形也随之复原，但是非弹性的变形将成为混凝土早期变形来源之一。如果混凝土处于约束状态下，则温度收缩变形受到限制，就转化为温度收缩应力，很可能导致温度收缩裂缝。
1.2.4.4 化学收缩
化学收缩也称化学减缩，从水泥接触水的时刻就已经开始，是指混凝土内水泥和水的反应过程中反应生成物的绝对体积同反应前水泥和水的绝对体积之和相比而减少的部分［43］。水泥的化学收缩贯穿于水泥水化的全过程，它是引起自收缩的潜在动力。
化学收缩机理复杂，常常和自收缩、塑性收缩混淆。Breugel的研究发现［44］，在不同的阶段，混凝土会表现不同的收缩形式，它们的关系如下所述：由于化学收缩的存在，水泥水化所形成的水化产物的体积小于水泥和水的总体积。在具有较大流动性时，混凝土通过宏观体积的减少来补偿化学收缩，这时化学收缩表现为部分塑性收缩。随着水泥水化的进行，混凝土的流动性逐渐降低，这时混凝土通过形成内部孔隙和宏观体积减小两种形式补偿化学收缩。随着水泥水化的进一步发展，混凝土产生一定的强度，这时混凝土主要通过形成内部孔隙来补偿化学收缩。内部孔隙的形成就标志着一部分的毛细孔已经变空。当试件与外界没有水分交换的情况下，由于内部孔隙的形成而产生的毛细管张力将使混凝土的宏观体积收缩，而这种收缩就是自收缩［30］。
1.2.4.5 碳化收缩
混凝土的碳化收缩是混凝土中的水泥水化物与空气中的CO2发生化学反应的结果，该反应伴随着体积的收缩，即称为碳化收缩［26］。碳化的程度取决于混凝土的密度、质量、环境湿度和CO2气体含量等因素，且一般局限于距表面2cm的范围内。Persson研究发现［45］，硅粉的加入可能能够避免碳化收缩的发生。
1.2.4.6 塑性收缩
塑性收缩是指在混凝土拌和后一段时间内，由于水泥的水化反应，晶体结构逐渐形成，同时出现泌水和体积缩小，这时的体积缩小就称为塑性收缩，也称为凝缩。一般认为，塑性收缩与混凝土的失水速率有关，但是不同的学者得出的标准不一样，Paul的研究表明［46］，当混凝土的失水速度小于1.0kg/（m2·h）时，混凝土不会产生塑性收缩裂缝；Almusallam等人的试验结果表明［47］，在混凝土的失水速度为0.2～0.7kg/（m2·h）时，混凝土发生了塑性收缩裂缝；Mangat和Azari的研究表明［48］，掺加钢纤维能明显降低塑性收缩。