摘要：本文综述了高强混凝土当前的技术水平及研究热点，以及高强混凝土的工程应用情况与标准化进展。探讨了高强混凝土的发展趋势和推广应用前景。
关键词：高强混凝土 ；研究现状 ；应用；发展趋势
高强混凝土(High Performance Concrete,简称HPC)全方位地改变了混凝土的工作概念。它的概念是相对的,是与当前混凝土技术的一般水平比较而言的。我国吴中伟院士认为:HPC是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,选用优质原材料,在严格的质量管理条件下制成的。美国混凝土学会363(高强混凝土)委员会现行的定义为:“设计强度等于或高于41 MPa,且不包括应用非常规材料和技术制得的混凝土。”因此,高强混凝土的下限是41 MPa。从我国现今的结构设计和施工技术水平出发,同时考虑混凝土材性的变化,一般认为将强度等级不小于C50的结构混凝土称为高强混凝土。
目前我国建筑业每年竣工各类房屋的总建筑面积居世界前列,尤其是高层建筑和超高层建筑如雨后春笋般的出现在大城市中。钢筋混凝土将是我国今后相当长的时期内的一种重要的工程结构材料,其中高性能混凝土的研究和发展在钢筋混凝土的发展过程中将起着举足轻重的作用。据权威部门预测,到2010年我国水泥需求量将接近10亿吨,与之俱来的将是6亿吨水和6亿吨骨料,这种数量扩张型建材工业发展模式将使我国能源、资源和环境不堪重负,不利于社会与经济的可持续发展。高性能混凝土的研究和应用迫在眉睫。所谓“高性能”是指混凝土具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能。现代高强混凝土,是指用常规的水泥、砂石作为原材料,使用常规的工艺生产配制的。它主要靠外加高效减水剂,或同时掺加一定数量的活性矿物材料,使拌合料具有良好的工作度,并在硬化后具有高强性能。现代高强混凝土是1964年首先在日本开始兴起的,由于现代高强混凝土克服了以往不能预拌生产和泵送施工等问题,所以很快在世界各地得到推广应用。
1、高强混凝土在工程中的应用
高强混凝土作为一种新的建筑材料问世以来,以其优于普通混凝土的技术经济效益而倍受瞩目。高强混凝土是高层建筑底部柱子和剪力墙的理想材料,利用高强混凝土的高强、早强和高变形模量的特点,来减小高层建筑底层剪力墙、柱子的截面尺寸,增加建筑使用面积,扩大建筑物的柱网间距,改善建筑使用功能。施工中又可统一柱子的模板规格,减少模板材料用量、加快周转,缩短施工工期。我国在20世纪70年代初就开始了对现代高强混凝土(掺加高效减水剂的高强混凝土)的研究。2003年,沈阳远吉大厦的施工中使用了C100级混凝土,这为我国目前应用于工程的最高强混凝土。高强混凝土有突出的耐久性,它是现代基础设施工程为满足长时期使用寿命需要的理想材料。对混凝土结构工程来说,现代高强混凝土的出现,被视为继预应力技术后的又一重大进展。
2、高强混凝土结构研究现状
提高混凝土的强度是发展高层建筑、高耸结构、大跨度结构的重要措施。使用高强混凝土能够减轻结构自重,增加使用面积和降低工程造价,并能获得较大的经济效益。随着高层建筑和预拌混凝土技术的发展,高强混凝土的工程应用日益增多。一般地说,如将混凝土强度从C30提高到C60,结构体积及相应自重可减少1/3，从C40提高到C80,构件的承载能力可提高1倍,自身重量减轻1/4。同时高强混凝土还具有材质致密坚硬,具有比普通混凝土更高的耐久性,能满足环境条件恶劣的特殊工程要求等优点。
目前很多研究人员针对高强混凝土的下列性能开展了系统研究 ：（1）高强混凝土的脆性随着高强混凝土的推广应用，其脆性问题愈显突出，引起了国内外学者的广泛关注。目前研究与工程实践中，通过掺入纤维、矿物掺合料、聚合物、橡胶粉等来改善混凝土的脆性。其中纤维是较理想的混凝土增韧材料，掺入混凝土中可以减少混凝土裂缝的形成、开裂、扩展，从而改善混凝土的脆性。（2）高强混凝土的抗裂性混凝土结构的开裂已成为一个世界性的难题，国内外对混凝土结构非荷载裂缝的问题都非常重视。造成开裂的原因很多，与材料性能有关，也与结构荷载有关，还与服役环境有关。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆减小混凝土收缩是提高其抗裂性能的基本途径。实际工程中，一般对混凝土组成和配比进行优化，在混凝土中掺加纤维、引气剂、减缩剂、膨胀剂等减缩抗裂组分。（3）高强混凝土的耐火性近 10 年来国内外的研究人员对高强混凝土耐火性能进行了大量的研究。研究表明高强混凝土与传统普通混凝土在高温下的破坏表现及性能都有很大的不同，特别是在快速升温的火灾 ( 高温 ) 下，高强混凝土常发生爆裂现象。
3、研究中存在的问题及发展趋势
尽管目前国内外关于高强钢筋和高强混凝土柱的研究取得了很大突破,但由于研究的局限性,在此方面还有许多不足之处,需要进行深入研究,以取得满意结果:
（1）多年以来,研究人员只局限于通过加强核心混凝土的约束和加强横向钢筋和纵向钢筋的绑扎来提高柱的延性,这些方法只能局限于普通钢筋,其延性的提高是有限的。一些研究显示,对于相同配箍率的横向钢筋,用高强钢筋比用普通钢筋更能有效提高钢筋混凝土柱的延性,但这方面的研究还远远不够。
（2）目前研究较多的是普通钢筋作柱的纵向钢筋,关于高强钢筋作纵筋是否能提高柱的延性,虽然最近在日本的一些研究证实了钢筋混凝土柱的延性可以通过高强钢筋和普通钢筋混合作纵筋得到提高,但关于这方面的实验数据不多,究竟具体情况如何还需作进一步的研究。
（3）钢筋混凝土柱中最重要的设计考虑是柱的塑性区的延性。为了防止纵向钢筋压屈和柱的剪切破坏,设置一定数量的箍筋,以保证足够的横向约束是必要的,但国内外关于受横向钢筋约束的混凝土柱的性能研究大多集中在混凝土强度不大于40Mpa和横向钢筋屈服强度不大于400Mpa这样一个很小的范围之内。因此,为弥补规范的不足,这方面的研究范围还需扩宽。
4)材料的应力—应变关系模型对于推测结构构件的性能至关重要,由混凝土和钢筋的应力—应变关系可以推导表明柱的抗弯性能和延性的弯矩—曲率关系。应力—应变关系涉及许多因素,特别对于高强混凝土。目前,大多数确定的高强混凝土的应力—应变关系模型仅对解释研究者自己的结果有效,且几乎没有一个模型能正确反应约束高强混凝土应力—应变关系曲线的下降段。然而在抗震设计中,应力—应变曲线的下降段对于确定柱的强度和延性是非常重要的。
5)在研究高强钢筋高强混凝土柱的抗震性能时,纵筋的提前压屈以及高强钢筋与混凝土之间的粘结滑移是一个严重问题,目前还没有很好的办法解决。同时,如何找到高强钢筋在整个柱的截面中的界限含量以及根据不同的位移延性系数,来确定高强钢筋混凝土柱中横向约束钢筋的具体数量,对于定量研究高强钢筋高强混凝土柱的延性是非常重要的。我们有理由相信,随着研究工作的逐步深入,实际工程经验的日积月累,高性能混凝土框架技术将会有一个较大的发展。
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论文作者:蔡丁一,胡昔云,高懿凤
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/17
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