高强混凝土的研究应用和发展趋势_冷发光

商品混凝土

2011年第02期 Beton Chinese Edition ——Ready-mixed Concrete 专题汇编

高强混凝土的研究应用和发展趋势*

冷发光，王永海，周永祥，韦庆东

（中国建筑科学研究院建筑材料研究所，北京100013 )

[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；标准化；发展趋势

Research Application and Development Trend of High Strength Concrete

Leng Faguang,Wang Yonghai,Zhou Yongxiang,Wei Qingdong

(Institute of Building Materials China Academy of Building Research,Beijing 100013 China)

Abstract: Current technical level, research hotspot, Engineering application and Standardized progress of high strength concrete have been stated, the development trend and application prospect of that have also been discussed.

Key words:high strength concrete; research present situation; application; standardized; development trend

1 前言

《普通混凝土配合比设计规程》JGJ-55-2000和《建筑材料术语标准》JGJ/T191-2009将高强混凝土定义为：强度等级不低于C60的混凝土。与普通混凝土相比，高强混凝土具有明显的技术优势：不仅可以减小混凝土结构尺寸，减轻结构自重和地基荷载，节约用地，减少材料用量，节省资源，降低施工能耗，而且能够提高混凝土结构的耐久性能，延长建筑物的使用寿命，减少结构维护和修补费用。高强混凝土能够消耗大量工业废渣，节省水泥，符合节能、减排、环保和可持续发展的战略要求。高强混凝土是现代混凝土技术水平的代表和未来的发展方向之一。推广使用高强混凝土符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中重点领域“城镇化与城市发展”的“建筑节能与绿色建筑”和“制造业”中“基础原材料”两个优先主题的任务要求，符合《中华人民共和国清洁生产促进法》和《绿色施工导则》等政策法规的指导精神。

从20世纪60年代，欧美等发达国家就已经开始推广使用高强混凝土。当时美国已有强度等级相当于我国C50～C60的混凝土，在工程中大量应用的混凝土强度等级已达到相当于C30～C35。经过数十年发展，发达国家的多数预拌混凝土公司均能生产高强混凝土，高强混凝土已经在发达国家广泛应用于房屋、桥梁、道路、港口等领域。目前西方发达国家结构物设计强度普遍达到C50～C60，而我国混凝土设计强度等级平均在C30左右，在大城市应用较多的也就是C30～C40。

我国政府也一直高度重视高强混凝土作为新型建筑材料，在节约资源、保护环境、提高资源综合利用效率等方面的重要

*基金项目：“十一五”国家科技支撑计划课题(2008BAE61B05)

作用。高强混凝土技术是建设部推广的十项新技术之一，也是

公路、铁路、水工等其它行业部门研究和推广应用的新技术之一。2004年8月25日，由建设部办公厅发文，建设部标准定额司和科学技术司共同编制的《工程建设中钢铁、水泥应用的可持续发展战略》明确提出：加大C30、C40向C40、C50升级应用，以及C70、C80高强高性能混凝土在建筑结构中的应用技术研究；并建议将C100～C160混凝土作为高端战略，争取把我国建设成世界高强高性能混凝土技术强国[1]。

2 高强混凝土的研究现状

国内外针对高强混凝土进行了系统研究，其中高强混凝土的制备技术途径和措施主要是：通过采用高效减水剂以降低水灰比；通过添加矿物掺合料，减少毛细孔隙率和毛细孔尺寸，以改善水泥石的孔结构；通过添加矿物掺合料，消耗水化产物中的薄弱部分——氢氧化钙，以改善过渡区的界面结构；采用“水泥裹砂搅拌工艺”和 “高频振捣成型工艺”等，以改善混凝土生产施工工艺；养护方面有蒸压养护及湿养护等。高强混凝土的配合比设计要点是：采用优质砂石、矿物掺合料、高效减水剂和高强水泥等原材料，选择较低单位用水量和水泥用量，降低混凝土拌合物的粘度。

为了缩短与发达国家的混凝土技术差距，近年来国内日益重视加强对高强高性能混凝土的研究和应用，对高强高性能混凝土的收缩裂缝、自收缩规律、配制技术和施工技术等进行了一系列的相关研究。我国针对和涉及到高强高性能混凝土技术领域的重大研究项目主要有：l)“七五”重点科技项目“高强混凝土结构性能、设计方法及施工工艺的研究”；2)“八五”

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重点科技项目“高强与高性能混凝土材料的结构与力学性态研究”；3)国家“九五”科技攻关项目“混凝土耐久性关键技术研究及工程应用”、“高性能混凝土的综合研究和应用”及“重点工程混凝土安全性研究”；4)国家“十五”科技攻关项目“新型高性能混凝土及混凝土耐久性的研究与应用”；5）国家“十一五”科技支撑计划课题“高强高性能混凝土应用技术研究”；6)国家“863”计划项目“高性能混凝土应用技术的研究与开发”。除此之外，还包括其它一系列的大量围绕高强高性能混凝土展开的各类专项基金课题研究[1]。

近年来，中国建筑科学研究院在高强混凝土方面开展了大量的研究工作，主持的相关科研项目包括国家“十一五”科技支撑计划课题“高强高性能混凝土应用技术研究”、科技部科研院所技术开发专项基金项目“绿色高性能混凝土关键技术研究”等，并承担了沈阳大西电业园C80级混凝土、沈阳富林大厦C100级混凝土、合肥天柱C80~C100级混凝土和上海中技C60～C80预应力混凝土离心方桩耐久性关键技术研究等众多高强混凝土技术服务项目。

随着活性粉末混凝土等新型混凝土的深入研究，高强混凝土的强度不断提升。法国BOUYGUES公司Richard等人研制出的活性粉末混凝土，其抗压强度等级达到800MPa。我国研制出来的超高强混凝土强度可达600MPa，台湾的荣工公司与台湾营建研究院共同研制出超高强度混凝土，其强度达到210MPa。意大利学者采用“高硅水泥+玄武岩集料+富配比+低水灰比+最佳骨料级配+蒸压养护”的技术路线得到了抗压强度高达300MPa的超高强混凝土。挪威的OddE.Gjorv用高质量的陶瓷集料代替矿物集料，研制出的混凝土抗压强度由230MPa提高到460MPa[2-4]。

为了进一步推动高强混凝土的工程应用，确保工程质量，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。当混凝土的应变达到3‰时，普通混凝土的承载能力仍能保持一半以上，但同样的应变值对于高强混凝土，实际承载力已近于零，即此时在高强混凝土中可观察到裂缝的形成[3]。国内外学者对混凝土的脆性进行了大量的研究，GProkopski等认为[5]，改善混凝土界面性能，能够提高混凝土的断裂能和断裂韧度，界面过渡区的性质对混凝土的脆性有着很大的影响。徐世烺等人认为[6]，当骨料的最大粒径小于40mm时，混凝土的断裂韧度随骨料的最大粒径增大而增大；当骨料的最大粒径大于40mm时，混凝土的断裂韧度随骨料的最大粒径增大而减小。采用具有高强、高韧度的骨料也能改善混凝土的韧性[7]。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。目前在高强混凝土的脆性研究方面取得了一系列的研究成果，但高强混凝土的脆性问题仍是目前工程界重大技术难题之一，高强混凝土的增韧减脆措施和脆性评价方法仍是目前国内外的研究热点。

（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 ·26·

土的开裂敏感性明显超出普通混凝土，成为限制高强混凝土推广应用的主要障碍之一。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。近年来国内外专家对于混凝土的开裂性做了大量的研究，取得丰硕的成果，混凝土开裂的影响因素主要包括外界气温变化引起的变形、水泥水化热引起的变形、混凝土收缩引起的变形和约束条件引起的变形。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[8]。目前混凝土开裂敏感性的评价方法主要有刀口法、平板法、圆环法和温度应力试验机等方法。混凝土抗裂技术是一项综合性措施，因此针对具体工程特点，采用多方位、综合手段防裂抗裂是当前高强混凝土的研究热点之一。

（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[9]。但对高强混凝土高温下的爆裂行为的机理，国内外学者看法还未统一，仍需进一步的深入研究[10]。国内外研究人员一直在寻找各种途径来改善高强混凝土高温下的爆裂行为。研究表明在高强高性能混凝土中掺入少量的聚丙烯纤维和钢纤维可以改善高强混凝土在高温下的性能[11][9]。目前各国的规范中一般均缺少提高高强混凝土火灾下性能的规定和措施，因此需要通过系统研究，并将成果反映在标准规范中。

3 高强混凝土的工程应用

高强混凝土技术发展非常迅速。早在20世纪60年代，日本学者服部健一利用超塑化剂将W/C降低到0.30以下，从而配制出坍落度为10~12cm，抗压强度高达80~100MPa的高强混凝土。当时由于拌合物坍落度损失巨大，因此仅限于工厂生产。

在房屋建筑领域，美国芝加哥市对高强混凝土的早期发展起到非常重要的促进作用，1961年40层的Outer Drive East公寓项目突破性地使用MSC公司提供的41MPa高强混凝土。1972年52层的Mid-Continental大厦第一次应用52MPa高强混凝土。1974年当时世界最高混凝土建筑Water Tower Place使用了62MPa高强混凝土。二十世纪八十年代芝加哥涌现了大量高强混凝土工程项目，其中包括225 West Wacker住宅项目。随后高强混凝土在北美各地得到了成功应用，包括位于西雅图的58层、220m高的Two Union Square，该工程的实际混凝土强度达到130MPa[12]。高强混凝土在日本也得到了广泛应用，现代日本的很多建筑物以钢筋混凝土或钢管混凝土形式使用130MPa高强混凝土，最高强度可达到150MPa以上[13]。目前，位于亚洲迪拜高达150层的Burj Dubai已经超越台北101大厦成为世界最高建筑，该工程使用80MPa高强混凝土成功应用混凝土框架结构，并显著降低工程成本[12]。

与美国芝加哥相似，沈阳市是我国最早大规模集中应用高强混凝土的城市之一，代表性工程包括沈阳富林大厦（应用C100高强混凝土）和皇朝万鑫大厦（应用C100高强混凝土）等。我国北京、上海和广州的许多重要工程也应用了高强混凝

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土。建成于1997年的上海金茂大厦高88层，高度为420.5米，采用C60高强混凝土，实现一次泵送高度229.7米。建成于2008年的上海环球金融中心高101层，高度为492米，采用C60高强混凝土。2009年底建成的广州国际金融中心（简称广州西塔）高103层，高度为437.5米，采用C60～C100高强混凝土，施工时将C100高强混凝土一次性成功泵送到411米高度，创造同类混凝土泵送新高度。2010年施工的合肥天时广场二期工程主框架柱采用C80高强泵送混凝土，该工程为框剪结构，地下一层、地上32层，结构高度80多米，混凝土28d强度均达到90MPa以上，应用效果良好。此外，国家大剧院（采用C100高强混凝土）、中央电视台新办公大楼（采用C60高强混凝土）和广州新电视塔（采用C80高强混凝土）等工程均采用高强混凝土。

在桥梁工程领域，从1989年开始，挪威的主要混凝土桥梁和高速公路均采用水胶比低于0.40、掺加硅灰的混凝土来提高抗侵蚀性能。建于1978年的Deutzer桥位于Cologne，横跨莱茵河，使用普通容重混凝土和轻骨料混凝土的实际强度分别达到69MPa和73MPa。建于1992年的Portneuf桥位于Quebec，使用跨度24.8m的预制后张应力混凝土梁，其水灰比为0.29、含气量5.0%～7.5%、平均强度达到75MPa。美国的第一个高强混凝土桥梁工程为位于得克萨斯休斯顿的Louetta Road Overpass工程，使用的U形混凝土梁的设计强度为69～90MPa。日本1970年建成的Kaminoshima公路桥采用69 MPa高强混凝土；1974年建成的Fukaimitsu公路桥和1976年建成Akgawa铁路桥均采用78.6MPa高强混凝土[12]。在我国，1980年施工的红水河铁路斜拉桥采用C60高强混凝土预应力箱梁，1996年施工的万县长江大桥采用C60钢管混凝土，2001年竣工的大佛寺长江大桥、2004年竣工的巴东长江大桥和2008年施工的湖北武英高速公路杨柳互通A匝道桥主箱梁采用C60预应力混凝土。此外，近年来建设的东海大桥、杭州湾大桥和宜昌长江铁路大桥等工程均采用了高强混凝土以提高混凝土耐久性能。2006年施工的天津滨海新区中央大道二期工程永定新河特大桥桥梁防撞墩采用C80铁钢砂混凝土[14]。

在混凝土制品领域，高强混凝土被广泛用于制备管桩、盾构管片、桥梁构件、轨枕等制品。据报道，日本在1987年生产的混凝土桩达640万吨，其中预应力高强混凝土占90%。我国目前也已经能够生产C80高强混凝土管桩和高强混凝土盾构管片等高端制品。

在港口和海洋工程领域，高强混凝土被用于建造码头、船坞、防波堤、采油平台，以提高耐久性。1973年在挪威北海油田建成的第一个混凝土储油和钻井平台，防波堤使用70MPa高强混凝土。我国也成功地将高强混凝土应用于很多港口和海洋工程。

虽然高强混凝土在我国工程中的应用不乏很多成功的实例，但是据初步估计，我国超过C60的高强混凝土累计用量不足年产量的1%。而大部分混凝土的强度等级以C30为主。也就是说，我国虽然掌握了高强混凝土技术，但未能得到很好的推广，未能发挥其技术、经济优势和应有的社会、环境效益。

美国混凝土协会(ACI)制定了《波特兰粉煤灰高强混凝土配合

比选用标准指南》ACI 211.4R-1993、《高强混凝土质量控制和测试指南》ACI 363.2R-98和《高强混凝土发展水平》ACI 363R-92等一系列关于高强混凝土的标准，形成了较为完善的标准体系，为高强混凝土的应用提供了技术依据。欧洲和日本也制定了完善、系统的高强混凝土标准。

我国与发达国家在高强混凝土应用方面存在较大差距，重要原因之一是我国高强混凝土标准制、修订工作滞后，标准内容和标准体系也不完善。很多设计和施工人员反映，高强混凝土技术变数更大、更容易出问题。原因就在于这些问题没有成熟且操作性强的解决方案，体现在标准上，就是标准中没有针对高强混凝土做出相应的技术规定。我国现行的高强混凝土标准仅有一本协会标准《高强混凝土结构技术规程》CECS104-99，该规程发布距今已有11年。目前高强混凝土的技术又有了新的突破进展，而且该标准主要涉及高强混凝土的结构构造和设计，在生产和施工方面没有系统规定。另外，该标准规定的混凝土强度等级仅覆盖C60～C80，范围过窄。各国规范中规定采用的混凝土最高强度等级分别是：欧洲规范Euro code 2为C105，德国规范DIN 1045是C115，美国设计手册已用到C100。2000年上海市制订了地方标准《高强泵送混凝土生产和施工规程》DG/TJ08-503-2000，贵州省则在2008年发布了《贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》。上述地方标准的制订，充分反映了高强混凝土在工程建设中的重要性，也说明了生产部门对高强混凝土标准的实际需要。为解决此问题，2009年由中国建筑科学研究院主持制修订的国家标准《混凝土质量控制标准》（GB50164-92）、《混凝土强度检验评定标准》(GB107-87)、《混凝土结构工程施工规范》、《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)、《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-95)等标准均增加了高强混凝土的相关内容。

2010年，经住房和城乡建设部批准，中国建筑科学研究院会同有关单位制定建工行业标准《高强混凝土应用技术规程》。该标准将归纳、总结现阶段成熟的高强混凝土技术，涵盖原材料、配合比设计、施工、质量控制、试验方法和检验评定等技术内容，在规范层面上解决高强混凝土推广应用的技术障碍，以适应我国高强混凝土的发展新局面，进一步提高高强混凝土应用水平，推动混凝土行业科技进步，为高强混凝土的未来发展创造条件。

5 高强混凝土的发展趋势

（1）实现高性能化是一项系统工程

高强混凝土高性能化主要是指满足工程特定要求的性能：高耐久性、良好的工作性、各种力学性能、适用性、良好的体积稳定性和经济合理性。现在试验室已经能够设计和配制出很多种高强高性能的混凝土，但应用到工程以后，有的却出现了不少问题，有些问题甚至比普通混凝土更严重。这些问题的出现告诉我们高强混凝土的高性能化不仅仅是试验室配合比就能决定的，不仅仅是试验研究人员的事情，而是一个系统工程，是优选出来的配合比，由生产、设计、施工和管理人员在整个工程全部环节中协调、配合共同得到的。这要求我们实现高性能化不能只重视混凝土配合比，还应足够重视原材料控制、拌

（下转第32页）

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4 高强混凝土的标准化进展

先进的标准是技术推广应用的前提和基础。以国外为例，

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选择原材料并进行有针对性的配合比设计，必要时适当提高保[6] 护层厚度，通过认真施工、养护和使用期间的定期检查与维护，[7] 岩崎明训〔日〕．混凝土的特性[M]．北京：中国建筑工业就能使普通混凝土很经济地实现高性能化。出版社，1980.

参考文献[8] 小林一辅〔日〕．混凝土工程[M]．煤炭工业出版社，

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[作者简介]林力勋（1958-），男，教授级高级工程师。1982

[3] 普通混凝土配合比设计规程[S]．JGJ55-2000

年毕业于重庆建筑工程学院材料学专业，长期从事材料研究、

[4] 洪定海．混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M]．北京：中国铁

检测及科研管理工作。

道出版社，1998.

[单位地址]广州天河区科韵路16号广州信息港B栋5楼

[5] F.M.李〔英〕著．唐明述等译．水泥和混凝土化学[M]．

（510665）

北京中国建筑工业出版社，1980.（上接第27页）

合物生产制备与整个施工的一系列过程控制[15] [16]。

（2）“绿色低碳”的发展模式高强混凝土应节约资源、能源与保护环境，降低碳排放量，朝着“绿色低碳”的方向发展。高强高性能混凝土必须尽可能少的使用水泥，同时高效利用以工业废渣为主的掺合料，这样不仅能适应“绿色低碳”的发展模式，而且提高了混凝土的长期耐久性能[1]。

（3）建立科学的配合比设计方法

传统的配合比设计理论已逐渐不适用于高强混凝土，对于不同的使用目的和环境条件，对高强混凝土的内涵要求也不同，在设计与配制中应该满足混凝土各阶段的不同性能要求，如何建立科学的设计方法是高强混凝土发展的关键技术之一[17]。

（4）高强混凝土的标准化研究

加速我国高强混凝土标准规范方面的制修订工作。标准规范是设计、施工人员工作的主要依据，但我国现行规范中大多是针对普通混凝土的技术规定，对于高强混凝土，国内外研究人员进行了大量的研究，取得了不少的研究成果。因此，总结、归纳现阶段成熟的高强混凝土应用技术，进而纳入到标准规范之中已经成为混凝土领域面临的迫切任务之一。

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[单位地址]北京市朝阳区北三环东路30号（100013）

6 结语

高强混凝土是当前土木工程材料的重大研究应用课题。与普通混凝土相比，存在着明显的技术优势。可以预见，随着我国基础建设规模的不断扩大、城市化水平的不断提高、政府相关政策的深入实施、对混凝土耐久性要求的不断提高以及工程设计理念的创新变革，高强混凝土必将得到更多、更广泛的应用。由于我国在该领域起步较晚，有大量的工作亟待开展，为积极推动高强混凝土的应用，归纳、总结现阶段成熟的高强混凝土应用技术进而纳入到相关标准规范之中，是当前我国混凝土领域面临的一项迫切任务。

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