高性能混凝土在高层建筑中的应用

郭生 刘军泽

摘要：混凝土工程作为高层建筑的主体工程，其施工质量的好坏直接影响到建筑的耐久性、安全性和使用性，要求混凝土具有更高的强度、工作性并具有与建筑物使用寿命相对应的耐久性。因此，高性能混凝土在高层建筑中的应用越来越广泛。本文对高性能混凝土的定义、发展历史、配制及在高层建筑工程中的应用进行详细阐述。

关键词：高层建筑；高性能混凝土；混凝土施工

高性能混凝土（HPC）是指多方面均有较高质量的混凝土，其高质量包括良好的和易性、优良的物理力学性能（较高的强度与刚度、较好的韧性、良好的体积稳定性）、可靠的耐久性（抗渗、抗冻性、抗腐蚀、抗碳化、耐磨性好）等。

伴随着建筑技术的发展，大型、超大型、高层、超高层建筑对混凝土的性能提出了更高要求，世界各国在研究高性能混凝土方面取得了大量成果，并从各自角度分析了高性能混凝土的涵义。 综合各国对高性能混凝土的要求，可以认为，高性能混凝土具有高抗渗性（高耐久性的关键性能）；高体积稳定性（低干缩、低徐变、低温度变形和高弹性模量）；适当的高抗压强度；良好的施工性（高流动性、高粘聚性、自密实性）。

中国在《高性能混凝土应用技术规程》对高性能混凝土定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。

1高性能混凝土的特性及在高层建筑中的应用性分析

1.1高强度

混凝土强度对结构来说是最基本的性能要求。目前普遍认为高性能混凝土必须达到（C50以上），而高强混凝土未必是高性能混凝土。

随着建筑结构高度的增加，底层受压构件的压力迅速增大，如采用传统混凝土，则构件截面尺寸增大，影响底层的空间要求和使用功能。采用高性能混凝土，在保证构件承载力的基础上能有效减小截面尺寸，满足高层建筑的需求。

1.2 高耐久性

高层建筑需要有较高的使用年限，对耐久性有很高要求。混凝土的耐久性即抵抗劣化的能力，对混凝土耐久性的要求可从两个方面分析，即自然老化和人为劣化。

自然老化是指混凝土随着时间的推移发生的性能变化，如气温变化、日晒雨淋、冻融循环、干湿交替、碳化、侵蚀等作用，使混凝土产生裂缝、剥落、疏松、钢筋锈蚀等现象。

人为劣化是指混凝土结构在使用过程中，由于生产、生活、管理等方面的原因，使混凝土发生降低使用功能的现象。如磨损、冲刷、疲劳、撞击使混凝土产生磨损、裂缝或损伤，降低结构强度；酸、碱、油的腐蚀破坏了混凝土的内在结构，失去或降低混凝土强度；

要解决上述耐久性问题，就必须使混凝土密实度高且不产生原生裂缝；硬化后体积稳定而不产生收缩裂缝；同时减少混凝土内部产生侵蚀的组分。通过掺加聚合物、纤维和掺合料，提高抗裂能力，改善韧性；并降低碱度，以增加高层建筑物的抗碳化能力。

高性能混凝土是一种耐久性优异的混凝土，耐久性可达百年之久，是普通混凝土的3～10倍。

1.3 高体积稳定性

混凝土的体积稳定性直接影响结构的受力性能，严重者会影响结构的安全。对体积稳定性要求，国际上也还没有一个统一的标准。一般来说，要求混凝土的收缩变形、徐变变形小，弹性模量高，温度膨胀系数尽量与钢筋一致。

混凝土的体积稳定性可分成三类，一类是混凝土在凝结过程中发生的体积变形，总称为收缩变形；另一类是混凝土在承受荷载后发生的体积变形，如弹性变形，徐变变形等；还有一类是混凝土在温度作用下的体积变形，称为温度变形。

高性能混凝土通过组成材料的合理配制，具有较高的密实度和强度，各类体积变形量小，具有较好的体积稳定性，从而避免了收缩、温度和受力等引发的裂缝。

1.4 高工作性（流动性）

目前，混凝土的泵送施工非常普遍。对超高层建筑结构，泵送高度大，对混凝土的工作性要求较高。采用工作性能优异的高性能混凝土，可使混凝土的一次泵送高度达到300m以上，从而大大降低施工难度。除此之外，高层建筑所具有的筒体结构，以致钢筋密集，难以振捣，为了解决这些难题，工程常常应用免振捣自密实混凝土。

免振搗自密实混凝土是高性能混凝土的一种，也是混凝土工作性发展方向。

其最主要的性质是能够在自重下不用振捣，自行填充模板内的空间，形成密实的混凝土结构。其优越性主要表现在： （1）提高混凝土的密实性和耐久性，避免漏振、过振等施工中的人为因素以及配筋密集、结构形状复杂等不利条件对施工质量的影响。（2）降低作业强度，节省劳力、振捣机具和电能消耗。（3）可消除振捣噪声，改善环境。（4）简化工序，缩短工期，提高效率。

1.5 应用经济性

虽然高性能混凝土在成本上比普通混凝土要高一些，但由于减小了截面尺寸，减轻了结构自重，降低了钢筋用量，这对自重占荷载主要部分的混凝土结构具有特别重要的意义。

一般情况下，混凝土强度等级从C30 提高到C60 ，对受压构件可节省混凝土30%～40%，受弯构件可节省混凝土10%～20%，具有巨大的直接经济效益；同时由于截面尺寸减小，不但改变了结构上肥梁胖柱的不美观问题，而且可增加使用面积和有效空间，因而可获得较大的间接经济效益。

2.高性能混凝土配制

2.1正确的选择原材料

（1）水泥可采用硅酸盐水泥和普通水泥，为了实现混凝土的高强及超高强，国内外开始研制和应用球状水泥、调粒水泥、活化水泥等水泥。

（2）选用良好的骨料，有效的防止钢筋生锈，增强抗碳化能力。细骨料多采用河砂或人工砂。粗骨料应选用表面粗糙、强度高的骨料，如砂岩、安山岩、石英斑岩、石灰岩和玄武岩等。

（3）使用硅灰、超细矿粉做掺合料。

（4）应用聚羧酸高效减水剂作为减水剂。

（5）添加膨胀剂，以补偿收缩。

2.2合理控制工艺参数

掺加高效减水剂，减少用水量，降低水灰比，一般水灰比小于0.4。经试验确定采用合理砂率，一般含砂率为34%～44%，随混凝土强度的提高，含砂率呈减小的趋势。

混凝土用水量范围120～160kg/m?，胶凝材料总量500～600kg，水泥用量不宜过多，可掺加掺合料，一般等量取代水泥10%～25%。粗骨料体积含量0.4m?左右。高效减水剂掺量0.8～1.5%。

3高性能混凝土养护方法

3.1影响高性能混凝土养护的因素

3.1.1新浇筑混凝土的湿度损失

高性能混凝土拌合物泌水少、粘聚性大。泌水蒸发很快使高性能混凝土更易于产生塑性收缩裂缝，而且通常在混凝土初凝时就产生塑性收缩裂缝。塑性收缩裂缝可以产生严重问题。高温、低湿和大风加速了新浇筑混凝土水份的蒸发。为了克服这一问题，高性能混凝土应在新拌混凝土浇筑后立即开始养护。

3.1.2温度的影响

养护温度对高性能混凝土的强度影响很大。高温加速了混凝土的水化过程。浇筑温度和养护温度越高，混凝土的极限强度越低，养护温度越高，混凝土早期强度越高。低温养护的混凝土具有相对均匀的微结构，特别是混凝土空隙的分布较均匀。虽然在较低温度养护不能获得较高的早期强度，但最终导致高的极限强度。控制养护期间混凝土的温度是重要的，特别是在炎热天气下。

在炎热的条件下，如果不采取人工降温，通常很难满足新浇筑混凝土所需的最适宜温度，温度在10℃～15℃时对混凝土性能最为有利，但这种温度只在一定条件下才能得到。实际施工中应尽可能不使混凝土浇筑时的温度过高。冬季施工时，高性能混凝土的初期养护温度不宜低于规定的温度。

3.1.3 养护时间的影响

养护时间对混凝土的长期性能有显著影响。对一给定的水灰比，混凝土强度随着龄期的增长而增加。然而，在湿养护一段时间后，强度的增长率降低了。

混凝土的养护期可以根据混凝土在固定温度下的养护时间来确定。实际工程中，混凝土是在温度不断变化的环境中养护的。养护期可以根据混凝土的成熟度来确定。混凝土的成熟度是基于强度发展是养护时间和温度函数的原理而建立的。成熟度是温度和时间的乘积。成熟度的概念仍然适用于高性能混凝土。

3.2 高性能混凝土的养护方法

新拌高性能混凝土在浇筑后，立即采用湿养护，可以抵抗塑性收缩开裂，但是如果新拌高性能混凝土浇筑后很快进行湿养护，硬化混凝土的表面将粉化或导致浅表层剥落。因此，高性能混凝土需要在早期就进行养护，但不能直接在新浇筑混凝土暴露的表面使用水。为了方便，将高性能混凝土的整个养护过程分为两个阶段，初期养护和湿养护。在新拌混凝土浇筑后，混凝土表面上会立即出现少量泌水，如果在水分干透以前涂养护剂，那么在混凝土表面就会出现养护剂和水混合的局部坑洼。

高性能混凝土的湿养护从混凝土终凝后开始。潮湿养护混凝土的强度比空气养护混凝土的强度高，28d湿养护的强度比28天完全空气中养護可以高1倍。湿养护是高性能混凝土养护的最终阶段，在混凝土终凝后开始。任何传统的湿养护方法如蓄水养护，用湿麻袋覆盖暴露面的养护以及在暴露面上洒水的方法，高性能混凝土都可以采用。通过覆盖湿麻袋并且连续喷水保持潮湿这样的湿养护是高性能混凝土湿养护的有效方法。

4结束语

（1）高性能混凝土的高工作性，要求它具有良好的可泵性，基于此要求采用自密实混凝土。

（2）高层建筑对抵抗各种荷载作用的要求很高，采用高强或超高强混凝土。

（3）采用高性能混凝土提高其耐久性，同时提高抗碳化能力，增加高层建筑物使用寿命。

（4）高性能混凝土具有的高体积稳定性，能有效防止高层建筑施工中混凝土变形带来的危害。

高性能混凝土目前研究有限，尚无统一标准和结论，但因其自身优异的性能，已得到迅速发展和一定范围的应用。因此，必须加强对高性能混凝土其结构性能进行系统研究，完善理论体系，制定相关规范和文件，总结应用经验，优化使用方法，提高使用的有效性和可靠性，克服现存的问题，向更加高效、环保和经济的方向发展，走优质、低耗、高效、可持续发展之路，必将成为混凝土工程的主导材料，在工程实践中得到更为广泛的应用。