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在了解高性能混凝土之前，我们先将目光投向南京市地标性建筑——南京紫峰大厦。南京紫峰大厦，位于江苏省南京市鼓楼区中山北路1号，地处鼓楼中央商务区，可眺望玄武湖和紫金山，是一座完全由中国投资、中国建设的超级摩天大楼；作为江苏省第一高楼，紫峰大厦占地面积18721平方米，主楼地下有4层，地上有89层，楼高450米，混凝土的高抗压强度和优异耐久性是确保紫峰大厦工程质量的关键，这都是高性能混凝土的功劳。
什么是高性能混凝土？
高性能混凝土，英文名High performance concrete，简称HPC，主要表现在混凝土的拌合物性能、力学性能和耐久性能上，其概念最早由美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国混凝土协会（ACI）1950年5月提出。
各国对高性能混凝土的要求和涵义不完全相同，可以总结为：高性能混凝土是一种综合性能非常高的混凝土，其核心内容是具有优异的耐久性能。我国对高性能混凝土的定义简单概况为具有优异的拌合物性能、力学性能和耐久性能的混凝土。
为什么要研发高性能混凝土？
高性能混凝土的“高”指的是混凝土耐久性高、和易性高、强度高和体积稳定性高等优良特性。高性能混凝土以耐久性为首要设计指标，可以为基础设施工程提供100年以上的使用寿命，特别在桥梁和高层建筑中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期限、经济合理性、环境条件适应性等方面具有明显的效益。
我国高性能混凝土的发展历史是怎样的？
我国高性能混凝土的发展与国外相比，起步较晚，但发展迅速，1992年开始进行有关高性能混凝土的研究，吴中伟院士在1999 年提出“高性能混凝土（HPC）是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规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，在妥善的质量控制下制成的除水泥、水、集料外，必须采用低水胶比，掺入足够数量的矿物细掺料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土”。
我们专家对混凝土耐久性及高性能混凝土进行了系统研究，取得了大量理论成果和实际应用，近年来，我国许多重大工程中都不同程度应用了高性能混凝土：1996年竣工的辽宁物产大厦采用C80高性能混凝土，北京静安中心大厦采用C80高性能混凝土，上海东方明珠电视载塔采用C60高性能混凝土等。
精挑细选、合理搭配的“高品质”原料
要想混凝土性能高，选好材料是关键，优质的原材料是保证高性能混凝土各项性能的前提。
01/水泥
水泥是混凝土的重要组成部分，加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起，硬化后不但强度较高，而且还能抵抗淡水或含盐水的侵蚀。
高性能混凝土通常选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，主要有P•O42.5普通硅酸盐水泥、P•O52.5普通硅酸盐水泥和P•Ⅱ52.5硅酸盐水泥，针对不同强度混凝土的制备可以选择不同等级的硅酸盐水泥，总体的指标要求有：水泥中C3A含量应不大于8%，细度控制在10%以内，碱含量小于0.8%，氯离子含量小于0.1%。
02/矿物掺合料
矿物掺合料是制备高性能混凝土的关键材料之一，高性能混凝土中常用的矿物掺合料有粉煤灰、矿渣粉和硅灰等。
（1）粉煤灰
粉煤灰是电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末，是燃煤电厂排出的主要固体废物，具有独特的“火山灰效应”和“滚珠效应”（图3）。一方面，它可以节约水泥用量，起到低碳环保的作用；另一方面，可以显著改善混凝土拌和物的和易性，增强混凝土的可泵性，减少收缩徐变，降低水化放热量，改善混凝土热能膨胀性能，提高混凝土抗渗能力。
（2）矿粉
矿粉是以粒化高炉矿渣为主要原料,掺加少量天然石膏,磨制成一定细度的粉体。一方面，矿粉的掺入可以解决工业废渣再利用的问题，有利于环境保护,还能够节约资源、降低能源消耗，另一方面，能够改善混凝土的性能，提高抗压强度和耐久性。
（3）硅灰
硅灰是冶炼硅铁合金或工业硅时,通过烟道排出的粉尘,经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料，颗粒非常细（平均粒径在2微米），具有良好的“火山灰效应”，能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水泥水化产物生成凝胶体，可显著改善混凝土抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能。
03/细骨料
混凝土中粒径＜4.75mm的岩石颗粒称为细骨料，它的作用是填充碎石、卵石等粗骨料之间的缝隙。高性能混凝土用细骨料通常选用天然砂或者人工砂，宜为处于级配区的中粗砂（细度模数2.3~3.0）。同时，还需要对含泥量、泥块含量、石粉含量、压碎值、氯离子含量等指标进行严格控制。
04/粗骨料
混凝土中粒径＞4.75mm的岩石颗粒称为粗骨料，包括碎石和卵石，在混凝土起到骨架的作用（体积占比30%~40%）。高性能混凝土用粗骨料需要对级配、含泥量、压碎值、坚固性、碱活性、岩石抗压强度等指标进行严格控制。
05/外加剂
外加剂是在搅拌混凝土过程中掺入，占水泥质量5%以下的，能显著改善混凝土性能的化学物质。在高性能混凝土中最常使用的是聚羧酸高性能减水剂，需要对减水率、收缩率比、氯离子含量和碱含量等指标进行严格控制。
绿色科学、智能制造加持下的“高质量”生产工艺
区别于传统混凝土生产制造过程中产生的扬尘、污废、粉尘等负面影响因素，高性能混凝土更加侧重于采用绿色生产方式。
在厂区建设上，落实“两个全封闭”原则，即搅拌楼主体及运输皮带全封闭，降低粉尘排放、噪音污染等，践行绿色环保理念。例如南京中联混凝土有限公司中联站作为全国混凝土绿色清洁生产示范站点，每年接待各地参观人数200余人。
在原材料贮存方面，采取分仓分类别方式，并通过全自动喷雾除尘系统进行扬尘监测与抑制，先进企业更是利用中转仓和AR技术实现了骨料预均化以及仓储可视化。
在生产方式上，采用先进工控系统，含高精度计量、自动上料与卸料、高效率搅拌等，行业已开展数字化转型升级试点工作，部分企业搭建了数字化初步平台。
在污废处理上，普遍采用砂石分离、污水循环、固体破碎、粉尘抑制、雨水采集等措施，实现了“废料、污水、粉尘”零排放。
在运输保供上，采用新型轻量化搅拌车，搭配车载北斗系统实现车辆实时定位、行为分析等功能，部分企业已开展智能调度方向的研究工作。
量身定制、不可或缺的“高要求”应用场景
常规品高性能混凝土以耐久性为主要设计指标，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）。主要耐久性指标有：抗渗性（≥P12）、抗冻性（≥F250）、抗碳化性能（28d碳化深度≤15mm）、抗硫酸盐侵蚀（≥KS120）、180d干燥收缩率不宜超过0.045%等。
特制品高性能混凝土包括符合技术要求的轻骨料混凝土、高强混凝土、自密实混凝土、纤维混凝土和重混凝土。
01/ 轻骨料混凝土
是指用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m³的混凝土，具有轻质、高强、保温和耐火等特点，并且变形性能良好，弹性模量较低，广泛应用于工业与民用建筑及其他工程，可减轻结构自重、节约材料用量、提高构件运输和吊装效率、减少地基荷载及改善建筑物功能等。
LC40轻骨料混凝土景观桥效果图
02/ 高强混凝土
是指强度等级在C60~C100的混凝土，具有抗压强度高、抗变形能力强、孔隙率低等特点，广泛应用于高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及特种结构。
03/自密实混凝土
是指具有高流动性（扩展度≥600mm）、均匀性和稳定性,浇筑时无需外力振捣，能够在自重作用下流动并充满模板空间的混凝土，具有良好的施工性能和填充性能，可以显著改善混凝土结构的密实性，节约浇筑时间、振捣设备和能源，提高施工的进度和效率，广泛应用于浇筑量大、浇筑深度、高度大以及形体复杂、配筋密集、薄壁、钢管等受施工操作空间限制的工程结构。
南京禄口机场T2航站楼C60自密实混凝土钢管柱
04/ 纤维混凝土
是指在混凝土中掺加短钢纤维和或短合成纤维，使其抗拉、抗弯、抗冲击强度和韧性等得以提高，广泛应用于道路、机场、桥梁、水工、港口、铁路、矿山、隧道、军事及工民建等工程领域。
南京长江大桥引桥桥面C50钢纤维混凝土
未来与展望
可充电混凝土建筑（能量密度约为7Wh/m²）
近年来，关于高性能混凝土的研究逐渐成熟，国家为明确高性能混凝土的技术条件，也正在制定颁发系列标准。高性能混凝土必将与时俱进，开始转向绿色制造、低碳环保、固废利用、智能修复等方面，例如利用可充电水泥基材料制备混凝土建筑、低碳混凝土制备技术等。
未来，高性能混凝土拥有广阔的发展空间，等待科研人员不断探索，实现突破，以更好满足新时代的社会需求。
来源丨 南京中联混凝土
编辑丨 党群工作部
