2.高强混凝土

High Strength Concrete

一、简介

高强混凝土作为一种新的建筑材料，以其抗压 强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越 性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特 种结构中得到广泛的应用。 高强混凝土最大的特点是抗压强度高，一般为 普通强度混疑土的4～6倍，故可减小构件的截面， 因此最适宜用于高层建筑。

试验表明，在一定的轴压比和合适的配箍率 情况下，高强混凝土框架柱具有较好的抗震性能。 而且柱截面尺寸减小，减轻自重，避免成为短柱， 对结构抗震也有利，而且提高了经济效益。 高强混凝土材料为预应力技术提供了有利条 件，可采用高强度钢材和人为控制应力，大大地提 高了受弯构件的抗弯刚度和抗裂度。

世界范围内越来越多地采用施加预应力的高 强混凝土结构，应用于大跨度房屋和桥梁中。 利用高强混凝土密度大的特点，可用作建造 承受冲击和爆炸荷载的建（构）筑物，如原子能 反应堆基础等。 利用高强混凝土抗渗性能强和抗腐蚀性能强 的特点，建造具有高抗渗和高抗腐要求的工业用 水池等。

二、高强混凝土的概念

混凝土材料强度的高低是一个相对概念，与当前混凝土 的水平有关，各国当前对高强混凝土的定义也不完全一致。



一般把强度等级为C60及其以上的混凝土称为高强混 凝土。 根据CECS 104:99《高强混凝土结构技术规程》 1.0.2条明确规定： 高强混凝土为采用水泥、砂、石、高效减水剂等 外加剂和粉煤灰、超细矿渣、硅灰等矿物掺合料以常 规工艺配制的C50~C80级混凝土。



三、高强混凝土的历史和现状

1. 初期的研究 1930年前后，就已经出现了抗压强度为100MPa 以上的高强混凝土。 • 日本的吉田于1930年通过加压振动复合工艺， 得到了28天强度为104MPa的高强混凝土。 • • Menzel也于1934年通过高压蒸养水泥浆得到强 同一时期Freyssinot也制得了100MPa以上的高强 度为130MP以上的高强混凝土。 混凝土。

2. 有关高强混凝土的国际会议

1966年第5次预应力混凝土国际联盟大会上， 在介绍关于高强混凝土的制备方法中，阐述了高强 混凝土技术的现状，并提出用强度为100MPa的预 应力混凝土结构，有可能比钢结构还要轻。 这个报告影响很大，从此对高强混凝土的关 心多起来了。

3.高效减水剂的应用

1968年，日本开发了高强度的钢筋混凝土桩(下 称高强RC桩)。用硅质细粉，通过高压釜养护，得到 了抗压强度为80MPa的高强混凝土。 1970年又开发了抗压强度为90MPa的预应力混 凝土桩(下称高强度PC桩)。不用硅质细粉，而是采 用高效减水剂，通过高压蒸养而获得了高强。这种 预应力高强混凝土桩耐

冲击性能好、裂缝少。 现在日本生产的桩一半以上是用预应力混凝土 生产的。

使用高效减水剂配制高强混凝土这种技术，已在全世 界得到了广泛应用。高效减水剂由于缓凝性小、引气性 小，减水效果显著，可以获得低水灰比、流动性又较高的 高强混凝土。 日本是开发高效减水剂较早的国家。日本学者指出高 效减水剂对水泥有相当优异的分散能力。后来这种高效减 水剂以Mighty为商品名出售。 在日本，以高强度PC桩为契机，使用高效减水剂而得 到高强混凝土的有效方法得到了广泛的重视。而在西德， 由于在普通混凝土中使用高效减水剂，坍落度可以明显地 增大，很适宜于配制流态混凝土而发展起来。

4. 高强混凝土的应用

日本最早推广应用高强混凝土是在铁路部门。1973年5 月，在一T形桁架桥中，采用了设计强度等级为60MPa的混 凝土。同年12月，又在某一桁架桥的施工中，采用了设计强 度等级为80MPa的高强混凝土。1975年，PCT形梁式桥施工 时，采用了蒸压养护的设计强度等级为80MPa的高强混凝土 。日本关于高强混凝土的研究与在桥梁结构物中的应用，从 世界范围来看都是最高水平的。据日本一些资料介绍，列车 速度与混凝土允许抗压强度之间有下图所示的关系。

5. 高强混凝土的发展

随着高强混凝土及流态混凝土应用的扩大，高效减水剂在 混凝土中应用的不断增加，1978年、 1981年两次在加拿大召开 了关于高效减水剂的国际会议。 1980年日本土木学会发行了设计强度等级为60～80MPa为 对象的高强混凝土设计施工指南。日本的混凝土桩协会及水泥 协会也设立了高强混凝土研究会，研究推广高强混凝土。1982 年高强混凝土PC桩作为JISA 5337技术标准而在日本推行。 在美国，作为高强混凝土在结构物中应用的实例是建筑物 中的柱或桥梁。芝加哥的商业交易所建造时曾试验应用了设计 强度等级为100MPa的高强混凝土。美国在桥梁建设中也采用 了设计强度等级为63MPa的高强混凝土。

现在，还可以得到强度更高的高强混凝土。据文献报道， 利用硅粉、高效减水剂及另一种专利成分的组成，掺量为 20%，水灰比0. 22，坍落度为102～203mm，混凝土的抗压强度 为55～124 MPa。有文献还介绍，采用硅粉作混合材料，1天龄 期混凝土的强度可达100MPa，采用高压蒸养，然后用树脂浸 润，可以得到强度为250MPa的高强混凝土。 但是，现在即使是强度为100MPa 的高强混凝土，其强度 也得不到充分的应用。如混凝土变形的限制问题、钢筋的配制 等均有困难。 今后应当把高强混凝土的适用性研究作为重点。

四、高强混凝土的应用与发展

混凝土是用量最大的人造建

筑材料，自十九世纪 末开始推广应用以来，已为二十世纪的人类物质文明 建设作出了巨大贡献，在可预见的将来，混凝土仍将 继续保持大宗建筑材料的地位。混凝土技术还将继续 发展，而现代高强混凝土和随之而来的高性能混凝土 则代表着今后混凝土的主要发展方向。

1.高强混凝土的配制途径

(l) 通过降低用水量，使硬化后的混凝土内部 空隙减少，以及改善粉体材料的总体颗粒组成，使 其具有良好的级配，从而增加混凝土的密实性。 (2) 通过降低水灰比，以及引入矿物掺合料所 参与的水化作用与火山灰作用，使水泥水化产物的 微观结构得到改善，尤其是水泥浆体与粗骨料之间 的界面结构得到加强。

(3)通过引入高效化学减水剂，分散拌合物中超细粉 体的絮凝作用，并配合缓凝剂、引气剂等化学外 加剂使拌合料具有良好的工作性能。 (4)通过降低水泥用量，必要时引入膨胀剂，防止混 凝土在结硬过程中造成宏观与微观裂缝。

• 高强混凝土的众多优点来自外加剂、低用 水量、矿物掺合料的添加和密实的细观结构， 但同时也带来一些需要解决的问题:

（1）因质地密实，火灾时高强混凝土内部产生的高

压蒸汽不能逸出，会引起混凝土崩落并使钢筋 暴露，从而降低结构的耐火性。(录像)

（2）低水灰比的高强混凝土因内部缺水会发生较大

的自收缩。因表面收缩等原因，高强混凝土配 筋受压试件的保护层在加载过程中还有提前剥 落倾向，可使承载力受到一定影响。

（3）因用水量低，高强混凝土中未水化的水泥颗粒

会引起人们对混凝土长期性能的担心。 这主要是指长期处于潮湿或水环境中的高强混凝 土，随着时间的推移，是否会使内部水分逐渐增长； 对于水灰比低于0.3的混凝土，如果因未水化的水泥 在混凝土充分硬化后再遇水发生水化作用，水化产物 造成的体积膨胀就有可能引起混凝土开裂。

2. 应用概况

以硅酸盐水泥、砂、石为原料并采用常规工艺 生产配制的现代高强混凝土，是在混凝土组成中引 入高效减水剂和矿物掺合料之后，从70年代初期开 始发展起来的，它克服了以往高强混凝土因拌合料 高度干硬而难以施工的根本缺陷，在混凝土的工作 度、强度与抗渗性等方面具有综合优良性能，适应 了当代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展和承 受恶劣环境条件的需要，满足了工业化生产要求， 因而迅速地得到推广应用。

最早大量应用高强混凝土的是高层建筑，只需简单地将 高强混凝土置换底层墙柱中的普通混凝土，就可以大幅度缩 减墙柱截面和混凝土用量，增加建筑使用面积，缩短施工工 期。 例如1989年

建于美国芝加哥的SouthWacker大厦，采 用了高强混凝土，比采用钢结构建造同样层数的高层房屋， 高度降低了25m，毫无疑问地降低了墙面、管道、电梯以及 维修等费用。 桥梁结构中采用高强混凝土能有效降低桥梁结构自重并 提高结构刚度，有利于增大桥跨、减少桥墩数量，增加桥下 净空，但更为重要的还在于降低平时维修费用和增加使用寿 命。

对于许多工程尤其是露天基础设施工程来说， 高强混凝土的耐久性远比其强度具有更重要的意 义。 工厂生产的预制构件采用高流动度的现代高强 混凝土，不仅能降低生产电耗，延长成型设备的使 用期限，并且带来更高的生产效率。 现代高强混凝土有优异的抗渗、耐磨和耐腐蚀 的性能，在海洋与港工建筑物（采油平台、码 头）、核电站安全壳和核废料储罐、受高速水流冲 蚀的水工结构和抗磨蚀的道路路面，以及遭受侵蚀 物质作用的工业厂房、筒仓、城市汽车库、海滨设 施和地下保险库等建筑工程中也有广泛用途。

1990年前后修建的北京新世纪饭店和广州国际 大厦开始了我国超高层建筑中应用高强混凝土的先 例，广州国际大厦高200m，其屋顶直升飞机坪用 C60泵送混凝土。此后已有50余座超百米的高层建筑 应用高强混凝土，如高322m的广州中天大厦，高 254m的深圳赛格大厦，高420m的上海金茂大厦等 建筑。上海东方明珠电视塔下部塔身采用C60粉煤灰 混凝土，并将这种混凝土泵送到350m处的高度。北 京机场新候机楼，除基础外的所有墙、梁、板、柱 均采用了塌落度为20～22cm的C60混凝土。



上海中心大厦，占地3万 多平方米，其建筑设计方 案由美国Ｇｅｎｓｌｅｒ 建筑设计事务所完成，主 体建筑结构高度为580 米，总高度632米，127 层，是目前中国国内规划 中的第一高楼。 “上海中 心”总投入将达148亿元， 2012年结构封顶且部分投 入运营，2014年竣工交付 使用。

相对于房屋建筑而言，国内在铁路和公路大型桥梁中采用高 强混凝土的比例要大些，开始应用的时间也较早。 跨长602m曾一度位居世界之首的上海杨浦大桥，其中208m 高的索塔采用泵送粉煤灰高强混凝土； 万县长江大桥是当今世界上跨度最大的拱桥，拱跨达420m ，采用钢管混凝土组合截面，内填及外包C60混凝土，不仅满足 强度需要，而且耐当地酸雨环境的侵蚀。 浙江的飞云江桥(多跨简支，总长1721m，单跨62m；钱塘江 二桥(公路铁路二用，18跨连续梁，连续总长度（1340m）；厦 门海峡大桥(连续梁桥，总长2070m)，等等。

三、高强混凝土的特点

1. 强度高 高强混凝土的抗压强度很高，可使钢筋混 凝土柱和拱壳等以受压为主的构件的承

载力大幅 度提高。在受弯构件中，可降低截面的受压区混 凝土高度，从而可使构件截面减小，降低结构自 重，增加有效使用面积，适用于大跨、重载、高 耸等工程结构。 2. 流动性大、早期强度高 用高效减水剂和粉煤灰等掺合料配制的高强 混凝土兼有坍落度大和早强的性能，可加快施工 进度。

3.耐久性好

由于高强混凝土的低水灰比(水胶比)，与普通混 凝土相比有较高的密实性，抗外部侵蚀能力强，能 承受恶劣的环境条件，提高结构的使用寿命。 但是，高强混凝土受压时表现出较小的塑性和 更大的脆性，随着混凝土强度等级提高，这一特征 越明显。因此，在配制高强度混凝土时，不能单纯 地追求抗压强度的高指标，而应兼顾混凝土在工程 结构上所需要的其他力学性能指标。

四、高强混凝土的配制技术及其原理

1. 水灰比（水胶比）的确定

高强混凝土配制技术的核心是尽可能降低水 灰比，一般为0. 2~0.3，水胶比为0. 25~0. 42。强 度越高水灰比(水胶比)应越低。 使用高效减水剂可大幅降低水灰比(水胶 比)，又不损害工作度，可有效减少用水量，而 获得满意的和易性和很高的抗压强度，是提高混 凝土强度的有效方法。

2. 掺用高效减水剂

以低水灰比(水胶比)、低用水量配制的具有 合适流变性能的混凝土，使混凝土在密实成型的 过程中具有较大流动性，掺用高效减水剂的方法 已有较成熟的经验。 但是，由于采用了高效减水剂，致使其坍落 度损失很快。造成坍落度损失的化学原因是由于 水泥初期水化而使流化剂消耗，同时水泥中的 C3A含量多，对流化剂的吸附量大，坍落度损失 也大。

3. 水泥品种及用量

配制高强混凝土用的水泥宜选用强度等级不低 于42.5MPa的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。 由于一般的混合水泥已加入一定数量或大量的 活性与非活性矿物掺合料，而这些掺合料的数量和 质量不一定符合配制高强混凝土的要求，所以最好 采用纯硅酸盐水泥，并按要求在配制时加入规定数 量的高质量掺合料。普通硅酸盐水泥的掺合料数量 较少，用来配制高强混凝土也比较合适。

4.骨料

配制高强混凝土的细集料宜选用质地坚硬、级 配良好的河砂或人工砂；粗骨料应选用质地坚硬、 级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等碎石或碎卵 石。骨料母体岩石的立方体抗压强度应比所配制的 混凝土强度高20%以上。仅当有可靠依据时，方可 采用卵石配制。 粗骨料的粒径不宜大于25 mm，配制C80及其 以上等级的混凝土时，粗骨料粒径不宜大于20 mm 。粗骨料宜采用二级级配。

5.矿物掺合料的种类与数量

除水泥、水、砂、石和高效减水剂外，矿物

掺合料应作为高强混凝土的第六组分，以改善混 凝土性能如密实度、和易性。尽可能减少高强混 凝土的水泥用量，并掺加粉煤灰等矿物掺合料。 矿物掺合料可选用粉煤灰、磨细矿渣、磨细 天然沸石岩和硅粉等，其质量应符合规定，其掺 量应通过试验确定。矿物掺合料宜使用复合掺合 料，其掺量不宜大于胶结材料总量的50%。

五、高强混凝土的几个基本力学指标

由于高强混凝土与普通混凝土材质的差异，力 学性能也不相同。 根据对国内有关试验结果，给出了高强混凝土 的轴心抗压强度fc、轴心抗拉强度ft、劈拉强度ft,s和 弹性模量Ec的表达式。

1. 轴心抗压强度fc

高强混凝土轴压强度试验呈现的破坏过程与普通混凝土 有明显的区别，表现出更大的脆性。标准棱柱体均匀受压试 件的开裂应力大于0.7倍的峰值应力。裂缝的贯通一般都在 0.9倍峰值强度之后，与破坏相当接近，有些试件是几乎同 时发生。 普通混凝土的开裂应力约为0.4倍峰值应力，裂缝的开 展、贯通、直至破坏相比之下缓慢得多。从破坏面看，高强 混凝土试件的裂缝几乎全部穿越粗骨料，而不象普通混凝土 那样呈现粗骨料胶结面的破坏。破坏时常有碎片崩出，并伴 有崩裂声响。



轴心抗压强度fc的分布如图1所示。 回归分析得到: fc= -12.31 + 1.015fcu (MPa) (1) fcu∈[50,90]MPa n= 96，r= 0.9733 > 0.1990(α= 0.05)

式(1)在图1中用细直线表示：

在图中 1 ： 1 fc=-12.31+1.015fcu; 2 fc=0.76fcu 式(1)表明，高强混凝土的相对轴压强度fc/fcu明显高于普通 混凝土(fc /fcu=0.76)，并且随fcu的提高而提高。

式(1)的下端点(fc

/fcu= 50MPa，fc = 38.44MPa)可与规范衔 MPa， fc =79.04MPa)。从国外资

接，在图1中用虚线表示。

式(1)的上端点为(fcu=90

料来看，可把它延伸到fcu=100MPa。对于各种强度等级的 混凝土，其轴压强度可表示为一条折线:

0 .76 f cu , f cu  50 Mpa ; c   12 .31  1 .015 f cu , f cu  50 ,100 Mpa

考虑到轴压强度应具有95%的可靠概率，设高强混凝土 的强度变异系数为，

δ fcu = δ fc = 0.10

则由式(1)得轴压强度的标准值为:

f c, k = - 10.28 + 1.015f cu, k (MPa)

上式与欧洲模式规范(CEB-FIP MC90)的标准圆柱体轴压 强度标准值十分接近，在fcu∈[50,100]MPa区间内，图形几 乎重合。

2. 轴心抗拉强度

试验表明，高强混凝土的轴拉强度相对值ft/fcu要低于 普通混凝土。规范依据普通混凝土试验结果得出:

ft= 0.26fcu2/3 (MPa)

如果把上式用于高强混凝土，则给出的轴拉强度ft 要 比实测值高出约21%。 国内一些单位实测高强混凝土轴拉强度所得结果列于 表1。

轴拉强度ft的分布如图2 所示。根据 ft的分布，对实 测结果按线性函数

和幂函数 两种模型分别作了回归分 析，得到: ft= 1.416 + 0.003256fcu(MPa) n= 39, r= 0.5729 ft = -0.2089+0.6737fcu(MPa) n= 39, 4 = 0.5811 fcu∈[50,100]MPa

按照与轴压强度标准值fcu相同的取值原则,由上式得到的 轴拉强度标准值为:

f t, k = 0.1970f

0.6737 cu, k

(MPa)

实测结果显示，轴拉强度ft比轴压强度fc要离散得多。这 个现象与普通混凝土的相同，符合混凝土材料的特征，非均 质脆性材料的内部缺陷对受拉的影响比受压敏感得多。欧洲 模式规范CEB—FIPMC90采用一个区域来计算轴拉强度:

min min 2/3 f ct, =  , (f , /f ) (MPa) kmax ck cko fct max

(8)

式中,



min fct max

=

0.95 1.85

MPa

式(8)反算成均值并用fcu表示则为:

 0.1871 ft =   0.3647

2/3 f cu (MPa)

式(9)在图2中用细实线表示，两条曲线之间的区域即 为欧洲模式规范(CEB—FIP MC90)建议的轴拉强度。代表 国内一些单位的实测结果则位于这个区域的偏下位置。

3. 劈拉强度ft,s

轴拉强度的测量对设备和试验技术有相当高的要求，试 件截面的质心与形心要重合，试件的安装、受力要求不偏 心。 因此，轴拉试验在大多数工程实验室和研究部门是难 以进行的。相比之下，劈拉试验则简单易行。因此，目前工 程上仍广泛地使用劈拉强度，并以此来推断混凝轴拉强度。 我国目前常用的劈拉强度计算公式为:

f t, s = 0.19f

3/4 cu

(MPa)

它依据普通混凝土的劈拉试验资料得出。

近几年来，国内所 做的高强混凝土劈拉试 验表明，高强混凝土的 劈拉强度ft,s虽然随混凝 土强度fcu 的 提 高 而 提 高 ， 但 其 相 对 ft,s/fcu却 小于普通混凝土，上式 不适用于高强混凝土。 高强混凝土的劈拉 强度 ft,s 的分布如图 3 所 示：

图中 1-式(11)： ft,s=0.2939+0.06557fcu; 0.9369 2-式(12)： ft, s = 0.09089fcu 3/4 3-式(10)： ft, s = 0.19fcu 对实测数据分别按线性函数和幂函数两种模型 进行回归分析后得到: ft,s= 0.2939 + 0.6557fcu(MPa) (11) n= 39, r= 0.7339

f t,s = 0.09089f cu

0.9369

(MPa)

(12)

n= 39, r= 0.7245 fcu∈[50,90]MPa

对实测数据的分析显示，劈拉强度ft,s的离散性明显地小 于轴拉强度ft。其原因在于劈拉试验对试件和试验技术条件 和要求相对较低,试验容易做得精确一些。同时，劈拉试件的 破坏面也是受拉，因此劈拉强度ft,s的离散性仍然比轴压强度 fc大得多。由式(12)可得劈拉强度的标准值:

0.9369 f t,s,k = 0.08987f cu, k (MPa)

(13)

4. 弹性模量Ec

高强混凝土的弹性模量Ec与普通混凝土一样，随混凝 土强度的提高而增大，并且两者不成比例。国内一些单位 对高强混凝土弹性模量Ec 的实测结果列于表2。实测 Ec 的 分布如图4所示。参考国外普通混凝土的资料，按两种函数 模型回归分析得到:

Ec = 2.772 + 0.0185

7fcu n = 49, r = 0.5215

0.3304 Ec = 1.0002f cu (10 4 MPa)

(10 4 MPa)

(14)

(15)

n = 49, r = 0.5235, fcu ∈[50,90]MPa

图4中 1:式(14) 2:式(15) Ec = (2.2 + 34.74/fcu) -1 × 10 5 3：