混凝土技術的發(fā)展與展望

繆昌文，穆 松

(1.東南大學，材料科學與工程學院，南京 211189；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室，南京 211103)

0 引 言

作為傳統(tǒng)硅酸鹽材料之一，水泥混凝土誕生至今已有200年歷史。從1824年英國工程師Joseph Aspdin獲得硅酸鹽水泥的授權專利起，硅酸鹽水泥制備的混凝土由于具有優(yōu)于普通鋼材與木材的耐久性能、不同結構尺寸與形狀的施工便捷性、原材料易于獲得且成本低廉等突出優(yōu)點，已成為土木工程大量使用的主體建筑材料。盡管如此，考慮到混凝土作為一種脆性大、抗拉強度低的材料，如何提升抗裂性能是混凝土實現(xiàn)大規(guī)模應用的關鍵難題。針對上述問題，法國人Joseph Louis Lambot申請了使用鋼筋提高混凝土構件抗拉強度的發(fā)明專利，隨后1892年瑞士Wiggen市則修建了第一座鋼筋混凝土橋梁，1928年法國工程師Eugène Freyssinet 申請了控制鋼筋混凝土開裂的預應力混凝土專利[1]。上述鋼筋和預應力的使用均改善了混凝土構件的性能，但并沒有提升混凝土材料自身的性能，于是引入纖維材料提升基體抗拉強度與斷裂能，將混凝土的研究與應用推向了一個新高度。其中，1902年誕生了石棉纖維混凝土的第一項專利申請，1923年左右引入鋼纖維，1950年耐堿玻璃纖維被開發(fā)并用于消除石棉的有害特性，而聚合物纖維則在玻璃纖維出現(xiàn)之后產(chǎn)生[1]。伴隨上述纖維材料在混凝土中應用，減水劑的發(fā)明降低了混凝土用水量且同時增大了混凝土工作性，被公認為是繼鋼筋和預應力混凝土技術之后混凝土領域的第三次技術飛躍。

混凝土基體微結構調(diào)控與性能提升是未來混凝土技術第四次飛躍的主要驅動力。與硅酸鹽材料的研究方法相同，調(diào)控材料組成與優(yōu)化微觀結構是實現(xiàn)混凝土性能提升的關鍵思路?；炷林杏不酀{體的水化過程、水化產(chǎn)物膠凝特性以及微結構形成與演變，直接決定其宏觀性能，例如工作性能、力學性能、裂縫控制與耐久性。通過摻加外加劑、礦物摻合料等功能性組分，優(yōu)化養(yǎng)護制度可以調(diào)控混凝土水化產(chǎn)物組成、結構和形貌，抑制各尺度孔、界面過渡區(qū)和微細裂縫產(chǎn)生，從而實現(xiàn)混凝土工作性能、力學性能、裂縫控制與耐久性的提升。接下來，本文將從近年來混凝土技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢兩個方面入手，重點圍繞混凝土上述四個方面性能進行介紹。

1 混凝土技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 工作性調(diào)控技術

工作性好壞直接影響混凝土內(nèi)部微結構形成。分析混凝土開裂與耐久性差的主要原因是，微結構形成過程中產(chǎn)生明顯的缺陷。明顯缺陷處引起的應力應變集中，很容易誘導混凝土有害裂縫形成。由此可見，混凝土的微結構均勻性很重要。工作性優(yōu)異的混凝土，其均勻性良好?，F(xiàn)階段混凝土工作性調(diào)控要求主要體現(xiàn)為強分散、高保坍、低粘度與高適應性，具體表現(xiàn)在混凝土拌合物包裹性好、不分層、不離析、不泌水。

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，基于有機聚合物的化學外加劑發(fā)展較為成熟，已成為混凝土實現(xiàn)強分散的關鍵技術。梳型結構的聚羧酸超塑化劑大幅取代傳統(tǒng)縮聚型(脂肪族、萘系、三聚氰胺類等)高效減水劑，成為混凝土工作性調(diào)控的核心材料。其聚合物主鏈富含帶電官能團，可通過靜電作用或Ca2+絡合吸附于膠凝材料界面，附著的水溶性長側鏈阻止顆粒相互靠近，削弱相互吸引的范德華相互作用，釋放絮凝結構中的自由水，增強水泥基材料流動性。目前對于此種材料的構效關系(官能團種類、比例、鏈長度、拓撲結構)[2-4]及其作用機制研究較為全面，得到了全面發(fā)展，采用長側鏈、強絡合基團促進在水泥界面的吸附可以進一步提高聚合物分散能力，有效降低混凝土水膠比，超高性能混凝土(UHPC)的水膠比甚至可降低至0.18乃至0.15，混凝土強度可提高至150 MPa以上。

由于膠凝材料水化消耗自由水，導致混凝土流動性隨著時間延長不斷損失。此外，在水化歷程中聚羧酸減水劑與早期水化產(chǎn)物(C3A，鈣礬石[5])相互作用被不斷消耗，導致混凝土的分散能力逐步降低，保坍性能降低?；谏鲜龇治?，控制吸附基團比例、降低其吸附速率，或者聚合物主鏈引入具有堿響應特性的酯型小分子[6-7]，逐步吸附于膠凝材料界面，補充水化歷程中界面減水劑分子的消耗，可以有效解決水泥基材料流動性損失的問題。調(diào)節(jié)聚羧酸減水劑分子緩釋官能團的釋放速度與比例，可有效調(diào)節(jié)吸附過程，實現(xiàn)混凝土流動性長時間保持。目前上述技術已在實際工程應用，可以保障混凝土在常溫施工條件下的流動性保持3～5 h基本無變化，在35 ℃高溫條件下流動性保持不少于2 h(圖1)。

圖1 保坍型減水劑代表性結構[5]及其流動性保持性能[6]
Fig.1 Representative structure of slump retention type polycarboxylate plasticizer[5]and its fluidity retention performance[6]

C60以上高強混凝土配合比具有水膠比低與礦物摻合料用量較大的特征，導致新拌混凝土粘度大、泵送阻力高，通過設計聚羧酸減水劑聚合物結構可有效改善混凝土工作性。通過原位引發(fā)制備超支化聚合物[8]、基于馬來酸酐-環(huán)氧丙烷嵌段聚醚聚合[9]等制備的梳型聚合物減水劑均具有良好的改善新拌高強混凝土粘度的特性。此外，向聚合物中引入具有強吸附特性的磷酸官能團，同樣可以降低水泥基材料粘度[10]。上述方案協(xié)同混凝土配合比設計等技術，提升高強混凝土泵送性能，已在超高層建筑施工中得到廣泛應用(圖2)。

圖2 超支化聚合物及其降粘特性[8]
Fig.2 Hyperbranched polymers and its viscosity-reducing properties[8]

近年來，由于砂石材料、礦物摻合料中可溶性硫酸鹽、具有層狀結構的黏土顆粒會使得減水劑有效吸附被大幅削弱[11]或大量消耗減水劑[12]，從而使得水泥基材料流動性降低。因此，發(fā)展具有高原材料適應性的聚合物超塑化劑及其應用技術也受到廣泛關注?；诨瘜W反應的界面附著可以促進減水劑在高鹽濃度環(huán)境中的吸附[13]、引入特殊小官能團[14]、或對聚合物主側鏈及其拓撲結構進行修飾[15]可以改善超塑化劑的黏土適應性，有效提高水泥基材料流動性。

1.2 混凝土裂縫控制

混凝土材料收縮變形是引起鋼筋混凝土早期開裂的主要因素。在抗裂性評估及設計基礎上，優(yōu)選抗裂材料和技術，是控制混凝土裂縫的有效技術途徑。

在混凝土材料抗裂性評估及設計方面，控制約束條件下收縮變形產(chǎn)生的拉應力不超過混凝土材料的抗拉強度，是控制裂縫的基本準則。與實驗室單一因素、標準條件不同，實際工程結構混凝土的開裂受材料、環(huán)境變化和內(nèi)部及外部約束的綜合作用，混凝土的體積變形是其內(nèi)部水化及溫、濕度狀態(tài)變化的反映?？紤]上述過程濕、熱、化學現(xiàn)象中兩者或三者的交互作用，進而建立相關的數(shù)學模型，分析這種交互作用已成為當前研究的最新趨勢(如文獻[16-18])。

目前的標準或指南主要針對大體積混凝土，如我國的《大體積混凝土施工標準》[19]、日本混凝土協(xié)會的技術指南[20]、美國混凝土協(xié)會技術報告[21]等。近年來，國際材料與結構研究實驗聯(lián)合會(RILEM)專門成立了“大體積混凝土結構溫度裂縫”相關的技術委員會，并于2018年發(fā)布了最新研究進展報告[22]，為大體積混凝土裂縫控制研究指明了方向。在混凝土裂縫控制技術方面，可以從材料、施工等多方面采取措施。尤其是在施工工藝控制方面，已經(jīng)進行了大量深入而系統(tǒng)的研究，并且開發(fā)了有效的技術途徑，譬如分倉、分層澆筑，在結構內(nèi)部預埋冷卻水管通過冷卻水循環(huán)降溫，或采取加冰，冷水噴淋等措施降低原材料(集料、水泥等)溫度來控制入模溫度等。這些方法在工程中已較為成熟的應用，對于溫度收縮體現(xiàn)出較好的抑制效果，但尚不能完全解決現(xiàn)代混凝土的早期開裂難題。導致現(xiàn)代混凝土早期收縮開裂風險增加的主要因素之一是其自身原材料和配合比的改變，并由此而帶來的早期水化放熱速率明顯增加，自收縮更為突出，以及早期收縮顯著增大等。開發(fā)功能材料，從材料自身性能改善的角度抑制各種收縮變形也是解決現(xiàn)代混凝土收縮開裂的有效途徑[2-3,23-24]。混凝土的收縮主要是由于內(nèi)部孔隙負壓增加，內(nèi)部溫度變化形成內(nèi)外部溫度差?；炷潦湛s大體可分為以下幾個階段：凝結前的塑性收縮、硬化過程中的自收縮和溫降收縮，以及長期暴露于環(huán)境中的干燥收縮。不同階段收縮抑制的新材料如圖3所示。在塑性階段，水分蒸發(fā)抑制材料，在混凝土表面自組裝形成單分子膜，可有效減少塑性收縮50%，同時基本不會對塑性階段混凝土脆弱的表面造成負面影響。在硬化階段，由于實際結構處于一定的散熱條件之中，利用多羥基材料的緩釋效應，在不改變放熱總量條件下，可降低加速期水化速率50%以上，為降低混凝土的溫升，進而降低溫降收縮提供了新的技術思路；高吸水樹脂(SAP)內(nèi)養(yǎng)護技術是抑制自收縮的最有效技術途徑之一，也是研究的前沿和熱點，而實現(xiàn)SAP水分吸收和釋放過程可控，并降低其對混凝土流動性和力學性能的負面影響，則是亟需解決的技術難題[25]。實際工程中，膨脹材料也是降低自收縮和溫降收縮的常用措施，但膨脹材料的膨脹歷程和混凝土收縮及溫度歷程不匹配問題較為突出。采用不同活性膨脹源多元復合，則是解決上述問題的有效途徑。在干燥收縮抑制方面，常用的措施包括降低用水量、降低孔溶液的表面張力等。通過共聚物分子構效設計，實現(xiàn)混凝土低用水和低表面張力協(xié)同統(tǒng)一，是抑制干燥收縮合理、可行的技術途徑。實際工程中，通過抗裂材料或技術的優(yōu)選，可實現(xiàn)混凝土不同階段多種收縮的定向、高效抑制。東南大學劉加平等采用量化計算開裂風險系數(shù)、針對性的控制混凝土施工控制參數(shù)、混凝土配合比優(yōu)化等方法，已初步實現(xiàn)隧道、地鐵、管廊等地下工程的鋼筋混凝土裂縫控制。該技術推廣應用到30多項工程，有效抑制貫穿性裂縫的產(chǎn)生。

圖3 混凝土不同階段收縮及抑制材料示意圖
Fig.3 Concrete shrinkage and inhibiting materials at different ages

1.3 力學性能提升

隨著新型結構的快速發(fā)展，大跨徑橋梁、薄壁結構、抗爆結構和深水海洋平臺等重大或特種工程對高與超高強度、超高韌性混凝土有迫切需求。良好的顆粒級配和致密的微觀結構是混凝土高與超高強的關鍵來源，因此，減小孔隙率、優(yōu)化孔結構、提高密實度是超高強混凝土制備的基本原理。圍繞混凝土的最大堆積密度，目前已形成了諸如線性堆積密度模型、懸浮固體模型、可壓縮堆積模型等[26-27]?；谏鲜鲎畲蠖逊e密度模型理論，礦物摻合料以及納米材料等組分大量應用到混凝土中，促進了多組分復雜膠凝材料體系的水化動力學研究得到重視。

高韌性化已經(jīng)成為改善混凝土材料及工程結構脆性的重要手段之一，而纖維增強是其核心。目前常規(guī)強度超高韌性的混凝土材料研究已相對成熟，如基于微觀力學的性能驅動設計方法的超高韌性水泥基材料(Engineered cementitious materials,ECC)[28]，而如何實現(xiàn)混凝土超高強與超高韌的統(tǒng)一是當下研究熱點。實現(xiàn)基體與纖維之間的高效協(xié)同機制，顯著提升纖維的有效利用效率是技術突破的關鍵[29-31]，也是實現(xiàn)超高強混凝土高抗拉強度、拉伸塑性、高韌性和應變硬化、少嚴重缺陷的有效途徑。高效協(xié)同作用機制的影響因素包括膠凝材料體系與強度、顆粒尺寸與分布以及纖維種類、強度、摻量、長徑比和分布特征[32]。

近年來我國高鐵、過江跨海隧道、大型橋梁等工程的規(guī)模化建設和裝配式建筑的發(fā)展，極力推動了混凝土預制構件生產(chǎn)應用技術的進步。為提高混凝土預制構件的生產(chǎn)效率，通常采用蒸汽養(yǎng)護的方式以促進混凝土早期強度的快速發(fā)展。然而，蒸汽養(yǎng)護能耗達到生產(chǎn)總能耗的70%～80%，造成了極大的能源浪費，同時高溫養(yǎng)護帶來了預制構件脆性增大、孔結構疏松以及耐久性降低等問題。混凝土早強劑是提高混凝土早期強度的常用方法。傳統(tǒng)的混凝土早強劑包括無機鹽類及有機醇胺類，能在一定程度上提高混凝土早期強度。然而大多早強劑存在摻量高、影響流動性、混凝土后期強度降低等缺點，限制了其在混凝土預制構件中的大規(guī)模應用。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在水泥混凝土中加入具有促進水泥水化成核作用的納米粒子，例如納米碳酸鈣、納米二氧化硅等可以顯著加速水泥水化進程，提高混凝土早期強度。其中納米C-S-H促進水化作用最顯著，Thomas、Owens等研究表明[33-34]，將人工合成的納米尺度 C-S-H 晶核加入水泥漿體中，發(fā)現(xiàn)其能夠顯著加速水泥的早期水化。而且，水化加速的程度與納米晶核的尺寸與有效比表面積相關，尺寸越小，其加速效果愈顯著[35-36]。Plank等通過引入有機/無機雜化的概念，將聚羧酸減水劑作為分散劑，使C-S-H晶核在溶液中穩(wěn)定分散，來降低納米晶核的實際尺寸，從而提高納米晶核對水泥水化過程的促進作用[37-39]。研究結果表明，有機無機雜化納米C-S-H可以顯著提高硅酸鹽水泥混凝土的早期抗壓/抗折強度[37,40]，同時對后期強度和耐久性不產(chǎn)生負面影響。目前納米C-S-H早強功能材料已經(jīng)在京雄城際鐵路、建華管樁、中淳高科等重大工程和國內(nèi)大型預制構件生產(chǎn)企業(yè)中得到了大規(guī)模應用，有效提高生產(chǎn)效率，并大幅降低生產(chǎn)能耗。

1.4 耐久性提升技術

近年來基礎設施逐步擴展到西部鹽湖與鹽漬土、北方凍融與除冰鹽、南部海洋高溫、高鹽與高濕的嚴酷環(huán)境，對鋼筋混凝土的服役性能提出了更高的要求。其次，隨著港珠澳大橋、深中通道兩項國家重大工程的建設，其設計服役年限須達到120年的新要求，對現(xiàn)有混凝土耐久性保障與提升技術提出挑戰(zhàn)。

鋼筋混凝土耐久性設計是混凝土耐久性提升的首要工作。鋼筋混凝土的耐久性設計應確保所建成的建筑結構在可預計的暴露環(huán)境類別與作用等級下，可以承受其設計使用年限中的不利環(huán)境影響，滿足可維護性要求。就本質(zhì)而言，耐久性設計涉及選擇適當?shù)牟牧辖M成、性能和結構構造的組合，從而確保結構的耐久性。耐久性設計與混凝土保護層的質(zhì)量和厚度有關。混凝土保護層的質(zhì)量不僅取決于混凝土的組成與配合比，而且取決于施工工藝，即振搗、養(yǎng)護、侵蝕性介質(zhì)的早期滲透等因素。因此，混凝土的耐久性設計應考慮上述因素的波動性，然而傳統(tǒng)的耐久性設計方法是確定性的，上述波動性在耐久性設計中并未得到體現(xiàn)。盡管如此，基于概率統(tǒng)計的耐久性設計方法已成為國際研究的主流方向，總體目標是構筑基于可靠性的耐久性設計方法，使鋼筋混凝土結構耐久性達到可接受的失效概率。其中，由歐洲資助的DuraCrete項目建立了基于概率方法的鋼筋混凝土耐久性設計框架[41]，并被進一步發(fā)展成為國際結構混凝土聯(lián)合會(fib)的耐久性設計標準《fib Model Code for service life design》[42]和國際標準化組織(ISO)標準《Durability-Service life design of concrete structures》[43]。

圍繞鋼筋銹蝕延緩的混凝土耐久性提升關鍵目標，鋼筋混凝土耐久性提升的主要思路包括如下三個方面：混凝土表層隔離介質(zhì)侵入、混凝土基體抗介質(zhì)侵蝕和提高鋼筋耐腐蝕能力。作為降低混凝土表層隔離介質(zhì)侵入的有效措施，表層防護材料由于具有高性價比與施工便捷性的特點，受到國際學術界與工業(yè)界的廣泛關注?；炷帘韺臃雷o材料通過與外界環(huán)境的隔離作用限制侵蝕性介質(zhì)進入混凝土，從而避免鋼筋混凝土遭受腐蝕、破壞[44-47]?；炷帘韺臃雷o材料一般包括基層、防護層與面層三個部分，其中基層材料的性能尤為關鍵。一方面，基層材料需要承擔整個防護材料對混凝土的粘結作用，對混凝土基面的粗糙度、潤濕狀態(tài)等表層處理要求較高；另一方面，實際工程中基層材料所面對的施工或服役環(huán)境十分嚴酷，其所涂覆的混凝土基面通常為潮濕甚至水下狀態(tài)，從而導致混凝土表層防護材料脫粘、剝落的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，研究適于潮濕或水下混凝土基面的濕基面固化防護材料具有十分重要的意義[48-50]。

就提升混凝土基體抗介質(zhì)侵蝕性能而言，傳統(tǒng)技術包括降低水膠比、提高膠凝材料用量和使用礦物摻和料[51-54]。盡管如此，上述技術存在混凝土工作性不穩(wěn)定[55]、開裂風險加劇[56]和早期強度偏低[57]等問題，因此尋求使用化學外加劑提升混凝土的抗介質(zhì)滲透性能已成為國內(nèi)外研究與應用熱點。近年來的研究表明，納米材料是一種可有效提升混凝土耐久性能的外加劑，主要借助于細化毛細孔結構、優(yōu)化界面過渡區(qū)[58-59]的原理提升混凝土基體的微觀結構密實度，有效提高混凝土抗介質(zhì)滲透能力。然而，納米粒子具有較大的比表面積和表面作用力[60]，故易產(chǎn)生團聚[61]并顯著影響工作性[62]，最終導致在實際工程中應用受限。此外，金屬皂類防水劑則是另一種用于提升混凝土抗介質(zhì)滲透能力的外加劑[63]，通過金屬皂分子在毛細孔壁上的沉積使混凝土產(chǎn)生疏水性，抑制水分以及侵蝕性離子在混凝土內(nèi)的傳輸[64-65]，目前常用的金屬皂分子為硬脂酸、油酸和棕櫚酸的鋁鹽、鎂鹽和鋅鹽，然而此類物質(zhì)水溶性較差，直接應用于混凝土時同樣存在不易分散的難題。針對以上基體抗侵蝕外加劑存在的分散難共性問題，一種基于水化響應的納米材料已被報道[66]：通過酯化反應制備了具有不同鏈長、水溶性、強分散的水化響應材料，該材料為有機酸酯聚合物體系。圖4和圖5對比了50%納米二氧化硅分散液和50%水化響應納米材料溶液的分散狀態(tài)，水化響應納米材料溶液則是一種天然的水溶性物質(zhì)，可以與水任意比例互溶，因此在混凝土中具有良好的應用潛力。

就提高鋼筋耐腐蝕能力而言，現(xiàn)有主要的鋼筋耐蝕技術包括環(huán)氧涂層鋼筋、電化學陰極保護與鋼筋阻銹劑技術等。其中，環(huán)氧涂層鋼筋存在自身微氣孔缺陷難于完全消除，同時在工程現(xiàn)場運輸、搬運、綁扎以及混凝土澆筑施工中難以完全防止環(huán)氧覆膜受到破壞，故發(fā)生局部腐蝕的風險較高[67-68]。電化學陰極保護技術雖然可有效抑制鋼筋銹蝕，但存在可能誘發(fā)預應力鋼筋的氫脆、降低鋼筋與混凝土界面的結合強度等負面作用。此外，該項技術的安裝和維護成本較高，制約了其廣泛的工程應用。與上述兩種技術相比，鋼筋阻銹劑技術是有效防止或延緩混凝土中鋼筋腐蝕的高性價比技術。該項技術研究最早始于20世紀60年代美國，近20年真正被人們接受并大量應用于工程。Berke等[69]的研究結果表明，鋼筋周圍氯離子滲入量達到1 kg/m3混凝土時，鋼筋銹蝕足以導致混凝土開裂；如果混凝土內(nèi)部含有足夠量的阻銹劑，鋼筋腐蝕的臨界氯離子濃度可達到9.5 kg/m3。因此，在鋼筋混凝土中加入阻銹劑以延長使用壽命被美國混凝土學會確認為鋼筋防護的有效措施之一[70]。早期的阻銹劑主要為亞硝酸鹽，在工程上有較長的應用歷史，但存在對人體致癌、用量不足時導致局部腐蝕[71]等缺點。近年來，研究的重點集中于有機阻銹劑的開發(fā)，此類分子中含有O,N,S 等雜原子[72-73]、多重鍵或芳環(huán)[74]，具體機理雖不明確，但普遍的觀點認為這些官能團與鐵存在較強的相互作用，使有機分子吸附于鋼筋表面起到隔離氯離子等有害介質(zhì)的作用，從而減緩了銹蝕速率。目前有機阻銹劑的發(fā)展方向為阻銹高效性、長效性和環(huán)保化，盡管對新型分子結構的探索不斷進步，但工程中應用較多的仍以復合氨基醇為主。

圖4 50%納米二氧化硅分散液
Fig.4 50% nano-silica dispersion

圖5 50%水化響應納米材料
Fig.5 50% hydration-responsive nanomaterials

2 混凝土技術發(fā)展趨勢

2.1 機制砂高性能化學外加劑

近年來，基于機械工藝生產(chǎn)的“機制砂”(指經(jīng)除土處理，由機械破碎、篩分制成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒)用量逐步增加，其占砂石使用總量比例已超過50%。相比于天然砂，機制砂原料充足，城市建筑廢料和礦山尾礦也可開發(fā)成機制砂原料，其應用已成為現(xiàn)代混凝土未來發(fā)展的主要趨勢。然而，機制砂級配不良，粒形不規(guī)整，石粉含量波動較大(往往含量較高)，其中的黏土含量同樣存在波動，導致混凝土粘度更大、流動性損失快，減水劑摻量高，在高流動性混凝土中易發(fā)生離析泌水，施工性較差。此外，對于不同礦物組成的機制砂，聚合物超塑化劑的吸附特性不同，導致其適應性不佳，減水劑用量隨機制砂品種波動較大，對應用造成了較大困難。如何科學的生產(chǎn)、使用機制砂，發(fā)展適用于不同品質(zhì)、組成等特性的機制砂高性能化學外加劑，有效調(diào)控機制砂混凝土流動性，使其滿足高流態(tài)、高強和高耐久的現(xiàn)代混凝土發(fā)展需求是未來一段時間需要關注的重點。

2.2 混凝土非荷載開裂風險評估與全過程分階段技術

現(xiàn)有的抗裂性設計主要針對大體積混凝土，裂縫控制則以溫控為準，未來亟需針對結構和環(huán)境的復雜性，形成由混凝土收縮引起的非荷載裂縫設計方法，并結合已有的混凝土結構設計規(guī)范和相關研究成果，在抗裂性評估及設計過程中兼顧考慮荷載的影響，根據(jù)工程需求控制收縮和荷載引起的開裂。需要指出的是，雖然在理論研究方面，開展了大量的收縮機理和模型研究，但現(xiàn)有的標準或指南中計算模型仍以經(jīng)驗擬合模型為主。因此，如何將最新的理論研究成果和工程應用有機結合，是抗裂性評估及設計方法制定過程中需要重點討論的議題。在裂縫控制技術方面，需在設計方法指導下，優(yōu)選抗裂功能材料和施工工藝參數(shù)，匹配混凝土收縮的類型、時間段及大小，全過程控制開裂風險系數(shù)小于閾值，形成典型的結構和工況的裂縫控制成套技術體系。此外，針對一些新材料(如新型膠凝材料體系)，極端嚴酷環(huán)境(如極端干燥、高溫、大溫差等)，以及一些特殊結構(超高、超大、超深等)進一步開展相關機理及抗裂性能研究，不斷完善模型、豐富技術途徑，提升混凝土的抗裂能力。

2.3 常規(guī)原材料、常規(guī)工藝的超高性能混凝土制備技術

以高流動性、超高強度、超高韌性、高耐久為顯著特征的混凝土稱作為超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)。UHPC實現(xiàn)了混凝土材料性能的大跨越，成為了推動結構體系創(chuàng)新與發(fā)展的有效載體，被認為是過去三十年最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料。傳統(tǒng)UHPC的制備工藝較為復雜，需要高溫甚至高壓成型與養(yǎng)護，苛刻的工藝和較高的成本限制了UHPC在實際工程中的應用。

研究表明調(diào)控UHPC的微觀結構形成，對于分析、掌握產(chǎn)物的結構本質(zhì)及最終的宏觀性能極其關鍵。通過研發(fā)選擇性吸附聚合物和高活性礦物摻合料，減少自由水，避免骨料周圍宏觀缺陷，促進高與超高密C-S-H凝膠在界面區(qū)大量生成，強化基體-骨料界面過渡區(qū)，可突破超高性能混凝土無法摻加粗骨料的技術難題；同時從最小空隙率和孔隙率角度設計密實高強骨架，可實現(xiàn)混凝土早、中、后期強度持續(xù)穩(wěn)定增長，可突破國際上使用蒸汽養(yǎng)護制備通用技術，可提升抗壓強度50%。同時，通過研發(fā)鏈棒狀聚合物和微細鋼纖維，改善基體和纖維界面過渡區(qū)，提高化學膠結力和機械咬合力，可實現(xiàn)超高性能混凝土拉伸強度大于10 MPa，極限拉伸應變大于5000 με。

2.4 混凝土材料與結構耐久性一體化設計及等效加速評價方法

在耐久性設計規(guī)范方面，當前我國規(guī)范主要是以規(guī)定性為主，明確了耐久性設計所涉及的方法，材料，工藝和步驟等因素及控制指標，例如膠凝材料用量，水膠比，抗壓強度，含氣量等的限值，通過上述耐久性控制指標確保耐久性設計得以實現(xiàn)。因此，設計與施工單位對耐久性設計多嚴格執(zhí)行現(xiàn)有耐久性設計規(guī)范，針對特殊環(huán)境、超標環(huán)境及個性化要求的耐久性設計創(chuàng)新較少。此外，鋼筋混凝土耐久性設計時，未將實際結構承受荷載作用條件下混凝土材料性能、結構構造參數(shù)與服役壽命掛鉤，忽視了混凝土結構與材料的交互作用。因此，未來耐久性設計規(guī)范應進一步實現(xiàn)與新材料、壽命預測新模型、模型計算新方法等的對接，逐步建立基于材料與結構一體化的耐久性設計標準。

在耐久性提升技術的評價方面，應重點解決面向設計使用年限的耐久性提升技術加速評價方法?，F(xiàn)有實驗室模擬評價方法為人工加速手段，不能真正模擬實際工程中多因素環(huán)境耦合的劣化條件，故導致實際工程中耐久性提升技術往往較早、較快地出現(xiàn)破壞與失效，與實驗室模擬結果難以吻合。因此，應針對實際混凝土工程的服役環(huán)境與設計壽命需求，建立實驗室人工加速老化結果和實際戶外暴露結果的相關性，完善耐久性提升技術的評價方法。

2.5 多功能混凝土

改變傳統(tǒng)混凝土的組成或添加特殊功能型組分，利用傳統(tǒng)或特殊工藝可以制備出具有特殊功能(譬如：超疏水、透水、自修復、自催化等)的混凝土是未來發(fā)展方向。超疏水改性混凝土在提升混凝土抗凍性、抗離子侵蝕性能以及自清潔方面效果突出，已探明固體表面疏水性能取決于微觀結構和表面自由能，目前已制備出低表面能、可形成微納米結構并與混凝土緊密連接的超疏水材料，未來將聚焦在提高超疏水材料的粘結強度、耐久性和環(huán)境適應性。透水混凝土因其多孔隙特征能夠過濾凈化、存蓄滯留雨水，是我國“海綿城市”建設過程的重要材料之一，目前已探明膠材用量、水膠比、增強劑、骨料粒徑與壓碎值等對透水混凝土粘聚性、工作性、透水性能及強度的影響，未來將聚焦在透水混凝土的可預拌化，以節(jié)約資源、能源、提升建設效率和施工質(zhì)量。自修復混凝土在普通混凝土拌合時添加特定礦物摻合料、含有膠黏劑的微膠囊或微生物等組分，在混凝土開裂部位進行自感知、自修復，最終提高混凝土的安全性和耐久性，下一步工作將集中探討微膠囊尺寸大小、摻量優(yōu)化的理論依據(jù)以及微生物的適應性問題。自催化混凝土利用光催化反應，緩解城市氣候環(huán)境污染帶來的生存問題或改善高速公路及城市道路對自然環(huán)境的污染，未來將聚焦于提高光催化劑在水泥基材料中利用率、光催化效果與耐久性方面。

2.6 混凝土材料再生循環(huán)利用

將廢棄混凝土回收再利用制備新混凝土，可以減少天然集料的開采與消耗，解決大量廢棄混凝土污染生態(tài)環(huán)境的難題?，F(xiàn)有研究已聚焦再生混凝土的骨料特性與處理工藝、工作與力學性能、耐久性能，并在理論研究與初步應用方面取得了重要進展，已從理論研究向推廣應用發(fā)展。然而，當前再生混凝土的研究大部分還是停留在材料層次，缺少大量結構性能的研究，未來須關注再生混凝土結構構件的承載能力與結構耐久性研究。

3 結 語

(1)長期的服役已驗證混凝土是一種技術經(jīng)濟性突出的基礎性材料，已成為土木工程大量使用的主體建筑材料。繼鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土與纖維混凝土技術之后，混凝土基體微結構調(diào)控與性能提升將是未來混凝土技術第四次飛躍的主要驅動力。

(2) 混凝土微結構調(diào)控重點在于探明適于服役環(huán)境、設計年限與目標性能要求的微結構參數(shù)，通過組成優(yōu)化實現(xiàn)對混凝土工作性能、力學性能、裂縫控制與耐久性的提升?，F(xiàn)階段混凝土工作性調(diào)控技術主要包括強分散、高保坍、低粘度與高適應性四個方面，而發(fā)展適用于機制砂高性能化學外加劑則是未來一段時間需要關注的重點。在收縮變形方面，目前混凝土非荷載裂縫的抗裂性評估及設計主要聚焦于應力準則，已形成混凝土不同階段多種收縮的定向、高效抑制技術，未來在抗裂性評估及設計過程中兼顧考慮荷載的影響，根據(jù)工程需求控制收縮和荷載引起的開裂，形成典型的結構和工況的裂縫控制成套技術體系。

(3)減小孔隙率、優(yōu)化孔結構、提高密實度是當前實現(xiàn)混凝土高與超高強的主要技術，纖維增強則是混凝土超高韌的核心技術，基于納米材料的早強技術已在預制構件中得到應用。未來如何實現(xiàn)混凝土超高強與超高韌的統(tǒng)一，同時以常規(guī)原材料、常規(guī)工藝實現(xiàn)超高性能混凝土的制備則是亟需重點研發(fā)的核心技術。

(4)基于概率統(tǒng)計方法的耐久性設計方法已成為國際研究的主流方向，表層隔離介質(zhì)侵入、混凝土基體抗介質(zhì)侵蝕和提高鋼筋耐腐蝕能力則是現(xiàn)階段混凝土耐久性提升的主要技術方向，未來應重點開展混凝土材料與結構耐久性一體化設計及等效加速評價方法的研究。