國外混凝土技術新進展

以水泥為膠凝材料生產的混凝土，今天已成為全世界各種各樣結構工程建設首選的建筑材料，這主要是由它的經濟性所決定：原材料來源廣泛、便宜，施工與維修費用較低廉。使混凝土技術向前推進的兩大驅動力，是加快施工速度和改善混凝土耐久性。

西方工業(yè)國于40~70年代曾因為早期強度很高的水泥問世，而當時結構的設計強度尚不高，于是出現將混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生產，在滿足強度要求的前提下易于施工操作，然而這給混凝土結構耐久性帶來后患，尤其是當其暴露于侵蝕性環(huán)境工作的條件下。

在近些年來的進展中，最突出的就是添加高效減水劑制備的“超塑化拌合物”，即用水量較低，而流動性還非常好的拌合物，硬化后由于孔隙率小，因而強度高且耐久性優(yōu)異。為使暴露于侵蝕環(huán)境的鋼筋混凝土結構壽命長久的目的，運用阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋和陰極保護等，也是同期出現，并且已為眾所周知的先進技術途徑。

除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三種驅動力，即對環(huán)境友好的工業(yè)化材料，這方面在未來技術評價中的重要性正在日益增大。本文以下列三方面作為技術評價的基準：

A.材料與施工費用

B. 耐久性

C.對環(huán)境友好

這里不打算對混凝土技術所有最新的進展做一綜述，只從近三十年來筆者認為是較為重大的進展中有選擇地進行一簡短地回顧。

1、高效減水劑

Malhotra在十七年前曾說過：混凝土技術多年來沒有什么大的進展，40年代開發(fā)的引氣是其中之一，它改變了北美混凝土技術的面貌；高效減水劑是另一個重大突破，它在今后許多年里將對混凝土的生產與應用帶來重大的影響。

事實證明他的預見是正確的：超塑化混凝土、高性能混凝土的應用得到迅速發(fā)展，包括高強混凝土、高耐久性混凝土、高摻量粉煤灰或礦渣混凝土、自密實混凝土、水下抗分散混凝土、高性能纖維增強混凝土等。

60年代日本發(fā)明的萘磺酸鹽與西德發(fā)明的磺化蜜胺樹脂，是高效減水劑代表性產品。陰離子的長鏈化合物吸附在水泥顆粒表面，通過電性斥力使其有效地分散在水中。日本首先將這種混凝土用于高強樁的生產，七十年代于公路和鐵路橋上采用了坍落度中等、強度在50~80MPa的混凝土梁；在西德，首先將高效減水劑用于水下不分散混凝土，改善粘稠拌合物的流動性，而無須變化水膠比。由于兩者可以同時兼顧，因此如今高效減水劑在全世界到處都用于生產高強、高流動性和耐久性的混凝土。

萘磺酸鹽與磺化蜜胺樹脂通常存在坍落度損失快的問題，雖然可以通過在現場后添加的方式來解決，但這樣既費錢又費事。1986年，日本人開發(fā)了長效的高效減水劑，它是含羧酸鹽、酰胺或羧酸酐的水溶性化合物。硅酸鹽水泥水化形成的堿性溶液逐漸激活高效減水劑，生成水溶性分散劑，有助于坍落度長時間維持。含有環(huán)狀聚合物的聚羧酸高效減水劑的開發(fā)，使拌合物能夠同時具有高流動度、坍落度長時間保持且高抗離析。萘系與蜜胺系的長效減水劑商品現在也已問世。

2、高強混凝土和砂漿

高強混凝土首先用于30層以上高層建筑物的鋼筋混凝土結構，因為這種建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土時斷面很大。除節(jié)省材料費用外，與鋼結構相比，加快施工速度也是采用混凝土結構的重要特點，自美國芝加哥在1965年以50 MPa 混凝土澆注Lake Point Tower的一些柱子以來，北美和其他國家到處都在用高強混凝土建造高層建筑。芝加哥79層的Water Tower Place大樓柱子采用了60MPa混凝土；多倫多的Scotia Plaza Building和西雅圖的Two unio Square Building兩座建筑物則分別有90 和120MPa強度的混凝土柱子。

為獲得高強度，通常要借助高效減水劑將水膠比降到0.4以下，因此，同時獲得的重要特性就是低滲透性，這是在侵蝕環(huán)境中保持長期耐久性的關鍵。更多的高強混凝土應用是將耐久性，而不是強度作為首要的考慮。海洋混凝土結構——大跨橋梁、海底隧道和離岸采油平臺，是這種應用的實例。

高流動而不離析是超塑化、高強度混凝土發(fā)展的另一個原因，這類拌合物的工作度一般可用火山灰質或礦物摻合料，如硅粉、粉煤灰、稻殼灰與磨細礦渣來改善。易于泵送和成型可以顯著減少大工程，如配筋密集的鋼筋混凝土或預應力混凝土高層建筑、離岸構筑物的施工費用。

CBC、MDF水泥制品和DSP是新的一族高強水泥基材料，它們具有很高的抗壓強度和彈性模量，但限于非結構應用。為達到高強結構應用的高韌性要求，法國Richard等人開發(fā)出摻有鋼纖維的活性粉末混凝土，實際是超塑化的活性粉末砂漿。其水泥用量為1000Kg/m3；細砂與煅燒石英230 Kg/m3；水150~180 Kg/m3；和微纖維630 Kg/m3。用機械壓實的試件經400℃熱處理后，抗壓強度可達680 MPa 、抗折強度100 MPa、彈性模量75GPa。現在預測活性粉末混凝土未來的發(fā)展還為時過早，因為盡管它的初始費用高昂、加工技術復雜，但在建筑業(yè)還是有適當的用途，特別是在高侵蝕環(huán)境中，大摻量的微纖維使其抗裂性能提高，保證了它的水密性。

3、高性能混凝土

所謂高性能混凝土，開始是用于表征具有高工作度、高強度和高耐久性的混凝土。因此高強混凝土和高性能混凝土的首要區(qū)別是后者強調高耐久性。由于在嚴酷環(huán)境條件下，除非結構物在其服務過程不出現裂縫，否則就不可能獲得與維持高耐久性。所以這種混凝土必須設計成具備高度體積穩(wěn)定性。為了減少混凝土由于溫度收縮和干縮產生的開裂，必須限制混凝土拌合物中的水泥漿含量。

Mehta和Actcin提出的高性能混凝土配合比設計方法限定總水泥漿量為混凝土體積的1/3；允許部分硅酸鹽水泥用火山灰或有膠凝性的摻合料來代替。

A?tcin曾預言：摻礦渣、粉煤灰、硅粉、亞粘土、稻殼灰和石灰石粉的三元混合水泥除了可以使高性能混凝土的制備更經濟外，還能發(fā)揮它們的超疊作用，改善其新拌與硬化時的性質。

在1993年，美國混凝土學會下屬的技術委員會提出一新的高性能混凝土定義：滿足工程特殊要求的各種性能，可包括易澆搗而不離析，高長期力學性能、高早期強度、高堅韌性與高體積穩(wěn)定性，或在嚴酷環(huán)境中使用壽命長久，并且勻質性良好的混凝土。根據該定義，耐久性不是高性能所必須的，這樣就會形成開發(fā)嚴酷環(huán)境下未必耐久的高性能混凝土的后果。

例如在公路工程中，美國有人就提出幾種以高早強水泥用量在400 Kg/m3左右或更多的高性能混凝土拌合物配合比，Mehta認為：除非采取特殊的措施，否則這種混凝土是很容易因為溫度收縮、自身收縮和干縮應力而開裂的。顯然，僅從加快施工速度出發(fā)，就可能對結構使用壽命造成危害。所以建議在進行結構設計時，要考慮運行周期費用，而不是初始造價。同時，有必要重新考慮一個問題，即長期耐久性成問題的混凝土，究竟是否能作為高性能混凝土進入市場？

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