高強(qiáng)混凝土的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2006-05-07 00:00
摘要：分析了高強(qiáng)混凝土的技術(shù)發(fā)展，闡明了現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土的概念；論述了現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；展望了現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：高強(qiáng)混凝土；研究現(xiàn)狀； 發(fā)展趨勢(shì)
1 概述
1. 1 高強(qiáng)混凝土的概念
高強(qiáng)混凝土是使用水泥、砂、石等傳統(tǒng)原材料，通過(guò)添加一定數(shù)量的高效減水劑（或同時(shí)添加一定數(shù)量的活性礦物材料），采用普通成型工藝制成的具有高強(qiáng)性能的一類(lèi)水泥混凝土。強(qiáng)度達(dá)到多高稱(chēng)為高強(qiáng)混凝土，目前尚無(wú)定論。
在美國(guó)，以圓柱抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到或超過(guò)42MPa 為高強(qiáng)混凝土。ACI 提出以圓柱體抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值不低于42MPa 相當(dāng)于我國(guó)的C50 級(jí)混凝土。在我國(guó)，通常將強(qiáng)度等級(jí)等于或超過(guò)C50 級(jí)的混凝土稱(chēng)為高強(qiáng)混凝土。這個(gè)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)適合我國(guó)國(guó)情。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度換算，也和西方國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大體是一致的。
1. 2 高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用
現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用已遍及橋梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程等各個(gè)土建工程領(lǐng)域。高強(qiáng)混凝土在房屋建筑和一般構(gòu)筑物中的應(yīng)用場(chǎng)合主要有：
1）高層建筑；
2）大跨屋蓋；
3）處于侵蝕環(huán)境下的建筑物或構(gòu)筑物。
1. 3 混凝土獲得高強(qiáng)的途徑
簡(jiǎn)單的說(shuō)，混凝土是多組分的集合料水化膠凝硬化后形成的固體材料，其高強(qiáng)的獲得涉及到膠結(jié)材料本身的強(qiáng)度提高，骨料本身的高強(qiáng)，以及膠結(jié)料與骨料界面強(qiáng)度等。
2 高強(qiáng)混凝土的現(xiàn)狀
2. 1 目前國(guó)際上現(xiàn)澆混凝土配置的技術(shù)水平
國(guó)際上配制高強(qiáng)混凝土所能達(dá)到的技術(shù)水平，以現(xiàn)澆混凝土為例，可以概括為如下幾個(gè)方面：
1） 膠凝材料方面用現(xiàn)有的市售水泥425 號(hào)、525 號(hào)可以配制出C60～C100 之間的高強(qiáng)混凝土，膠凝材料單方用量C 最好在500kg/m3～700kg/m3 之間，且強(qiáng)度越高，此用量一般越大；用現(xiàn)有的市售水泥不能配制出≥C120 的超高強(qiáng)混凝土，必須開(kāi)發(fā)新型水泥。
2）集料方面：用現(xiàn)有的石灰石碎石可以配制≤C100 的高強(qiáng)混凝土；但若配制>C100 高強(qiáng)混凝土，必須采用特種高強(qiáng)集料，例如玄武巖、燒礬土等。砂率最好高于40%。
3） 外加劑方面用現(xiàn)有的市售高效減水劑可以配制出C60～C120 之間的高強(qiáng)混凝土；不能配制出≥C120 的高強(qiáng)混凝土，必須開(kāi)發(fā)新型超高效減水劑。
4）摻合料方面： 用現(xiàn)有的摻合料，例如礦渣、粉煤灰等或不用摻合料可以配制出C60～C100 之間的高強(qiáng)混凝土；若配制C100～C120 之間的超高強(qiáng)混凝土，必須使用硅灰、超細(xì)礦渣等超微摻料。
5）配合比方面除上面已經(jīng)提到的膠凝材料單方用量C和砂率之外，水膠比（ W/C）和單方用水量W 也是決定高強(qiáng)混凝土指標(biāo)的重要方面，甚至是最重要的方面。
2. 2 目前國(guó)際上配制高強(qiáng)混凝土所能達(dá)到最高技術(shù)水平
意大利學(xué)者采用“ 高硅水泥+ 玄武巖集料+ 富配比+低水灰比+ 最佳骨料級(jí)配+ 蒸壓養(yǎng)護(hù)”的技術(shù)路線(xiàn)得到了抗壓強(qiáng)度高達(dá)300MPa 的超高強(qiáng)混凝土。挪威的Odd E.Gjorv 用高質(zhì)量的陶瓷集料代替礦物集料，將混凝土的抗壓強(qiáng)度又由230MPa 提高到460MPa。
與國(guó)際上的技術(shù)水平相比，我國(guó)配制高強(qiáng)混凝土的技術(shù)，無(wú)論是普遍水平，還是最高水平，均落后于世界發(fā)達(dá)國(guó)家水平。
2.3 目前國(guó)際上配制高強(qiáng)混凝土所采用的主要技術(shù)途徑
大量的事實(shí)證明，高強(qiáng)混凝土技術(shù)最核心的技術(shù)是高強(qiáng)混凝土配制技術(shù)，因而也是高強(qiáng)混凝土技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志技術(shù)，我國(guó)高強(qiáng)混凝土技術(shù)之所以落后于世界先進(jìn)水平，其根本原因也就是配制技術(shù)落后于世界先進(jìn)水平，尤其是高效減水劑技術(shù)至今未有重大突破。
目前，國(guó)際上配制高強(qiáng)混凝土所采用的方法多種多樣，概括起來(lái)，主要有以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。
1）原材料方面：一般均以現(xiàn)有硅酸鹽水泥為主要原料，另加入高效減水劑、高強(qiáng)集料、超微摻合料、高分子聚合物（聚乙烯醇、甲基羥丙基纖維素、聚丙烯酰胺）、纖維等。也有使用高硅水泥的。其中，原材料技術(shù)中的三個(gè)主要技術(shù)是：①高效減水劑技術(shù)：一旦高效減水劑的減水率突破30%，單用高效減水劑制備C100 以上的超高強(qiáng)混凝土就不成問(wèn)題。②外摻料技術(shù)：如果找到一種廉價(jià)的摻合料來(lái)代替昂貴的硅灰，高強(qiáng)混凝土就向?qū)嵱没~出了重要的一步。③高標(biāo)號(hào)水泥技術(shù)：如果水泥標(biāo)號(hào)能夠繼續(xù)提高，混凝土強(qiáng)度也將隨之提高。由于我國(guó)生產(chǎn)高標(biāo)號(hào)水泥的技術(shù)水平有限，受貨源限制，目前配制高強(qiáng)混凝土主要用525 號(hào)水泥，625 號(hào)水泥也有應(yīng)用，725 號(hào)、825 號(hào)、925 號(hào)水泥應(yīng)用極少。
2）配合比方面：主要有：低水灰（ 膠）比（ W/C 從0.30～0.093）配合；高砂率（ >40%）；最佳集料級(jí)配；富配比（水泥用量C=500kg/m3～700kg/m3）。
3）成型方面：主要有：高壓成型（ 成型壓力從30MPa～700MPa）、擠出或注模成型、真空脫水、熱壓成型（溫度從80℃～250℃，壓力從30MPa～700MPa）、振動(dòng)加壓成型。除上面已提到的Roy 的成果外，早在1947 年，英國(guó)世界著名混凝土專(zhuān)家T.C.Powers 就使用W/C=0.08 的水泥漿體，加壓制成圓柱體試件，獲得的抗壓強(qiáng)度為280MPa。
4）養(yǎng)護(hù)方面：主要有：蒸壓養(yǎng)護(hù)、濕養(yǎng)（在潮濕介質(zhì)中養(yǎng)護(hù)）。目前尚未出現(xiàn)效果極佳的特殊養(yǎng)護(hù)技術(shù)。
綜合以上配制途徑可知，目前高強(qiáng)混凝土配制技術(shù)最核心的技術(shù)是高效減水劑技術(shù)，因而，制造減水效率足夠高（ 30%以上），混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失足夠?。?10h 以上無(wú)損失） 的超高效減水劑成為當(dāng)前高強(qiáng)混凝土技術(shù)發(fā)展的最大障礙，也就成了廣大高強(qiáng)混凝土學(xué)者的主要任務(wù)。
還值得指出的是，對(duì)于以上方法，人們通常不是單獨(dú)采用其中的某一種，而總是將以上各方法聯(lián)合使用，以達(dá)最佳效果。
3 高強(qiáng)混凝土的發(fā)展趨勢(shì)
綜上所述，高強(qiáng)混凝土技術(shù)發(fā)展到今天，舊的研究領(lǐng)域正在不斷成熟，新的研究領(lǐng)域也在不斷開(kāi)拓，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
鑒于現(xiàn)代高強(qiáng)混凝土技術(shù)研究與應(yīng)用存在的上述不足，本文作者試圖從如下角度，對(duì)高強(qiáng)混凝土的未來(lái)發(fā)展作出展望，拋磚引玉，共同推進(jìn)高強(qiáng)混凝土技術(shù)繼續(xù)發(fā)展。
1）混凝土的強(qiáng)度不斷提高。C60～C100 區(qū)段的高強(qiáng)混凝土的研究開(kāi)發(fā)已比較成熟，研究的熱點(diǎn)正集中在C100～C150 的強(qiáng)度區(qū)段，預(yù)計(jì)不久的將來(lái)，C100 以上的超高強(qiáng)混凝土將會(huì)得到大量的推廣應(yīng)用。
2）用摻入高效減水劑（ 二元復(fù)合）來(lái)降低水灰比以提高密實(shí)度，并同時(shí)摻入活性礦物摻料以增加水泥石中的膠凝物質(zhì)的數(shù)量并改善其質(zhì)量的方法（三元復(fù)合），使混凝土的強(qiáng)度大幅度提高，耐久性根本改善，并能保證混合料的高流動(dòng)性，這一方法將繼續(xù)成為配制高強(qiáng)混凝土的主要技術(shù)途徑。高效減水劑和活性礦物摻料將成為高強(qiáng)混凝土不可缺少的第五和第六組分；在復(fù)合改性思想的指導(dǎo)下，人們將采用更加先進(jìn)的復(fù)合技術(shù)途徑配制高強(qiáng)混凝土，高強(qiáng)混凝土將繼續(xù)向多元化方向發(fā)展。
3）高強(qiáng)混凝土原材料研究將更加成熟。將制定出適應(yīng)于高強(qiáng)混凝土的原材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，原材料審定將更加合理；將出現(xiàn)超高效減水劑，坍落度經(jīng)時(shí)損失將得到解決；活性礦物摻料品種增加。
4）配合比研究趨于成熟，有可能建立起新的水膠比強(qiáng)度公式。
5） 超高強(qiáng)混凝土配制工藝比目前的工藝更加簡(jiǎn)化，易操作。
6）采用泵送施工以提高施工效率并降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
7）全面研究高強(qiáng)混凝土的物理力學(xué)基本性能，為結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
8）研究降低高強(qiáng)混凝土脆性的技術(shù)方法以克服其脆性大的弱點(diǎn)?？赡艿姆椒ㄊ牵孩俸线m的結(jié)構(gòu)形式，例如合適的配筋形式與配筋量，或采用三維配筋與鋼管約束；②與其他材料，如各種纖維復(fù)合使用。根據(jù)目前國(guó)際國(guó)內(nèi)已發(fā)表的研究資料，上述趨勢(shì)是十分明確的。我們應(yīng)該根據(jù)自己的條件和力量，在參照上述趨向研究開(kāi)發(fā)適應(yīng)于我國(guó)當(dāng)前技術(shù)水平的高強(qiáng)混凝土的同時(shí)，努力追趕國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，縮小同發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)的革新和結(jié)構(gòu)需要的增加,混凝土作為結(jié)構(gòu)材料的地位必然得到加強(qiáng),而傳統(tǒng)的混凝土技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足日新月異的工程建設(shè)的需要,高強(qiáng)、高性能混凝土的出現(xiàn)及應(yīng)用必將為未來(lái)建筑的發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。
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