上海市混凝土工程技術發(fā)展綜述(上)

1 　概　述

    混凝土是當代最主要的建筑材料，其歷史悠遠。當前的產(chǎn)量及其在土木工程中的重要性，乃至技術進步的驚人速度為世人所矚目。我國混凝土年產(chǎn)量占世界之首，混凝土工程技術的發(fā)展在我國尤為重要。

    回顧上海近代建筑史，本世紀以來，混凝土工程技術和世界各國的混凝土技術發(fā)展的道路一樣，走過了從塑性混凝土到干硬性混凝土，再到由大流動高強度混凝土向高性能混凝土過渡的幾個里程碑。

    第一階段從本世紀初到30 年代。一批風格各異、造型獨特、品質精良的大廈相繼建成，使上海成為聞名于世的“萬國建筑博覽會”的大展臺。這一階段，混凝土僅在少數(shù)“鋼骨水泥”結構的高層建筑中應用。所用的混凝土也僅是以1∶2∶4 或1∶3∶6 (水泥∶黃砂∶石子)的經(jīng)驗配合比加水拌和，制成利用簡單的鋼扦作施工器具，可以插搗密實的塑性混凝土，強度停留在100^#～200^#(即C10～C20) 的水平上。

    第二階段出現(xiàn)在本世紀的50～70年代。在這30年中，以預制混凝土技術的發(fā)展和各類先張法預應力混凝土的工業(yè)建筑構件為代表，相繼建成了一大批重大的工業(yè)建筑工程項目和統(tǒng)建住宅工程，預制混凝土構件裝配式建筑體系得到了很大的發(fā)展。到70年代末80年代初，梁、板、柱全預制裝配式建筑得到了充分發(fā)展，其中以上海微型軸承廠全預制多層工業(yè)廠房和寶鋼外招(寶鋼友誼賓館) 為代表的預制全裝配高層民用建筑，充分顯示了當時混凝土預制裝配技術的發(fā)展水平。在這一階段，由于受當時前蘇聯(lián)混凝土工程技術路線的影響，干硬性混凝土技術得到了一定程度的發(fā)展?；炷恋钠骄鶑姸葹?00^#到300^#(C20 到C30)，工廠預制的預應力混凝土強度達到400^#(C40) 。

    第三階段，就是改革開放的80、90年代。80年代上海市混凝土工程技術發(fā)展中最突出的成績是：預拌混凝土成套技術的開發(fā)；混凝土外加劑技術的發(fā)展，使一大批高層建筑的泵送混凝土的應用成為可能；大體積基礎混凝土施工技術日趨成熟；粉煤灰混凝土應用技術達到較高水平； 混凝土的平均強度也由C20～C30提高到C30～C40；混凝土的流動度達到180±30mm，屬大流動混凝土范疇；預制混凝土構件中出現(xiàn)了誤差僅0.5mm 的合流污水管片和地鐵管片等高品位的市政精品構件；強度C80的PHC管樁在工程中得到了廣泛使用；預應力混凝土技術已由單一的多孔板、屋面板和先漲法梁類構件，向無粘結后漲法預應力樓板體系和曲線預應力橋面板，并向預應力結構和部分預應力結構等先進的預應力施工技術過渡。

    進入90 年代，混凝土工程技術又跨出了一大步。C60混凝土已在一大批有影響的標志性工程中獲得應用；C80泵送混凝土也開始用于工程實踐；混凝土外加劑進入了第三代水平，利用外加劑對混凝土進行改性，以適應各種特殊施工的技術要求，已被廣大從事混凝土工程的技術人員掌握；大體積混凝土的施工技術水平達到國際先進水平； 混凝土的一次泵送高程達到382.5m，更是世界領先水平； 粉煤灰的利用率達到1.4%(即用于水泥和混凝土中的粉煤灰量已大于本市全年排放的粉煤灰量，從周邊省、市調入部分粉煤灰) ，在世界上是罕見的；高鈣粉煤灰應用技術已達到國際水平；礦渣微粉作為混凝土的摻合料，不但已用于工程實踐，且多項技術指標已達到國際先進水平；“香格里拉大酒店”、“高登金融大廈”的預制外墻板及大型預制混凝土地下連續(xù)墻等產(chǎn)品的各項技術參數(shù)和制作精度，代表了上海市預制混凝土構件的生產(chǎn)水平也已達到了國際先進水平。

    輕骨料混凝土、纖維增強混凝土、聚合物混凝土等特種混凝土的科研和應用技術也有很大的進展。綠色高性能混凝土( GHPC)的技術開發(fā)工作，已受到各方面關注。

    21 世紀將是高性能混凝土(HPC)、綠色高性能混凝土( GHPC)興起和發(fā)展的時代。1994 年我國發(fā)布的《中國21世紀議程———中國21世紀人口、環(huán)境與發(fā)展白皮書》指出：“必須尋求一條人口、經(jīng)濟、社會、環(huán)境和資源相互協(xié)調的，既能滿足當代人的需求，而又不對滿足后代人需求的能力構成危害的可持續(xù)發(fā)展的道路?！卑l(fā)展綠色高性能混凝土正是充分利用各種工業(yè)廢棄物，大力發(fā)展復合膠凝材料，最大可能地降低硅酸鹽水泥用量，使混凝土工程技術走上可持續(xù)發(fā)展道路的必由之路。

2 　八、九十年代的混凝土工程技術進步

    八·五和九·五期間，上海建設事業(yè)空前發(fā)展，混凝土工程技術的進步尤為顯著。然而，由于人們長期以來片面地重視混凝土的強度，上海的混凝土強度在90年代由C40提高到了部分工程達到C60，個別工程C80的水平。相對混凝土強度而言，對混凝土耐久性的重視程度就顯得明顯地不足。

2.1 　預拌混凝土技術的發(fā)展

    在近20 年中，預拌混凝土由于其生產(chǎn)設備先進、管理科學、可加快施工速度、提高工程質量，且能滿足現(xiàn)代化高速度施工的混凝土需求量等一系列優(yōu)勢，預拌混凝土生產(chǎn)技術已成為建筑施工技術中發(fā)展最快的一項技術。

2.1.1 　預拌混凝土產(chǎn)量的飛速遞增

    上海市預拌混凝土的雛型始于1977年，統(tǒng)計數(shù)字是從1979年才有的。下圖就是這20年來上海市預拌混凝土產(chǎn)量的統(tǒng)計圖。在預拌混凝土產(chǎn)量逐年提高的同時，預拌混凝土技術也同樣取得了相應的提高。

2.1.2 　高性混凝土的開發(fā)研究

    1990年5月16日～18日在美國馬里蘭州蓋特律堡， 美國國家標準與技術學會和美國混凝土學會(ACI) 共同發(fā)起召開了一次高性能混凝土專題研討會。1991年9月國際混凝土雜志發(fā)表了題為《High Perfomance Concrete ： Research Need ， to Enhance it’s Use》的論文，次年元月上海市建筑構件研究所就譯出了“加強高性能混凝土應用的研究”的譯文，為上海市高性能混凝土的發(fā)展拉開了序幕。在以后的10年中，上海高性能混凝土研究領域中取得一大批可喜的成果，其中具有代表性的成果有：中華第一高樓———88層金茂大廈的C40一次泵送到382.5m；明天廣場礦渣微粉C80泵送混凝土；在上海教育電視臺綜合樓大體積基礎混凝土，水泥用量只占膠凝材料總量的46%，配制的混凝土漿量飽滿，混凝土工作性、粘聚性和抗離析性能都十分優(yōu)異，強度達到C40的高性能混凝土。

    1998年上海市科委又向上海建工(集團) 總公司下達了“高性能預拌混凝土應用技術研究”的科研項目計劃任務書。研究內容涉及“免振自密實混凝土”、“輕質骨料預拌混凝土”、“大流動超高強混凝土研制”、“大體積控制升溫混凝土”、“GHPC(綠色高性能混凝土)研究”等5個方面的研究方向。

2.1.3 　大體積混凝土施工技術

    上海改革開放的20年中，一大批高、大、精、尖的標志性建筑相繼建成。深基礎大體積混凝土的施工技術，已成為上海市混凝土工程技術進步的重要里程。上海市的深基礎大體積混凝土往往由于強度要求高、施工速度快和質量要求高等特點，決定了它的首選施工方案是一次澆搗，不留施工縫的施工工藝。這就給大體積混凝土施工提出了十分苛刻的約束條件。大體積基礎混凝土除了必須滿足強度、工作性和耐久性要求外，還存在如何防止溫度變形裂縫產(chǎn)生的問題。經(jīng)過20年工程實踐的摸索，取得一大批國內、國際領先水平的工程項目。在深基礎大體積混凝土的施工中，總結出了以下幾條技術措施。

    (1) 盡可能地利用混凝土的后期強度，把28 天設計強度延長到45天或56天，以減少水泥用量，降低水化熱總量；

    (2) 采用混合材水泥或增加摻合料用量，以降低水化熱和推遲水化熱峰值出現(xiàn)的時間，以利協(xié)調由于溫度引起的應力過高和混凝土初始結構強度過低這一對矛盾，從而達到減少大體積混凝土裂縫的目的；

    (3) 在施工中采取內降外保的養(yǎng)護工藝，針對不同的工程條件采取合理的養(yǎng)護制度，延長養(yǎng)護時間，提高養(yǎng)護質量；

    (4) 采用智能化溫度采樣系統(tǒng)，動態(tài)控制大體積混凝土內部溫度變化的情況。

    通過以上技術措施，上海自1979年首次成功地在寶鋼轉爐基礎工程中創(chuàng)造一次連續(xù)澆搗混凝土7218m3無有害結構裂縫的實例后，在大體積基礎混凝土施工中已創(chuàng)有以下幾個全國乃至世界之最：

    (1) 在虹橋世貿商城工程中創(chuàng)下連續(xù)澆搗混凝土24000m³的世界之最；

    (2) 在金茂大廈工程中創(chuàng)下了一次澆搗C50(R56)混凝土13500m³，且厚度達4m的世界之最；

    (3)徐浦大橋主塔基礎最大厚度6m。

    典型的大體積基礎混凝土工程列于表1。其中尤以世貿大廈的24000m³的基礎底板施工技術為突出。它集中顯示了我國組織大體積基礎混凝土施工的高水平和雄厚的設備技術力量。該工程集中了上海建工(集團)總公司所屬的上海建工材料公司和上海市建筑構件制品公司兩大商品混凝土生產(chǎn)專業(yè)公司的10余座混凝土攪拌臺，在統(tǒng)一原材料、統(tǒng)一配合比、統(tǒng)一生產(chǎn)工藝的高度統(tǒng)一下，動用了200 輛混凝土攪拌輸送車和20 臺混凝土泵，在36 小時內施工完畢，平均每臺泵車單位時間泵送量為34.7m³/小時。這一泵送速度也達到了國際先進水平(德國資料反映為35m³/小時) 。

2.1.4 　

高泵程混凝土施工

    泵送混凝土的泵送高度是混凝土工程技術水平的重要標志，因為混凝土的泵送高度，是混凝土外加劑技術、摻合料技術、配合比設計和泵送機械性能等一系列技術的綜合反映。80 年代上海大量高層建筑的興建，為上海市泵送混凝土技術的顯示提供了廣闊的舞臺。

    從1981年上海賓館首次采用泵送混凝土施工技術以來，泵送高度由80m逐年提高到金茂大廈的382.5m，創(chuàng)造泵送混凝土世界第一高度，泵送混凝土的強度也由C30提高到楊浦大橋主塔結構的C50 混凝土。歷年高泵程混凝土施工實例列于表2。

2.1.5 　混凝土外加劑技術發(fā)展已進入第三階段

    上海的混凝土外加劑技術從50年代的氯鹽為主要原料的早強劑和松香皂為主的引氣劑起步，繼后出現(xiàn)了紙漿廢液為原料的塑化劑，為混凝土外加劑發(fā)展的第一階段。60年代起正規(guī)生產(chǎn)木鈣型減水劑，到80年代初研制出萘系高效減水劑為止，上海市的混凝土外加劑技術發(fā)展到了第二階段。進入80年代后和預拌混凝土一樣，外加劑技術的進步十分迅猛，可認為上海市的混凝土外加劑技術的發(fā)展進入了第三階段。在上海建工(集團) 總公司承建的工程中，混凝土外加劑的使用面幾乎達到了100%。其中突出的幾個臺階是：1989年的南浦1型和南浦Ⅰ型(緩) 特種泵送劑的研制成功，把3天強度達到28.5MPa的C40混凝土送上了158m高的南浦大橋主塔頂端；1995年在楊浦大橋主塔工程泵送混凝土施工中，采用南浦Ⅱ型把C50高強混凝土泵送到208m 的高度；1997年在中華第一樓金茂大廈中，采用FTH 復合高效泵送劑，把C40混凝土一次泵送到382.5m的高度；1998年在明天廣場礦渣微粉C80泵送混凝土， 采用SQ2 ⅡC 完成了3500m³ 的C80混凝土泵送施工作業(yè)。

    進入90年代中期后，由于混凝土摻合料技術的進步，各種性能各異的混凝土摻合料相繼問世。摻合料的摻入使混凝土的施工性能和強度發(fā)展規(guī)律出現(xiàn)變化，為適應這些變化了的規(guī)律，各種專用的外加劑被相應地研制成功。其中典型的產(chǎn)品有WZ。在大摻量礦渣微粉混凝土中利用WZ 配制了3 天強度便可達到甚至超過單純用普硅水泥配制的普通混凝土，解決了大摻量活性摻合料混凝土早期強度低的負面影響，為“綠色高性能混凝土”的發(fā)展開辟了一條新的道路。目前上海市外加劑產(chǎn)品在知名工程中應用范例列于表3 。

2.1.6 　活性摻合料的開發(fā)應用

    混凝土活性摻合料應用技術研究，可以追溯到50年代的混合水泥中的粉煤灰和水淬礦渣的利用。把粉煤灰作為混凝土摻合料，在混凝土攪拌時直接摻入，在50年代僅出現(xiàn)在水壩用混凝土中。然而，在上海真正普及粉煤灰應用技術，直接把粉煤灰用于建筑工程用的混凝土中是1978年的事。通過20余年的工程實踐，上海的粉煤灰應用技術在國內已遠遠領先，在國際上也跨入了先進行列。如上海同濟大學建材學院(原上海建材學院) 科研人員已研制出，當膠凝材料總量為550kg/m³，粉煤灰摻量達到40%時，強度可達60MPa以上的高強混凝土(《大摻量粉煤灰高強混凝土》) 。經(jīng)過幾年的研究和開發(fā)，使上海的高鈣粉煤灰應用技術在國內處于領先地位《， 高鈣粉煤灰混凝土應用技術規(guī)程》的發(fā)布，代表了上海市粉煤灰在混凝土工程中應用的技術水平。

   
      礦渣微粉作為活性摻合料的應用技術，是近幾年才被重視的。然而，由于這項技術的巨大潛力，其發(fā)展速度和在技術水平、經(jīng)濟效益兩個方面取得的成績特別可觀。自1997年建委成立“高爐礦渣微粉生產(chǎn)技術開發(fā)應用研究”項目課題組后，采取了產(chǎn)、學、研結合的道路，通過短短二年的研究開發(fā)，取得一大批可喜的成果。特別是“礦渣微粉C80泵送混凝土”、“大體積混凝土工程用礦渣微粉混凝土應用技術”、“礦渣微粉混凝土耐久性研究”、“寶鋼高爐礦渣微粉混凝土應用研究”、“雙摻磨細礦渣及高鈣粉煤灰混凝土的最優(yōu)配比及性能”等一批礦渣微粉的應用技術和材性研究課題的完成，把上海市礦渣微粉應用技術提高到了較高的水平。

    混凝土摻合料技術的進步，實際上是混凝土材料科學技術進步的重要標志?；炷翐胶狭蠎眉夹g的日趨成熟，復合膠凝材料的概念逐步被從事混凝土工程技術研究、開發(fā)、應用的科技人員接受?；炷凉I(yè)要走可持續(xù)發(fā)展的道路，膠凝材料的變革是必然的趨勢。高效活性摻合料和硅酸鹽水泥復合組成高效復合水泥基膠凝材料，是混凝土工業(yè)走“綠色道路”的必由之徑。

2.1.7 　清水混凝土施工技術

    90年代的上海隨著一大批高質量的標志性公共建筑和市政工程的相繼建成，大大地改觀了上海的城市面貌。這些工程中有大型的體育場館、聞名于世的兩橋一塔(南浦大橋、楊浦大橋、東方明珠廣播電視塔) 、浦東國際機場、高架道路等等。它們除了優(yōu)美獨特的造型、一流的工程質量外，清水混凝土古樸凝重、自然清純的質感，給這些標志性建筑物增添了光彩。東方明珠的大型斜筒體、八萬人體育館的大斜率柱和浦東國際機場超大型結構的清水混凝土施工技術難度更大。清水混凝土施工的技術關鍵是以下三個：

    (1) 混凝土配合比設計和原材料質量控制。新拌混凝土必須具有極好的工作性和粘聚性，絕對不允許出現(xiàn)分層離析的現(xiàn)象。原材料產(chǎn)地必須統(tǒng)一，砂、石的色澤和顆粒級配均勻。

    (2) 模板工程。清水混凝土施工用的模板必須具有足夠的剛度，在混凝土側壓力作用下不允許有一點變形，以保證結構物的幾何尺寸均勻、斷面的一致，防止?jié){體流失。對模板的材料也有很高的要求，表面要平整光潔，強度高、耐腐蝕，并具有一定的吸水性。對模板的接縫和固定模板的螺栓等，則要求接縫嚴密，不允許漏漿。

    (3) 養(yǎng)護。清水混凝土如養(yǎng)護不當，表面極容易因失水而出現(xiàn)微裂縫，影響外觀質量和耐久性。因此，對裸露的混凝土表面，應及時采用粘性薄膜或噴涂型養(yǎng)護膜覆蓋，進行保濕養(yǎng)護。

2.2 　預制混凝土構件和預應力混凝土技術

    在過去的20多年中，由于各種工程的需要和材料科學的進步，預制混凝土技術和預應力混凝土設計施工技術，獲得極大的發(fā)展機遇。然而，相對于預拌混凝土技術的進步，預制混凝土技術進步顯得明顯地不足，預制混凝土構件幾乎已退出了公共建筑領域。然而，在常規(guī)的房屋建筑預制構件悄然退出的同時，超大型的預制地下連續(xù)墻恰被作為混凝土構件的新產(chǎn)品開發(fā)了出來。市政工程中，一大批預制混凝土精品構件不斷地被開發(fā)出來，把上海的預制混凝土技術也提高到了一個新的水平?；炷林破氛谙虼蠛途姆较虬l(fā)展。

    預應力混凝土技術的發(fā)展可用一句話來概括，即完成了由單個預應力構件制作向預應力混凝土結構的過渡。在完成這一過渡的同時，在工藝上由單一的先張法工藝過渡到以后張工藝為主；材料由低碳冷拔鋼絲和低碳合金鋼( Ⅲ、Ⅳ級鋼筋) 轉向高強鋼絲和鋼絞線；錨具也由單根的楔形錨固端和鐓頭錨固的形式，向QM、XM、OVM、DM和B&S等單束和群錨體系過渡。

2.2.1 　市政用混凝土精品構件的開發(fā)

    預應力空心板梁雖是市政橋梁工程中的通用構件，但在南浦大橋建造前，其使用量較小，構件強度、精度等要求也不高。1990年，南浦大橋用的預應力空心板梁由于大橋浦西段主引橋設計成螺旋狀，盤旋而上，故主引橋空心板梁的外形尺寸變化復雜，精度要求十分高，被稱為市政工程用混凝土精品構件。自“南浦大橋預應力板梁成套生產(chǎn)技術研究”科研成果獲得推廣后，楊浦、徐浦等越江橋梁工程用的橋面板梁的生產(chǎn)日趨成熟，現(xiàn)已成為常規(guī)產(chǎn)品。繼后結合內環(huán)線工程，在1994年又開發(fā)出了工廠預制異型后張法預應力空心板梁，為高架環(huán)線和南干線等道路工程建設，提供了高質量的混凝土預制構件，加快了工程的施工速度，減少現(xiàn)場施工用地，提高了工程質量。

    1990年，合流污水工程311標管片的研制成功及以后地鐵管片的生產(chǎn)，把預制混凝土構件的制作精度和產(chǎn)品質量提高到了國際先進水平。該類管片的外型尺寸精度要求達到0.5mm，混凝土設計強度為C50，抗?jié)B和耐久性要求均十分高。在1992～1996年間，為配合合流污水工程又開發(fā)出了不同口徑的預制頂、埋管。1992年開發(fā)出小口徑超長距頂進施工用的鋼筋混凝土管段，1996年又研制開發(fā)出了直徑達3000mm的預制大口徑頂、埋管，其水平均在國內領先。

2.2.2 　超大型預制地下連續(xù)墻

    軟土地基深基礎結構設計和施工技術，在上海已處于國際先進水平。然而，在地下連續(xù)墻的施工工藝上，由于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工工藝，筑成的地下連續(xù)墻存在容易夾泥、槽壁坍塌、抗?jié)B性差、墻體和底板連接處位置難以保證等一系列缺點和弊病，給施工帶來了困難，給工程質量留下了隱患。特別是在某些利用地下連續(xù)墻作為地下工程組成部分時，現(xiàn)澆地下連續(xù)墻由于其固有的缺點，給后續(xù)施工帶來了很大的難度和經(jīng)濟上的損失。預制地下連續(xù)墻由于工廠生產(chǎn)，具有板面平整、混凝土密實度高、抗?jié)B性好、預埋鋼筋位置準確、墻體和底板連接質量高、不易滲漏等優(yōu)點，可以充分發(fā)揮三作用復合式深基礎結構的作用，而被廣大設計、施工人員重視。從1997年開始，通過建工錦江、明天廣場和達安城地下車庫等工程的應用，取得了比預期更好的效果，總體水平已達到國際先進水平，現(xiàn)已進入預制預應力地下連續(xù)墻的研制階段。由于采用預應力工藝，預制的地下連續(xù)墻長度可做到30m左右，這一長度在一般工程中已足夠保證一幅到底的深度要求，可以取消橫向接頭，又能進一步提高工程質量和降低工程造價。(待續(xù))