高性能混凝土的研究應(yīng)用與展望
2006-07-12 00:00
摘要：本文對高性能混凝土新的認(rèn)識及其在國內(nèi)外的研究應(yīng)用進(jìn)行了闡述，最后對高性能混凝土的發(fā)展趨勢作了展望。
關(guān)鍵詞：高性能混凝土；研究應(yīng)用；發(fā)展趨勢；綠色高性能混凝土
1 前言
全世界每年混凝土用量達(dá)到90億噸，規(guī)模之大、耗資之巨、應(yīng)用之廣，作為現(xiàn)代工程主要材料的地位依然不被撼動。混凝土用于工程結(jié)構(gòu)至今已有150多年歷史了，縱觀混凝土技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，其發(fā)展主要遵循復(fù)合化、高強(qiáng)化、高性能化三大技術(shù)路線 長期以來，人們過分注重于混凝土的力學(xué)性能，主要集中在提高混凝土的強(qiáng)度上，以搞壓強(qiáng)度的比例關(guān)系來代表其性能的優(yōu)劣，而對影響混凝土耐久性則重視不夠，從而導(dǎo)致了許多工程結(jié)構(gòu)的開裂，甚至崩塌。例如，1980年3月，北海Stavanger近海鉆井平臺Alexander Kjell號突然破壞；烏克蘭境內(nèi)的切爾諾貝利核電站的泄漏；日本的一些鋼筋混凝土橋梁，投入不到20年因不能使用而被炸毀；遼寧盤錦遼河大橋的斷毀，等等。此外，由于混凝土耐久性不高，致使混凝土工程的維修費(fèi)急劇增大。1975年，美國預(yù)測全國公路混凝土橋梁修補(bǔ)費(fèi)到1996年只需26億美元。但到了1989年，美國公路混凝土橋梁維修費(fèi)實際已達(dá)1550億美元，加上房屋等的鋼筋腐蝕損失，全部費(fèi)用估計可達(dá)2580億美元，是碑預(yù)測維修費(fèi)60~70倍。1989年英國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程因腐蝕破壞而形成的年維修費(fèi)已達(dá)5．5億英鎊，占英國建筑業(yè)年成效額的1．1% 。我國雖沒有這一方面精確的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但因混凝土耐久性差增加的維修和重建費(fèi)也是十分可觀的。如何處長混凝土的使用壽命，發(fā)展高性能混凝土首當(dāng)其沖。
2 高性能混凝土新的認(rèn)識
清華大學(xué)教授廉慧珍在《對“高性能混凝土”十年來推廣應(yīng)用的反思》中指出：就我國的情況來看，自從1992年吳中偉首次將高性能混凝土介紹到輛并發(fā)起高性能混凝土至今的十年里，由于對高性能混凝土的理解存在若干誤區(qū)，造成”高性能混凝土”使用上的盲目混亂。大多數(shù)把”高性能混凝土“理解為”高強(qiáng)”、“高流動性”、“摻用礦物摻和料”等是不正確的。
我國已故的吳中偉院士在1996年提出：“有人認(rèn)為混凝土高強(qiáng)度必然是高耐久性，這是不全面的，因為高強(qiáng)混凝土?xí)硪恍┎焕谀途眯缘囊蛩亍?。高性能混凝土還應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土，如C30混凝土?！?999年又提出：單純的高強(qiáng)度不一定具有高性能。如果強(qiáng)調(diào)高性能混凝土必須在C50以上，則必然大大限制高性能混凝土的應(yīng)用范圍。大量使用的鋼筋混凝土建筑物如低層和多層房屋以及高層房屋的上層構(gòu)件，又如海工、水工，尤其是在不利環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物大體積混凝土等，對強(qiáng)度要求并不高（C30左右），但對耐久性要求卻很高，而高性能混凝土恰能滿足此要求 高性能混凝土不只是高強(qiáng)度的，而是包括各強(qiáng)度等級的。
在高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（草案）（第六稿）中指出：高性能混凝土是保證混凝土結(jié)構(gòu)所要求的各項力學(xué)性能，并且具有高耐久性、高工作性和高體積穩(wěn)定性的混凝土。在配制設(shè)計中要求：單方混凝土用水量宜≤ 175kg／m3，膠凝材料總量宜為450kg／m3~600kg／m3 ，其中礦物微細(xì)粉用量宜≤ 膠凝材料總量的30% ，水膠比宜≤ 0．38，砂率宜為37%～44% ，高效減水劑摻量根據(jù)坍落度要求而定。并根據(jù)使用的要求進(jìn)行抗碳化性能設(shè)計、抗凍耐久性設(shè)計、抗鹽凍破壞的耐久性設(shè)計、抗CL-1擴(kuò)散及滲透的設(shè)計、抗硫酸鹽腐蝕性能設(shè)計等。
任何新事物的出現(xiàn)和發(fā)展都必須符合社會的發(fā)展和人們的需要，高性能混凝土也不例外。根據(jù)我國目前現(xiàn)狀和對上述的理解，筆者認(rèn)為，高性能混凝土是以耐久性作為基本要求的混凝土，對于強(qiáng)度的要求已經(jīng)降低。就其應(yīng)用意義來說，高性能混凝土的應(yīng)用主要集中在達(dá)到所期望的高性能（如高流動性或自密性混凝土）。高性能混凝土是根據(jù)不同的性能指標(biāo)要求做相應(yīng)發(fā)展的混凝土，如普通強(qiáng)度混凝土、高強(qiáng)度混凝土、高耐久性混凝土、高流動性混凝土、輕骨料混凝土和特種混凝土等等。高性能混凝土應(yīng)該包括任何強(qiáng)度等級的混凝土，根據(jù)工程建筑的要求，混凝土可從強(qiáng)度等級上分為普通高性能混凝土（≥C30）、高強(qiáng)高性能混凝土（≥C50）和超高強(qiáng)高性能混凝土（≥Cl00）。
3 高性能混凝土的研究開發(fā)現(xiàn)狀和工程應(yīng)用實例
高性能混凝土作為一種新的建筑材料，其耐久性為普通混凝土耐久性的兩倍以上，可增加混凝土結(jié)構(gòu)安全使用壽命，減少造成修補(bǔ)或拆除的浪費(fèi)和建筑垃圾；可大量利用工業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，盡量減少自然資源和能源的消耗，減少對環(huán)境的污染；收縮徐變小，適合建造高效預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)；高性能混凝土適用于高層、大跨、大體積、長跨橋梁、海底隧道、高速公路及嚴(yán)酷環(huán)境中使用的結(jié)構(gòu)物，如核反應(yīng)堆、海上結(jié)構(gòu)和處于有腐蝕性介質(zhì)環(huán)境的結(jié)構(gòu)等的建筑和修補(bǔ)。其他用于特殊用途的智能高性能混凝土更有著其獨(dú)特的、其他混凝土難以替代的優(yōu)勢。
正因為高性能混凝土具有以上諸多優(yōu)越性能，自從產(chǎn)生以來，便大放異彩，世界各國對其研究和應(yīng)用勢頭的發(fā)展十分迅猛。
3．1 HPO在國外的研究應(yīng)用現(xiàn)狀
1986～1993，法國由政府組織包括政府研究機(jī)構(gòu)、高等院校、建筑公司等23個單位開展了“混凝土新方法”的研究項目，進(jìn)行高性能混凝土的研究，并建立了示范工程。1996年，法國公共工程部、教育與研究部又組織了為期4年的國家研究項目“高性能混凝土2000”，投入研究經(jīng)費(fèi)550萬美元。法國修建的3座高性能混凝土的斜拉橋一佩爾蒂大橋以及最近建設(shè)的埃洛恩河大橋和諾曼底大橋也都使用了高性能混凝土。
日本不僅應(yīng)用超高強(qiáng)高性能混凝土住宅，而且用其制造預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土柱、桁架、管、電桿等。日本在80年代后期研制開發(fā)高性能混凝土?xí)r，尤其重視混凝土的施工性能，特別是高流動性，要求澆筑混凝土后不振或微振。日本采用免振自密實混凝土超過800000m3。日本自成型混凝土的發(fā)展是實現(xiàn)混凝土澆筑質(zhì)量控制的重要一步。這種流動性混凝土遠(yuǎn)距離泵送而不離析的特性減輕了混凝土的運(yùn)輸、澆筑和成型過程的人工操作。如今日本已研制出使用壽命在500年以上的超高耐久性混凝土。
1994年，美國聯(lián)邦政府16個機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出了一個在基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)中應(yīng)用高性能混凝土的建議，并決定在10年內(nèi)投資2億美元進(jìn)行研究和開發(fā) 各大州政府也致力于高性能混凝土的推廣和應(yīng)用。在紐約州已建成了100多座具有高性能混凝土橋面的橋梁。在華盛頓州，公路部門正在制定高性能混凝土梁的標(biāo)準(zhǔn)。
目前德國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已達(dá)C110級，強(qiáng)度等級為當(dāng)今世界之最。挪威皇家科技研究院的科學(xué)與工程研究基金持續(xù)資助高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土的研究。丹麥的大貝爾特工程是一座大型的隧道與橋梁連接結(jié)構(gòu)，規(guī)定的設(shè)計使用壽命為i00年。國外的這些抗議應(yīng)用高性能混凝土的歷程，對我們很有啟發(fā)的參考價值。
3．2 HPO在國內(nèi)的研究應(yīng)用狀況
1992年，吳中偉首次將高性能混凝土介紹到國內(nèi)。近年來，我國高性能混凝土的研究、應(yīng)用發(fā)展較快。我國是生產(chǎn)和使用混凝土的大國，混凝土的質(zhì)量在不斷地提高，涉足高性能混凝土的研究和應(yīng)用還是近10年的事。隨著高性能混凝土的優(yōu)越性不斷地得到認(rèn)可，混凝土應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，城市建設(shè)速度的加快，高性能混凝土獲得了迅速發(fā)展。
高性能混凝土在實際工程中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在高層建筑、大跨度橋梁、海上采油平臺、礦井工程、海港碼頭等工程中的應(yīng)用日益增多。例如：上海金茂大廈（C60）、北京靜安中心大廈（C80）、遼寧物產(chǎn)大廈（C80）、南京希爾頓國際大酒店（C30和C50）、長春國際商貿(mào)城（C55）、廣州虎門大橋（C50）、上海楊浦大橋（C50）等都是應(yīng)用的典范。
全國很多研究單位已經(jīng)研制出普通泵送高性能混凝土、大摻量粉煤灰高性能混凝土、高流態(tài)自密實高性能混凝土、纖維增加高性能混凝土、輕骨料高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土港工與海工高性能混凝土、高拋纖維高性能混凝土等等，研制出C30-C80的各種強(qiáng)度等級的高性能混凝土和完備的混凝土耐久性檢測設(shè)備，以及掌握了配套的施工成套技術(shù)和各種混凝土耐久性檢測技術(shù)等。其中具有優(yōu)異耐久性的C30高性能混凝土即將在地質(zhì)條件復(fù)雜的深圳地鐵工程中大規(guī)模使用。
據(jù)《山西日報》報道，一種摻人大量粉煤灰的“高流態(tài)混凝土簡捷控調(diào)工藝”日前由山西大學(xué)吳世勇高級工程師主持研制成功，并通過了專家鑒定?！案吡鲬B(tài)混凝土簡捷調(diào)控工藝”在不改變常規(guī)施工工藝的情況下，在高層框架結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了坍落度大于220mm 的高流態(tài)混凝土施工，具有良好的流動性、高分離性、間隙通過性和填充性。由于該工藝在混凝土中大量摻合了粉煤灰，減少了污染。同時施工時無噪音，不擾民，環(huán)境效益好，而被稱作“綠色高性能混凝土工藝”。
最近，又有上海攻克高性能混凝土“壽命”可達(dá)100年的報道，這種混凝土已用于東海大橋。廣州省科技廳主持召開的一項新成果“抗鹽污染高性能配制成套技術(shù)研究”，經(jīng)過專家多方面的科學(xué)論證，通過鑒定。此外，在高性能混凝土技術(shù)規(guī)程中混凝土強(qiáng)度等級已到C100。
3．3 目前我國HPO研究和應(yīng)用存在的問題
一方面是對性能的研究：（1）自干燥引起的自收縮；（2）脆性；（3）礦物微細(xì)粉的科學(xué)分類和品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及其與混凝土外加劑之間的相容性；（4）高性能混凝土多組分復(fù)合材料的復(fù)合化超疊加效應(yīng)；（5）高強(qiáng)高性能混凝土的韌性。此外，現(xiàn)行規(guī)范在實驗室制作的小試件，以撞化的條件和強(qiáng)制的過程進(jìn)行的”耐久性”試驗結(jié)果又同該混凝土在實際結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)不一致。
另一方面是工程應(yīng)用。若僅將HPC用于大跨度橋梁、高層建筑的下層柱及某些要求高強(qiáng)度、高性能的構(gòu)件與部位，不僅大大限制了HPC的擴(kuò)大使用，而且其諸多優(yōu)勢性能，尤其是現(xiàn)在所大為提倡的綠色優(yōu)勢的發(fā)揮亦是相當(dāng)有限的，這于國家要大力發(fā)展和推廣“節(jié)能與綠色建筑”更是不相符。
4 高性能混凝土的發(fā)展趨勢
4．1 提高HPO的認(rèn)識，完善規(guī)范建立法規(guī)，加大工程應(yīng)用。加快發(fā)展
HPC的發(fā)展，不過十幾年的時間，習(xí)慣了普通混凝土的人們對它的認(rèn)識還不夠，阻礙了HPC廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)高性能混凝土已基本被接受，而中低強(qiáng)度高性能混凝土還沒得到工程人員的普遍認(rèn)可，這就為中低強(qiáng)調(diào)高性能混凝土的普及帶來很大障礙。主要原因是對造價和性能的認(rèn)識不到位 在文獻(xiàn) 指出中低強(qiáng)度混凝土有很好的經(jīng)濟(jì)效益，同時也會有很好的社會效益。同時，人們應(yīng)該認(rèn)識到“優(yōu)質(zhì)工程必須要高性能”?；炷猎谡麄€工程費(fèi)用中占的比重本來很小，考慮到工程質(zhì)量，施工方便，耐久性等，HPC即便略增加一些成本，還是值得的，要算大帳，要綜合考慮HPC帶來的經(jīng)濟(jì)、社會效益。
為適應(yīng)我國“節(jié)能和綠色建筑”的發(fā)展，國家應(yīng)完善規(guī)范，制定相應(yīng)強(qiáng)制性的法規(guī)來大力推廣HPC的應(yīng)用。
4．2 加大對HPO各性能的研究
（1） 對HPC高工作性的不斷追求 。良好的工作性可以加快施工速度，改善勞動強(qiáng)度，并有利于環(huán)保。高性能混凝土應(yīng)走向全盤機(jī)械化、自動化及管理現(xiàn)代化。
（2） 提高混凝土結(jié)構(gòu)工程的耐久性設(shè)計。建筑業(yè)消耗世界資源近40 %，如將建筑物的壽命延長一倍，資源能源消耗和環(huán)境污染就要減輕一半。延長混凝土的使用年限，提高混凝土的耐久性，減少混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)，減少水泥混凝土需要量，將會提高資源和能源的利用率，減少經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，避免經(jīng)濟(jì)損失，節(jié)約資源和能源，減輕生態(tài)環(huán)境負(fù)荷，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
（3） 向超高性能混凝土（UHPC）發(fā)展。目前已出現(xiàn)超高性能混凝土，較成功的有活性細(xì)?；炷痢⒆{纖維混凝土與亞密配筋復(fù)合材料 其特點是高強(qiáng)度、高密實性，以大量纖維增強(qiáng)來克服混凝土材料的脆性，利用假韌性防止混凝土的突然斷裂。其造價比HPC高的多，一般可首選用在一些特殊工程如軍事工程、核電站等中。加拿大已將活性混凝土用于一座橋梁，法國正準(zhǔn)備在一個核廢料罐中研究應(yīng)用UHPC。隨著科技的進(jìn)步，今后還將有更多UPHC結(jié)構(gòu)工程問世。
4．3 HPC向綠色高性能混凝土（GHPO）的發(fā)展
在綠色環(huán)保日益深入人心的今天，混凝土能否長期作為最主要的工程結(jié)構(gòu)材料，關(guān)鍵在于能否成為綠色建筑材料，于是GHPC便將承擔(dān)歷史的責(zé)任。GHPC能更多的節(jié)約水泥熟料，更有效地減少環(huán)境污染，同時也能大量降低料耗與能耗；能更多的摻加以工業(yè)廢渣為主的細(xì)摻料，節(jié)代熟料，改善環(huán)境，減少二次污染；能更大地發(fā)揮高性能混凝土的優(yōu)勢，盡量減少水泥與混凝土的用量，達(dá)到節(jié)省資源、能源與改善環(huán)境的目的。
粉煤灰是火電廠的燃燒廢渣，我國每年的排放量在1．4億噸以上。粉煤灰具有火山灰活性，它摻到混凝土中，能降低初期水化熱，減少干縮，改善新拌混凝土的和易性，增加混凝土的后期強(qiáng)度，顯著提高混凝土的耐久性。充分利用粉煤灰作為摻和料發(fā)展高性能混凝土，可節(jié)約資源和能源，減少二次污染，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，是對實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的巨大貢獻(xiàn)。
5 結(jié)語
正如中國工程院院士陳肇元教授所述：HPC是混凝土技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，它的生產(chǎn)需要有素質(zhì)的操作人員，較完善的生產(chǎn)設(shè)備和高水平的質(zhì)量管理控制。推廣應(yīng)用HPC，我們應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗，對推廣應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，不斷地進(jìn)行研究并盡快給予解決。筆者相信，隨著HPC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用量的不斷增大，我國建筑業(yè)的整體業(yè)的整體水平將得到很大的提高。
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