混凝土及其增強材料的發(fā)展與應用
2005-10-30 00:00
摘 要：對混凝土(高性混凝土、活性微粉混凝土、低強混凝土、輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、自密實混凝土、智能混凝土等) 以及混凝土增強材料(非金屬配筋、新型預應力鋼棒等) 近年的應用與發(fā)展，作了簡要的論述。
關鍵詞：高性能混凝土；活性微粉混凝土；鋼纖維混凝土；砂漿滲澆鋼纖維混凝土；纖維筋。
混凝土是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料，我國每年混凝土用量約10×108m3 ，鋼筋用量約2500×104 t ，規(guī)模之大，耗資之巨，居世界前列?？梢灶A見，鋼筋混凝土仍將是我國在今后相當長時期內(nèi)的一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料，物質(zhì)是基礎，材料是發(fā)展，必將對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設計方法、施工技術(shù)、試驗技術(shù)以至維護管理起著決定性的作用。對構(gòu)成鋼筋混凝土的主要材料—混凝土及其增強材料的應用與發(fā)展，從工程應用角度作簡要介紹。
1 混凝土
組成鋼筋混凝土主要材料之一的混凝土的發(fā)展方向是高強、輕質(zhì)、耐久(抗磨損、抗凍融、抗?jié)B) 、抗災(地震、風、火) 、抗爆等。
1. 1 高性能混凝土(high performance concrete ，HPC)
HPC 是近年來混凝土材料發(fā)展的一個重要方向，所謂高性能：是指混凝土具有高強度、高耐久性、高流動性等多方面的優(yōu)越性能。從強度而言，抗壓強度大于C50 的混凝土即屬于高強混凝土，提高混凝土的強度是發(fā)展高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)的重要措施。采用高強混凝土，可以減小截面尺寸，減輕自重，因而可獲得較大的經(jīng)濟效益，而且，高強混凝土一般也具有良好的耐久性。我國已制成C100 的混凝土。(已有文獻報道) ，國外在試驗室高溫、高壓的條件下，水泥石的強度達到662MPa (抗壓)及64. 7MPa (抗拉) 。在實際工程中，美國西雅圖雙聯(lián)廣場泵送混凝土56d 抗壓強度達133. 5MPa 。
在我國為提高混凝土強度采用的主要措施有: (1) 合理利用高效減水劑，采用優(yōu)質(zhì)骨料、優(yōu)質(zhì)水泥，利用優(yōu)質(zhì)摻合料，如優(yōu)質(zhì)磨細粉煤灰、硅灰、天然沸石或超細礦渣。采用高效減水劑以降低水灰比是獲得高強及高流動性混凝土的主要技術(shù)措施； (2) 采用525 ，625 ，725 號的硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥及相應的外加劑，這是中國建筑材料科學研究院制備高性能混凝土的主要技術(shù)措施； (3) 以礦渣、堿組分及骨料制備堿礦渣高強度混凝土，這是重慶建筑大學在引進前蘇聯(lián)研究成果的基礎上提出的研制高強混凝土的技術(shù)措施； (4) 交通部天津港灣工程研究所采用復合高效減水劑，用525 號水泥320kg/ m3 ，水灰比0. 43 ，和425 號水泥480kg/ m3 ，水灰比0. 32 ，在試驗室中制成了抗壓強度分別為68MPa 和65MPa 的高強混凝土。
1. 2 活性微粉混凝土( reactive powder concrete ，RPC) [4 ]
RPC 是一種超高強的混凝土，其立方體抗壓強度可達200～800MPa ，抗拉強度可達25～150MPa ，斷裂能可達30 KJ / m2 單位體積質(zhì)量為2. 5～3. 0t/ m3 ，制成這種混凝土的主要措施是: (1)減小顆粒的最大尺寸，改善混凝土的均勻性； (2) 使用微粉及極微粉材料，以達到最優(yōu)堆積密度(packing density) ； (3) 減少混凝土用水量，使非水化水泥顆粒作為填料，以增大堆積密度； (4) 增放鋼纖維以改善其延性； (5) 在硬化過程中加壓及加溫，使其達到很高的強度。
普通混凝土的級配曲線是連續(xù)的，而RPC 的級配曲線是不連續(xù)的臺階形曲線，其骨料粒徑很小，接近于水泥顆粒的尺寸。RPC 的水灰比可低于0. 15 ，需加入大量的超塑化劑，以改善其工作度。RPC 的價格比常用混凝土稍高，但大大低于鋼材，可將其設計成細長或薄壁的結(jié)構(gòu)，以擴大建筑使用的自由度。在加拿大Sherbrook 已設計建造了一座跨度為60m、高3. 47m 的B200級RPC 的人行—摩托車用預應力桁架橋。
1. 3 低強混凝土[4 ]
美國混凝土學會(AC1) 229 委員會，提出了在配料、運送、澆筑方面可控制的低強混凝土，其抗壓強度為8MPa 或更低。這種材料可用于基礎、樁基的填、墊、隔離及作路基或填充孔洞之用，也可用于地下構(gòu)造，在一些特定情況下，可用其調(diào)整混凝土的相對密度、工作度、抗壓強度、彈性模量等性能指標，而且不易產(chǎn)生收縮裂縫。荷蘭一座隧洞工作中曾采用了低強度砂漿( low-strength mortar ， LSM ) ， 其組分為: 水泥150kg/ m3 ， 砂1080kg/ m3 ，水570kg/ m3 ，超塑化劑6kg/ m3 ，膨潤土35kg/ m3 ，所制成的LSM 的抗壓強度為3. 5MPa ，彈性模量低于500MPa 。LSM 制成的隧洞封閉塊，比常規(guī)的土壤穩(wěn)定法節(jié)約造價50 % ，故這種混凝土可塑在軟土工程中得到發(fā)展應用。
1. 4 輕質(zhì)混凝土[5 ]
利用天然輕骨科(如浮石、凝灰?guī)r等) 、工業(yè)廢料輕骨料(如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造輕骨料(頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等) 制成的輕質(zhì)混凝土具有密度較小、相對強度高以及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點利用工業(yè)廢渣和廢棄鍋爐煤渣、煤礦的煤矸石、火力發(fā)電站的粉煤灰等制備輕質(zhì)混凝土，可降低混凝土的生產(chǎn)成本，并變廢為用，減少城市或廠區(qū)的污染，減少堆積廢料占用的土地，對環(huán)境保護也是有利的。
1. 5 纖維增強混凝土[6 ]
為了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點，在混凝土中摻加纖維以改善混凝土性能的研究，發(fā)展得相當迅速。目前研究較多的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍膈成纖維混凝土等。
在承重結(jié)構(gòu)中，發(fā)展較快，應用較廣的是鋼纖維混凝土。而鋼纖維主要有用于土木建筑工程的碳素鋼纖維和用于耐火材料工業(yè)中的不銹鋼纖維。用于土木建筑工程的鋼纖維主要有以下幾種生產(chǎn)方法: (1) 鋼絲切斷法； (2) 薄板剪切法； (3) 鋼錠(厚板)銑削法； (4) 熔纖抽絲法。
1. 6 自密實混凝土( self2compacting concrete)
自密實混凝土不需機械振搗，而是依靠自重使混凝土密實?；炷恋牧鲃佣入m然高，但仍可以防止離析。配制這種混凝土的方法有: (1) 粗骨料的體積為固體混凝土體積的50 %； (2) 細骨料的體積為砂漿體積30 %； (3) 水灰比為0. 9～1. 0 ； (4) 進行流動性試驗，確定超塑化劑用量及最終的水灰比，使材料獲得最優(yōu)的組成。
這種混凝土的優(yōu)點有:在施工現(xiàn)場無振動噪音；可進行夜間施工，不擾民；對工人健康無害；混凝土質(zhì)量均勻、耐久；鋼筋布置較密或構(gòu)件體型復雜時也易于澆筑；施工速度快，現(xiàn)場勞動量小。
1. 7 智能混凝土( smart concrete) [4 ]
利用混凝土組成的改變，可克服混凝土的某些不利性質(zhì)，例如:高強混凝土水泥用量多，水灰比低，加入硅灰之類的活性材料，硬化后的混凝土密實度好，但高強混凝土在硬化早期階段，具有明顯的自主收縮和孔隙率較高，易于開裂等缺點。解決這些問題的一個方法是，用摻量25 %的預濕輕骨料來替換骨料，從而在混凝土內(nèi)部形成一個“蓄水器”，使混凝土得到持續(xù)的潮濕養(yǎng)護。這種加入“預濕骨料”的方法，可使混凝土的自生收縮大為降低，減少了微細裂縫。
1. 8 預填骨料升漿混凝土
國內(nèi)在大連中遠60000t 船塢工程中，因地質(zhì)條件復雜，船塢底板首次采用了坐落于基巖上的預填骨料升漿混凝土，即用密度較大的厚4～5m 的鐵礦石作為預填骨料，礦石層下再鋪設1m厚的石灰石塊石。礦石層上是厚60～80cm 的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板在預填骨料層中布置壓漿孔注入砂漿，形成預填骨料升漿混凝土。采取這種工藝，縮短了工期，取得了良好的經(jīng)濟效益。
國內(nèi)在大連中遠60000t 船塢工程中，因地質(zhì)條件復雜，船塢底板首次采用了坐落于基巖上的預填骨料升漿混凝土，即用密度較大的厚4～5m 的鐵礦石作為預填骨料，礦石層下再鋪設1m厚的石灰石塊石。礦石層上是厚60～80cm 的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板在預填骨料層中布置壓漿孔注入砂漿，形成預填骨料升漿混凝土。采取這種工藝，縮短了工期，取得了良好的經(jīng)濟效益。
1. 9 碾壓混凝土[8 ]
碾壓混凝土近年發(fā)展較快，可用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)(如水工大壩、大型基礎) 、工業(yè)廠房地面、公路路面及機場道面等。用于大體積混凝土的碾壓混凝土的澆筑機具與普通混凝土不同，其平整使用推土機，振實用碾壓機，層間處理用刷毛機，切縫用切縫機，整個施工過程的機械化程度高，施工效率高，勞動條件好，可大量摻用粉煤灰，與普通混凝土相比，澆筑工期可縮短1/ 3～1/ 2 ，用水量可減少20 % ，水泥用量可減少30 %～60 %。
1. 10 再生骨料混凝土
新中國建國至今已逾50 年，建國前后修建的不少混凝土結(jié)構(gòu)，因老化或隨著經(jīng)濟的發(fā)展，需拆除重建，其拆除量十分巨大，在拆除的混凝土中，約有一半是粗骨料，應該考慮如何使之再生利用。以減少環(huán)境垃圾，變廢為用。
2 配筋及增強材料
2. 1 纖維筋[6 ]
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋材料，主要是鋼筋最近在國際上研究較多的是樹脂粘結(jié)的纖維筋(fiber reinforced plastics ，F(xiàn)RP) 作混凝土及預應力混凝土結(jié)構(gòu)的非金屬配筋，常用的纖維筋有樹脂粘結(jié)的碳纖維筋( GFRP) 、玻璃纖維筋( GFRP) 及芳綸纖維筋(AFRP) ，國外研究指出，這幾種纖維的強度都很高，只是玻璃纖維筋的抗堿化性能較差。纖維筋的突出優(yōu)點是抗腐蝕、高強度，此外，還具有良好的抗疲勞性能、大的彈性變形能力、高電阻及低磁導性，其缺點是斷裂應變性能較差、較脆、徐變(松弛) 值較大，熱膨脹系數(shù)較大。國外已有日本、德國、荷蘭等國將纖維筋用于預應力混凝土橋，包括體外預應力橋的實例[4 ] 。
2. 2 雙鋼筋[1 ]
為了減小裂縫寬度和構(gòu)件的變形，國內(nèi)在一些工程中，采用焊成梯格形的雙鋼筋，在構(gòu)件內(nèi)平放或豎放布置。
2. 3 冷軋變形鋼筋[1 ]
為了節(jié)約鋼材用量，國內(nèi)引進國外設備或自制設備，用光圓鋼筋，經(jīng)過冷軋，軋成帶肋的直徑小于母材直徑的鋼筋，稱為冷軋帶肋鋼筋。另一種類似的鋼筋，是用Ⅰ級光圓用筋冷軋扭轉(zhuǎn)成型，稱為冷軋變形用筋或冷軋扭鋼筋。這兩種冷軋鋼筋的抗拉強度標準值(極限抗拉強度) 及設計值都比母材大大提高，與混凝土的粘結(jié)強度也得到提高，但直徑較小。它們主要用作板式構(gòu)件的受力鋼筋或梁、柱構(gòu)件的箍筋或作預應力筋。由于強度提高，可以節(jié)約材料用量，獲得經(jīng)濟效益。這兩種鋼筋，國內(nèi)已制訂了規(guī)程。為將這種小直徑鋼筋的用途擴展至梁、柱的受力鋼筋，也可采用雙筋或三筋的并筋，但需適當增大其錨固長度。
2. 4 環(huán)氧樹脂涂敷鋼筋[1 ]
在海洋環(huán)境或者有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中(如冬季撒鹽的橋面) ，鋼筋銹蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因。為了防止鋼筋銹蝕，用不銹鋼制造鋼筋是一個途徑，但是價格昂貴。另一個途徑是用環(huán)氧樹脂涂敷鋼筋表面，形成防銹的涂層，以防止鋼筋生銹，這種方法在日本、美國應用較多。鋼筋在工廠中校直、加熱、噴涂樹脂粉末，形成防護薄膜，冷卻后經(jīng)檢驗合格，用于有嚴格防銹蝕要求的工程，可使結(jié)構(gòu)的耐久性大大提高。
2. 5 預應力混凝土用鋼棒、預應力混凝土用螺旋肋鋼絲
在傳統(tǒng)用于預應力混凝土的鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋的基礎上，從國外引進生產(chǎn)線，已生產(chǎn)出直徑達12. 6mm、抗拉強度達1570MPa 的預應力混凝土用的帶螺旋肋的鋼棒( steel bar) ，及直徑達12. 0mm、抗拉強度達1570MPa 的帶螺旋肋的鋼絲。這種新產(chǎn)品的特點是:高強度、低松弛，與混凝土的粘結(jié)強度好，易墩粗，可點焊，可盤卷等。
2. 6 纖維布、纖維條、纖維板
國內(nèi)在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行加固時，常用的一種技術(shù)是鋼板粘結(jié)加固技術(shù)，但是鋼板質(zhì)量重、運送不便，剪切成型也比較復雜。最近在國內(nèi)外發(fā)展并應用了以質(zhì)量很輕、易于加工、單向抗拉強度很高的纖維布(條、板) 代替鋼板進行構(gòu)件加固的技術(shù)，取得了良好的效果。例如，冶金工業(yè)局建筑研究總院使用從日本進口的碳纖維，開發(fā)了加固改造修復混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[10 ] ，其使用的碳纖維布， 厚0. 111 ～ 0. 165mm ， 單向抗拉強度3000 ～3550MPa ，這種碳纖維布的特點是:具有很高的單向抗拉強度(為普通網(wǎng)材的10 倍) ，彈模與鋼材接近，很適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固；質(zhì)量輕， 密度僅為鋼的1/ 4 ， 加固層厚度一般不大于1mm ，基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸；施工方便，功效高；耐腐蝕，無須定期維護。
3 結(jié)束語
混凝土是水泥、砂、石、水、外加劑、摻合料等多組分構(gòu)成的一種性能多樣化的材料，其性能不僅與組成材料的性能有直接關系，而且還與施工技術(shù)、所處環(huán)境及維護條件等有關；筆者只是從一個結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員的工程實用角度出發(fā)，對于所涉及過的研究領域和知之不多的混凝土及其增強材料的發(fā)展與應用等方面，作了拋磚引玉的介紹。期望在混凝土結(jié)構(gòu)領域內(nèi)，有更多的專家學者開發(fā)出更多新的材料，并進而研究將這些材料用于結(jié)構(gòu)工程所需解決的設計方法、施工技術(shù)以及維護要求等，以促進我國混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的進一步發(fā)展。
參考文獻：
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[ 3 ] 趙國藩，張德娟，黃承逵. 鋼管混凝土增強高強混凝土柱的抗震性能研究[J ]大連理工大學學報，1996 ，36 (6) .
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[ 5 ] 陳本沛. 混凝土結(jié)構(gòu)理論和應用研究的理論與發(fā)展[M] . 大連理工大學出版社，1994.
[ 6 ] 趙國藩，黃承逵. 纖維混凝土的研究與應用[M] . 大連:大連理工大學出版社，1992.
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