新型結(jié)構(gòu)材料一高特性混凝土

1 何謂高特設(shè)混凝土

　　混凝土材料自從l 9世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái)，盡管它的發(fā)展極其緩慢，但技術(shù)性能的改進(jìn)亦有過(guò)三次重大的飛躍，第一次是上世紀(jì)中葉鋼筋混凝土的出現(xiàn)；第二次是本世紀(jì)30年代預(yù)應(yīng)刀混凝土的發(fā)明；‘第三次是本世紀(jì)60年代混凝土高效減水劑的使用；現(xiàn)在正面臨著第四次飛躍，即開(kāi)展高特性混凝土研究。根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)：它是在一些發(fā)達(dá)國(guó)家推廣應(yīng)用高強(qiáng)混凝土?xí)r遇到施工問(wèn)題或引起混凝土結(jié)構(gòu)損壞的環(huán)境條件下而提出來(lái)的。例如：在挪威。開(kāi)發(fā)北海油田所采用的鉆探平臺(tái)，盡管使用了高強(qiáng)輕骨料混凝土，但仍遇到海水中含有腐蝕性介質(zhì)的侵蝕破壞，為此，在國(guó)際上首次將硅鐵合金冶煉過(guò)程中排出的粉塵——硅灰摻入到混凝土中，從而改善了高強(qiáng)輕骨料混凝土的耐腐蝕性能。由于高特性混凝土是在推廣應(yīng)用高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)上而提出來(lái)的，以往高強(qiáng)混凝土就是高特性混凝土一說(shuō)，觀已為國(guó)外工程3技術(shù)界所否定。到底高特性混凝土的準(zhǔn)確涵義是什么，它具有那些性能？一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家仍在探討之中。下面列舉出二個(gè)實(shí)例加以說(shuō)明。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局制定的戰(zhàn)略性公路研究計(jì)劃對(duì)高特性混凝土作出如下描述：混凝土最大的水灰比為9．35；按照ASTMC666方法A測(cè)定的最小耐久性系數(shù)為80％；最小的強(qiáng)度準(zhǔn)則2澆注后四小時(shí)為2lMPa，二十四小時(shí)為34MPa，二十八于為69MFa。表1列出了四個(gè)耐久性和四個(gè)強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)來(lái)衡量高特性混凝土長(zhǎng)期特性準(zhǔn)則和試驗(yàn)方法以及有害的現(xiàn)場(chǎng)條件下使用所推薦的相關(guān)性能。

　　美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)對(duì)高特性混凝土給出的定義是2使用傳統(tǒng)的組份，正常的攪拌程序和典型的養(yǎng)護(hù)實(shí)踐一般不能取得符合特殊性能和統(tǒng)一要求的混凝土o這些要求包括2不影響強(qiáng)度的情況下容易澆注和固結(jié)；長(zhǎng)期力學(xué)性能；高早期強(qiáng)度；韌性；體積穩(wěn)定性；在惡劣的環(huán)境下使用有較長(zhǎng)的壽命。按照上述要求，下面列出了具體性能指標(biāo)：二十八天或五十六天齡期砼的抗壓強(qiáng)度為42一70 MPa，五十六天以上齡期砼的抗壓強(qiáng)度為70 一l 26MPa，18—24小時(shí)齡期砼抗壓強(qiáng)度為l 7．5—28MFa；大于45。5×103MPa的彈性 模量；能防護(hù)鋼材不被腐蝕，在其它惡劣的環(huán)境下使用具有防護(hù)能力；高工作度，可泵性和可修整性，中等范圍的流動(dòng)度，其坍落度為l 5．2—29．3cm，流態(tài)砼其坍落度大于20．3cm而不離析，可降低泵送壓力，容易修整，冷天澆注具有正常的凝結(jié)時(shí)間，加速?gòu)?qiáng)度增長(zhǎng)，低溫下不冰凍，熱天澆注能保持正常的坍落度并可控制水化；按照工程施工要求可延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間。

　　盡管上述二個(gè)機(jī)構(gòu)提出的定義和性能指標(biāo)有所差異，但歸納起來(lái)大體上可分為三類。第一類是材料本身的特性，如早期、后期強(qiáng)度，彈性模量等；第三類是不影響質(zhì)量情況下的施工性能，如流動(dòng)性、可澆、可泵性等；第三類是在惡劣環(huán)境下的使用性能，如抗凍觸循環(huán)，耐剝落等。筆者認(rèn)為；混凝土材料能預(yù)期達(dá)到三者兼得的良好性能，才是當(dāng)今工程技術(shù)界所追求的全新概念，亦是的年代末期許多工業(yè)發(fā)達(dá)．國(guó)家，如英國(guó)、日本、加拿大等國(guó)開(kāi)展高特性混凝土研究的根本所在。

2 粗骨料在配制高特性混凝土中的作用及其檢測(cè)方法

　　一般來(lái)說(shuō)，由于粗骨料占混凝土的體積為30—70％，它的特性對(duì)硬化混凝土將起到重要作用。然而，在配制普通混凝土?xí)r，人們?yōu)榱藵M足施工需要，采用超過(guò)水泥水化所需的理論水灰比，其結(jié)果混凝土內(nèi)部的游離水份在毛細(xì)管孔的作用—廠蒸發(fā)，從而在骨料之間形成薄弱的過(guò)渡界面區(qū)，加之骨料的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大十水泥砂漿，在外力作用下，容易在此薄弱的過(guò)渡界面區(qū)破壞，因此，對(duì)于粗骨料的強(qiáng)度很少檢測(cè)。從一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所走的技術(shù)路線分析，在配制高特性混凝土?xí)r，無(wú)一不加入俗稱為第五組份的高效化學(xué)外加劑和活性sio 2含量(98％)很高的礦物附加劑。例如：冶煉硅鐵合金或金屬硅排出的粉塵，或磨細(xì)粉煤灰，．粒狀高爐礦渣。前者可將拌制混凝土的用水量降到接近或低于水泥水化理論水灰比范圍，后者由于其活性Si9。含量很高，在堿性激發(fā)條件下，能與水泥水化析出的Ca(oH)2起反應(yīng)，生成具有水硬1性質(zhì)的硅酸鹽膠體，降低了骨料顆粒鄰接界面的氫氧化鈣晶體的原度和空間排列，加之其顆粒粒徑非常細(xì)(o．1一o．5LLm)，比水泥顆粒小1—2個(gè)數(shù)量，它的加入填充了水泥顆粒之間的間隙，起到填充致密作用，改善了水泥石的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土材料的宏觀物理——力學(xué)性能(強(qiáng)度、彈性模量、抗?jié)B性、耐久性等)o由于骨料之間界面性能的改善并能與粗骨科強(qiáng)度相匹配，當(dāng)混凝上棱柱體抗壓強(qiáng)度高于C80時(shí)，粗骨料強(qiáng)度將起到控制混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵作用，這已為國(guó)外不少試驗(yàn)研究工作所證實(shí)。為此，一方面人們仿效人造輕骨料配制輕混凝土的技術(shù)路線，用人造方法生嚴(yán)高強(qiáng)骨料取代天然骨料配制高特性混凝土；另一方面探索粗骨料強(qiáng)度檢測(cè)方法。從理論上說(shuō)，粗骨料的抗壓強(qiáng)度可直接從整塊巖石切取的立方體或圓柱體試件進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)樗偷筋A(yù)拌混凝土工廠的粗骨料是堆聚粒狀顆粒，未必能獲取特定的立方體或圓柱體試件。此外，大多數(shù)巖石均具有本身的特征J而且由單一或多種礦物組成，知道了某種巖石的強(qiáng)度未必能很好地評(píng)定骨料強(qiáng)度。從國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，目前采用的均屬定性檢測(cè)方法。例如：采用比重、吸水率、硬度、磨損率等，如果骨料的吸水率很高或比重很低，表明此種骨料有很高的滲透性空洞，因而其抗壓強(qiáng)度很差。定性方法只說(shuō)明總的趨勢(shì)，未必能反映出這些物理量與骨料的強(qiáng)度之間有很好的相關(guān)性。另一種方法是由臺(tái)灣學(xué)者張?zhí)?T a—Pe．ng Cha．ng)提出的定量簡(jiǎn)單評(píng)估法。此種方法是建立在顆粒力學(xué)理論基礎(chǔ)上并通過(guò)平均應(yīng)力矢量推導(dǎo)出適用于粗骨料強(qiáng)度計(jì)算的通用公式：

　　　　　　　　　　　　　ð22=PH/V

　　F——作用在垂直方向上的集中荷載
　　k一一作用力二點(diǎn)之間的距離
　　V——顆粒的體積
　　如果顆粒是不規(guī)則的形狀或箱形棱柱體、圓桂體，上式可改寫成下式，如果顆粒是不規(guī)則的外形，只要定出荷載作用平面的距離(可用金剛鋸切取)，用阿基米德原理(Archi medef s Prin ciple)測(cè)出顆粒的體積，即可通過(guò)上式計(jì)算出抗壓強(qiáng)度值。為了驗(yàn)證上述公式的可靠性，他還選擇了四種不問(wèn)礦場(chǎng)的骨料TA(破碎礫石)，TB(破碎礫石)，TC(破碎礫石)，TD(破碎建筑磚)進(jìn)行定性分析和混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，其結(jié)果見(jiàn)表2—4。

　　表2列出的四種骨科抗壓強(qiáng)度值是通過(guò)公式計(jì)算所得(二個(gè)相對(duì)加荷點(diǎn)之間的高度定為16mm，體積用阿基米德原理測(cè)出，全部骨料在5噸的壓力機(jī)上完成抗壓強(qiáng)度試驗(yàn))。這一結(jié)果說(shuō)明：TA和TB是質(zhì)量等級(jí)最好的粗骨科。從混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果亦說(shuō)明；用質(zhì)量等級(jí)最好的粗骨科TA和TB配制的混凝土，其抗壓強(qiáng)度也越高，相比之下，骨科強(qiáng)度提高大約55％，混凝土強(qiáng)度也相應(yīng)提高47％。張氏所提出的顆粒平均應(yīng)力概念能定量地評(píng)定任意多角型骨料，包括尖角棱邊的破碎碎石抗壓強(qiáng)度，這將為今后發(fā)展高強(qiáng)或高特性混凝土提供了直觀、省時(shí)有效的方法。

3 在我國(guó)發(fā)展高特性混凝土的初淺分析

　　正如前述，高特性混凝十是在高強(qiáng)混凝土推廣應(yīng)用基礎(chǔ)上提出來(lái)的，因此，高強(qiáng)混凝土是發(fā)展商特性混凝土不可逾越的階段。改革開(kāi)放l 0多年來(lái)，我國(guó)土建工程中所使用的混凝土抗壓強(qiáng)度已有大幅度提高，由以往C20—C25普遍提高到C 35一C459C69混凝土已成功地實(shí)際應(yīng)用于沈陽(yáng)、廣州、深圳等一些高層建筑中。為此，國(guó)家建設(shè)部已將高強(qiáng)混凝土列入九．五期間十大重點(diǎn)推廣應(yīng)用項(xiàng)目之一，國(guó)家建樹(shù)局也把高特性混凝土列入“九．五”科技攻關(guān)計(jì)劃中。然而，不容否的事實(shí)是，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)落后，基礎(chǔ)差，認(rèn)目前砼年用量仍然低于80年代初期世界年·人平均水平，與一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，總體水平還存在不少差距，為有利于這一計(jì)劃和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，筆者提出幾點(diǎn)粗淺分析意見(jiàn)；

3．1推動(dòng)商品混凝土工業(yè)發(fā)展，為加速高持性混凝土研究開(kāi)發(fā)進(jìn)程奠定工業(yè)基礎(chǔ)

　　任何新嚴(yán)品的問(wèn)世，均離不開(kāi)當(dāng)時(shí)的工業(yè)基礎(chǔ)和條件。在我國(guó)混凝土生產(chǎn)長(zhǎng)期處于分散落后的現(xiàn)場(chǎng)拌制方式，這將制約混凝土配制技術(shù)水平的提高，非但浪費(fèi)了原材料，而且?guī)?lái)環(huán)境污染問(wèn)題。始于70年代前期，在首都北京建起了一批混凝土預(yù)拌站，從而結(jié)束了我國(guó)落后的生嚴(yán)力式，并在此推動(dòng)下，80年代中期，沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)如天津、上海、常州、廣州等地相繼建成了—批規(guī)模不一的混凝土預(yù)拌站，目前已在40多個(gè)城巿推廣應(yīng)用o 1985年年設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力達(dá)3000多萬(wàn)立方米，而實(shí)際年產(chǎn)量只達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的50％。新近在我省佛山、江門和重慶市城區(qū)制定出相應(yīng)限制現(xiàn)場(chǎng)攪拌的技術(shù)法規(guī)，很難想像如果沒(méi)有這些雛形的混凝土預(yù)拌站的話，混凝土強(qiáng)度怎能不斷地得到提高，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)控混凝土具有多種功能的目的呢？因此，國(guó)家成地方建設(shè)主管部門對(duì)我國(guó)商品混凝土工業(yè)的發(fā)展應(yīng)作出規(guī)劃，明確目標(biāo)，逐步推進(jìn)，才能跟上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐，使這種多功能的結(jié)構(gòu)材料真正在我國(guó)土建工程中發(fā)揮它的作用。

3.2綜合各種因素，多渠道開(kāi)辟高活性硅質(zhì)材料來(lái)源，為它的發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)

　　縱觀一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家所走過(guò)的歷程，無(wú)論是高強(qiáng)混凝土或高特性混凝土的研制與應(yīng)用，均是嚴(yán)格地選擇原材料而不是通過(guò)施工技術(shù)的變革實(shí)現(xiàn)的。其中高效化學(xué)外加劑和活性sio 2含量很高的礦物附加劑使用是必不可少的。就以后者而言，目前國(guó)際上普遍采用金屬硅或硅鐵合金冶煉過(guò)程中排出的粉塵(簡(jiǎn)稱：硅灰或硅粉)，有些國(guó)家如澳大利亞因資源缺乏不惜高代價(jià)從挪威輸入硅粉開(kāi)展試驗(yàn)研究工作。加之此種粉狀材料細(xì)度小，重量輕，給運(yùn)輸、操作和使用帶來(lái)困難，可從二個(gè)方面著手解決這一問(wèn)題。一方面將松散密度大約200kg／m3的原狀硅粉經(jīng)處理后成致密粒狀(密度50 O一600k6／m3)、或用水調(diào)成懸浮漿液(水：硅粉＝1：1重量比)，或用水預(yù)濕、成球，然后與水泥熟料一起粉磨成為硅粉水泥；另一方面，尋找其它代用材料如美國(guó)芝加哥混凝土材料服務(wù)公司研制出高活性亞高嶺土，它可代替硅粉配制出高強(qiáng)混凝土，其效果可與硅粉相媲美。但高嶺土需除去雜質(zhì)，高溫煅燒，細(xì)磨成小于2Pm的粉末才可使用。我國(guó)不．是盛產(chǎn)硅粉的國(guó)家，我省雖有二間較具規(guī)模的鐵合金廠，均因資金短缺無(wú)法改變收塵方式而將它排放到大氣中。個(gè)別單位開(kāi)展這方試驗(yàn)工作只能從山西、青海等地購(gòu)買硅粉，但材料長(zhǎng)距離運(yùn)輸是劃不來(lái)的。更何況我國(guó)幅員遼闊，資源分布各界，因此，應(yīng)綜合考慮資源、運(yùn)輸、成本等多種因素，開(kāi)辟多渠道高活性硅質(zhì)材料來(lái)源，才能達(dá)到預(yù)期的目的和效果。

3.3政策上應(yīng)給予必要的扶持，才能使它健康、穩(wěn)妥地向前發(fā)展

　　高特性混凝土在國(guó)外已進(jìn)入到，實(shí)際應(yīng)用階段，根據(jù)國(guó)外情況，無(wú)論是高強(qiáng)或高特性混凝土，普遍摻入占水泥用量l0％左右的硅粉。如按目前我國(guó)硅粉的最低售價(jià)為l 500元／t，每立方米高強(qiáng)混凝土的水泥用量為550kg計(jì)，僅此一項(xiàng)每立方米混凝土的成本就增加82。5元。如果考慮預(yù)拌混凝土設(shè)備投入折舊、管理以及化學(xué)外加劑的使用，其費(fèi)用增加則更為可觀?，F(xiàn)階段我國(guó)仍然是一個(gè)經(jīng)濟(jì)落后、工業(yè)基礎(chǔ)并不雄厚的發(fā)展中國(guó)家，就像其它新型材料推廣應(yīng)用的情況一樣，必然受到經(jīng)濟(jì)因素的制約。尤其是我國(guó)正處于由計(jì)劃經(jīng)濟(jì)逐步轉(zhuǎn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)過(guò)程中，人們往往采用直觀的材料價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，而不考慮使用新型材料后給工程帶來(lái)的效果。因此，在我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)條件下，無(wú)論推廣應(yīng)用高溫混凝土或研制高特性混凝土，均應(yīng)在經(jīng)濟(jì)政策上給予積極扶持相鼓勵(lì)，才能使這種新型結(jié)構(gòu)材料——高特性混凝土沿著正確軌道穩(wěn)步地向前發(fā)展。