混凝土及其增强材料的发展与应用

2005-10-30 00:00

摘　要：对混凝土(高性混凝土、活性微粉混凝土、低强混凝土、轻质混凝土、钢纤维混凝土、自密实混凝土、智能混凝土等) 以及混凝土增强材料(非金属配筋、新型预应力钢棒等) 近年的应用与发展，作了简要的论述。

关键词：高性能混凝土；活性微粉混凝土；钢纤维混凝土；砂浆渗浇钢纤维混凝土；纤维筋。

混凝土是现代工程结构的主要材料，我国每年混凝土用量约10×108m³ ，钢筋用量约2500×10⁴t ，规模之大，耗资之巨，居世界前列。可以预见，钢筋混凝土仍将是我国在今后相当长时期内的一种重要的工程结构材料，物质是基础，材料是发展，必将对钢筋混凝土结构的设计方法、施工技术、试验技术以至维护管理起着决定性的作用。对构成钢筋混凝土的主要材料—混凝土及其增强材料的应用与发展，从工程应用角度作简要介绍。

1 　混凝土

组成钢筋混凝土主要材料之一的混凝土的发展方向是高强、轻质、耐久(抗磨损、抗冻融、抗渗) 、抗灾(地震、风、火) 、抗爆等。

1. 1 　高性能混凝土(high performance concrete ，HPC)

HPC 是近年来混凝土材料发展的一个重要方向，所谓高性能：是指混凝土具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能。从强度而言，抗压强度大于C50 的混凝土即属于高强混凝土，提高混凝土的强度是发展高层建筑、高耸结构、大跨度结构的重要措施。采用高强混凝土，可以减小截面尺寸，减轻自重，因而可获得较大的经济效益，而且，高强混凝土一般也具有良好的耐久性。我国已制成C100 的混凝土。(已有文献报道) ，国外在试验室高温、高压的条件下，水泥石的强度达到662MPa (抗压)及64. 7MPa (抗拉) 。在实际工程中，美国西雅图双联广场泵送混凝土56d 抗压强度达133. 5MPa 。

在我国为提高混凝土强度采用的主要措施有: (1) 合理利用高效减水剂，采用优质骨料、优质水泥，利用优质掺合料，如优质磨细粉煤灰、硅灰、天然沸石或超细矿渣。采用高效减水剂以降低水灰比是获得高强及高流动性混凝土的主要技术措施； (2) 采用525 ，625 ，725 号的硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥及相应的外加剂，这是中国建筑材料科学研究院制备高性能混凝土的主要技术措施； (3) 以矿渣、碱组分及骨料制备碱矿渣高强度混凝土，这是重庆建筑大学在引进前苏联研究成果的基础上提出的研制高强混凝土的技术措施； (4) 交通部天津港湾工程研究所采用复合高效减水剂，用525 号水泥320kg/ m3 ，水灰比0. 43 ，和425 号水泥480kg/ m3 ，水灰比0. 32 ，在试验室中制成了抗压强度分别为68MPa 和65MPa 的高强混凝土。

1. 2 　活性微粉混凝土( reactive powder concrete ，RPC)^{[4 ]}

RPC 是一种超高强的混凝土，其立方体抗压强度可达200～800MPa ，抗拉强度可达25～150MPa ，断裂能可达30 KJ / m² 单位体积质量为2. 5～3. 0t/ m³ ，制成这种混凝土的主要措施是: (1)减小颗粒的最大尺寸，改善混凝土的均匀性； (2) 使用微粉及极微粉材料，以达到最优堆积密度(packing density) ； (3) 减少混凝土用水量，使非水化水泥颗粒作为填料，以增大堆积密度； (4) 增放钢纤维以改善其延性； (5) 在硬化过程中加压及加温，使其达到很高的强度。

普通混凝土的级配曲线是连续的，而RPC 的级配曲线是不连续的台阶形曲线，其骨料粒径很小，接近于水泥颗粒的尺寸。RPC 的水灰比可低于0. 15 ，需加入大量的超塑化剂，以改善其工作度。RPC 的价格比常用混凝土稍高，但大大低于钢材，可将其设计成细长或薄壁的结构，以扩大建筑使用的自由度。在加拿大Sherbrook 已设计建造了一座跨度为60m、高3. 47m 的B200级RPC 的人行—摩托车用预应力桁架桥。

1. 3 　低强混凝土^{[4 ]}

美国混凝土学会(AC1) 229 委员会，提出了在配料、运送、浇筑方面可控制的低强混凝土，其抗压强度为8MPa 或更低。这种材料可用于基础、桩基的填、垫、隔离及作路基或填充孔洞之用，也可用于地下构造，在一些特定情况下，可用其调整混凝土的相对密度、工作度、抗压强度、弹性模量等性能指标，而且不易产生收缩裂缝。荷兰一座隧洞工作中曾采用了低强度砂浆( low-strength mortar ， LSM ) ，其组分为: 水泥150kg/ m³ ，砂1080kg/ m³ ，水570kg/ m³ ，超塑化剂6kg/ m³ ，膨润土35kg/ m³ ，所制成的LSM 的抗压强度为3. 5MPa ，弹性模量低于500MPa 。LSM 制成的隧洞封闭块，比常规的土壤稳定法节约造价50 % ，故这种混凝土可塑在软土工程中得到发展应用。

1. 4 　轻质混凝土^{[5 ]}

利用天然轻骨科(如浮石、凝灰岩等) 、工业废料轻骨料(如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造轻骨料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等) 制成的轻质混凝土具有密度较小、相对强度高以及保温、抗冻性能好等优点利用工业废渣和废弃锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、火力发电站的粉煤灰等制备轻质混凝土，可降低混凝土的生产成本，并变废为用，减少城市或厂区的污染，减少堆积废料占用的土地，对环境保护也是有利的。

1. 5 　纤维增强混凝土^{[6 ]}

为了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺点，在混凝土中掺加纤维以改善混凝土性能的研究，发展得相当迅速。目前研究较多的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙膈成纤维混凝土等。

在承重结构中，发展较快，应用较广的是钢纤维混凝土。而钢纤维主要有用于土木建筑工程的碳素钢纤维和用于耐火材料工业中的不锈钢纤维。用于土木建筑工程的钢纤维主要有以下几种生产方法: (1) 钢丝切断法； (2) 薄板剪切法； (3) 钢锭(厚板)铣削法； (4) 熔纤抽丝法。

1. 6 　自密实混凝土( self2compacting concrete)

自密实混凝土不需机械振捣，而是依靠自重使混凝土密实。混凝土的流动度虽然高，但仍可以防止离析。配制这种混凝土的方法有: (1) 粗骨料的体积为固体混凝土体积的50 %； (2) 细骨料的体积为砂浆体积30 %； (3) 水灰比为0. 9～1. 0 ； (4) 进行流动性试验，确定超塑化剂用量及最终的水灰比，使材料获得最优的组成。

这种混凝土的优点有:在施工现场无振动噪音；可进行夜间施工，不扰民；对工人健康无害；混凝土质量均匀、耐久；钢筋布置较密或构件体型复杂时也易于浇筑；施工速度快，现场劳动量小。

1. 7 　智能混凝土( smart concrete) ^{[4 ]}

利用混凝土组成的改变，可克服混凝土的某些不利性质，例如:高强混凝土水泥用量多，水灰比低，加入硅灰之类的活性材料，硬化后的混凝土密实度好，但高强混凝土在硬化早期阶段，具有明显的自主收缩和孔隙率较高，易于开裂等缺点。解决这些问题的一个方法是，用掺量25 %的预湿轻骨料来替换骨料，从而在混凝土内部形成一个“蓄水器”，使混凝土得到持续的潮湿养护。这种加入“预湿骨料”的方法，可使混凝土的自生收缩大为降低，减少了微细裂缝。

1. 8 　预填骨料升浆混凝土

国内在大连中远60000t 船坞工程中，因地质条件复杂，船坞底板首次采用了坐落于基岩上的预填骨料升浆混凝土，即用密度较大的厚4～5m 的铁矿石作为预填骨料，矿石层下再铺设1m厚的石灰石块石。矿石层上是厚60～80cm 的现浇钢筋混凝土板在预填骨料层中布置压浆孔注入砂浆，形成预填骨料升浆混凝土。采取这种工艺，缩短了工期，取得了良好的经济效益。

1. 9 　碾压混凝土^{[8 ]}

碾压混凝土近年发展较快，可用于大体积混凝土结构(如水工大坝、大型基础) 、工业厂房地面、公路路面及机场道面等。用于大体积混凝土的碾压混凝土的浇筑机具与普通混凝土不同，其平整使用推土机，振实用碾压机，层间处理用刷毛机，切缝用切缝机，整个施工过程的机械化程度高，施工效率高，劳动条件好，可大量掺用粉煤灰，与普通混凝土相比，浇筑工期可缩短1/ 3～1/ 2 ，用水量可减少20 % ，水泥用量可减少30 %～60 %。

1. 10 　再生骨料混凝土

新中国建国至今已逾50 年，建国前后修建的不少混凝土结构，因老化或随着经济的发展，需拆除重建，其拆除量十分巨大，在拆除的混凝土中，约有一半是粗骨料，应该考虑如何使之再生利用。以减少环境垃圾，变废为用。

2 　配筋及增强材料

2. 1 　纤维筋^{[6 ]}

钢筋混凝土结构的配筋材料，主要是钢筋最近在国际上研究较多的是树脂粘结的纤维筋(fiber reinforced plastics ，FRP) 作混凝土及预应力混凝土结构的非金属配筋，常用的纤维筋有树脂粘结的碳纤维筋( GFRP) 、玻璃纤维筋( GFRP) 及芳纶纤维筋(AFRP) ，国外研究指出，这几种纤维的强度都很高，只是玻璃纤维筋的抗碱化性能较差。纤维筋的突出优点是抗腐蚀、高强度，此外，还具有良好的抗疲劳性能、大的弹性变形能力、高电阻及低磁导性，其缺点是断裂应变性能较差、较脆、徐变(松弛) 值较大，热膨胀系数较大。国外已有日本、德国、荷兰等国将纤维筋用于预应力混凝土桥，包括体外预应力桥的实例^{[4 ]} 。

2. 2 　双钢筋^{[1 ]}

为了减小裂缝宽度和构件的变形，国内在一些工程中，采用焊成梯格形的双钢筋，在构件内平放或竖放布置。

2. 3 　冷轧变形钢筋^{[1 ]}

为了节约钢材用量，国内引进国外设备或自制设备，用光圆钢筋，经过冷轧，轧成带肋的直径小于母材直径的钢筋，称为冷轧带肋钢筋。另一种类似的钢筋，是用Ⅰ级光圆用筋冷轧扭转成型，称为冷轧变形用筋或冷轧扭钢筋。这两种冷轧钢筋的抗拉强度标准值(极限抗拉强度) 及设计值都比母材大大提高，与混凝土的粘结强度也得到提高，但直径较小。它们主要用作板式构件的受力钢筋或梁、柱构件的箍筋或作预应力筋。由于强度提高，可以节约材料用量，获得经济效益。这两种钢筋，国内已制订了规程。为将这种小直径钢筋的用途扩展至梁、柱的受力钢筋，也可采用双筋或三筋的并筋，但需适当增大其锚固长度。

2. 4 　环氧树脂涂敷钢筋^{[1 ]}

在海洋环境或者有腐蚀性介质的环境中(如冬季撒盐的桥面) ，钢筋锈蚀是影响结构耐久性的重要原因。为了防止钢筋锈蚀，用不锈钢制造钢筋是一个途径，但是价格昂贵。另一个途径是用环氧树脂涂敷钢筋表面，形成防锈的涂层，以防止钢筋生锈，这种方法在日本、美国应用较多。钢筋在工厂中校直、加热、喷涂树脂粉末，形成防护薄膜，冷却后经检验合格，用于有严格防锈蚀要求的工程，可使结构的耐久性大大提高。

2. 5 　预应力混凝土用钢棒、预应力混凝土用螺旋肋钢丝

在传统用于预应力混凝土的钢丝、钢绞线、热处理钢筋的基础上，从国外引进生产线，已生产出直径达12. 6mm、抗拉强度达1570MPa 的预应力混凝土用的带螺旋肋的钢棒( steel bar) ，及直径达12. 0mm、抗拉强度达1570MPa 的带螺旋肋的钢丝。这种新产品的特点是:高强度、低松弛，与混凝土的粘结强度好，易墩粗，可点焊，可盘卷等。

2. 6 　纤维布、纤维条、纤维板

国内在对钢筋混凝土结构进行加固时，常用的一种技术是钢板粘结加固技术，但是钢板质量重、运送不便，剪切成型也比较复杂。最近在国内外发展并应用了以质量很轻、易于加工、单向抗拉强度很高的纤维布(条、板) 代替钢板进行构件加固的技术，取得了良好的效果。例如，冶金工业局建筑研究总院使用从日本进口的碳纤维，开发了加固改造修复混凝土结构新技术^{[10 ]} ，其使用的碳纤维布，厚0. 111 ～ 0. 165mm ，单向抗拉强度3000 ～3550MPa ，这种碳纤维布的特点是:具有很高的单向抗拉强度(为普通网材的10 倍) ，弹模与钢材接近，很适用于钢筋混凝土结构的加固；质量轻，密度仅为钢的1/ 4 ，加固层厚度一般不大于1mm ，基本不增加结构自重及截面尺寸；施工方便，功效高；耐腐蚀，无须定期维护。

3 　结束语

混凝土是水泥、砂、石、水、外加剂、掺合料等多组分构成的一种性能多样化的材料，其性能不仅与组成材料的性能有直接关系，而且还与施工技术、所处环境及维护条件等有关；笔者只是从一个结构工程技术人员的工程实用角度出发，对于所涉及过的研究领域和知之不多的混凝土及其增强材料的发展与应用等方面，作了抛砖引玉的介绍。期望在混凝土结构领域内，有更多的专家学者开发出更多新的材料，并进而研究将这些材料用于结构工程所需解决的设计方法、施工技术以及维护要求等，以促进我国混凝土结构技术的进一步发展。

参考文献：

[ 1 ] 　赵国藩. 高等钢筋混凝土结构学[M] . 北京:中国电力出版社. 1999.

[ 2 ] 　Ajiboye F. oluokun ，Sary A. J . Malak. Toughness ，ductility ，flexural ， and compresseive behavior of metallic aggregate concrete [ J ] . ACI Materials Journal . 1999. 96 (3) :320～330.

[ 3 ] 　赵国藩，张德娟，黄承逵. 钢管混凝土增强高强混凝土柱的抗震性能研究[J ]大连理工大学学报，1996 ，36 (6) .

[ 4 ] 　Wairaven J . The evolution of concrete[J ] . St ructural concrete ，1999. PL (1) :3～11.

[ 5 ] 　陈本沛. 混凝土结构理论和应用研究的理论与发展[M] . 大连理工大学出版社，1994.

[ 6 ] 　赵国藩，黄承逵. 纤维混凝土的研究与应用[M] . 大连:大连理工大学出版社，1992.

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