现代混凝土技术的发展及对水泥混合材掺量的要求

来源:用户上传      作者: 关琳

　　摘 要：以现代混凝土演化为线索，从混凝土生产技术、性能、工程应用、检测与监控、理论研究等方面综合阐述国内外现代混凝土材料的发展历史、现状及趋势。
　　关键词：混凝土技术；发展；水泥混合材掺量
　　1 混凝土低水胶比带来的混凝土配合比问题
　　以高效减水剂为主要特征的现代混凝土技术，由于能够实现较低水胶比的混凝土配制，使混凝土的强度不再主要依靠水泥的强度。但较低的水胶比和较大坍落度（需求）造成混凝土较大的水泥（胶凝材料）用量。水泥用量的增加，势必造成混凝土成本的提高，不为商品混凝土所取；同时，采用高强度等级水泥配制混凝土又会造成混凝土强度远远高出设计强度，导致资源的浪费。更为重要的是，较大量的高强度等级水泥的使用，势必造成混凝土内部温升的提高，促进混凝土的开裂。如何解决此问题，就是在混凝土中大量使用矿物掺合料。
　　2 提高混凝土功能
　　2.1 高强化
　　混凝土高强化的重要意义在于减轻工程建筑的自重。当前，在中国工程中运用的混凝土强度等级显着提高，预拌混凝土工厂已比照成熟地掌握了C50-C60混凝土的制作与泵送技术，而C50-C60在全国大面积广泛推广。在制作高强混凝土的研讨中，应致力于混凝土的延性、抗裂性与抗拉强度。广州珠江新城西塔高432m，从主塔楼现浇异性柱到直形墙等计划选用C70-C90高功能混凝土约4万方，其间C80混凝土需最高泵送410m，C90混凝土需最高泵送167m。实践施工选用52.5R硅酸盐Ⅱ型水泥、S95矿粉、挪威硅灰、高效减水剂制作混凝土满足工程计划与施工需要，C90混凝土查看强度达112.7MPa。
　　2.2 高功能化
　　高功能混凝土不只具有杰出的耐久性、流动性与体积稳定性，因为在制造的组份材料中利用了很多的工业废渣，显著地减少了严峻污染环境的水泥用量。因而，应将之作为可耐久开展的绿色修建资料而给于大力的开展使用。自上世纪90年代以来，我国各行业高度重视混凝土耐久性，相继出台了针对本行业特色的混凝土耐久性标准和技能规定，如我国土木工程学会CCES01-2004《混凝土构造耐久性与施工攻略》、铁道部的铁建造[2005]157号《铁路混凝土构造耐久性规划暂行规定》等。我国在若干重大工程的建造中现已充分遵循了“混凝土耐久性规划”理念，并提升到了“强度规划与耐久性规划偏重，强度服从耐久性”的高度。杭州湾跨海大桥全长36km，其间跨过海域长近32km，大桥主体构造除南、北航道桥用钢箱梁外，其他均为混凝土构造，混凝土用量约250×104m3，规划使用寿命100年。该桥混凝土施工中以氯离子扩散系数为混凝土耐久性的主要操控目标，选用大掺量掺合料（42.5PⅡ硅酸盐水泥55%～70%矿粉粉煤灰复掺料）和低水胶比（≤0.4），低氯离子扩散系数（≤1.5×1012～3.5×1012m2/s），以混凝土资料的耐久性作为确保混凝土构造耐久性的必要前提。
　　2.3 轻质化
　　在工程资料的上，除强度外，还有一个比重性能指标同样具有重要意义。作为构造用的轻混凝土，近期的奋斗目标为：容重为500kg/m3，抗压强度到达15MPa；容重为800kg/m3，抗压强度到达25MPa。因而，对轻集料陶粒等的制作与研讨还有待深化。
　　2.4 功能化
　　现代建筑等土木工程对混凝土资料提出了新的挑战，不只需求混凝土有高强度，并且还应具有声、光、电、磁、热等功用，以习惯多功用和智能修建的需求。导电混凝土是将导电物质（如导电聚合物、碳黑、石墨、金属粉末、金属丝和碳纤维等）掺混并均匀涣散在水泥混凝土中而制成。目前常用于导电混凝土分可分为3类：聚合物类、碳类和金属类，其间最常用的是碳类和金属类，碳类常包含石墨和碳纤维。导电混凝土资料按其体积电阻率可分为半导体资料、防静电资料、导电资料和高导电资料等，它们广泛地使用于工业防静电、非金属电热元件和修建物屏蔽电磁波等工程。自20世纪90时代以来，水泥基导电复合资料得到了很快的发展，现已在工程中得到了相当广泛的使用。导电混凝土用作防静电资料时，其电阻率小于105Ω・m即可。导电混凝土用作电热资料的电阻率在10-1～102Ω・m之间，与常用的金属电热器比较，具有热容大、抗过电压和电流的能力强、散热面积大、热量散布均匀、表面温度低、耐久等长处，因而不光可用作采暖的电热资料，并且也可广泛地使用于高速公路、机场跑道除雪，在动物养殖厂和植物养植场缔造温室等。经过功用掺合料碳黑、金属粉末、金属纤维制造的高导电混凝土资料电阻率为10-5～10-2Ω・m可用作传导资料及电磁隐身资料。
　　美国内布拉斯加州的RocaSpur桥是世界上第一座选用导电混凝土桥面板除冰化雪的桥梁，其桥长46米，宽11米，桥面板内镶嵌36m×8.5m×100mm的导电混凝土层（由52块独立的导电混凝土板构成），其间装配了热电偶为除冰化雪供给监测数据。导电混凝土选用钢纤维和碳质资料作为导电介质，导电混凝土发热板用三相交流电供电生热，自动控制温度在4.5～12.8℃，通电时记录到峰值功率在360～560W・m-2。该桥2001年开工，次年竣工，2003年敞开交通，初次除冰试验的数据显现导电混凝土板的温度高于环境9℃。比照剖析可知在路面板和桥面板上铺设导电混凝土层从技能和经济考量都是最为有用的除冰雪方法。贮存太阳能的蓄热混凝土、夜间导向的发光混凝土，监测修建物安全性的智能混凝土、光致变色混凝土、温度变色混凝土、抗灭菌混凝土、吸音混凝土等一批功用性混凝土将在现代工程、现代修建及其它领域中得到广泛的使用。
　　2.5 艺术化
　　用玻纤增强混凝土等制作的人造石、雕塑、园林小品、仿生建筑和仿古建筑，在装点自然、美化城市、改善人居环境等方面，混凝土将占有更大的艺术空间。质朴的、粗犷的、更贴近人类回归自然心理要求的人造石文化时代必将出现。
　　2.6 膨密化 　　不论从密实性、体积稳定性以及减免干缩、温度裂缝等功能来看，掺入适量膨胀剂，对于普通混凝土、高性能混凝土，尤其是大体积混凝土和侵蚀环境中的钢筋混凝土，提高其耐久性都是十分有利的。普遍掺入膨胀剂是混凝土发展的一种趋势。
　　3 混凝土能否代替水泥消纳大量的工业废渣
　　通过降低混合材掺量提高水泥强度等级，必然影响到对作为混合材的工业废渣的消纳，而这些废渣能否以混凝土掺合料的形式进行消纳？按照JGJ55―2011的规定，目前可用于混凝土的矿物掺合料有：符合GB/T18046的粒化高炉矿渣粉、符合GB/T26751的粒化电炉磷渣粉、符合GB/T20491钢渣粉、符合GB/T1596的粉煤灰以及符合GB/T18736的矿渣粉、粉煤灰、沸石和硅灰，合计5种工业废渣。而我国的工业废渣品种多样，仅可用于水泥中的人工火山灰质混合材料就多达5种。因此，现有的矿物掺合料不能涵盖所有的混合材料品种，此其一。其二，作为矿物掺合料的原料，必须具备一定的排放量，如矿渣、磷渣和钢渣等，才能够满足粉磨系统的“胃口”，否则将限制粉磨系统的运转率，深陷亏本的泥潭。而很多工业废渣由于分布散和排量小，不足以支撑粉磨站的运转生产矿物掺合料，限制了其在混凝土的直接应用。而水泥的生产可以通过组分的设计消纳小排量的工业废渣，是矿物掺合料的生产不能相比的。因此，这将限制矿物掺合料的发展，在我国限制钢铁产量和火电比重逐步降低的情况下，此种情况更会加剧。因此，混凝土搅拌站不能完全取代水泥厂利用工业废渣，这些分布散和排量小的工业废渣只能通过水泥企业进行消纳。
　　4 低强度等级水泥能否配制高强混凝土
　　前面已经介绍了混凝土矿物掺合料的规定，实际形成不同混合材掺量的水泥。所以，对于混合材料对水泥或混凝土性能的影响不做讨论。只对低强度等级水泥能否配制高强混凝土进行分析。首先，按照现代混凝土技术和设计规范，用碎石作为粗骨料、在使用高效减水剂的条件下配制C30混凝土。根据混凝土水胶比的计算公式，可以分别计算出水胶比在0.5、0.4和0.3时所需水泥的28d抗压强度分别为31MPa、24.6MPa和18.1MPa。也就是说，在0.5的水胶比条件下，用强度等级为32.5的水泥完全可以配制出C30的混凝土；在0.4的水胶比条件下，用强度等级为27.5的砌筑水泥完全可以配制出C30混凝土；而在0.3的水胶比条件下，用强度等级为22.5的砌筑水泥也可配制出C30混凝土。或者说，如果配制C15和C20的混凝土，在使用减水剂的情况下，还必须掺加矿物掺合料才能配制出性价比合理的混凝土来。下面的配合比是我院2013年调研建工企业时某企业的C20混凝土胶凝材料的组成：（240kg的P・C32.5水泥+90～95kg的粉煤灰）/m3混凝土。那么，用强度等级32.5的水泥在低水胶比的条件下能配制混凝土的强度是多少？设定水泥28d抗压强度为35MPa，用碎石作为粗骨料，根据混凝土水胶比的计算公式，水胶比分别为0.28、0.26和0.24时的混凝土强度分别为62.5MPa、67.6MPa和73.6MPa。也就是说，利用28d抗压强度为35MPa的32.5水泥可以配制C60和C70的高强混凝土。可见，现在高效减水剂的使用打破了传统的常规：混凝土的水灰比可以减小到比检测水泥的水灰比低得很多，老规范中“水泥强度应是混凝土强度的1.5～2倍”的规定已成为历史，现今的32.5级水泥能配制C60混凝土已是现实。综上所述，按照现代混凝土技术和配合比设计需要，以及目前我国混凝土强度等级还是以C30为主的情况下，目前应该大力发展的是大掺量混合材的低强度等级水泥，而不是混合材用量少的高强度等级水泥。
　　5 结语
　　以使用高效减水剂为主要特点的现代混凝土技术，可以实现低水胶比混凝土的配制，使混凝土的强度不再主要依赖水泥的强度。为弥补低水胶比造成的混凝土流动性的不足，矿物掺合料在混凝土中的使用成为必然，并成为胶凝材料的一部分，使混凝土胶凝材料成为实际的大掺量混合材、低强度等级水泥。然而由于混凝土搅拌站使用矿物掺合料的先天不足，大掺量混合材的低强度等级水泥应成为水泥行业目前首选战略发展方向，或在大掺量混合材的条件下，生产不同强度等级的水泥，满足不同强度等级混凝土的需要。
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