高性能混凝土在建筑工程中的應用

孫茂偉

摘 要:當前,現(xiàn)代水泥工業(yè)、水泥加工工藝和施工技術飛快發(fā)展,混凝土材料品種不斷增多,因此新型混凝土材料在工程建設中的地位顯得日益重要。文章基于高性能混凝土,闡述了高性能混凝土的特點,并探討了其在建筑工程中的應用。

關鍵詞:土建工程;新型混凝土材料;高性能混凝土(HPC)

普通的混凝土材料系由膠結材料(石灰、水泥)、細骨料(砂子)、粗骨料(石子)和水所組成。在性能及其應用與發(fā)展的普通混凝土基礎上,根據(jù)添加材料和施工工藝的不同,派生出名目繁多、性能特異、用途不一的新型混凝土,本文以高性能新型混凝為例,探討了其在建筑工程領域中的應用。

1 高性能混凝土(High Performance Concrete)概述

混凝土技術發(fā)展已有170多年的歷史,在緩慢的發(fā)展過程中,曾出現(xiàn)幾次變革,那就是1919年發(fā)現(xiàn)了水灰比定理,1938年發(fā)現(xiàn)了引氣劑,60年代初出現(xiàn)高效減水劑。目前,混凝土技術發(fā)展又處在一個變革時期。新型外加劑和膠凝材料的出現(xiàn)使既有良好的工作性,又有優(yōu)異的力學性能和耐久性能的混凝土的生產(chǎn)成為現(xiàn)實。這種新型混凝土稱為高性能混凝土(High Performance Concrete),簡稱HPC。HPC的應用將對混凝土建筑施工技術和混凝土結構性能起重要作用。因此,美國、日本、英國、法國、加拿大、挪威等國都將HPC作為跨世紀的新材料,投入大量人力物力進行研究和開發(fā)。

20世紀80年代以來,一些發(fā)達國家相繼研制成功高性能混凝土(以下稱HPC),使混凝土進入了高科技時代,日益受到國際材料界和工程界的重視。很多國家把HPC作為跨世紀的新材料加以研究與利用,使其成為當代混凝土研究和應用領域中的一個熱點。

HPC組成材料包括水泥、粗細集料、多種礦物摻合料、水和超塑化劑,其組成和配比要比普通混凝土復雜,要求也高得多。

HPC的優(yōu)點體現(xiàn)在:

由于HPC的高強(60Mpa～100MPa)和超高強(≥IOOMPa)特性,可使混凝土結構尺寸大大減少,從而減輕結構自重和對地基的荷載,并減少材料用量,增加使用空間,大幅度的降低工程造價。

由于HPC具有高工作性,可以減輕施工勞動強度,節(jié)約施工能耗。

HPC的高耐久性可增加對惡劣環(huán)境的抵御能力,延長建筑物的使用壽命,減少維修費用及對環(huán)境帶來的影響,具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。

2 高性能混凝土在建筑工程中的應用

為了分析高性能混凝土在建筑工程中的應用,筆者首先從高性能混凝土的特性來了解高性能混凝土。

2.1 高性能混凝土特性

新拌混凝土的工作性。新拌混凝土的工作性是一個綜合指標,如流動性、可泵性、填充性、均勻性等。HPC要求新拌混凝土具有大流動性(坍落度20cm～25cm)及流動度經(jīng)時損失小,以滿足混凝土集中攪拌、運輸、泵送、澆注的工藝要求。甚至在澆注時要求混凝土不振搗自流平,即好的填充性。最終得到均勻穩(wěn)定的混凝土。這些要求是普通混凝土難以滿足的。與普通混凝土相比,HPC的組分復雜,多種摻合料與超塑化劑配合使用,其目的是通過這些組分來調(diào)整性能。其中最關鍵的技術之一是超塑化劑及其組成。單一成分的超塑化劑(如萘系和三聚氰胺系高效減水劑)雖然對水泥漿有強的分散作用,減水率高達18以上,但并不能滿足HPC對工作性的全部要求。因為單一成分的超塑化劑(SP)難以解決坍落度損失、離析分層等問題。因此,必須將高效減水劑與緩凝劑、引氣劑、穩(wěn)定劑等組成復合超塑化劑(CSP)才能較全面滿足HPC對工作性的要求。

硬化混凝土的性能?，F(xiàn)代建筑向高層化、大跨度方向發(fā)展,因此促進了高強HPC的研究和開發(fā)。在高層建筑中,混凝土強度是對應于柱子的軸力。可以說建筑物的層數(shù)是由所使用的混凝土強度來決定的。25～30層的建筑物要使用強度36MPa～42MPa的混凝土,30～35層要42MPa～48MPa,更高層的建筑就需要更高強的混凝土,如60層需用100MPa。目前建筑物設計和施工以30～35層(高度約l00m)居多。因此,上述討論的強度范圍60MPa～120MPa的HPC是目前研究和今后發(fā)展的方向,而大量使用的強度標號是C40混凝土。在此情況下,配合比設計可以參照普通混凝土的方法,但是主要組成材料和性能應滿足HPC的要求。HPC可能比普通混凝土要耐久得多,這是因為在設計配合比時,就考慮到耐久性問題。特別是早期下沉和硬化收縮小、干縮小、水化放熱低,因而提高了混凝土抗裂縫能力,無初始結構缺陷。硬化后的混凝土密實、滲透性低。這些都使混凝土抵抗外部因素的能力得到提高,最終得到耐久性好的混凝土。

2.2 高性能混凝土的應用研究

據(jù)悉,全世界每年混凝土用量可達90億噸,規(guī)模之大、耗資之巨、應用之廣,作為現(xiàn)代工程主要材料的地位依然不被撼動。混凝土用于工程結構至今已有170多年歷史了,縱觀混凝土技術發(fā)展進程,其發(fā)展主要遵循復合化、高強化、高性能化三大技術路線長期以來,人們過分注重于混凝土的力學性能,主要集中在提高混凝土的強度上,以搞壓強度的比例關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,從而導致了許多工程結構的開裂,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急劇增大。如何延長混凝土的使用壽命,發(fā)展高性能混凝土勢在必行。

2001年10月用高性能混凝土成功澆搗的航站樓工程第一塊大面積樓板,為澆筑量約800m3的主樓南區(qū)二層樓板。該樓板呈長條型,寬約20m,長約80m,厚500mm,澆筑前沿樓板長度方向由南往北布置2條施工泵管,分別提供泵送混凝土。施工澆筑時,投入混凝土生產(chǎn)線2條、混凝土攪拌車22臺、混凝土泵機2臺,施工用時14h,施工過程順利。其后,在檢查認可了這種新型混凝土抗裂性以及總結了它的施工養(yǎng)護經(jīng)驗的基礎上,陸續(xù)澆搗了其它的大面積樓板,整個航站樓施工補償收縮纖維混凝土總量超過4萬m3。經(jīng)檢驗,所有應用補償收縮纖維混凝土施工的樓板強度均達到設計要求,沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的肉眼可見裂縫,抗裂效果得到各方認可和好評。

早在1992年,吳中偉首次將高性能混凝土介紹到國內(nèi)。如今,我國高性能混凝土的研究、應用發(fā)展迅速。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)越性不斷地得到認可,混凝土應用技術的進步,城市建設速度的加快,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的各種強度等級的高性能混凝土和完備的混凝土耐久性檢測設備,以及掌握了配套的施工成套技術和各種混凝土耐久性檢測技術等。其中具有優(yōu)異耐久性的C30高性能混凝土即將在地質(zhì)條件復雜的深圳地鐵工程中大規(guī)模使用。

結束語

如今我國HPC發(fā)展形勢一片良好,但是要使HPC在建筑工程中推廣使用還需一個認識和實踐的過程。隨著我國建筑基礎建設的不斷增強,HPC必將成為新世紀的重要建筑工程材料。

參考文獻

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