混凝土材料的發(fā)展與創(chuàng)新

□常建鋒(許昌市潁汝灌溉管理局)

□李 炯(許昌勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)

20世紀(jì)初期，有人發(fā)表了水灰比學(xué)說，初步奠定了混凝土強(qiáng)度的理論基礎(chǔ)。以后，相繼出現(xiàn)了輕集料混凝土、加氣混凝土及其他混凝土，各種混凝土外加劑也開始使用。到20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了預(yù)應(yīng)力混凝土。20世紀(jì)60年代以來，廣泛應(yīng)用減水劑，并出現(xiàn)了高效減水劑和相應(yīng)的流態(tài)混凝土；高分子材料進(jìn)入混凝土材料領(lǐng)域，出現(xiàn)了聚合物混凝土；多種纖維被用于分散配筋的纖維混凝土。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，混凝土的技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，混凝土材料已逐漸成為房屋建筑、高速公路、立交橋、大型水利樞紐工程、大壩等建筑中用量最大、使用最廣泛的材料。

混凝土是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料，我國(guó)每年混凝土用量約10多億t，規(guī)模之大，耗資之巨，居世界前列?；炷敛牧显跒槿祟悩?gòu)筑美好生活空間的同時(shí)，也給人類的生活環(huán)境帶來了許多問題。可以預(yù)見，混凝土仍將是我國(guó)在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料。物質(zhì)是基礎(chǔ)，材料的發(fā)展，必將對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、施工技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)以至維護(hù)管理起著決定性的作用。

一、混凝土的組成材料

混凝土是由膠凝材料、水、粗骨料、細(xì)骨料按適當(dāng)比例配合拌制成拌合物，經(jīng)一定時(shí)間硬化而成的人造石材。

普通混凝土（簡(jiǎn)稱為混凝土）是由水泥、砂、石和水所組成，另外還常加入適量的摻合料和外加劑。在混凝土中，砂、石起骨架作用，稱為骨料；水泥與水形成水泥漿，水泥漿包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥漿起潤(rùn)滑作用，賦予拌合物一定的和易性，便于施工；水泥漿硬化后，則將骨料膠結(jié)為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體?；炷辆哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的需求加入不同的材料，配制出各種不同性質(zhì)的混凝土。因?yàn)榛炷猎谀Y(jié)前具有良好的塑性，因此可以澆鑄成各種形狀和大小的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)物；它與鋼筋有牢固的粘結(jié)力，能制作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件；經(jīng)硬化后具有抗壓強(qiáng)度高與耐久性良好的特性。因此，無論是在工業(yè)與民用建筑、給水與排水工程、水利工程、地下工程以及國(guó)防建設(shè)等都廣泛地應(yīng)用著混凝土，它在我國(guó)的基本建設(shè)中占有重要的地位。

二、混凝土原材料的生產(chǎn)對(duì)資源和環(huán)境帶來的不良影響

我國(guó)混凝土年用量10多億t?；炷敛牧系纳a(chǎn)需要消耗大量的資源，開采、破碎和運(yùn)輸集料要耗能，生產(chǎn)與加工混凝土也要耗電，礦物資源也非用之不竭、取之不盡，消耗完了是不能再生的，需要人們珍惜使用。例如有的地區(qū)大量采砂不加以節(jié)制，造成了砂資源日益減少，由粗砂逐漸變成細(xì)砂，而且含泥量也逐漸增大，優(yōu)質(zhì)砂越來越少。水泥是混凝土的主要原材料之一，水泥在生產(chǎn)過程中消耗大量的煤炭和電能。每生產(chǎn)1t水泥孰料，原料釋放CO2為0.55t，孰料煅燒燃料釋放的CO2約0.4t，二者相加為0.95t。我國(guó)年產(chǎn)15多億t水泥，將排出13多億tCO2，約占全球年排出量的13%。水泥的生產(chǎn)和混凝土的配置需要開采粘土、石灰石和砂石集料，極大的破壞綠色植被，毀壞了自然景觀，引起水土流失，嚴(yán)重地破壞了生態(tài)環(huán)境，影響人類的生存質(zhì)量。排放的CO2不僅加劇溫室效應(yīng)，而且還與SO2和NO一起形成酸雨，危害農(nóng)作物的收成和植被的生長(zhǎng)；降低建筑物外部裝飾的壽命，影響裝飾效果。NO和粉塵造成空氣的污染，使人類的居住環(huán)境惡化，影響身體健康。

在人口密集的城市興建高層建筑，使人們對(duì)土建工程的質(zhì)量和規(guī)模方面的要求越來越高，舊城改造速度越來越快，施工噪音造成的問題越來越嚴(yán)重，所引起的矛盾和糾紛也日益增多，這些噪音中混凝土攪拌、運(yùn)輸和振搗產(chǎn)生的噪音占主要部分。

建筑物的改建、翻新和拆除所產(chǎn)生的大量的廢棄混凝土，混凝土的存放不僅要占用大量的空地，而且污染環(huán)境，浪費(fèi)耕地，既帶來環(huán)境污染，又造成資源浪費(fèi)。搞好廢舊混凝土的開發(fā)利用，具有明顯的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

三、混凝土的可持續(xù)發(fā)展之路

混凝土的產(chǎn)生到現(xiàn)在雖然只有160多年的歷史，但是它的發(fā)展卻相當(dāng)?shù)目?，這是因?yàn)榛炷辆哂辛己玫目伤苄?、配置靈活性、適應(yīng)性好、造價(jià)較低、抗壓強(qiáng)度高與鋼筋有牢固的粘結(jié)力、能組合成復(fù)合材料等。所以混凝土材料今后仍將是建筑工程的主要材料，具有其他材料不可代替的地位。

只有協(xié)調(diào)好混凝土對(duì)資源消耗、能源消耗、環(huán)境影響和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系，走可持續(xù)發(fā)展之路，混凝土制品才能有更好的發(fā)展和使用渠道。可持續(xù)發(fā)展主要是通過保護(hù)和減少浪費(fèi)來更有效地利用能源，循環(huán)利用材料，使之再生利用。因此，要利用現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)來增加混凝土的耐久性，盡量的減少拆除，以減少對(duì)環(huán)境的污染。

四、混凝土的發(fā)展創(chuàng)新

大量利用工業(yè)廢渣、尾礦，發(fā)展高性能的混凝土。把粉煤灰、礦渣及其他工業(yè)廢渣，作為混凝土的摻合料，不僅能改善混凝土的性質(zhì)，減少水泥的需求，而且利用廢渣本身也有利于環(huán)境保護(hù)。高性能的混凝土以耐久性為設(shè)計(jì)目的，這樣又符合了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。粉煤灰摻到混凝土中能降低混凝土的初期水化熱，減少干縮，改善新拌混凝土的和易性，增加混凝土的后期強(qiáng)度，顯著提高混凝土的耐久性。在混凝土中加入其它不同的材料就可以制成不同性能的混凝土，可以用在不同的施工部位。這樣也可節(jié)約資源和能源，減少二次污染，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

提高混凝土的耐久性設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)混凝土的使用年限；提高混凝土的耐久性，會(huì)相應(yīng)減少混凝土的需要量，節(jié)約資源和能源，減輕生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷。采用聚合物浸漬改良多孔材料性能的方法首先運(yùn)用于木材，這種方法引伸到混凝土領(lǐng)域就是PIC。浸漬可以改變混凝土的力學(xué)性能，強(qiáng)度可提高200%～400%，據(jù)報(bào)道抗壓強(qiáng)度為58.8MPa的φ7.5cm×45cm的試件經(jīng)樹脂浸漬后，抗壓最大值可達(dá)到285MPa，其壓彎彈性模量約提高50%～80%，表面硬度和耐磨性增強(qiáng)至1.7倍以上，吸水率降至10%以下，透水系數(shù)顯著減小，而熱傳導(dǎo)性、熱擴(kuò)散率、比熱等幾乎不發(fā)生變化。PIC目前的用處還不廣，只是在個(gè)別場(chǎng)合，它主要用于有耐酸和耐藥品性要求的管道和排水溝，有強(qiáng)度和耐久性要求的預(yù)制板和道路道擋石。另外在隧道涵洞的表面覆蓋層、住宅的墻板、軌枕、海水淡化裝置、混凝土船、混凝土壩的表面抗沖刷層、海洋采挖平臺(tái)等部位，都有一定使用價(jià)值。要使這種新材料真正發(fā)展，必須認(rèn)真研究一切與PIC制造有關(guān)的問題，如改進(jìn)能適應(yīng)不同使用目的浸漬液以及極大地簡(jiǎn)化制造工藝等問題，還應(yīng)當(dāng)積極推廣部分浸漬法并使PIC能在現(xiàn)場(chǎng)施工。在提高舊有構(gòu)筑物的耐久性方面，部分浸漬現(xiàn)場(chǎng)施工方法將會(huì)發(fā)展成為一門必不可缺的分支技術(shù)。

建筑業(yè)消耗世界資源40%，要是將建筑物的壽命延長(zhǎng)一倍，那么資源能源的消耗和環(huán)境污染也將近減輕一半。為此，不少科學(xué)家主張延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，提高混凝土的耐久性。

近年來，國(guó)外陸續(xù)研制出了許多功能不同的特種混凝土，如能保持水中的生態(tài)平衡，凈化江河、湖泊、海水的凈化混凝土；適合建造抗震建筑，比普通混凝土強(qiáng)度高3～4倍的抗震混凝土；加入新的防鹽害劑的，使用壽命可達(dá)500年之久的耐久防火混凝土；一種快速透水的防積水混凝土，它能及時(shí)的將混凝土路面的雨水滲透到地下；金屬纖維混凝土、變色混凝土等等。

科學(xué)技術(shù)在改變和發(fā)展著混凝土，今后的混凝土將是集低能耗、高耐久、高強(qiáng)度、環(huán)保品種多樣、可再生使用的新型的混凝土。

[1]陳建奎、王棟民.高性能混凝土(H PC)配合比設(shè)計(jì)新法－全計(jì)算法[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2000,28(2).

[2]陳建奎.混凝土外加劑的原理及應(yīng)用[M].中國(guó)計(jì)劃出版社,1997.