成治綱
(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司,山西太原 030012)
彈性混凝土是我國近年來從國外引入的一種新型混凝土,它是用特殊的微纖維替代傳統(tǒng)使用的粗糙砂石來用于水泥的加固,制成的重量輕、抗裂性好并且更耐久的一種可彎曲材料。這種新型混凝土的主要成分與普通混凝土幾乎一樣,外觀也與普通混凝土相似,但在承受巨大壓力時(shí)會(huì)彎曲而不是斷裂。我國自2003年引入彈性混凝土以來,就一直得到了極高的關(guān)注。由于彈性混凝土在性價(jià)比、可操作性及抗變形等性能方面的優(yōu)勢(shì),具有廣闊的發(fā)展前景。
彈性混凝土(Elastic Concrete),是一種將只有人類頭發(fā)絲般厚度的微纖維作為水泥混凝土的組成材料配制而成的。即便在彎折的情況下也只會(huì)出現(xiàn)頭發(fā)絲粗細(xì)的細(xì)微裂縫,而不是破壞性的大裂縫。一旦出現(xiàn)裂口,其豐富的纖維便會(huì)從周邊空氣中吸收水汽,使裂口變軟,并逐漸“愈合”,修復(fù)裂隙。同時(shí),水泥中的鈣離子也會(huì)從空氣中吸收水汽和二氧化碳,生成碳酸鈣。經(jīng)過這樣一系列的自發(fā)的修復(fù)和再加固過程,彎折后的混凝土結(jié)構(gòu)牢固如初。
彈性混凝土在國外應(yīng)用較早。美國是最早開始彈性混凝土研究的國家。1999年美國亞利桑那州立大學(xué)建立了世界上第一個(gè)彈性混凝土結(jié)構(gòu)跑道,引起了彈性混凝土路面研究的浪潮并逐步開始得到應(yīng)用。2007年美國密西根大學(xué)研制出的纖維混凝土抗裂性比目前修建人行道的材料高50倍,重量也輕40%,耐久性是普通混凝土的2倍,并將其投入使用來修補(bǔ)某公路橋(見圖1)。日本2008年年初宣布研究成功彈性混凝土,并開始在建筑中使用彈性混凝土,以預(yù)防地震的沖擊,增強(qiáng)建筑抵抗地震的能力。彈性混凝土已在日本、韓國、瑞士和澳大利亞得到成熟的應(yīng)用。
彈性混凝土在我國的研究起步較晚,但是發(fā)展迅速,近年來取得了豐碩的研究成果。我國最早是在1997年石家莊鐵道學(xué)院進(jìn)行彈性混凝土的研究,發(fā)現(xiàn)橡膠微粒能夠顯著提高混凝土的抗沖擊性能。2006年上海交通大學(xué)發(fā)明了道路吸音高彈性混凝土材料。2007年山西建華化工有限公司發(fā)明了一種高強(qiáng)度彈性混凝土添加劑,這種復(fù)合添加劑加入普通混凝土中,在不影響混凝土抗壓強(qiáng)度的情況下,能大幅度提高混凝土的抗折強(qiáng)度增加韌性。2008年天津城市學(xué)院很好的解決了施工中彈性混凝土力學(xué)性能下降的難題。2012年9月份,我國常州市公路交通部門首次使用彈性混凝土對(duì)干線公路橋梁伸縮縫進(jìn)行了整治,取得了很好的效果。
彈性混凝土工程性能介于普通混凝土及瀝青混凝土之間,兼具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。相比普通混凝土,強(qiáng)度高,耐磨性好,抗裂性能好,韌性高,日本研究的彈性混凝土延展性能高出普通混凝土100倍以上;相比較瀝青混凝土重量輕,熱膨脹系數(shù)是瀝青混凝土的一半以下,且具有良好的隔熱、隔音、防止軟化性能。在施工中,彈性混凝土施工簡單,攤鋪時(shí)只需倒入缺損的伸縮縫內(nèi)抹平即可,無須加熱或特別處理。與傳統(tǒng)修復(fù)相比,其使用年限遠(yuǎn)超鋼纖維混凝土,并在車輛碾壓發(fā)生形變后易恢復(fù),其強(qiáng)度完全能夠滿足通行需要,彈性體使得通行聲音輕且耐荷載及耐沖擊性更強(qiáng),從而使道路行駛更安全。施工后現(xiàn)場易清潔,無污染??梢哉f,彈性混凝土具有廣闊的應(yīng)用范圍。
1)道橋路面處理。
普通混凝土路面噪聲大,剛性強(qiáng),收縮縫寬且振動(dòng)大,行車適應(yīng)性差。相對(duì)照普通混凝土,瀝青混凝土克服了普通混凝土的很多固有弱點(diǎn),大部分道橋路面建設(shè)都選用瀝青混凝土作為主要材料,但是高昂的維護(hù)費(fèi)用不斷攀升,使其性價(jià)比逐步下降。彈性混凝土兼具兩者的優(yōu)點(diǎn),可以很好的進(jìn)行伸縮縫處理,增強(qiáng)路面舒適度,改善公路行車的舒適性,降低噪聲,延長道橋路面使用壽命(見圖2)。上海路政部門利用彈性混凝土良好的柔韌性,將彈性混凝土應(yīng)用于窨井周邊碎裂的處理,由于彈性混凝土與周邊道路的粘結(jié)程度高,特別是出色的抗剪能力,當(dāng)有荷載通過時(shí),上下的振動(dòng)也不易使彈性混凝土損壞,并且很好的解決了破碎窨井的重復(fù)修復(fù)問題。
圖1 美國沃特森公司生產(chǎn)的Wabo Crete Ⅱ彈性混凝土
圖2 橋梁伸縮縫受力分析圖
2)建筑上作為墻板和樓板使用。
彈性混凝土重量輕,韌性高,能量吸收能力強(qiáng),具有隔熱隔聲減震的性能。隨著生活水平的提高,高層住戶對(duì)噪聲影響的問題越來越關(guān)注。在建筑上,將彈性混凝土作為墻板或者樓板使用,可以很好的解決隔音問題,提高住戶生活質(zhì)量??梢灶A(yù)測,彈性混凝土作為墻板或者樓板會(huì)具有廣闊的市場潛力。
3)其他應(yīng)用。
彈性混凝土出色的工程性能,決定了其具有廣闊的應(yīng)用范圍??梢詰?yīng)用于機(jī)場跑道建設(shè),地下殼體,網(wǎng)球場,運(yùn)動(dòng)場等建設(shè)。
彈性混凝土是近年來逐步成熟的一門材料科學(xué)新技術(shù),通過改良,充分發(fā)揮其各方面的性能,可以將其應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,具有很廣闊的應(yīng)用前景。
1)使用彈性混凝土獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
彈性混凝土具有質(zhì)量輕及良好的抗裂性的特點(diǎn),將其應(yīng)用于道橋路面建設(shè),可以適當(dāng)降低路面攤鋪厚度。根據(jù)美國歇根大學(xué)研制出的“工程水泥復(fù)合材料”(ECC)為例,該種纖維混凝土抗裂性比目前修建人行道的材料高50倍,重量也輕40%,耐久性是普通混凝土的兩倍。使用該種材料可以很好的解決一些橋面耐久性(如過早出現(xiàn)裂縫等)問題,并無須再用伸縮接頭。日本北海道應(yīng)用該材料修筑的三原橋橋面厚度僅為5 cm。有研究表明,將保養(yǎng)和后期維修成本考慮在內(nèi)的話,在60年內(nèi),用ECC材料建橋的成本可能比使用傳統(tǒng)材料低37%。將彈性混凝土應(yīng)用于墻板和樓板,利用其質(zhì)量輕的特點(diǎn),可以大大降低樓房的整體重量,同時(shí),可以降低其他材料的應(yīng)用。目前,雖然彈性混凝土的價(jià)格是普通混凝土價(jià)格的3倍~10倍,從道橋路面壽命和安全性的長遠(yuǎn)考慮,依然是一種經(jīng)濟(jì)的選擇。再隨著技術(shù)的進(jìn)步,彈性混凝土市場的擴(kuò)大,制備材料價(jià)格隨著需求量的擴(kuò)大而降低,再加上因?yàn)槭褂脧椥曰炷炼档偷娜缟鲜鲑M(fèi)用,可以說,使用彈性混凝土?xí)芎玫慕档凸こ坛杀?,獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
2)使用彈性混凝土具有良好的社會(huì)效益。
使用彈性混凝土,在環(huán)境保護(hù),降低污染,創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)方面具有良好的社會(huì)效益。彈性混凝土部分原材料來自于廢舊輪胎,據(jù)統(tǒng)計(jì),隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,我國每年產(chǎn)生的廢輪胎的數(shù)量達(dá)到2億多條,并以每年兩位數(shù)的速度增長,而我國橡膠資源十分匱乏,生膠70%依賴進(jìn)口。對(duì)廢輪胎進(jìn)行掩埋、焚燒、堆放會(huì)造成“二次污染”,因此,如何實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎的綜合利用是我國需要面對(duì)的一個(gè)難題。將廢舊輪胎加工成彈性混凝土制備材料,將其變廢為寶是一個(gè)可行的整治方案。因此,我國需要加強(qiáng)在廢舊輪胎整治方面的研究,將其變成產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈。同時(shí),增加就業(yè)機(jī)會(huì),減輕就業(yè)壓力。
彈性混凝土在我國處于早期發(fā)展階段。由于其出色的工程性能,能有效的降低工程成本,還有在環(huán)境保護(hù),創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)等方面產(chǎn)生的巨大的社會(huì)效益,值得進(jìn)一步研究和開發(fā)。目前,彈性混凝土價(jià)格還比較昂貴,如何降低其生產(chǎn)成本,將其大規(guī)模應(yīng)用于工程建設(shè),是一個(gè)很值得研究和探索的問題。
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