現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展及對(duì)水泥混合材摻量的要求

關(guān)琳

摘 要：以現(xiàn)代混凝土演化為線索，從混凝土生產(chǎn)技術(shù)、性能、工程應(yīng)用、檢測(cè)與監(jiān)控、理論研究等方面綜合闡述國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代混凝土材料的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：混凝土技術(shù)；發(fā)展；水泥混合材摻量

1 混凝土低水膠比帶來(lái)的混凝土配合比問(wèn)題

以高效減水劑為主要特征的現(xiàn)代混凝土技術(shù)，由于能夠?qū)崿F(xiàn)較低水膠比的混凝土配制，使混凝土的強(qiáng)度不再主要依靠水泥的強(qiáng)度。但較低的水膠比和較大坍落度（需求）造成混凝土較大的水泥（膠凝材料）用量。水泥用量的增加，勢(shì)必造成混凝土成本的提高，不為商品混凝土所取；同時(shí)，采用高強(qiáng)度等級(jí)水泥配制混凝土又會(huì)造成混凝土強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出設(shè)計(jì)強(qiáng)度，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。更為重要的是，較大量的高強(qiáng)度等級(jí)水泥的使用，勢(shì)必造成混凝土內(nèi)部溫升的提高，促進(jìn)混凝土的開(kāi)裂。如何解決此問(wèn)題，就是在混凝土中大量使用礦物摻合料。

2 提高混凝土功能

2.1 高強(qiáng)化

混凝土高強(qiáng)化的重要意義在于減輕工程建筑的自重。當(dāng)前，在中國(guó)工程中運(yùn)用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)顯著提高，預(yù)拌混凝土工廠已比照成熟地掌握了C50-C60混凝土的制作與泵送技術(shù)，而C50-C60在全國(guó)大面積廣泛推廣。在制作高強(qiáng)混凝土的研討中，應(yīng)致力于混凝土的延性、抗裂性與抗拉強(qiáng)度。廣州珠江新城西塔高432m，從主塔樓現(xiàn)澆異性柱到直形墻等計(jì)劃選用C70-C90高功能混凝土約4萬(wàn)方，其間C80混凝土需最高泵送410m，C90混凝土需最高泵送167m。實(shí)踐施工選用52.5R硅酸鹽Ⅱ型水泥、S95礦粉、挪威硅灰、高效減水劑制作混凝土滿(mǎn)足工程計(jì)劃與施工需要，C90混凝土查看強(qiáng)度達(dá)112.7MPa。

2.2 高功能化

高功能混凝土不只具有杰出的耐久性、流動(dòng)性與體積穩(wěn)定性，因?yàn)樵谥圃斓慕M份材料中利用了很多的工業(yè)廢渣，顯著地減少了嚴(yán)峻污染環(huán)境的水泥用量。因而，應(yīng)將之作為可耐久開(kāi)展的綠色修建資料而給于大力的開(kāi)展使用。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)各行業(yè)高度重視混凝土耐久性，相繼出臺(tái)了針對(duì)本行業(yè)特色的混凝土耐久性標(biāo)準(zhǔn)和技能規(guī)定，如我國(guó)土木工程學(xué)會(huì)CCES01-2004《混凝土構(gòu)造耐久性與施工攻略》、鐵道部的鐵建造[2005]157號(hào)《鐵路混凝土構(gòu)造耐久性規(guī)劃暫行規(guī)定》等。我國(guó)在若干重大工程的建造中現(xiàn)已充分遵循了“混凝土耐久性規(guī)劃”理念，并提升到了“強(qiáng)度規(guī)劃與耐久性規(guī)劃偏重，強(qiáng)度服從耐久性”的高度。杭州灣跨海大橋全長(zhǎng)36km，其間跨過(guò)海域長(zhǎng)近32km，大橋主體構(gòu)造除南、北航道橋用鋼箱梁外，其他均為混凝土構(gòu)造，混凝土用量約250×104m3，規(guī)劃使用壽命100年。該橋混凝土施工中以氯離子擴(kuò)散系數(shù)為混凝土耐久性的主要操控目標(biāo)，選用大摻量摻合料（42.5PⅡ硅酸鹽水泥55%～70%礦粉粉煤灰復(fù)摻料）和低水膠比（≤0.4），低氯離子擴(kuò)散系數(shù)（≤1.5×1012～3.5×1012m2/s），以混凝土資料的耐久性作為確?；炷翗?gòu)造耐久性的必要前提。

2.3 輕質(zhì)化

在工程資料的上，除強(qiáng)度外，還有一個(gè)比重性能指標(biāo)同樣具有重要意義。作為構(gòu)造用的輕混凝土，近期的奮斗目標(biāo)為：容重為500kg/m3，抗壓強(qiáng)度到達(dá)15MPa；容重為800kg/m3，抗壓強(qiáng)度到達(dá)25MPa。因而，對(duì)輕集料陶粒等的制作與研討還有待深化。

2.4 功能化

現(xiàn)代建筑等土木工程對(duì)混凝土資料提出了新的挑戰(zhàn)，不只需求混凝土有高強(qiáng)度，并且還應(yīng)具有聲、光、電、磁、熱等功用，以習(xí)慣多功用和智能修建的需求。導(dǎo)電混凝土是將導(dǎo)電物質(zhì)（如導(dǎo)電聚合物、碳黑、石墨、金屬粉末、金屬絲和碳纖維等）摻混并均勻渙散在水泥混凝土中而制成。目前常用于導(dǎo)電混凝土分可分為3類(lèi)：聚合物類(lèi)、碳類(lèi)和金屬類(lèi)，其間最常用的是碳類(lèi)和金屬類(lèi)，碳類(lèi)常包含石墨和碳纖維。導(dǎo)電混凝土資料按其體積電阻率可分為半導(dǎo)體資料、防靜電資料、導(dǎo)電資料和高導(dǎo)電資料等，它們廣泛地使用于工業(yè)防靜電、非金屬電熱元件和修建物屏蔽電磁波等工程。自20世紀(jì)90時(shí)代以來(lái)，水泥基導(dǎo)電復(fù)合資料得到了很快的發(fā)展，現(xiàn)已在工程中得到了相當(dāng)廣泛的使用。導(dǎo)電混凝土用作防靜電資料時(shí)，其電阻率小于105Ω·m即可。導(dǎo)電混凝土用作電熱資料的電阻率在10-1～102Ω·m之間，與常用的金屬電熱器比較，具有熱容大、抗過(guò)電壓和電流的能力強(qiáng)、散熱面積大、熱量散布均勻、表面溫度低、耐久等長(zhǎng)處，因而不光可用作采暖的電熱資料，并且也可廣泛地使用于高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道除雪，在動(dòng)物養(yǎng)殖廠和植物養(yǎng)植場(chǎng)締造溫室等。經(jīng)過(guò)功用摻合料碳黑、金屬粉末、金屬纖維制造的高導(dǎo)電混凝土資料電阻率為10-5～10-2Ω·m可用作傳導(dǎo)資料及電磁隱身資料。

美國(guó)內(nèi)布拉斯加州的RocaSpur橋是世界上第一座選用導(dǎo)電混凝土橋面板除冰化雪的橋梁，其橋長(zhǎng)46米，寬11米，橋面板內(nèi)鑲嵌36m×8.5m×100mm的導(dǎo)電混凝土層（由52塊獨(dú)立的導(dǎo)電混凝土板構(gòu)成），其間裝配了熱電偶為除冰化雪供給監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。導(dǎo)電混凝土選用鋼纖維和碳質(zhì)資料作為導(dǎo)電介質(zhì)，導(dǎo)電混凝土發(fā)熱板用三相交流電供電生熱，自動(dòng)控制溫度在4.5～12.8℃，通電時(shí)記錄到峰值功率在360～560W·m-2。該橋2001年開(kāi)工，次年竣工，2003年敞開(kāi)交通，初次除冰試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯現(xiàn)導(dǎo)電混凝土板的溫度高于環(huán)境9℃。比照剖析可知在路面板和橋面板上鋪設(shè)導(dǎo)電混凝土層從技能和經(jīng)濟(jì)考量都是最為有用的除冰雪方法。貯存太陽(yáng)能的蓄熱混凝土、夜間導(dǎo)向的發(fā)光混凝土，監(jiān)測(cè)修建物安全性的智能混凝土、光致變色混凝土、溫度變色混凝土、抗滅菌混凝土、吸音混凝土等一批功用性混凝土將在現(xiàn)代工程、現(xiàn)代修建及其它領(lǐng)域中得到廣泛的使用。

2.5 藝術(shù)化

用玻纖增強(qiáng)混凝土等制作的人造石、雕塑、園林小品、仿生建筑和仿古建筑，在裝點(diǎn)自然、美化城市、改善人居環(huán)境等方面，混凝土將占有更大的藝術(shù)空間。質(zhì)樸的、粗獷的、更貼近人類(lèi)回歸自然心理要求的人造石文化時(shí)代必將出現(xiàn)。

2.6 膨密化

不論從密實(shí)性、體積穩(wěn)定性以及減免干縮、溫度裂縫等功能來(lái)看，摻入適量膨脹劑，對(duì)于普通混凝土、高性能混凝土，尤其是大體積混凝土和侵蝕環(huán)境中的鋼筋混凝土，提高其耐久性都是十分有利的。普遍摻入膨脹劑是混凝土發(fā)展的一種趨勢(shì)。

3 混凝土能否代替水泥消納大量的工業(yè)廢渣

通過(guò)降低混合材摻量提高水泥強(qiáng)度等級(jí)，必然影響到對(duì)作為混合材的工業(yè)廢渣的消納，而這些廢渣能否以混凝土摻合料的形式進(jìn)行消納？按照J(rèn)GJ55—2011的規(guī)定，目前可用于混凝土的礦物摻合料有：符合GB/T18046的?；郀t礦渣粉、符合GB/T26751的?；姞t磷渣粉、符合GB/T20491鋼渣粉、符合GB/T1596的粉煤灰以及符合GB/T18736的礦渣粉、粉煤灰、沸石和硅灰，合計(jì)5種工業(yè)廢渣。而我國(guó)的工業(yè)廢渣品種多樣，僅可用于水泥中的人工火山灰質(zhì)混合材料就多達(dá)5種。因此，現(xiàn)有的礦物摻合料不能涵蓋所有的混合材料品種，此其一。其二，作為礦物摻合料的原料，必須具備一定的排放量，如礦渣、磷渣和鋼渣等，才能夠滿(mǎn)足粉磨系統(tǒng)的“胃口”，否則將限制粉磨系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，深陷虧本的泥潭。而很多工業(yè)廢渣由于分布散和排量小，不足以支撐粉磨站的運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)礦物摻合料，限制了其在混凝土的直接應(yīng)用。而水泥的生產(chǎn)可以通過(guò)組分的設(shè)計(jì)消納小排量的工業(yè)廢渣，是礦物摻合料的生產(chǎn)不能相比的。因此，這將限制礦物摻合料的發(fā)展，在我國(guó)限制鋼鐵產(chǎn)量和火電比重逐步降低的情況下，此種情況更會(huì)加劇。因此，混凝土攪拌站不能完全取代水泥廠利用工業(yè)廢渣，這些分布散和排量小的工業(yè)廢渣只能通過(guò)水泥企業(yè)進(jìn)行消納。

4 低強(qiáng)度等級(jí)水泥能否配制高強(qiáng)混凝土

前面已經(jīng)介紹了混凝土礦物摻合料的規(guī)定，實(shí)際形成不同混合材摻量的水泥。所以，對(duì)于混合材料對(duì)水泥或混凝土性能的影響不做討論。只對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)水泥能否配制高強(qiáng)混凝土進(jìn)行分析。首先，按照現(xiàn)代混凝土技術(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)范，用碎石作為粗骨料、在使用高效減水劑的條件下配制C30混凝土。根據(jù)混凝土水膠比的計(jì)算公式，可以分別計(jì)算出水膠比在0.5、0.4和0.3時(shí)所需水泥的28d抗壓強(qiáng)度分別為31MPa、24.6MPa和18.1MPa。也就是說(shuō)，在0.5的水膠比條件下，用強(qiáng)度等級(jí)為32.5的水泥完全可以配制出C30的混凝土；在0.4的水膠比條件下，用強(qiáng)度等級(jí)為27.5的砌筑水泥完全可以配制出C30混凝土；而在0.3的水膠比條件下，用強(qiáng)度等級(jí)為22.5的砌筑水泥也可配制出C30混凝土?；蛘哒f(shuō)，如果配制C15和C20的混凝土，在使用減水劑的情況下，還必須摻加礦物摻合料才能配制出性?xún)r(jià)比合理的混凝土來(lái)。下面的配合比是我院2013年調(diào)研建工企業(yè)時(shí)某企業(yè)的C20混凝土膠凝材料的組成：（240kg的P·C32.5水泥+90～95kg的粉煤灰）/m3混凝土。那么，用強(qiáng)度等級(jí)32.5的水泥在低水膠比的條件下能配制混凝土的強(qiáng)度是多少？設(shè)定水泥28d抗壓強(qiáng)度為35MPa，用碎石作為粗骨料，根據(jù)混凝土水膠比的計(jì)算公式，水膠比分別為0.28、0.26和0.24時(shí)的混凝土強(qiáng)度分別為62.5MPa、67.6MPa和73.6MPa。也就是說(shuō)，利用28d抗壓強(qiáng)度為35MPa的32.5水泥可以配制C60和C70的高強(qiáng)混凝土?？梢?jiàn)，現(xiàn)在高效減水劑的使用打破了傳統(tǒng)的常規(guī)：混凝土的水灰比可以減小到比檢測(cè)水泥的水灰比低得很多，老規(guī)范中“水泥強(qiáng)度應(yīng)是混凝土強(qiáng)度的1.5～2倍”的規(guī)定已成為歷史，現(xiàn)今的32.5級(jí)水泥能配制C60混凝土已是現(xiàn)實(shí)。綜上所述，按照現(xiàn)代混凝土技術(shù)和配合比設(shè)計(jì)需要，以及目前我國(guó)混凝土強(qiáng)度等級(jí)還是以C30為主的情況下，目前應(yīng)該大力發(fā)展的是大摻量混合材的低強(qiáng)度等級(jí)水泥，而不是混合材用量少的高強(qiáng)度等級(jí)水泥。

5 結(jié)語(yǔ)

以使用高效減水劑為主要特點(diǎn)的現(xiàn)代混凝土技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低水膠比混凝土的配制，使混凝土的強(qiáng)度不再主要依賴(lài)水泥的強(qiáng)度。為彌補(bǔ)低水膠比造成的混凝土流動(dòng)性的不足，礦物摻合料在混凝土中的使用成為必然，并成為膠凝材料的一部分，使混凝土膠凝材料成為實(shí)際的大摻量混合材、低強(qiáng)度等級(jí)水泥。然而由于混凝土攪拌站使用礦物摻合料的先天不足，大摻量混合材的低強(qiáng)度等級(jí)水泥應(yīng)成為水泥行業(yè)目前首選戰(zhàn)略發(fā)展方向，或在大摻量混合材的條件下，生產(chǎn)不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥，滿(mǎn)足不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉浩文，季萬(wàn)年，顧國(guó)榮.廣州珠江新城西塔項(xiàng)目施工特點(diǎn)介紹[J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià)，2014，2（05）：8-17.

[2] 林立勛，葉浩文，馮乃謙等.摻聚丙烯纖維改善C120超高強(qiáng)混凝土脆性的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2014，42（11）：1-5.

[3] 羅作球，張新勝，陳良等.117大廈超大體積底板混凝土澆筑施工關(guān)鍵技術(shù)[J].商品混凝土，2014（01）：57-60.

[4] 高芳勝，尤立峰.高強(qiáng)大體積混凝土的配制與應(yīng)用[J].混凝土，2014（10）：99-101，114.