淺談新型混凝土材料在土建工程中的應(yīng)用

王永民

摘 要：當(dāng)前，現(xiàn)代水泥工業(yè)、水泥加工工藝和施工技術(shù)飛快發(fā)展，凝土材料品種不斷增多，因此新型混凝土材料在工程建設(shè)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(diǎn)，并探討了其在建筑工程中的應(yīng)用。

關(guān)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(jié)材料（石灰、水泥）、細(xì)骨料（砂子）、粗骨料（石子）和水所組成。在性能及其應(yīng)用與發(fā)展的普通混凝土基礎(chǔ)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(lǐng)域中的應(yīng)用。

一、高性能混凝土（High Performance Concrete）概述

混凝土技術(shù)發(fā)展已有170多年的歷史，在緩慢的發(fā)展過(guò)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(shù)發(fā)展又處在一個(gè)變革時(shí)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(xué)性能和耐久性能的混凝土的生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。這種新型混凝土稱為高性能混凝土（High Performance Concrete），簡(jiǎn)稱HPC。HPC的應(yīng)用將對(duì)混凝土建筑施工技術(shù)和混凝土結(jié)構(gòu)性能起重要作用。因此，美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)、加拿大、挪威等國(guó)都將HPC作為跨世紀(jì)的新材料，投入大量人力物力進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼研制成功高性能混凝土（以下稱HPC），使混凝土進(jìn)入了高科技時(shí)代，日益受到國(guó)際材料界和工程界的重視。很多國(guó)家把HPC作為跨世紀(jì)的新材料加以研究與利用，使其成為當(dāng)代混凝土研究和應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。

HPC組成材料包括水泥、粗細(xì)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(fù)雜，要求也高得多。

HPC的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

1.由于HPC的高強(qiáng)（60Mpa～100MPa）和超高強(qiáng)（≥100MPa）特性，可使混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大大減少，從而減輕結(jié)構(gòu)自重和對(duì)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(jià)。

2.由于HPC具有高工作性，可以減輕施工勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約施工能耗。

3.HPC的高耐久性可增加對(duì)惡劣環(huán)境的抵御能力，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，減少維修費(fèi)用及對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

二、高性能混凝土在建筑工程中的應(yīng)用

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

1.高性能混凝土特性

（1）新拌混凝土的工作性。新拌混凝土的工作性是一個(gè)綜合指標(biāo)，如流動(dòng)性、可泵性、填充性、均勻性等。HPC要求新拌混凝土具有大流動(dòng)性（坍落度20cm～25cm）及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失小，以滿足混凝土集中攪拌、運(yùn)輸、泵送、澆注的工藝要求。甚至在澆注時(shí)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(fù)雜，多種摻合料與超塑化劑配合使用，其目的是通過(guò)這些組分來(lái)調(diào)整性能。其中最關(guān)鍵的技術(shù)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(duì)水泥漿有強(qiáng)的分散作用，減水率高達(dá)18以上，但并不能滿足HPC對(duì)工作性的全部要求。因?yàn)閱我怀煞值某芑瘎⊿P）難以解決坍落度損失、離析分層等問(wèn)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(fù)合超塑化劑（CSP）才能較全面滿足HPC對(duì)工作性的要求。

（2）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(jìn)了高強(qiáng)HPC的研究和開(kāi)發(fā)。在高層建筑中，混凝土強(qiáng)度是對(duì)應(yīng)于柱子的軸力?？梢哉f(shuō)建筑物的層數(shù)是由所使用的混凝土強(qiáng)度來(lái)決定的。25～30層的建筑物要使用強(qiáng)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(qiáng)的混凝土，如60層需用100MPa。目前建筑物設(shè)計(jì)和施工以30～35層居多。因此，上述討論的強(qiáng)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(qiáng)度標(biāo)號(hào)是C40混凝土。在此情況下，配合比設(shè)計(jì)可以參照普通混凝土的方法，但是主要組成材料和性能應(yīng)滿足HPC的要求。HPC可能比普通混凝土要耐久得多，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)配合比時(shí)，就考慮到耐久性問(wèn)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(wú)初始結(jié)構(gòu)缺陷。硬化后的混凝土密實(shí)、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.高性能混凝土的應(yīng)用研究

據(jù)悉，全世界每年混凝土用量可達(dá)90億噸，規(guī)模之大、耗資之巨、應(yīng)用之廣，作為現(xiàn)代工程主要材料的地位依然不被撼動(dòng)?；炷劣糜诠こ探Y(jié)構(gòu)至今已有170多年歷史了，縱觀混凝土技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，其發(fā)展主要遵循復(fù)合化、高強(qiáng)化、高性能化三大技術(shù)路線長(zhǎng)期以來(lái)，人們過(guò)分注重于混凝土的力學(xué)性能，主要集中在提高混凝土的強(qiáng)度上，以搞壓強(qiáng)度的比例關(guān)系來(lái)代表其性能的優(yōu)劣，而對(duì)影響混凝土耐久性則重視不夠，從而導(dǎo)致了許多工程結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，甚至崩塌。例如，1980年3月，北海Stavanger近海鉆井平臺(tái)Alexander Kjell號(hào)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(pán)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(fèi)急劇增大。如何延長(zhǎng)混凝土的使用壽命，發(fā)展高性能混凝土勢(shì)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(zhǎng)條型，寬約20m，長(zhǎng)約80m，厚500mm，澆筑前沿樓板長(zhǎng)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(shí)，投入混凝土生產(chǎn)線2條、混凝土攪拌車(chē)22臺(tái)、混凝土泵機(jī)2臺(tái)，施工用時(shí)14h，施工過(guò)程順利。其后，在檢查認(rèn)可了這種新型混凝土抗裂性以及總結(jié)了它的施工養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，陸續(xù)澆搗了其它的大面積樓板，整個(gè)航站樓施工補(bǔ)償收縮纖維混凝土總量超過(guò)4萬(wàn)m3。經(jīng)檢驗(yàn)，所有應(yīng)用補(bǔ)償收縮纖維混凝土施工的樓板強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何明顯的肉眼可見(jiàn)裂縫，抗裂效果得到各方認(rèn)可和好評(píng)。

早在1992年，吳中偉首次將高性能混凝土介紹到國(guó)內(nèi)。如今，我國(guó)高性能混凝土的研究、應(yīng)用發(fā)展迅速。我國(guó)是生產(chǎn)和使用混凝土的大國(guó)，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(yīng)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(rèn)可，混凝土應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，城市建設(shè)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(shí)際工程中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其是在高層建筑、大跨度橋梁、海上采油平臺(tái)、礦井工程、海港碼頭等工程中的應(yīng)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(guó)際大酒店（C30和C50）、長(zhǎng)春國(guó)際商貿(mào)城（C55）、廣州虎門(mén)大橋（C50）、上海楊浦大橋（C50）等都是應(yīng)用的典范。

全國(guó)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(shí)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(qiáng)度等級(jí)的高性能混凝土和完備的混凝土耐久性檢測(cè)設(shè)備，以及掌握了配套的施工成套技術(shù)和各種混凝土耐久性檢測(cè)技術(shù)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(fù)雜的深圳地鐵工程中大規(guī)模使用。

三、結(jié)語(yǔ)

如今我國(guó)HPC發(fā)展形勢(shì)一片良好，但是要使HPC在建筑工程中推廣使用還需一個(gè)認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的過(guò)程。隨著我國(guó)建筑基礎(chǔ)建設(shè)的不斷增強(qiáng)，HPC必將成為新世紀(jì)的重要建筑工程材料。