淺析新型混凝土制備及其特點(diǎn)

肖紅慶 湯蕊瞳 王曉云

(山東科技大學(xué),山東 青島 266590)

1 概述

混凝土作為當(dāng)代土木工程中應(yīng)用最廣泛的材料之一，影響著當(dāng)代建筑和土木工程的發(fā)展進(jìn)程和前進(jìn)方向，現(xiàn)代建筑技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，制備和研發(fā)新型混凝土也成為了一個(gè)重要的發(fā)展方向。本文主要對(duì)常見(jiàn)的幾種新型混凝土進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)和概括。

2 新型混凝土的制備及特點(diǎn)

2.1 自密實(shí)混凝土

自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)最早由日本學(xué)者提出，最初設(shè)計(jì)用于解決混凝土缺乏振搗而帶來(lái)的混凝土建筑物的結(jié)構(gòu)問(wèn)題和耐久性問(wèn)題。因?yàn)樵谑┕み^(guò)程中無(wú)需振搗，僅依靠自身重力就可以均勻地填充到整個(gè)模具當(dāng)中，具有很強(qiáng)的流動(dòng)性和變形性，因而被稱為自密實(shí)混凝土。根據(jù)流變力學(xué)的觀點(diǎn)，自密實(shí)混凝土屬于典型的賓漢姆流體，應(yīng)滿足如下的流變方程：

τ=τ0+ηγ。

其中，τ為剪切應(yīng)力；τ0為屈服剪切應(yīng)力；η為塑性粘度；γ為剪切速度。

普通混凝土是通過(guò)振搗方式來(lái)減小τ0使混凝土發(fā)生流動(dòng)，而自密實(shí)混凝土則是通過(guò)將水灰比控制在較低水平，同時(shí)，添加高強(qiáng)外加劑和摻合料來(lái)使τ0減小到足夠小的范圍內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土的高流動(dòng)性。與傳統(tǒng)高流態(tài)混凝土的不同之處在于，自密實(shí)混凝土不僅具有高流動(dòng)性，而且完全不需振搗，還同時(shí)具備抗分離性，填充性和間隙通過(guò)性等優(yōu)良性能[1]。在很多情況下，由于體內(nèi)配筋的要求和模具的限制，施工時(shí)很難對(duì)混凝土進(jìn)行有效的振搗，并且振搗過(guò)程中產(chǎn)生的大量噪聲遠(yuǎn)不能滿足綠色施工的要求。自密實(shí)混凝土可以在很大程度上改善以上的問(wèn)題，在澆筑過(guò)程中無(wú)需振搗，無(wú)需專門(mén)的人工和振搗設(shè)備，既不會(huì)產(chǎn)生噪聲，也節(jié)省了費(fèi)用。而且還能加快施工速度，提高工程質(zhì)量[2]。

現(xiàn)階段，自密實(shí)混凝土主要應(yīng)用于水利，橋梁，隧道等重大工程中，在構(gòu)件的修補(bǔ)加固和預(yù)制構(gòu)件的制作中也有部分應(yīng)用，我國(guó)的《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》也對(duì)自密實(shí)混凝土的施工做了相應(yīng)的規(guī)范。但由于成本較高，施工技術(shù)人員未完全掌握施工方法等原因，自密實(shí)混凝土在我國(guó)應(yīng)用并不廣泛。

2.2 活性微粉混凝土

活性微粉混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)最早是由法國(guó)Bouygues研制成功的一種高強(qiáng)度混凝土。自問(wèn)世以來(lái)即被廣泛關(guān)注和應(yīng)用?；钚晕⒎刍炷列Х隆案咧旅芩嗷鶆蝮w系”模型，根據(jù)最密堆積原理，用直徑0.4 mm～0.6 mm的細(xì)骨料代替原有的粗骨料。通過(guò)摻加鋼纖維和硅灰等活性礦物來(lái)提高混凝土的韌性和延性。實(shí)驗(yàn)表明[3]，活性微粉混凝土的抗折性能有顯著提升，強(qiáng)度可達(dá)50 MPa～60 MPa，遠(yuǎn)大于普通混凝土。同時(shí)，韌性和斷裂能也有所上升，斷裂能提高至3×104J/m2，而且，硅灰具有很強(qiáng)的活性，可與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使Ca(OH)2含量減少，并生成密實(shí)的凝膠性水化產(chǎn)物，改善孔隙狀況，抑制堿骨料反應(yīng)?；钚晕⒎刍炷链笾驴煞譃閮深悾琑PC200和RPC800。RPC200的制備條件沒(méi)有特殊要求，抗壓強(qiáng)度可達(dá)200 MPa。RPC800則需要在高溫環(huán)境下生產(chǎn)，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)800 MPa。

活性微粉混凝土強(qiáng)度高且綜合性能好，因而廣泛應(yīng)用在橋梁工程中。制作橋梁構(gòu)件時(shí)，無(wú)需配置鋼筋即可滿足構(gòu)件的功能要求。由于密度小，可以降低自重，使構(gòu)件向薄壁，大跨，細(xì)長(zhǎng)等形態(tài)發(fā)展，構(gòu)件更加靈活，施工過(guò)程更方便。此外，活性微粉混凝土在高層建筑，石油工程及軍工等方面多有應(yīng)用，且取得了較好的效果。

2.3 泡沫混凝土

泡沫混凝土是將泡沫加入到水、波特蘭水泥、粗細(xì)集料、外加劑和摻合料組成的混凝土料漿中去，經(jīng)過(guò)攪拌，澆筑硬化，最終得到的具有許多微小氣泡的混凝土。普通加氣混凝土的主要原料是粉煤灰或礦渣，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)成型，泡沫混凝土與之有著本質(zhì)的區(qū)別，以水泥為主要的膠結(jié)材料，且采用自然養(yǎng)護(hù)。泡沫混凝土的發(fā)泡方式有兩種，分別為物理發(fā)泡和化學(xué)發(fā)泡。物理發(fā)泡是把預(yù)先生產(chǎn)的泡沫添加到混凝土漿體中，混合均勻，待混凝土硬化成型后，泡沫以孔洞的形式留在混凝土體內(nèi)。物理發(fā)泡產(chǎn)生的孔洞孔徑較小，一般小于2 mm?；瘜W(xué)發(fā)泡是將化學(xué)發(fā)泡劑加入到預(yù)先制備好的混凝土料漿中，并混合均勻，由溫差效應(yīng)或催化作用使發(fā)泡劑發(fā)生水化反應(yīng)并生成氣體，隨著混凝土的硬化，最終形成氣泡并固定在混凝土內(nèi)部。常用的發(fā)泡劑為過(guò)氧化氫，以MnO2或KMnO4為催化劑?；瘜W(xué)發(fā)泡產(chǎn)生的孔隙較大，直徑一般為2 mm～4 mm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]，泡沫混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)在原有混凝土基礎(chǔ)上發(fā)生了較大改變。泡沫混凝土密度較小，普通泡沫混凝土密度等級(jí)一般為300 kg/m3～1 200 kg/m3，超輕泡沫混凝土密度可低至160 kg/m3，可使構(gòu)件重量降低25%～40%。熱工性能有較大提升，由于體內(nèi)含有大量微小且封閉的氣泡，保溫隔熱能力顯著增強(qiáng)，普通的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.08 W/(m·K)～0.3 W/(m·K)。同時(shí)，體內(nèi)的封閉氣泡增強(qiáng)了混凝土的隔聲能力，有效減少了噪聲污染?，F(xiàn)階段，泡沫混凝土主要用于建筑物的保溫隔熱，在墻體，屋面及地基等構(gòu)件中有較多應(yīng)用。此外，泡沫混凝土在巖土和道橋中也有應(yīng)用，泡沫混凝土本身是一種軟材料，滿足補(bǔ)償?shù)鼗牧系囊螅颐芏刃?，產(chǎn)生的附加應(yīng)力小，保溫性能好，能有效解決溫差引起的變形問(wèn)題。

2.4 纖維混凝土

普通混凝土的固有特性是能承受較大壓力，但抗拉和抗彎能力很弱，隨著現(xiàn)代土木工程的發(fā)展，增強(qiáng)混凝土的抗拉、抗彎和抗折能力也成為一項(xiàng)重要課題。為了滿足以上要求，研制出了纖維混凝土。為了提高混凝土的性能，在普通混凝土中添加纖維材料，生產(chǎn)改性混凝土，是混凝土研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向。纖維混凝土是在原有混凝土的基礎(chǔ)上，加入纖維材料，以此來(lái)改變混凝土的性能。加入纖維材料，相當(dāng)于在混凝土中添加了微鋼筋，起到了和鋼筋相同的作用，在混凝土受拉時(shí)分擔(dān)拉力，從而提高抗拉和抗彎的能力。纖維混凝土性能的提升主要取決于添加的纖維材料，按照纖維材料的來(lái)源可分為人造纖維和天然纖維兩類。目前，使用比較廣泛的建筑纖維材料主要包括鋼纖維、玻璃纖維和碳纖維等幾種材料。理論上凡是具有高強(qiáng)度和高彈性模量的纖維均可作為纖維材料添加到混凝土中，但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)纖維材料有較高的要求。除了要具備較高的強(qiáng)度和彈性模量，還應(yīng)具備化學(xué)穩(wěn)定性。混凝土本身是堿性材料，pH值可達(dá)10～12，纖維材料應(yīng)具備在強(qiáng)堿性環(huán)境中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)。其次，在水泥水化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，有時(shí)溫度可達(dá)80 ℃以上，部分混凝土采用高溫養(yǎng)護(hù)，體內(nèi)溫度可達(dá)200 ℃。纖維材料必須具有良好的熱穩(wěn)定性才能保證性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變。此外，纖維材料應(yīng)與混凝土漿料充分混合，并且與混凝土有較強(qiáng)的粘結(jié)力，才能保證纖維的性能得到完全施展。

纖維混凝土的主要特點(diǎn)是[5]施工性能良好，由于在混凝土中加入了纖維材料，提高了粘聚性和流動(dòng)性，施工效率有所提高?？估涂箯澬阅茱@著提高，普通建筑用纖維抗拉強(qiáng)度即可達(dá)幾百兆帕，遠(yuǎn)高于混凝土抗拉強(qiáng)度。纖維材料的高彈性模量使得混凝土的變形性能明顯提升，韌性可提高十幾倍，極限拉應(yīng)變也顯著提高。纖維還能阻止裂縫的開(kāi)展，提高混凝土的抗侵蝕能力和耐久性。除此之外，某些特殊纖維制作的混凝土還具有其他的優(yōu)良性能，如石棉纖維混凝土絕熱性和耐久性良好，尼龍纖維混凝土抗?jié)B和抗凍能力有很大提升，杜拉纖維等新興的材料也展現(xiàn)出了不同的新特性。現(xiàn)階段，纖維混凝土的研究和發(fā)展已比較完善，在工程中應(yīng)用也較廣泛，公路，隧道，碼頭等對(duì)耐久性和抗腐蝕性要求較高的工程對(duì)纖維混凝土的需求比較大。

2.5 再生混凝土

再生混凝土，又稱再生骨料混凝土，是將廢棄的混凝土材料經(jīng)過(guò)加工處理后，生產(chǎn)出再生粗骨料和再生細(xì)骨料，全部或部分代替天然骨料，制成的一種新型環(huán)保混凝土?，F(xiàn)代工程中，混凝土作為使用最廣泛的建筑材料，隨之產(chǎn)生了很多的建筑垃圾，為了解決這一問(wèn)題，研制出了再生混凝土。廢棄混凝土一般通過(guò)多次破碎并篩選的方法制成再生骨料，再生骨料存在一定缺陷，通常需經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理來(lái)改善再生骨料的性能。強(qiáng)化處理的方法有物理強(qiáng)化，化學(xué)強(qiáng)化。化學(xué)強(qiáng)化是用強(qiáng)化材料，如水泥外摻Kim粉、硅灰和粉煤灰等，對(duì)制得的骨料浸泡和沖洗，對(duì)內(nèi)部的空隙進(jìn)行填充，對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，從而達(dá)到強(qiáng)化目的。化學(xué)強(qiáng)化法浸泡后，混凝土抗壓強(qiáng)度有明顯提升，其他性能則改變很小。物理強(qiáng)化是通過(guò)摩擦切削的方法，除去表面雜質(zhì)，磨平棱角，減少骨料的缺陷，從而達(dá)到強(qiáng)化目的。

與原生骨料相比，再生骨料強(qiáng)度較低、吸水性強(qiáng)、孔隙率大，導(dǎo)致再生混凝土抗壓強(qiáng)度比普通混凝土要低[6]。國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明[7,8]，全部由再生骨料組成的混凝土抗壓強(qiáng)度較普通混凝土降低30%以上，再生混凝土受壓時(shí)的破壞主要發(fā)生在新老界面交界處，并沿著新老界面發(fā)展。由于再生骨料材料分布不均勻，也會(huì)發(fā)生再生骨料破壞的現(xiàn)象。目前，提高再生混凝土強(qiáng)度的方法主要是調(diào)整水灰比和顆粒級(jí)配，添加外加劑和摻合料等?，F(xiàn)階段生產(chǎn)出的再生混凝土的性能已有部分可達(dá)到甚至超過(guò)普通混凝土。再生混凝土在國(guó)外應(yīng)用廣泛，歐美、蘇聯(lián)、日本等對(duì)再生混凝土的研究較多，也取得了很大進(jìn)展。日本的再生混凝土技術(shù)發(fā)展迅速，走在世界前列，對(duì)廢棄混凝土的利用率超過(guò)98%，幾乎完全實(shí)現(xiàn)了建筑垃圾的完全再利用。我國(guó)的再生混凝土技術(shù)起步較晚，又因?yàn)槌杀据^高，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，再生混凝土在我國(guó)的使用并不廣泛，仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索。

3 結(jié)語(yǔ)

新型混凝土種類繁多，本文所述只是其中一部分。新型混凝土因?yàn)閮?yōu)良的性能被廣泛使用，在各種建筑結(jié)構(gòu)中也會(huì)更加常見(jiàn)。值得強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，不應(yīng)過(guò)分夸大新型混凝土性能和作用。建筑工程中還是以普通混凝土為主，切不可濫用新型混凝土，需要時(shí)可根據(jù)工程實(shí)際合理使用。