混凝土技术进展现状与可持续发展前景

2006年4月第35卷　第4期施　工　技　术

C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY

混凝土技术进展现状与可持续发展前景

覃维祖

(清华大学,北京　100084)

[摘要]近几十年来,混凝土技术的进展使其强度和工作度呈现巨大的变化,然而混凝土结构的耐久性却面临日益

严峻的挑战,文章分析产生强烈反差的原因,对今后混凝土可持续发展的前景进行讨论。

[关键词]混凝土;高强混凝土;绿色高性能混凝土;可持续发展[中图分类号]T U52811

[文献标识码A [文章编号]100228498(2006)0420001204

The Situation and Sustainable Development Prospect of

Concrete Technical Development

QI N Wei-zu

(Tsinghua Univer sity ,Beijing 100084,China )

Abstract :At the latest several years ,the strength and w orkability of concrete are greatly im proved because of the development of concrete technology.But the durability of concrete structure faced the m ore and m ore severe challenge.In this article ,author analyzes the reas on which causes the remarkable contrast ,and discusses the concrete sustainable development prospect for the future.

K ey w ords :concrete ;high strength concrete ;green high performance concrete ;sustainable development [收稿日期]2005212208

[作者简介]覃维祖(1942—

),男,湖北蒲圻人,清华大学土木工程系教授,北京　100084,电话:(010)62785836

混凝土是当今世界上应用最广泛的建筑材料;同时,正如美国加州大学教授M ehta 所说:主要用于现代混凝土的水硬性胶凝材料———硅酸盐水泥,其生产不仅耗能大,而且排放大量的温室气体C O 2。普通混凝土要用约12%水泥、8%拌合水和80%的骨料。这意味着全世界混凝土除了每年要用16亿t 水泥以外,还要消耗近100亿t 的砂石和10亿t 水,即每年消耗126t 原材料,是世界上最大的自然资源用户。除每年30亿

t 生产水泥的原材料外,巨大数量骨料的开采、加工和

运输消耗相当可观的能源,并对地球的生态产生负面影响[1]。

在中国,不仅十几年来水泥产量高居世界的榜首,且在最近3年(2002～2004年)以每年增产1亿多t 水泥的惊人速度发展,其混凝土的耗用量也就可以随之推测出来。这说明:从事与混凝土材料和工程领域相关的人们,不仅要关注技术发展的前沿,还有必要关注混凝土业的可持续发展。

为使混凝土业能够可持续地发展,M ehta 提出了3个基本原则,或者说是3个基础,即:节约利用混凝土原材料,提高混凝土结构耐久性,以及在混凝土技术的研究和教育中将习用的还原论方法转换为整体论方法[2]。

1　混凝土强度与工作度

长期以来,混凝土业和设计人员都只面对可用于任何环境的万能混凝土,其抗压强度通常在15～25

MPa 。有些国家用于结构的混凝土抗压强度要稍高,为25～35MPa 。美国直到20世纪70年代末,广泛用于建

筑的混凝土强度仍在5000psi (35MPa )以下。

直到1983年,美国杂志《混凝土国际》上刊载了瑞士B ürge 的文章“24h 214000psi ”。文章叙述以水泥掺入硅灰作为胶凝材料,添加大剂量高效减水剂,将水胶比降低到0120甚至更低,可以使用常规的搅拌设备拌合及成型,经自然养护制备出1d 抗压强度达到100MPa 的混凝土。

该文章不仅在美国,甚至在全世界引发了一场开发与应用高强混凝土(HSC )的热潮。例如美国于20世纪80年代末、90年代初在芝加哥、纽约、西雅图等城市采用抗压强度为80～130MPa 混凝土建造了多栋100～

300m 的高层建筑;北欧一些国家,例如丹麦、挪威和冰

岛等,则使用100～150MPa 的HSC 铺筑道路。需要指

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出,这些应用并非在意其高强度,而是为了满足其他性能的要求。例如高层建筑物采用HSC,是为了增大柱子的弹性模量,以减小在风载下的水平位移;道路采用HSC,则是为了它像坚硬的花岗岩石般耐磨,以抵挡当地冬季使用带钉轮胎的车辆来回行驶引起的磨损。

在国内,值得一提的HSC工程应用,是1995年11月北京财税大楼原设计框架及墙体采用C60,经协商将首层4根柱子改为C100。混凝土采用525号(相当于现行标准4215级)水泥并掺加硅粉,以中砂和5～20mm卵碎石为骨料,掺用高效减水剂将水胶比降低至0123,控制拌合物坍落度205mm(2h基本无损失)、和易性良好、无离析泌水、泵送顺利(泵压18～20MPa)浇注。现场制作的150mm立方体试件28d强度为125～13116MPa;弹性模量5418G Pa;1000次冻融循环残余动弹模9718%;抗渗>S35;28d碳化深度为0。

针对HSC自生收缩大、易于开裂的特性,研究人员又找到了掺入钢纤维的办法。但是,要想再大幅度提高其力学和其他性能,显然受到粗骨料和砂浆间界面薄弱的限制,而且钢纤维的“架桥”作用也很局限,长纤维对拌合物的工作度影响又十分显著。于是,法国人皮埃尔・里查德(P.Richard)仿效“高致密水泥基均匀体系(DSP材料)”,将粗骨料剔除,根据密实堆积原理,用最大粒径400μm的石英砂为骨料,制备出强度和其他性能优异的活性粉末混凝土(RPC)。这种新材料申报了专利,并在1994年旧金山的美国混凝土学会春季会议上首次公开[3]。

随后短短几年里,活性粉末混凝土在法国一核电站为其冷却系统生产了2500多根大小梁(耗用混凝土823m3)、生产了大量核废料储存容器,在加拿大Shwrbrooke建造了一座60m跨径,供行人和自行车通行的桥梁,以抵抗当地冬季零下30℃反复洒除冰盐的严酷环境条件的侵蚀。通过这些工程应用,初步显示出活性粉末混凝土良好的使用性能、简便的生产和施工工艺,因而具有广阔的发展前景。1998年8月,在Shwrbrooke召开了第1次有关活性粉末混凝土和高性能混凝土的国际研讨会。

到了20世纪末,已达到如A tcin所说:[4]①工业水平生产150MPa混凝土;②剔除粗骨料,可以生产200MPa活性粉末混凝土(RPC);③在薄壁钢管里受限, RPC的强度能进一步提高到375MPa;④当砂被金属粉末所替代,RPC的强度还能进一步提高到800MPa。

不到30年实现的这一切成就,是在硅酸盐水泥没有发生任何大变化的前提下取得的。

在20世纪后半叶,由于工艺和设备的不断进展,以及混凝土组成材料的多样化,拌合物坍落度也发生了巨大的变化:①50年代干硬、插捣,坍落度为0～2cm;②60年代干硬、插捣与低频振捣,坍落度为2～4cm;③70年代塑性、低频振捣,坍落度为5～9cm;④80年代泵送、流态、高频振捣,坍落度为8～20cm;⑤90年代泵送、自密实,坍落度为16～25cm。

如今,自密实混凝土由于适用于施工形状复杂、钢筋密集,因而难以振捣的部位;可以大大加快混凝土浇注速度,以及消除振捣带来令人烦恼的噪声等优越性,已在许多国家的现浇和预制混凝土构件生产中,例如桥梁、隧道,以及建筑物上的各种构件等获得相当广泛的应用。

2　混凝土结构的耐久性

1997年,M ehta发表题为“耐久性———影响未来的关键问题”[5]的文章,指出我们面临混凝土耐久性问题的严重性:

一些屹立了2000年之久的无筋混凝土结构,例如用缓慢硬化的火山灰2石灰水泥建造的古罗马万神殿和欧洲的几条输水管道仍然完好;同时20世纪用波特兰水泥建造的钢筋混凝土结构则迅速地劣化。当暴露在侵蚀环境,例如除冰盐和海水中,桥面板、停车场、海底隧道和其他海工结构在不到20年时间就出现严重的耐久性问题。

在20世纪30年代,刚开始大力兴建混凝土结构时,人们普遍认为它的设计使用寿命是40～50年,而且基本无须维护,还绰绰有余。直到70年代,混凝土过早劣化的现象,仍被看作是例外,是由于规范存在问题,或者材料与施工不当所引起。混凝土结构的耐久性问题在美国引起轰动,是由1987年国家材料顾问委员会提交的报告所导致。该报告报道:大约2513万座混凝土桥梁的桥面板,其中部分仅使用不到20年,就已经不同程度地破坏,而且每年还要增加315万座。

同年,Litvan和Bickley发表了对于加拿大停车场的检测报告,他们发现大量停车场在远比预计的服务寿命提前出现破坏的现象。G erw ick等人分别报道了一些国家的海底隧道、海洋桩基和铁路轨枕过早出现严重劣化的现象。而研究表明:这些结构物的设计、材料和施工都符合现代技术发展水平。

为什么现今钢筋混凝土结构比设计预期的服务寿命早得多就开始劣化?许多研究者,包括M ehta等人指出[1]:设计成高早强的现代硅酸盐水泥混凝土通常容易开裂,混凝土的裂缝、微裂缝和孔隙之间互相连通,为水和有害离子提供了侵入的通道,使耐久性问题开始出现。

根据对20世纪现场混凝土结构耐久性的回顾, M ehta和Burrows断言[6]:现今受分解论影响,仅为满足

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