混凝土结构的发展及展望

混凝土的发展及其展望

摘要：混凝土结构约有150年的历史，与钢、木和砌体结构相比，由于它在物理力学性能、材料来源以及工程造价等方面有很多优点，所以发展速度很快，应用也很广泛。而面对各种各样的需求，高性能混凝土和智能混凝土也逐渐发展起来了。

关键字：混凝土高性能智能发展

我国是采用混凝土结构最多的国家，在高层建筑和多层框架中大多采用混凝土结构。在多层住宅中也广泛采用了混凝土—砌体混合结构；电视塔、水塔、水池、冷却塔、烟囱、贮罐、筒仓等构筑物中也普遍采用了钢筋混凝土和预应力混凝土结构。此外，在大跨度的公共建筑和工业建筑中也广泛采用混凝土结构。而面对各种新的要求，混凝土也面临着许多新的挑战。

一、传统混凝土面临着的前所未有的挑战。

传统的混凝土虽然已有近200年的历史，也经历了几次大的飞跃，但今天却面临着前所未有的严峻挑战：(1)随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。这些混凝土工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇筑时不产生缺陷，更要耐久性好，使用寿命长。(2)进入20世纪70年代以来，不少工业发达国家正面临一些钢筋混凝土结构，特别是早年修建的桥梁等基础设施老化问题，需要投入巨资进行维修或更新。(3)混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生

态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用1t水泥，大概需要0．6t 以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1 t硅酸盐水泥约需1．5 t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1t CO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。

尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。因此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料；必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的，耐久和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。

二、高性能混凝土的概念和面对的问题

高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)是20世纪80年代末90年代初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后混凝土技

术的发展方向。

高性能混凝土有要求较大的强度的高墙混凝土，有要求浇筑时流动性好的自密实混凝土，有要求混凝土很快达到强度值的速凝混凝土，有要求较好的耐久性的耐久性混凝土，有要求混凝土自重小的轻质混凝土。并且高性能混凝土在发展中也面临着诸多问题如：（1）高性能混凝土是否一定要高工作性，高的工作性一般是在提高混凝土浆体含量的情况下产生的，浆体含量的提高也就意味着混凝土开裂的可能性增加，同时，高的流动性也将使混凝土浇筑时容易振捣离析。因此，不能把流动性作为混凝土拌合物“高性能”的指标，而应当根据不同工程特点，注重拌合物的施工性能。坍落度的大小应服从于混凝土的匀质性和体积稳定性。（2）高性能混凝土的开裂问题，近年来在国内外发生较多“高性能混凝土”结构开裂，特别是早期开裂的问题。由于高性能混凝土一般具有高胶凝材料用量、低水胶比与掺人大量活性掺合料等配制特点，致使高性能混凝土的硬化特点与内部结构，同传统的普通混凝土相比具有很大的差异，随之带来了它的早期体积稳定性差、容易开裂等问题。而混凝土的裂缝正是在使用阶段环境侵蚀性介质侵入的通道，进而削弱其耐久性。高性能混凝土在国内外的应用实践表明，早期开裂问题已成为制约其在工程中应用的重要因素。因此，改善高性能混凝土的抗裂性是高性能混凝土研究中急需解决的问题。，

三、智能混凝土的产生和发展

混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用，疲惫效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了有效地避免突发事故的发生，延长结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检

测X射线及C扫描等，只能定性检测，而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成为结构一功能（智能）一体化的发展趋势。

智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆，自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预告混凝土材料内部的损伤，满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。

（1）损伤自诊断混凝土：自诊断混凝土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用有碳纤维智能混凝土：碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。