國外混凝土技術(shù)新進展

　　以水泥為膠凝材料生產(chǎn)的混凝土，今天已成為全世界各種各樣結(jié)構(gòu)工程建設(shè)首選的建筑材料，這主要是由它的經(jīng)濟性所決定：原材料來源廣泛、便宜，施工與維修費用較低廉。使混凝土技術(shù)向前推進的兩大驅(qū)動力，是加快施工速度和改善混凝土耐久性。

　　西方工業(yè)國于40~70年代曾因為早期強度很高的水泥問世，而當時結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度尚不高，于是出現(xiàn)將混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生產(chǎn)，在滿足強度要求的前提下易于施工操作，然而這給混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來后患，尤其是當其暴露于侵蝕性環(huán)境工作的條件下。

　　在近些年來的進展中，最突出的就是添加高效減水劑制備的“超塑化拌合物”，即用水量較低，而流動性還非常好的拌合物，硬化后由于孔隙率小，因而強度高且耐久性優(yōu)異。為使暴露于侵蝕環(huán)境的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命長久的目的，運用阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋和陰極保護等，也是同期出現(xiàn)，并且已為眾所周知的先進技術(shù)途徑。

　　除了加快施工速度和改善耐久性以外，第三種驅(qū)動力，即對環(huán)境友好的工業(yè)化材料，這方面在未來技術(shù)評價中的重要性正在日益增大。本文以下列三方面作為技術(shù)評價的基準：

　　A.材料與施工費用

　　B. 耐久性

　　C.對環(huán)境友好

　　這里不打算對混凝土技術(shù)所有最新的進展做一綜述，只從近三十年來筆者認為是較為重大的進展中有選擇地進行一簡短地回顧。

　　1、高效減水劑

　　Malhotra在十七年前曾說過：混凝土技術(shù)多年來沒有什么大的進展，40年代開發(fā)的引氣是其中之一，它改變了北美混凝土技術(shù)的面貌；高效減水劑是另一個重大突破，它在今后許多年里將對混凝土的生產(chǎn)與應(yīng)用帶來重大的影響。

　　事實證明他的預(yù)見是正確的：超塑化混凝土、高性能混凝土的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，包括高強混凝土、高耐久性混凝土、高摻量粉煤灰或礦渣混凝土、自密實混凝土、水下抗分散混凝土、高性能纖維增強混凝土等。

　　60年代日本發(fā)明的萘磺酸鹽與西德發(fā)明的磺化蜜胺樹脂，是高效減水劑代表性產(chǎn)品。陰離子的長鏈化合物吸附在水泥顆粒表面，通過電性斥力使其有效地分散在水中。日本首先將這種混凝土用于高強樁的生產(chǎn)，七十年代于公路和鐵路橋上采用了坍落度中等、強度在50~80MPa的混凝土梁；在西德，首先將高效減水劑用于水下不分散混凝土，改善粘稠拌合物的流動性，而無須變化水膠比。由于兩者可以同時兼顧，因此如今高效減水劑在全世界到處都用于生產(chǎn)高強、高流動性和耐久性的混凝土。

　　萘磺酸鹽與磺化蜜胺樹脂通常存在坍落度損失快的問題，雖然可以通過在現(xiàn)場后添加的方式來解決，但這樣既費錢又費事。1986年，日本人開發(fā)了長效的高效減水劑，它是含羧酸鹽、酰胺或羧酸酐的水溶性化合物。硅酸鹽水泥水化形成的堿性溶液逐漸激活高效減水劑，生成水溶性分散劑，有助于坍落度長時間維持。含有環(huán)狀聚合物的聚羧酸高效減水劑的開發(fā)，使拌合物能夠同時具有高流動度、坍落度長時間保持且高抗離析。萘系與蜜胺系的長效減水劑商品現(xiàn)在也已問世。

　　2、高強混凝土和砂漿

　　高強混凝土（>40MPa）首先用于30層以上高層建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因為這種建筑物下部三分之一的柱子，在用普通混凝土?xí)r斷面很大。除節(jié)省材料費用外，與鋼結(jié)構(gòu)相比，加快施工速度也是采用混凝土結(jié)構(gòu)的重要特點，自美國芝加哥在1965年以50 MPa 混凝土澆注Lake Point Tower的一些柱子以來，北美和其他國家到處都在用高強混凝土建造高層建筑。芝加哥79層的Water Tower Place大樓柱子采用了60MPa混凝土；多倫多的Scotia Plaza Building和西雅圖的Two union Square Building兩座建筑物則分別有90 和120MPa強度的混凝土柱子。

　　為獲得高強度，通常要借助高效減水劑將水膠比降到0.4以下，因此，同時獲得的重要特性就是低滲透性，這是在侵蝕環(huán)境中保持長期耐久性的關(guān)鍵。更多的高強混凝土應(yīng)用是將耐久性，而不是強度作為首要的考慮。海洋混凝土結(jié)構(gòu)——大跨橋梁、海底隧道和離岸采油平臺，是這種應(yīng)用的實例。

　　高流動而不離析是超塑化、高強度混凝土發(fā)展的另一個原因，這類拌合物的工作度一般可用火山灰質(zhì)或礦物摻合料，如硅粉、粉煤灰、稻殼灰與磨細礦渣來改善。易于泵送和成型可以顯著減少大工程，如配筋密集的鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土高層建筑、離岸構(gòu)筑物的施工費用。

　　CBC（化學(xué)粘結(jié)陶瓷）、MDF（無宏觀缺陷）水泥制品和DSP（微粒壓實產(chǎn)品）是新的一族高強水泥基材料，它們具有很高的抗壓強度和彈性模量，但限于非結(jié)構(gòu)應(yīng)用。為達到高強結(jié)構(gòu)應(yīng)用的高韌性要求，法國Richard等人開發(fā)出摻有鋼纖維的活性粉末混凝土，實際是超塑化的活性粉末砂漿。其水泥用量為1000Kg/m3；細砂與煅燒石英230 Kg/m3；水150~180 Kg/m3；和微纖維630 Kg/m3。用機械壓實的試件經(jīng)400℃熱處理后，抗壓強度可達680 MPa 、抗折強度100 MPa、彈性模量75GPa?，F(xiàn)在預(yù)測活性粉末混凝土未來的發(fā)展還為時過早，因為盡管它的初始費用高昂、加工技術(shù)復(fù)雜，但在建筑業(yè)還是有適當?shù)挠猛荆貏e是在高侵蝕環(huán)境中，大摻量的微纖維使其抗裂性能提高，保證了它的水密性。

　　3、高性能混凝土

　　所謂高性能混凝土，開始是用于表征具有高工作度、高強度和高耐久性的混凝土。因此高強混凝土和高性能混凝土的首要區(qū)別是后者強調(diào)高耐久性。由于在嚴酷環(huán)境條件下，除非結(jié)構(gòu)物在其服務(wù)過程不出現(xiàn)裂縫，否則就不可能獲得與維持高耐久性。所以這種混凝土必須設(shè)計成具備高度體積穩(wěn)定性。為了減少混凝土由于溫度收縮和干縮產(chǎn)生的開裂，必須限制混凝土拌合物中的水泥漿含量。

　　Mehta和Actcin提出的高性能混凝土配合比設(shè)計方法限定總水泥漿量為混凝土體積的1/3；允許部分硅酸鹽水泥用火山灰或有膠凝性的摻合料來代替。

　　A?tcin曾預(yù)言：摻礦渣、粉煤灰、硅粉、亞粘土、稻殼灰和石灰石粉的三元混合水泥除了可以使高性能混凝土的制備更經(jīng)濟外，還能發(fā)揮它們的超疊作用，改善其新拌與硬化時的性質(zhì)。

　　在1993年，美國混凝土學(xué)會下屬的技術(shù)委員會提出一新的高性能混凝土定義：滿足工程特殊要求的各種性能，可包括易澆搗而不離析，高長期力學(xué)性能、高早期強度、高堅韌性與高體積穩(wěn)定性，或在嚴酷環(huán)境中使用壽命長久，并且勻質(zhì)性良好的混凝土。根據(jù)該定義，耐久性不是高性能所必須的，這樣就會形成開發(fā)嚴酷環(huán)境下未必耐久的高性能混凝土的后果。

　　例如在公路工程中，美國有人就提出幾種以高早強水泥用量在400 Kg/m³左右或更多的高性能混凝土拌合物配合比，Mehta認為：除非采取特殊的措施，否則這種混凝土是很容易因為溫度收縮、自身收縮和干縮應(yīng)力而開裂的。顯然，僅從加快施工速度出發(fā)，就可能對結(jié)構(gòu)使用壽命造成危害。所以建議在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要考慮運行周期費用，而不是初始造價。同時，有必要重新考慮一個問題，即長期耐久性成問題的混凝土，究竟是否能作為高性能混凝土進入市場？[Page]

　　高性能混凝土技術(shù)正在世界各地成功地用于很多離岸結(jié)構(gòu)物和長大跨橋梁的建造，Langley等人敘述了幾種加拿大一長大跨橋梁所用的拌合物。它們用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥用量為450 Kg/m³，水153L/ m³，引氣劑160mL/ m³和高效減水劑3L/ m³。其坍落度大約在200mm；含氣量6.1%；1d、3d、28d抗壓強度分別為35、52和82 MP_a；基礎(chǔ)和其他大塊混凝土的混合水泥用量為307 Kg/m³，粉煤灰133 Kg/m³，用水量接近，但引氣劑和高效減水劑摻量大幅度減小，坍落度約在185mm；含氣量7%；1d、3d、28d和90d抗壓強度分別為10、20、50和76 MPa。根據(jù)加拿大和美國的透水性與氯離子快速滲透標準方法實驗結(jié)果表明：兩部分混凝土都呈現(xiàn)非常低的滲透性。對高性能混凝土結(jié)構(gòu)的施工，需要非常強調(diào)加強現(xiàn)場實驗室試驗和質(zhì)量驗收。

　　高性能混凝土發(fā)展的另一領(lǐng)域是高性能輕混凝土，相對于鋼材，普通混凝土的強度/自重比很低，摻有高效減水劑的高強混凝土則大大提高了該比例；用有大量微孔的輕骨料代替部分普通骨料，就能進一步提高這個比例。由于骨料的質(zhì)量不同，密度為2000 Kg/m³、抗壓強度在70~80 MPa的高性能輕混凝土在一些國家已經(jīng)商品化并用于構(gòu)件生產(chǎn)。在澳大利亞、加拿大、日本、挪威和美國，高性能輕混凝土已用于固定式和漂浮式鉆井平臺；因為水泥漿和骨料之間的界面粘結(jié)強度高，它可以不透水，所以在侵蝕環(huán)境中能夠很耐久。

　　采用摻10~15%硅粉甚至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土，具有優(yōu)良的粘附力，因此適用于濕噴的噴射混凝土進行結(jié)構(gòu)修補，這也是高性能混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

　　4、自密實混凝土

　　技術(shù)工人短缺和節(jié)省施工時間，是日本開發(fā)和應(yīng)用自密實混凝土的主要原因。由于這種混凝土要有足夠的粘聚性，以保證其澆注過程不致離析，粉體需用量較大，如果全用水泥，容易導(dǎo)致開裂，因此粉煤灰、礦渣或石灰石粉的摻量通常較高。如日本明石大橋的錨固墩290000方混凝土里均摻有150 Kg/m³石灰石粉。在法國，預(yù)拌混凝土廠生產(chǎn)供應(yīng)自密實混凝土，作為無噪音產(chǎn)品，可用于城市街區(qū)一帶的混凝土澆注。由于減小噪音、節(jié)約勞力并延長鋼模板使用壽命，預(yù)制混凝土業(yè)也對其感到興趣。

　　5、延長使用壽命的一些技術(shù)

　　鋼筋銹蝕已使得大量混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)劣化。除了上述高性能混凝土以外，還有一些技術(shù)，包括阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋、陰極保護和混凝土表面的保護性涂層，分別敘述如下：

　　阻銹劑——摻有2%亞硝酸鈣將氯離子濃度的閾值提高到足以防止鋼筋銹蝕的水平。阻止陽極反應(yīng)，例如亞硝酸鈣，有將氯離子引起的陽極反應(yīng)降低到最小的功能。亞硝酸根離子相對接近鋼材表面的氯離子量決定其是否能達到保護鋼筋免于銹蝕，提出達到使鋼筋不銹蝕的氯/亞硝酸鹽之比要小于1.5。Nmai等人認為陽極阻銹劑，包括亞硝酸鈣，有一系列局限性。他們研究了一種胺基脂，不僅有降低氯離子穿透混凝土保護層能力的作用，還能在鋼材表面形成一保護膜。對浸泡在6%氯化鈉溶液中，預(yù)先處理使混凝土梁存在裂縫的初步研究表明：以胺基脂為阻銹劑，用量為5 L/ m³混凝土，其阻銹作用要優(yōu)于以亞硝酸鈣為阻銹劑，用量為20 L/ m3的效果?？磥碛斜匾M一步研究，以確定不同阻銹劑的局限性和長期使用效果。

　　環(huán)氧涂層鋼筋(ECR)——美國在七十年代就將其用于橋面板；八十年代用于停車場坡道。估計大約有27000座橋面板采用了ECR。大部分處于冬季使用除冰鹽地區(qū)。有些情況下，使用效果不能令人滿意。早期采用ECR結(jié)構(gòu)效果不佳的原因，是涂層不當、環(huán)氧脫開、保護層不夠或其它施工問題。1993年對14個州使用ECR，暴露于凍融循環(huán)條件，時間為18~20年橋面板的調(diào)查結(jié)果表明：自采用ECR后，只須少量或無須維護工作；然而，1996年對停車場的調(diào)查則表明：只有60%獲得預(yù)期的效果。業(yè)界用戶認為：采用ECR，只能延長10~15年鋼筋不生銹?？磥憩F(xiàn)在對ECR在價格性能比方面，是否適宜作為長期阻銹的措施下定論還為時尚早。

　　鋼筋混凝土的陰極保護——陰極保護技術(shù)包括在相反方向外加電流和犧牲陽極來抑制電池電流。外加電流法通常用于受氯鹽污染的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防銹；一些研究者報道：鋼材與混凝土間粘結(jié)力的劣化，很可能是由于鈉鉀離子的積聚，它造成鋼—混凝土界面的軟化；劣化程度隨外加電流的密度和混凝土中含氯量的增大而加劇。

　　表面涂層——根據(jù)Swamy等人的說法，運用表面涂層保護鋼筋免于銹蝕的做法，其有效性長期以來受到疑義，這是由于涂層材料的來源很廣，而類似的涂層的擴散特性差異顯著。作者采用高彈性的丙烯酸橡膠涂層，它顯示優(yōu)異的工程性質(zhì)與非常小的擴散系數(shù)。這種涂層改善混凝土耐久性的效果，包括控制有害的堿-硅膨脹的效果已經(jīng)證實。對表面涂層的長期性能和費用—效果還需要繼續(xù)研究。

　　6、高摻量粉煤灰和礦渣混凝土

　　當今全世界粉煤灰的年排量約為4.5億噸，只有0.25億噸，或6%作為混合材用于水泥或礦物摻合料用于混凝土。如果產(chǎn)灰國將粉煤灰在混凝土里的應(yīng)用加速，那么混凝土對環(huán)境友好的作用就能大大增強。有大量高爐礦渣副產(chǎn)品的國家還可以通過利用其作為混凝土或水泥摻合料獲利。下面舉一些例子：

　　結(jié)構(gòu)混凝土——Malhotra的研究表明：摻有高效減水劑的混凝土，當拌合物的水膠比為0.3或者更低時，最多可達60%的水泥用粉煤灰代替，并具備強度與耐久性優(yōu)異的特性。例如以Ⅰ型水泥150 Kg/m³、粉煤灰200 Kg/m³、水102Kg/m³、粗骨料1220 Kg/m³、細骨料810 Kg/m³、和高效減水劑7 L/ m3制備的混凝土，其1d、28d和180d的抗壓強度分別為8、55與80 MP_a。廣泛的實驗表明：其彈性模量、徐變、干縮和凍融特性均與普通混凝土相當。值得注意的是：這種混凝土抵抗水和氯離子滲透的能力優(yōu)異，從結(jié)構(gòu)耐久性的角度，包括控制暴露于侵蝕環(huán)境中鋼筋的銹蝕，應(yīng)用摻有超塑化劑的高摻量粉煤灰混凝土是粉煤灰在建筑業(yè)中附加值最高的途徑。

　　碾壓混凝土大壩（RCCD）——自八十年代以來，碾壓混凝土筑壩技術(shù)在全世界被廣泛接受，作為建設(shè)中等高度大壩最快也最經(jīng)濟的施工方法。根據(jù)Dunstan的報道，到1992年為止，全世界已有近100座 RCCD在17個國家建成。在碾壓混凝土中通常摻有大量火山灰質(zhì)材料，主要是粉煤灰，如瑞士一高度為95m的Platanovryssi壩所用碾壓混凝土水泥用量僅35 Kg/m³，而粉煤灰（屬高鈣粉煤灰，總CaO達42%）為250 Kg/m³，是以褐煤為原料的熱電廠所排放，使用前經(jīng)預(yù)處理（燃燒并水化）。[Page]

　　混凝土公路路面——在美國大約70%的低交通量公路與地方公路需要升級，考慮用大摻量粉煤灰代替水泥以降低造價，電力研究院(EPRI)出資搞了幾個示范工程：在北達科他州，1988和1989年夏天，用20000m³混凝土鋪筑厚為200 mm的路面，其水膠比為0.43，水泥用量100 Kg/m³、粉煤灰220 Kg/m³；德克薩斯州的路面示范工程在混凝土中成功地采用了低鈣灰和高鈣灰(摻量為混凝土重的10~20%)。該工程的另一特色是將老路面破碎的混凝土塊作為骨料用于新路面。

　　基層和路堤——高摻量粉煤灰和爐底灰在公路工程中的應(yīng)用包括穩(wěn)定土、路面基層、路堤和路肩，在1989年，3.5萬多噸粉煤灰在賓州用于建造公路的路堤；在佐治亞州，水泥-粉煤灰混合料用作公路試驗段的基層；在密執(zhí)安州，高鈣粉煤灰以每年30萬噸用于施工基層和路肩。

　　高摻量礦渣水泥——每年全世界高爐礦渣的產(chǎn)量大約為1億噸，作為膠凝材料的比率很低，因為在許多國家，只有少部分礦渣進行水淬或粒化處理，而緩慢冷卻的重礦渣沒有膠凝性質(zhì)。雖然美國材料試驗標準學(xué)會規(guī)定礦渣在水泥中的摻量可以到65%，但商品水泥中一般不超過50%。

　　根據(jù)Lang等人最近的研究，用一種德國產(chǎn)含礦渣77.8%的水泥（比表面積為405 m² /Kg）制備超塑化混凝土，水泥用量455 Kg/m³；水膠比0.28；其1d、3d、7d、28d抗壓強度分別為13、37、58和91 MPa。該混凝土具有良好的抵抗碳化、有機溶液滲透和凍融循環(huán)能力（不摻引氣劑）和鹽剝蝕。

　　7、混凝土再生骨料

　　由于各種不同的原因，建筑業(yè)將混凝土廢料再利用的重要性在增長，在許多國家的研究文獻和近來一些國際會議中得到反映。除了環(huán)境保護以外，天然骨料資源的保護、廢料堆積場所短缺和廢料堆積費用的上升，都是將廢棄混凝土作為再生骨料的原因。

　　根據(jù)Hendriks的報道，歐盟國家每年排放2億噸建筑施工和拆除舊建筑的垃圾，預(yù)計10年后還要翻番。在瑞士，自70年代以來，廢棄物再生產(chǎn)業(yè)一直在發(fā)展，60%的拆除廢料獲得再利用。Uchikawa估計：日本在1992年產(chǎn)生的建筑廢料約為8600萬噸，其中1/3，即2900萬噸是廢棄混凝土。1200萬噸已用作道路基層的骨料，其余的堆存起來。Saeki報道：再生骨料在寒冷地區(qū)作為道路基層材料的骨料，其各種性能是令人滿意的。美國在1983年從長約9km的高速公路路面上破碎已劣化的混凝土，用作骨料生產(chǎn)混凝土建造了新路面。

　　廢棄混凝土加工的骨料取決其潔凈度和堅實度，這與其來源和加工技術(shù)有關(guān)。利用預(yù)制場和預(yù)拌混凝土廠剩余混凝土加工的骨料通常比較干凈，性質(zhì)與剛加工的骨料接近；來源于拆除的路面或水工結(jié)構(gòu)的廢棄混凝土，需要篩分去除粉粒。許多實驗室和現(xiàn)場研究表明：廢棄混凝土相當于粗骨料的顆?？梢杂脕泶嫣烊还橇?，進行比較試驗的結(jié)果是前者作為骨料配制的混凝土抗壓強度和彈性模量至少是后者的2/3。

　　拆除建筑物時的廢棄混凝土比較難以處理，因為?；煊衅渌s物，如木頭、金屬、玻璃、石膏、紙、塑料和油漆。與拆除時的分選相結(jié)合，這類廢棄物可以分門別類地回收和再生，效果較好。顯然，由于加工費用所致，用建筑物拆除產(chǎn)生的廢棄物加工骨料，要比天然骨料還貴一些，但是這種情況很快就會改變，因為天然的優(yōu)質(zhì)骨料來源日趨短缺，而且廢棄物的處理所需費用也包括在經(jīng)濟分析的內(nèi)容里。

　　8、費用—效益分析

　　很少見到發(fā)表有關(guān)材料和施工費用的文獻，但未發(fā)表的報告提供了一些有用的數(shù)據(jù)。不同國家之間的差異可能十分顯著。此外，由于經(jīng)歷的時間尚短，還沒有過硬的數(shù)據(jù)涉及近來開發(fā)技術(shù)（旨在延長暴露于侵蝕環(huán)境條件的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物使用壽命）的費用—效益分析。

　　Gerwick曾試圖考察混凝土耐久性的經(jīng)濟性問題，比較了通常建議的控制混凝土受鋼筋銹蝕影響而劣化的一些措施（作為混凝土結(jié)構(gòu)物一次投資的百分比，以1994年西方國家的價格為基準），得出下列結(jié)論：

　　◆以粉煤灰或礦渣代替部分水泥，不增加費用，實際上只會降低費用；

　　◆用高效減水劑減小水膠比，要增加2% 費用；還摻有硅粉時，增加5%費用；

　　◆用阻銹劑或環(huán)氧涂層鋼筋時，增加8%費用；兩者都用時則為16%；

　　◆采用混凝土外表面涂層或結(jié)構(gòu)陰極保護時，需要增加20~30%的費用。

　　9、對混凝土技術(shù)進展的評價

　　對混凝土技術(shù)新近的發(fā)展，可以從5個角度將它們分成若干級，從而得出對混凝土業(yè)影響和沖擊大小的結(jié)論。

　　1）.由于復(fù)雜的加工技術(shù)、高昂費用和產(chǎn)品對環(huán)境的不利影響，看來無宏觀缺陷水泥與砂漿、化學(xué)粘結(jié)陶瓷和活性粉末砂漿總的來說今后只會對混凝土業(yè)產(chǎn)生不大的影響；

　　2). 超塑化混凝土拌合物（摻或不摻硅粉）、自密實混凝土將繼續(xù)在混凝土業(yè)應(yīng)用，由于其粘稠和自身收縮大的特性，需要特別注意抹面和養(yǎng)護，因此對混凝土業(yè)的影響為中等；

　　3). 由于技術(shù)簡單、初始費用低、高耐久性和有益于環(huán)境等原因，超塑化大摻量粉煤灰混凝土未來可望對混凝土業(yè)產(chǎn)生重大影響。在三元復(fù)合方面，即水泥、硅粉或稻殼灰、大摻量粉煤灰或礦渣，還有大量研究與開發(fā)工作要做。

　　4). 對阻銹劑、環(huán)氧涂層鋼筋、外表面涂層和陰極保護等技術(shù)下定論為時尚早，與大摻量粉煤灰或礦渣混凝土相比，它們高昂的費用和對環(huán)境的影響是主要缺點。