漫談我國水泥基混凝土材料的發(fā)展

　　一、超高層、大跨度建筑與超高強、超輕混凝土

　　1999年10月12日，人類迎來了“世界60億人口日”。人口的增加，導致人均土地及各種資源占有率，尤其是人均耕地面積的減少，目前世界人均耕地面積已不足0.25公傾/人。隨著城市人口密度日趨加大，城市功能日益集中和強化，需要建造高層建筑，以解決眾多人口的生活、工作空間。同時，人們的觀念也在發(fā)生變化，人們將更加追求精神上、情趣上的享受，大型公共建筑的需求量將增多，未來的建筑物將向更高、更大跨度發(fā)展。

　　混凝土強度的不斷提高，以及鋼筋混凝土、預應力混凝土技術的發(fā)展，以鋼筋混凝土為主體結構的高層和超高層建筑不斷涌現(xiàn)，在全世界119幢高度超過200m的超高層建筑中，有25幢采用了鋼筋混凝土結構。與鋼結構相比，鋼筋混凝土建筑物的建造成本較低，穩(wěn)定性和耐火性好。隨著高性能混凝土的開發(fā)和施工技術的不斷提高，鋼筋混凝土結構的高層和超高層建筑還將不斷增多。

　　然而，技術發(fā)展到今天，人們在向超高層和大跨度挺進的過程中，已碰到了混凝土過重的問題，這一問題使設計施工都受到很大限制。在當前的技術水平條件下橋梁跨度基本上到了臨界狀態(tài)。對于超高層建筑，從計算上來講，建造200層大樓不會成為問題，但龐大的柱子從使用和美觀上顯然是不合理的，況且混凝土的延性較差，用在抗風、抗震結構中是要擔風險的。除非能大幅度提高混凝土強度、減輕混凝土自重、改善混凝土性能，否則高度、跨度都難以增大。

　　提高混凝土強度、降低混凝土表觀密度可以說是土木建筑技術界的一個宿愿。從理論上講，混凝土的抗壓強度可達到400MPa以上，國際上曾有過用特殊方法制成C370的報道，一些發(fā)達國家制造C100混凝土已是輕而易舉的事，我國在這方面尚需努力，應朝著近期實現(xiàn)高強度C50～C100普及化，遠期實現(xiàn)超高強度C100化的目標奮進。

　　二、大氣中CO2濃度增大，酸雨增多與高密實度、低污染混凝土

　　自然狀態(tài)下大氣中CO2濃度為0.03%，進入20世紀后半期，大氣中CO2濃度呈上升趨勢。據(jù)報導1990年初觀測大氣中CO2濃度已經(jīng)達到0.035%，預計到本世紀末將達到0.1%。大氣中CO2濃度的增加，以及由此引起的地球表面溫度上升，即所謂的溫室效應的共同作，將加快混凝土的中性化速度。

　　眾所周知，水泥基混凝土材料依靠其中的水泥與水反應，生成具有一定強度和粘結力的凝膠體而產(chǎn)生強度，硬化的水泥凝膠體含有25%～30%的Ca(OH)2晶體，因此正常情況下混凝土呈堿性，PH值在12～13之間。這種堿性環(huán)境對鋼筋起到保護作用，即在鋼筋周圍形成一層鈍化膜，使鋼筋不生銹。然而混凝土是一種非均質、多孔材料，環(huán)境中的空氣和水分將通過這些孔隙向混凝土內部滲透或擴散，與水泥凝膠體中的Ca(OH)2發(fā)生碳化反應，使混凝土中的堿性物質變成碳酸鹽，其結果是混凝土的堿性降低，其PH值可下降為8.5～10，即混凝土中性化。當然引起混凝土中性化的原因還有酸雨及酸性土壤等。

　　降雨本來是大自然賜予人類及地球上所有生物的恩惠，正常的降雨其PH值為5.6，因雨水中溶解大氣中的CO2，因此與純水相比略呈酸性。但從20世紀70年代開始，歐洲等地出現(xiàn)了PH＜4的酸性雨，80年代以后，我國東南沿海及部分內地地區(qū)也相繼出現(xiàn)了大面積的酸雨。酸雨對植物生長不利，也給建筑物帶來危害。酸雨中的酸根對混凝土中的骨料和水泥凝膠體均會產(chǎn)生嚴重的腐蝕作用。

　　混凝土的中性化所帶來的最大不利影響是使鋼筋保護層破壞，鋼筋容易生銹，從而導致鋼筋混凝土結構的破壞。國外的一些調查表明，密實度和強度足夠高的混凝土，經(jīng)20～30年后，碳化深度一般不超過10mm，鋼筋沒有銹蝕跡象。密實度和強度低的混凝土，5～6年，混凝土碳化深度可達到30mm，20～30年后碳化深度達50～70mm。而對于同一密實度的混凝土，碳化反應速度又取決于環(huán)境中CO2濃度，CO2濃度越高，碳化速度越快，對鋼筋混凝土結構的耐久性越不利。

　　隨著大氣中CO2濃度的增大和酸雨的增多，碳化、腐蝕對鋼筋混凝土的耐久性的威脅也越來越嚴重，因此我們應積極采取相應措施，提高混凝土本身的密實度，防止或緩解空氣向混凝土中的擴散，以提高混凝土的抗碳化和抗腐能力。當然，我們更主要的是應減少工業(yè)對大氣的污染，從開發(fā)新材料的角度，減少材料生產(chǎn)過程中CO2、CO、SOX的排放量。眾所周知，混凝土材料本身就是一種CO2、CO、SOX高排放的產(chǎn)品，混凝土中的水泥大約占混凝土重量的1/5，在制造水泥時CaCO3的分解，排放出具有溫室效應的CO2氣體，依理論計算每生產(chǎn)1t水泥熟料，要排放大約800kgCO2。燒制水泥時煤炭的燃燒還產(chǎn)生CO2、CO、SOX等有害氣體。目前全世界每年CO2的排放量大約為100億噸，其中由于水泥生產(chǎn)而產(chǎn)生的CO2氣體約占1/10，是產(chǎn)生溫室效應氣體的大戶?？傊?，由于大氣污染日益加重，我們應從開發(fā)新型膠凝材料和提高混凝土密實度兩個方面加強研究，雙管齊下發(fā)展混凝土材料。

　　三、新的施工工藝與大流動性、凝結時間自由調節(jié)混凝土

　　混凝土拌合物流動性的好壞直接影響到混凝土構件的施工、混凝土組分均勻性、結構密實性、質量和尺寸完好性。因此，新拌狀態(tài)下混凝土的流動性一直是混凝土研究與生產(chǎn)領域的重要方向。

　　最初的混凝土是大流動性的，由于當時施工機械不發(fā)達，攪拌和振搗機械能力較差，只能加大用水量以提高混凝土的流動性。但是由于水灰比大，混凝土孔隙率大，密實度差，強度只能達到15～20MPa。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，用于混凝土攪拌、振搗施工的機械能力增強，可以采用機械攪拌、強力振動密實進行施工，因此可適當降低水灰比，使混凝土強度有所提高。從20世紀40年代開始，為提高混凝土強度，進一步降低水灰比，使拌合物非常干硬，需要依靠強力攪拌和振搗進行施工。但這種干硬性混凝土由于過于干硬，易使混凝土內部造成孔洞，密實性差。減水劑、塑化劑的開發(fā)應用，在較小水灰比條件下可獲得塑性或流動性的混凝土，混凝土的流動性又從干硬性向塑性發(fā)展。1962年萘系減水劑的研制成功，使摻高效減水劑的混凝土在很低的水灰比條件下，獲得很高的流動性，甚至可以不施加外力，在混凝土自重作用下，具有自己填充、自密實的能力，坍落度可達到22～25cm，而水灰比可以降低為0.3以下，甚至可以達到0.20左右。

　　大流動性混凝土具有很強的填充模板并自我密實的能力，即使是截面較小或配筋較密的構件，也可以不施加振動或加壓手段，依靠混合物的自重即可達到填滿模板并充分密實的程度，所以通常稱為“免振混凝土”或“自密實混凝土”。這種混凝土對環(huán)境保護和節(jié)能降耗具有重要意義。

　　混凝土澆灌后在一定時間內并不硬化，如能自由調節(jié)凝結時間，那么預拌混凝土的制造設備、材料運輸和生產(chǎn)工藝必將大為簡化。有時我們?yōu)榱丝s短施工周期，希望混凝土能在極短時間內凝結并具有初期的承載能力；反之在需要長途運輸時，我們又希望混凝土“休眠”一個時間，以適應作業(yè)需要。七十年代日本市場上出售的超速硬水泥或美國的調凝水泥，正是基于上面談到的想法制成的，但超速硬水泥的水化熱大，尚不宜勝以拌制表面系數(shù)較小的混凝土，且其調凝性能遠不能按使用者意愿控制，同時目前產(chǎn)量較低，尚不能與普通水泥相匹配。上述問題如獲得解決，混凝土將會成為更理想的工程材料。

　　四、特種構件與浸漬混凝土（PIC）

　　采用聚合物浸漬改良多孔材料性能的方法首先運用于木材，這種方法引伸到混凝土領域就是PIC。浸漬可以改變混凝土的力學性能，強度可提高200～400%，據(jù)報道抗壓強度為58.8MPa的Φ7.5×45cm的試件經(jīng)樹脂浸漬后，抗壓最大值可達到285MPa，其壓彎彈性模量約提高50～80%，表面硬度和耐磨性增強至1.7倍以上，吸水率降至10%以下，透水系數(shù)顯著減小，而熱傳導性、熱擴散率、比熱等幾乎不發(fā)生變化。PIC目前的用處還不廣，只是在個別場合，它主要用于有耐酸和耐藥品性要求的管道和排水溝，有強度和耐久性要求的預制板和道路道擋石。另外在隧道涵洞的表面覆蓋層、住宅的墻板、軌枕、海水淡化裝置、混凝土船、混凝土壩的表面抗沖刷層、海洋采挖平臺等部位，都有一定使用價值。要使這種新材料真正發(fā)展，必須認真研究一切與PIC制造有關的問題，如改進能適應不同使用目的的浸漬液以及極大地簡化制造工藝等問題，還應當積極推廣部分浸漬法并使PIC能在現(xiàn)場施工。在提高舊有構筑物的耐久性方面，部分浸漬現(xiàn)場施工方法將會發(fā)展成為一門必不可缺的分支技術。

　　五、人居環(huán)境與環(huán)保混凝土

　　環(huán)保型混凝土是指能減輕地球環(huán)境負荷，同時又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調共生的混凝土。它包括減輕環(huán)境型和生態(tài)型兩大類。減輕環(huán)境負荷型混凝土，是指在混凝土生產(chǎn)、使用直到解體全過程中，能夠減輕給地球環(huán)境造成的負擔。這類混凝土研究得較多，在我國已有幾十年的歷史，但需更進一步發(fā)展。從利用高爐礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣作為水泥的混合材、混凝土的摻合料，到開發(fā)利用高流態(tài)、自密實、高性能混凝土，均屬于減輕環(huán)境負荷型混凝土。

　　生態(tài)型混凝土則是指能夠適應動、植物生長、對調節(jié)平衡、美化環(huán)境景觀、實現(xiàn)人類與自然的協(xié)調具有積極作用的混凝土材料。這類混凝土的研究和開發(fā)還剛起步，它標志著人類在處理混凝土材料與環(huán)境的關系過程中采取了更加積極、主動的態(tài)度。它的目標是混凝土不僅僅作為建筑材料，為人類構筑所需要的結構物或建筑物，而且它是與自然融合的，對自然環(huán)境和生態(tài)平穩(wěn)具有積極的保護作用。目前所開發(fā)的品種主要有透水、排水性混凝土，生物適應型混凝土、綠化植被混凝土和景觀混凝土。

　　現(xiàn)代城市的地表不斷被鋼筋混凝土的房屋建筑和不透水的路面所覆蓋，目前我國城市的道路覆蓋率已達到7～15%?；炷龄佈b的道路給人們的出行及商品的流通帶來了極大的方便，提高了生產(chǎn)效率和生活質量。但這些不透水的道面也給城市的生態(tài)環(huán)境帶來了諸多負面的影響。與自然的土壤相比，混凝土路面缺乏吸收熱量和滲透雨水的能力，隨之帶來了一系列問題。一是能夠滲入地表的雨水明顯減少，而工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代生活使地下水的抽取量成倍增長，造成地下水位急劇下降，土壤中水分不足、缺氧、地溫升高等；二是不透氣的路面很難與空氣進行熱量與濕度的交換，對空間的溫度和濕度等氣候條件的調節(jié)能力下降，產(chǎn)生“熱島現(xiàn)象”，使氣候惡化；三是當短時間內集中降雨時，由于大量雨水不能及時滲入地表，只能通過下水設施排入河流，大大加重了排水設施的負擔，容易造成洪水泛濫等社會問題；再是降雨時不透水的道路表面容易積水，對車輛行人通行的舒適性和安全性帶來不利的影響。

　　針對上述問題，20世紀80年代，美國、日本等發(fā)達國家開始研究透水性路面鋪筑材料，并將其應用于公園、人行道、輕量級車道、停車場以及各種體育場地。在汽車工業(yè)、交通設施高度發(fā)達的21世紀，人類研究開發(fā)環(huán)保、生態(tài)型的透水性路面材料具有極為重要的社會意義和廣闊的發(fā)展前景。

　　綠化混凝土是指能夠適應綠色植物生長、進行綠色植被的混凝土及其制品。綠化混凝土可以增加城市的綠化空間，調節(jié)人們的生活情緒，同時能吸收噪音和粉塵，對城市氣候的生態(tài)平衡也起到積極作用，與自然協(xié)調、具有環(huán)保意義。20世紀90年代初，日本最早開始研究綠化混凝土，當時主要針對大型土木工程。隨著人類對環(huán)境和生態(tài)平衡的重視，混凝土結構物的美化、綠化、人造景觀與自然景觀的協(xié)調成為混凝土學科的又一個重要課題。近年來我國城市建設加快，城區(qū)被大量的建筑物和混凝土的道路所覆蓋，綠色面積明顯減少。所以也開始重視混凝土結構物的綠化。但到目前為止還僅限于使用孔洞型綠化混凝土塊體材料，主要用于城市停車場。而對于郊外大型土木工程的施工，綠化則考慮得很少，破壞了的自然景觀難以得到修復。因此積極地開發(fā)研究并應用綠色混凝土將是我國混凝土材料向環(huán)保型材料發(fā)展的一個重要方面。

　　六、資源枯竭與新骨料混凝土及可再生混凝土

　　地球上的資源是有限的，許多是不可再生的。土木工程是人類與自然界進行物質交換量最大的活動，全世界每年僅混凝土用量達到90億噸，大量材料的生產(chǎn)和使用，消耗大量資源。150多年前，以硅酸鹽水泥為膠凝材料的混凝土問世，就以其原材料資源豐富、價格低廉為主要優(yōu)點，很快受到世人的青睞，而成為近代、現(xiàn)代土木建筑工程的主要材料。但是近些年來，由于用量越來越大，大量開山、采石，已經(jīng)嚴重破壞了自然景觀和綠色植被，挖河取砂，造成水土流失或河流改道等嚴重后果，許多國家和地區(qū)已經(jīng)沒有可取的碎石和砂子，混凝土的骨料資源出現(xiàn)了嚴重危機。因此人類必須開發(fā)節(jié)省資源的混凝土材料，并且要實現(xiàn)資源的可循環(huán)利用。

　　人造骨料就是以一些天然材料或工業(yè)廢渣、城市垃圾、下水道污泥為原材料制得的混凝土骨料，它對環(huán)境保護有著非常積極的作用。生產(chǎn)人造骨料的工業(yè)廢料很多，高爐礦渣、電爐氧化礦渣、銅渣、粉煤灰等。日本已經(jīng)開發(fā)利用城市下水道污泥生產(chǎn)骨料的技術，這種骨料其強度達到了普通河砂砂漿的90%，很有利用前景。除此之外，還有粉煤灰陶粒、粘土頁巖陶粒等人造輕骨料。使用輕骨料還可制造輕質混凝土材料，減輕結構物的自重，提高建筑物的保溫隔熱性能，減少建筑能耗。

　　用海砂取代山砂和河砂，作混凝土的細骨料，是解決混凝土細骨料資源問題的有效方法，因為海砂的資源很豐富。但是海砂中含有鹽分、氯離子，容易使鋼筋銹蝕，硫酸根離子對混凝土也有很強的侵蝕作用。此外，海砂顆粒較細，且粒度分布均一，很難形成級配；有些海砂往往混入較多的貝殼類輕物質。目前已經(jīng)開發(fā)出一些對海砂中鹽分的處理方法，例如散水自然清洗法、機械清洗法、自然放置法。對于海砂的級配問題，主要采取摻入粗碎砂的辦法進行調整，使之滿足級配要求。日本在海砂方面的利用已經(jīng)達到了工業(yè)化生產(chǎn)的階段，1995年產(chǎn)量達到5000萬噸以上。

　　廢棄混凝土的再利用最早開始于歐洲，1976年，以當時的西德、比利時和荷蘭為主成立了“混凝土解體與再利用委員會”，開始研究廢棄混凝土的消化與再生利用，并且將廢棄混凝土再生骨料用于高速道路等實際工程。美國從1982年開始承認將混凝土廢棄物作為混凝土的粗、細骨料，后日本也相繼開始了對廢棄混凝土再生利用的研究。由于我國的經(jīng)濟發(fā)展比發(fā)達國家滯后大約半個世紀，土木建筑等基礎設施的建設也相應地落后了一定距離，混凝土結構物的廢棄、解體的高峰期還沒有到來，廢棄混凝土的再生利用還沒有正式啟動。由于利用廢棄混凝土做再生骨料，需要一系列的加工和分離處理，成本較高，這將妨礙廢棄混凝土利用的進程，但是廢棄混凝土的利用從保護環(huán)境、節(jié)省資源的角度有重要的社會效益，需要國家從政策上以支持。

　　七、少鋼筋與纖維增強混凝土

　　眾所周知混凝土抗壓強度高，而抗拉強度卻很低。鋼筋混凝土的出現(xiàn)雖然彌補了這一缺陷，但大量的鋼材卻被消耗，同時如前所述，鋼筋實際上是一種抗化學腐蝕差的材料，這給混凝土使用壽命帶來了很大影響。如何提高混凝土抗拉強度，減少鋼筋用量，也是目前和今后一個時期內混凝土材料發(fā)展的一個重要課題。在混凝土中摻入纖維以改善其力學性能的嘗試還是上世紀初的事，而抱有實用性竭力進行研究則是1960年以后的事。纖維增強混凝土主要受增強纖維品種、質量及其價格的支配。纖維本身強度高，同水泥有良好的粘接性，它的熱耐久性也不錯，如果工藝過關，價格便宜，它的推廣應用并非難事?，F(xiàn)在該材料還處于開發(fā)階段，技術上、材料上都存在一些問題，有待下一步解決，尤其應設法降低成本，這項新技術才能獲得強大的生命力。

　　100多年來，混凝土作為用量最大的結構工程材料，為人類建造了大量的生產(chǎn)、生活、交通、娛樂等基礎設施。可以說混凝土材料為營造人類的生存環(huán)境，建造現(xiàn)代社會的物質文明立下了汗馬功勞。然而，混凝土的生產(chǎn)與使用也給地球環(huán)境帶來了不可忽視的副作用。隨著時代的進步，人類要尋求與自然和諧、可持續(xù)發(fā)展之路，對混凝土材料也不再僅僅要求其作為結構材料的功能，而是在盡量不給環(huán)境增加負擔的基礎上，進一步開發(fā)對保護環(huán)境，對人類與自然的協(xié)調能起到積極作用的新型混凝土。這是時代的要求，也是混凝土材料發(fā)展的必然趨勢。

　　參考文獻：
　?。?）楊靜，《建筑材料與人居環(huán)境》，清華大學出版社，2001年9月第一版
　?。?）陳雅福，《新型建筑材料》，中國建材工業(yè)出版社，1994年9月第一版
　?。?）劉秉京，《混凝土技術》，人民交通出版社，1998年7月第一版