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1.5 现代混凝土的研究与应用现状

1.5.1 新型混凝土的发展与应用

(1)新型混凝土

自密实(流平)混凝土与超高强混凝土是新型混凝土的两个典型代表。

1)自密实混凝土

自密实混凝土是一种高流动性混凝土。一般来讲,自密实混凝土可以靠自重及惯性力填充满模板空间,无需振捣。施工中既减少了噪声污染,又节约了劳动力。自密实混凝土组分的特点有:胶凝材料量大,细骨料量大,粗骨料量少,高效减水剂量大。这些特点是为了使混凝土在能保持其高抗压强度的同时,增加其流动性。

在大大提高流动性的同时,自密实混凝土还必须保证各组分空间分布的均匀性,尤其是粗骨料。为此,自密实混凝土必须具备良好、适中的流变性。提高自密实混凝土流变性主要有两种方法,粉末法与增稠剂法。粉末法是通过添加具有一定细度的矿物粉末或工业废渣以提高胶凝材料总量,在保持小水灰比的前提下,增加混凝土的黏稠度。增稠剂法是通过在混凝土中添加大分子质量的水溶性聚合物,由其与水反应所产生的黏聚力来增加胶凝浆体的黏稠度。

在欧洲国家和日本,自密实混凝土已经被广泛用来进行水下结构和高配筋结构的混凝土浇注,并取得许多成功的范例。据报道,在北美自密实混凝土主要在质量控制要求较高的混凝土预制构件工厂中得到大量应用。在我国北京、深圳、济南等城市也开始使用自密实混凝土,从1995年开始,浇筑量已超过4万m 3 ,主要用于密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑困难的部位、解决扰民问题、缩短工期等。

但是,由于其成本较高和质量控制所需的条件较高,许多现场浇注的场合不愿意使用自密实混凝土。自密实混凝土的进一步推广还需要进行深入的研究,一方面,开发成本相对低廉的外加剂;另一方面,进一步完善其质量控制程序,便于混凝土现场施工。

2)超高强混凝土

高强混凝土的发展是与高效减水剂的研发紧密相关的。在20 世纪70 年代,当时减水剂尚没有出现,28 d强度超过50 MPa的混凝土就被称为高强混凝土。自从日本和德国分别成功研制了Naphthalene Sulfonate和Melanine Sulfonate高效减水剂后,使混凝土可在小水灰比的情况下保持相当好的工作性能,混凝土的抗压强度不断提高。为此,美国混凝土协会在2002 年对高强混凝土的概念重新作了定义,规定圆柱体设计强度超过50 MPa的混凝土才被称为高强混凝土。对于高强混凝土,骨料的选择对混凝土的体积稳定性和混凝土强度和刚度都具有较大的影响。采用高效减水剂后,水泥基体以及水泥基体与骨料之间的过渡区域变得更加密实。如果选用花岗岩或者硅岩作为粗骨料,在水泥水化过程中在过渡区域通常会产生温度裂缝,阻碍了混凝土宏观强度的进一步增长。通过试验研究发现,粗骨料最大粒径越小,混凝土的强度越高,强度超过100 MPa的混凝土其粗骨料的最大粒径应该选择在14~20 mm。基于试验研究,Aitcin和Metha建议采用弹性模量和强度较高且热膨胀系数较低的粗骨料来配制高强混凝土,建议采用细度模数较高的砂作为细骨料。C—S—H晶体具有一定方向性,同时凝胶体中毛细孔的存在使得水泥基体在微观尺度具有很多的缺陷,添加火山灰质材料(比如粉煤灰)是目前常用的改进办法。粉煤灰不仅可以与Ca(OH) 2 反应形成与C—S—H凝胶具有相似组成和力学性能的产物,而且可以降低毛细孔的体积和大小,使混凝土强度得到大幅度的提高。在浇注大体积混凝土时,为了避免高强混凝土由于水化热产生的温度裂缝,可以用火山灰部分代替水泥,不仅可以降低成本,还可以降低温度裂缝的产生。当然,粉煤灰、炉渣、火山灰、高岭土等集料的添加会对混凝土的早期强度产生一定的影响,但对28 d强度几乎没有什么影响。如果采用蒸汽养护,高强混凝土的早期强度也可以得到保证。

随着我国基本建设的高速发展,高强高耐久性混凝土逐步在高层建筑、水力电力、铁道、冶金、军工等工程中得到应用。如沈阳富林大厦(混凝土强度超过100 MPa)及北京财税大楼工程(混凝土强度达到127 MPa)等。超高强混凝土是法国Scientific Division BOUYGUES公司于20世纪90年代发明的,原名为活性粉体混凝土。其抗压强度超过200 MPa。超高强混凝土有以下几个特点:无粗骨料、掺有大量硅灰、大剂量高效减水剂、大掺量钢纤维、水胶比小。由此制成的混凝土极度致密,抗压强度超高,耐久性好。

用超高强混凝土制作的梁与用钢制作的梁在截面尺寸及重量上已非常接近,远远小于传统的钢筋混凝土梁及预应力钢筋混凝土梁。加拿大于20世纪90年代成立了以Sherbrook大学为总部的Concrete Canada研究中心,与法国共同在Sherbrook建造了世界上第一座超高强混凝土步行桥梁。

(2)混凝土耐久性研究

为解决现代混凝土耐久性问题,世界各国投入了大量的人力、物力进行了范围广泛的研究工作。这些研究涵盖了碳化、碱骨料反应、钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀、氢氧化钙析出、海洋环境影响等各种引起混凝土结构劣化的因素。因而,很多研究工作已从单一环境因素的影响扩展到多因素的共同作用。如美国的Ulm,法国的Coussy,德国的Kuhl,Bangert及Meschke,法国的Nguyen、Torrenti及Gérard等。他们以溶蚀、碱集料反应与荷载耦合为例,研究了环境因素与荷载耦合对混凝土的传输性能和力学性能的影响。

近年来,我国也陆续资助了几项混凝土研究的大型项目,重点对混凝土耐久性进行了较深入的研究。其中包括1996 年“九五”国家重点科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”。从该攻关项目的“高强混凝土耐久性研究”专题研究开始,东南大学十多年持续研究了荷载-冻融循环、荷载-氯盐侵蚀、荷载-硫酸盐侵蚀、荷载-盐侵蚀-冻融多系列耦合因素作用下混凝土的损伤劣化规律,失效机制和耐久性与寿命的评价问题。这些研究工作促进了重大工程耐久性评价由单一环境因素向力学与环境因素耦合作用过渡,提高了结构混凝土与混凝土结构耐久性评价与寿命预测的安全性和可靠性。

作为耐久性研究的主要成果,世界很多国家均提出了混凝土结构耐久性设计思路,如Duracret及我国陈肇元院士领导制定的混凝土耐久性设计规范。

1.5.2 混凝土结构在土木工程结构中的应用概况

目前,钢筋混凝土结构应用已经到了一个较高的水平,从工程实践、理论研究和新材料的应用都有了较快的发展。

钢筋和混凝土均向高强度发展。工程上已大量使用了C80~C100强度等级的混凝土,而试验室配置出的最高强度已达266 N/mm 2 。国外预应力钢筋趋向于采用高强度、大直径、低松弛钢材。如热轧钢筋的屈服强度达到600~900 N/mm 2 。为了减轻自重,各国都在发展各种轻质混凝土,如加气混凝土、陶粒混凝土等,其重力密度一般为14~18 kN/m 3 ,强度可达50 N/mm 2 。为了改善混凝土的工作性能,国内外正在研究和应用在混凝土中加入掺合料以满足各种工程的特定要求,如纤维混凝土、聚合物混凝土等。

图 1.28 马来西亚双子塔

在工程实践方面,国外在建筑工业化方面发展较快,已从一般的构件标准设计向工业化建筑体系发展。推广梁板合一、墙柱合一的结构,如盒子结构体系、大型壁板体系等。工程应用上,目前,马来西亚双子塔(图1.28)是世界闻名的高强度混凝土建筑,88层、总高452 m;德国修建的预应力轻骨料混凝土飞机库屋盖结构跨度达90 m;日本浜名大桥,采用预应力混凝土箱形截面桥梁跨度超过240 m;俄罗斯和加拿大分别建成了533 m及549 m高的预应力混凝土电视塔。所有这些都显示了近代钢筋混凝土结构设计和施工水平日新月异的迅速发展。

1.5.3 混凝土材料的研发趋势

(1)混凝土微结构的深入研究

在现代混凝土的组分中,水泥基胶凝材料起着将其他组分固结在一起的重要作用。胶凝材料在水化过程中形成的微结构是现代混凝土的细胞,其分布与组合影响着现代混凝土的各项宏观性能。因此,探讨现代混凝土复杂的硬化浆体微观结构形成机理并提炼其微结构模型是当前本研究领域中至关重要的课题。同时,针对现代混凝土组分复杂的特点,有必要研究各组分对微结构形成的影响,组分之间的交互作用,水化速率与水化度对微结构的影响,以提炼现代混凝土的微结构模型。

(2)高韧性、高抗拉强度混凝土的研发

波特兰水泥通常主要有C 3 S、C 2 S、C 4 AF和C 3 A 4大矿物组成,水化后产生C 2 S 2 H凝胶及其结晶相。其中,C—S—H和结晶CH,钙矾石等的多少与形态决定了其胶结能力。由于这些矿物均为水化矿物,它们之间的作用力来源既有离子键、共价键的成分,又有相当一部分分子键力。离子键、共价键几乎没有塑性变形,分子键塑性变形能力也很小,这就从根本上决定了其低韧性和低抗拉强度。为解决现代混凝土的脆性大的问题,迫切需要研发新型高韧性、高抗拉强度的现代混凝土。可考虑在此类混凝土的薄弱环节进行增韧。如在C—S—H的层间的硅氧键上接上阳性半聚合物,然后由其自行聚合,形成纤维状或胶膜状有机聚合物,填充空隙,提高韧性及抗拉强度。

(3)荷载承载力与耐久性科学统—的服役寿命设计理论

现代混凝土服役过程中既承受荷载(静载、动载)又经受环境的双重和多重作用。大量的混凝土结构的过早失效是环境作用诱发混凝土内部化学演变和结构承载力下降双向作用的结果。其劣化过程包括微结构的演变、裂缝的发展乃至结构的失效,经由材料层面逐渐发展到结构层面。而当前所有的设计规范,往往只考虑结构的承载能力,并以静止的观点看待结构的抗力。近期推出的耐久性设计规范,往往只提出一些构造措施,缺乏科学的理论工具与计算公式,不能满足现实的需求。为此,研究并建立崭新的服役寿命设计理论是混凝土科研人员必须面对的责任。实现环境影响因素向力学效能的转换与探明结构性能的时变规律是建立新的服役寿命设计理论的两个关键问题。前者可提供在设计中考虑环境因素的科学依据,从而把耐久性因素以力或应力的形式引入设计规范。这一工作以多孔介质力学与热动力学为平台,以虚功计算为工具,将混凝土耐久性问题统一到力学的框架下。后者将提供材料与结构性能随时间的变化规律,以动态的观点及多尺度理论为根据,在设计过程中将其劣化过程,维修加固等统一考虑在内。真正实现混凝土结构服役寿命设计。

随着人们对混凝土的深入研究,钢筋混凝土结构在土木工程领域必将得到更广泛的应用。目前,钢管混凝土结构、钢骨混凝土结构和钢-混凝土组合结构的应用更加开拓了混凝土的使用范围。美国混凝土学会2000年委员会设想,在近期使混凝土的性质获得飞跃发展,把混凝土的拉、压强度比从目前的1/10 提高到1/2,并且具有早强、收缩徐变小的特性。同时还预言,未来将会建造600~900 m的钢筋混凝土建筑,跨度达500~600 m的钢筋混凝土桥梁,以及钢筋混凝土海上浮动城市、海底城市、地下城市等。 lgoznkPLJzITpqYQWzAnUpEcTo76QmGIxwVdyIBr3JEOpL857XCSh2zMXM6t6WCU

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