高強混凝土的研究現狀及發展趨勢
2006-05-07 00:00
摘要：分析了高強混凝土的技術發展，闡明了現代高強混凝土的概念；論述了現代高強混凝土技術的發展現狀；展望了現代高強混凝土技術的發展趨勢。
關鍵詞：高強混凝土；研究現狀； 發展趨勢
1 概述
1. 1 高強混凝土的概念
高強混凝土是使用水泥、砂、石等傳統原材料，通過添加一定數量的高效減水劑（或同時添加一定數量的活性礦物材料），采用普通成型工藝制成的具有高強性能的一類水泥混凝土。強度達到多高稱為高強混凝土，目前尚無定論。
在美國，以圓柱抗壓強度標準值達到或超過42MPa 為高強混凝土。ACI 提出以圓柱體抗壓強度的標準值不低于42MPa 相當于我國的C50 級混凝土。在我國，通常將強度等級等于或超過C50 級的混凝土稱為高強混凝土。這個分類標準適合我國國情。經過強度換算，也和西方國家標準大體是一致的。
1. 2 高強混凝土的應用
現代高強混凝土的應用已遍及橋梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程等各個土建工程領域。高強混凝土在房屋建筑和一般構筑物中的應用場合主要有：
1）高層建筑；
2）大跨屋蓋；
3）處于侵蝕環境下的建筑物或構筑物。
1. 3 混凝土獲得高強的途徑
簡單的說，混凝土是多組分的集合料水化膠凝硬化后形成的固體材料，其高強的獲得涉及到膠結材料本身的強度提高，骨料本身的高強，以及膠結料與骨料界面強度等。
2 高強混凝土的現狀
2. 1 目前國際上現澆混凝土配置的技術水平
國際上配制高強混凝土所能達到的技術水平，以現澆混凝土為例，可以概括為如下幾個方面：
1） 膠凝材料方面用現有的市售水泥425 號、525 號可以配制出C60～C100 之間的高強混凝土，膠凝材料單方用量C 最好在500kg/m3～700kg/m3 之間，且強度越高，此用量一般越大；用現有的市售水泥不能配制出≥C120 的超高強混凝土，必須開發新型水泥。
2）集料方面：用現有的石灰石碎石可以配制≤C100 的高強混凝土；但若配制>C100 高強混凝土，必須采用特種高強集料，例如玄武巖、燒礬土等。砂率最好高于40%。
3） 外加劑方面用現有的市售高效減水劑可以配制出C60～C120 之間的高強混凝土；不能配制出≥C120 的高強混凝土，必須開發新型超高效減水劑。
4）摻合料方面： 用現有的摻合料，例如礦渣、粉煤灰等或不用摻合料可以配制出C60～C100 之間的高強混凝土；若配制C100～C120 之間的超高強混凝土，必須使用硅灰、超細礦渣等超微摻料。
5）配合比方面除上面已經提到的膠凝材料單方用量C和砂率之外，水膠比（ W/C）和單方用水量W 也是決定高強混凝土指標的重要方面，甚至是最重要的方面。
2. 2 目前國際上配制高強混凝土所能達到最高技術水平
意大利學者采用“ 高硅水泥+ 玄武巖集料+ 富配比+低水灰比+ 最佳骨料級配+ 蒸壓養護”的技術路線得到了抗壓強度高達300MPa 的超高強混凝土。挪威的Odd E.Gjorv 用高質量的陶瓷集料代替礦物集料，將混凝土的抗壓強度又由230MPa 提高到460MPa。
與國際上的技術水平相比，我國配制高強混凝土的技術，無論是普遍水平，還是最高水平，均落后于世界發達國家水平。
2.3 目前國際上配制高強混凝土所采用的主要技術途徑
大量的事實證明，高強混凝土技術最核心的技術是高強混凝土配制技術，因而也是高強混凝土技術發展的標志技術，我國高強混凝土技術之所以落后于世界先進水平，其根本原因也就是配制技術落后于世界先進水平，尤其是高效減水劑技術至今未有重大突破。
目前，國際上配制高強混凝土所采用的方法多種多樣，概括起來，主要有以下幾個方面的關鍵技術。
1）原材料方面：一般均以現有硅酸鹽水泥為主要原料，另加入高效減水劑、高強集料、超微摻合料、高分子聚合物（聚乙烯醇、甲基羥丙基纖維素、聚丙烯酰胺）、纖維等。也有使用高硅水泥的。其中，原材料技術中的三個主要技術是：①高效減水劑技術：一旦高效減水劑的減水率突破30%，單用高效減水劑制備C100 以上的超高強混凝土就不成問題。②外摻料技術：如果找到一種廉價的摻合料來代替昂貴的硅灰，高強混凝土就向實用化邁出了重要的一步。③高標號水泥技術：如果水泥標號能夠繼續提高，混凝土強度也將隨之提高。由于我國生產高標號水泥的技術水平有限，受貨源限制，目前配制高強混凝土主要用525 號水泥，625 號水泥也有應用，725 號、825 號、925 號水泥應用極少。
2）配合比方面：主要有：低水灰（ 膠）比（ W/C 從0.30～0.093）配合；高砂率（ >40%）；最佳集料級配；富配比（水泥用量C=500kg/m3～700kg/m3）。
3）成型方面：主要有：高壓成型（ 成型壓力從30MPa～700MPa）、擠出或注模成型、真空脫水、熱壓成型（溫度從80℃～250℃，壓力從30MPa～700MPa）、振動加壓成型。除上面已提到的Roy 的成果外，早在1947 年，英國世界著名混凝土專家T.C.Powers 就使用W/C=0.08 的水泥漿體，加壓制成圓柱體試件，獲得的抗壓強度為280MPa。
4）養護方面：主要有：蒸壓養護、濕養（在潮濕介質中養護）。目前尚未出現效果極佳的特殊養護技術。
綜合以上配制途徑可知，目前高強混凝土配制技術最核心的技術是高效減水劑技術，因而，制造減水效率足夠高（ 30%以上），混凝土坍落度經時損失足夠小（ 10h 以上無損失） 的超高效減水劑成為當前高強混凝土技術發展的最大障礙，也就成了廣大高強混凝土學者的主要任務。
還值得指出的是，對于以上方法，人們通常不是單獨采用其中的某一種，而總是將以上各方法聯合使用，以達最佳效果。
3 高強混凝土的發展趨勢
綜上所述，高強混凝土技術發展到今天，舊的研究領域正在不斷成熟，新的研究領域也在不斷開拓，已經取得了長足的進步。
鑒于現代高強混凝土技術研究與應用存在的上述不足，本文作者試圖從如下角度，對高強混凝土的未來發展作出展望，拋磚引玉，共同推進高強混凝土技術繼續發展。
1）混凝土的強度不斷提高。C60～C100 區段的高強混凝土的研究開發已比較成熟，研究的熱點正集中在C100～C150 的強度區段，預計不久的將來，C100 以上的超高強混凝土將會得到大量的推廣應用。
2）用摻入高效減水劑（ 二元復合）來降低水灰比以提高密實度，并同時摻入活性礦物摻料以增加水泥石中的膠凝物質的數量并改善其質量的方法（三元復合），使混凝土的強度大幅度提高，耐久性根本改善，并能保證混合料的高流動性，這一方法將繼續成為配制高強混凝土的主要技術途徑。高效減水劑和活性礦物摻料將成為高強混凝土不可缺少的第五和第六組分；在復合改性思想的指導下，人們將采用更加先進的復合技術途徑配制高強混凝土，高強混凝土將繼續向多元化方向發展。
3）高強混凝土原材料研究將更加成熟。將制定出適應于高強混凝土的原材料技術標準和質量標準，原材料審定將更加合理；將出現超高效減水劑，坍落度經時損失將得到解決；活性礦物摻料品種增加。
4）配合比研究趨于成熟，有可能建立起新的水膠比強度公式。
5） 超高強混凝土配制工藝比目前的工藝更加簡化，易操作。
6）采用泵送施工以提高施工效率并降低勞動強度。
7）全面研究高強混凝土的物理力學基本性能，為結構工程設計奠定基礎。
8）研究降低高強混凝土脆性的技術方法以克服其脆性大的弱點。可能的方法是：①合適的結構形式，例如合適的配筋形式與配筋量，或采用三維配筋與鋼管約束；②與其他材料，如各種纖維復合使用。根據目前國際國內已發表的研究資料，上述趨勢是十分明確的。我們應該根據自己的條件和力量，在參照上述趨向研究開發適應于我國當前技術水平的高強混凝土的同時，努力追趕國際先進技術，縮小同發達國家的差距。
4 結束語
隨著結構技術的革新和結構需要的增加,混凝土作為結構材料的地位必然得到加強,而傳統的混凝土技術已無法滿足日新月異的工程建設的需要,高強、高性能混凝土的出現及應用必將為未來建筑的發展注入新的生機與活力。
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