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国外混凝土技术新进展
更新时间:2009/12/3 12:51:24 点击数:9788
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以水泥为胶凝材料生产的混凝土,今天已成为全世界各种各样结构工程建设首选的建筑材料,这主要是由它的经济性所决定:原材料来源广泛、便宜,施工与维修费用较低廉。使混凝土技术向前推进的两大驱动力,是加快施工速度和改善混凝土耐久性。
     西方工业国于40~70年代曾因为早期强度很高的水泥问世,而当时结构的设计强度尚不高,于是出现将混凝土以大水灰比、低水泥用量的方式生产,在满足强度要求的前提下易于施工操作,然而这给混凝土结构耐久性带来后患,尤其是当其暴露于侵蚀性环境工作的条件下。
     在近些年来的进展中,最突出的就是添加高效减水剂制备的“超塑化拌合物”,即用水量较低,而流动性还非常好的拌合物,硬化后由于孔隙率小,因而强度高且耐久性优异。为使暴露于侵蚀环境的钢筋混凝土结构寿命长久的目的,运用阻锈剂、环氧涂层钢筋和阴极保护等,也是同期出现,并且已为众所周知的先进技术途径。
     除了加快施工速度和改善耐久性以外,第三种驱动力,即对环境友好的工业化材料,这方面在未来技术评价中的重要性正在日益增大。本文以下列三方面作为技术评价的基准:
A.材料与施工费用
B. 耐久性
C.对环境友好
      这里不打算对混凝土技术所有最新的进展做一综述,只从近三十年来笔者认为是较为重大的进展中有选择地进行一简短地回顾。
1、高效减水剂
     Malhotra在十七年前曾说过:混凝土技术多年来没有什么大的进展,40年代开发的引气是其中之一,它改变了北美混凝土技术的面貌;高效减水剂是另一个重大突破,它在今后许多年里将对混凝土的生产与应用带来重大的影响。
     事实证明他的预见是正确的:超塑化混凝土、高性能混凝土的应用得到迅速发展,包括高强混凝土、高耐久性混凝土、高掺量粉煤灰或矿渣混凝土、自密实混凝土、水下抗分散混凝土、高性能纤维增强混凝土等。
     60年代日本发明的萘磺酸盐与西德发明的磺化蜜胺树脂,是高效减水剂代表性产品。阴离子的长链化合物吸附在水泥颗粒表面,通过电性斥力使其有效地分散在水中。日本首先将这种混凝土用于高强桩的生产,七十年代于公路和铁路桥上采用了坍落度中等、强度在50~80MPa的混凝土梁;在西德,首先将高效减水剂用于水下不分散混凝土,改善粘稠拌合物的流动性,而无须变化水胶比。由于两者可以同时兼顾,因此如今高效减水剂在全世界到处都用于生产高强、高流动性和耐久性的混凝土。
     萘磺酸盐与磺化蜜胺树脂通常存在坍落度损失快的问题,虽然可以通过在现场后添加的方式来解决,但这样既费钱又费事。1986年,日本人开发了长效的高效减水剂,它是含羧酸盐、酰胺或羧酸酐的水溶性化合物。硅酸盐水泥水化形成的碱性溶液逐渐激活高效减水剂,生成水溶性分散剂,有助于坍落度长时间维持。含有环状聚合物的聚羧酸高效减水剂的开发,使拌合物能够同时具有高流动度、坍落度长时间保持且高抗离析。萘系与蜜胺系的长效减水剂商品现在也已问世。
2、高强混凝土和砂浆
     高强混凝土(>40MPa)首先用于30层以上高层建筑物的钢筋混凝土结构,因为这种建筑物下部三分之一的柱子,在用普通混凝土时断面很大。除节省材料费用外,与钢结构相比,加快施工速度也是采用混凝土结构的重要特点,自美国芝加哥在1965年以50 MPa 混凝土浇注Lake Point Tower的一些柱子以来,北美和其他国家到处都在用高强混凝土建造高层建筑。芝加哥79层的Water Tower Place大楼柱子采用了60MPa混凝土;多伦多的Scotia Plaza Building和西雅图的Two union Square Building两座建筑物则分别有90 和120MPa强度的混凝土柱子。
     为获得高强度,通常要借助高效减水剂将水胶比降到0.4以下,因此,同时获得的重要特性就是低渗透性,这是在侵蚀环境中保持长期耐久性的关键。更多的高强混凝土应用是将耐久性,而不是强度作为首要的考虑。海洋混凝土结构——大跨桥梁、海底隧道和离岸采油平台,是这种应用的实例。
     高流动而不离析是超塑化、高强度混凝土发展的另一个原因,这类拌合物的工作度一般可用火山灰质或矿物掺合料,如硅粉、粉煤灰、稻壳灰与磨细矿渣来改善。易于泵送和成型可以显著减少大工程,如配筋密集的钢筋混凝土或预应力混凝土高层建筑、离岸构筑物的施工费用。
     CBC(化学粘结陶瓷)、MDF(无宏观缺陷)水泥制品和DSP(微粒压实产品)是新的一族高强水泥基材料,它们具有很高的抗压强度和弹性模量,但限于非结构应用。为达到高强结构应用的高韧性要求,法国Richard等人开发出掺有钢纤维的活性粉末混凝土,实际是超塑化的活性粉末砂浆。其水泥用量为1000Kg/m3;细砂与煅烧石英230 Kg/m3;水150~180 Kg/m3;和微纤维630 Kg/m3。用机械压实的试件经400℃热处理后,抗压强度可达680 MPa 、抗折强度100 MPa、弹性模量75GPa。现在预测活性粉末混凝土未来的发展还为时过早,因为尽管它的初始费用高昂、加工技术复杂,但在建筑业还是有适当的用途,特别是在高侵蚀环境中,大掺量的微纤维使其抗裂性能提高,保证了它的水密性。
3、高性能混凝土
     所谓高性能混凝土,开始是用于表征具有高工作度、高强度和高耐久性的混凝土。因此高强混凝土和高性能混凝土的首要区别是后者强调高耐久性。由于在严酷环境条件下,除非结构物在其服务过程不出现裂缝,否则就不可能获得与维持高耐久性。所以这种混凝土必须设计成具备高度体积稳定性。为了减少混凝土由于温度收缩和干缩产生的开裂,必须限制混凝土拌合物中的水泥浆含量。
     Mehta和Actcin提出的高性能混凝土配合比设计方法限定总水泥浆量为混凝土体积的1/3;允许部分硅酸盐水泥用火山灰或有胶凝性的掺合料来代替。
 
Aïtcin曾预言:掺矿渣、粉煤灰、硅粉、亚粘土、稻壳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备更经济外,还能发挥它们的超叠作用,改善其新拌与硬化时的性质。
     在1993年,美国混凝土学会下属的技术委员会提出一新的高性能混凝土定义:满足工程特殊要求的各种性能,可包括易浇捣而不离析,高长期力学性能、高早期强度、高坚韧性与高体积稳定性,或在严酷环境中使用寿命长久,并且匀质性良好的混凝土。根据该定义,耐久性不是高性能所必须的,这样就会形成开发严酷环境下未必耐久的高性能混凝土的后果。
     例如在公路工程中,美国有人就提出几种以高早强水泥用量在400 Kg/m3左右或更多的高性能混凝土拌合物配合比,Mehta认为:除非采取特殊的措施,否则这种混凝土是很容易因为温度收缩、自身收缩和干缩应力而开裂的。显然,仅从加快施工速度出发,就可能对结构使用寿命造成危害。所以建议在进行结构设计时,要考虑运行周期费用,而不是初始造价。同时,有必要重新考虑一个问题,即长期耐久性成问题的混凝土,究竟是否能作为高性能混凝土进入市场?
     高性能混凝土技术正在世界各地成功地用于很多离岸结构物和长大跨桥梁的建造,Langley等人叙述了几种加拿大一长大跨桥梁所用的拌合物。它们用于主梁、墩部和墩基,硅粉混合水泥用量为450 Kg/m3,水153L/ m3,引气剂160mL/ m3和高效减水剂3L/ m3。其坍落度大约在200mm;含气量6.1%;1d、3d、28d抗压强度分别为35、52和82 MPa;基础和其他大块混凝土的混合水泥用量为307 Kg/m3,粉煤灰133 Kg/m3,用水量接近,但引气剂和高效减水剂掺量大幅度减小,坍落度约在185mm;含气量7%;1d、3d、28d和90d抗压强度分别为10、20、50和76 MPa。根据加拿大和美国的透水性与氯离子快速渗透标准方法实验结果表明:两部分混凝土都呈现非常低的渗透性。对高性能混凝土结构的施工,需要非常强调加强现场实验室试验和质量验收。
     高性能混凝土发展的另一领域是高性能轻混凝土,相对于钢材,普通混凝土的强度/自重比很低,掺有高效减水剂的高强混凝土则大大提高了该比例;用有大量微孔的轻骨料代替部分普通骨料,就能进一步提高这个比例。由于骨料的质量不同,密度为2000 Kg/m3、抗压强度在70~80 MPa的高性能轻混凝土在一些国家已经商品化并用于构件生产。在澳大利亚、加拿大、日本、挪威和美国,高性能轻混凝土已用于固定式和漂浮式钻井平台;因为水泥浆和骨料之间的界面粘结强度高,它可以不透水,所以在侵蚀环境中能够很耐久。
     采用掺10~15%硅粉甚至更高的混合水泥配制的超塑化混凝土,具有优良的粘附力,因此适用于湿喷的喷射混凝土进行结构修补,这也是高性能混凝土的应用领域之一。
4、自密实混凝土
     技术工人短缺和节省施工时间,是日本开发和应用自密实混凝土的主要原因。由于这种混凝土要有足够的粘聚性,以保证其浇注过程不致离析,粉体需用量较大,如果全用水泥,容易导致开裂,因此粉煤灰、矿渣或石灰石粉的掺量通常较高。如日本明石大桥的锚固墩290000方混凝土里均掺有150 Kg/m3石灰石粉。在法国,预拌混凝土厂生产供应自密实混凝土,作为无噪音产品,可用于城市街区一带的混凝土浇注。由于减小噪音、节约劳力并延长钢模板使用寿命,预制混凝土业也对其感到兴趣。

5、延长使用寿命的一些技术
     钢筋锈蚀已使得大量混凝土结构出现劣化。除了上述高性能混凝土以外,还有一些技术,包括阻锈剂、环氧涂层钢筋、阴极保护和混凝土表面的保护性涂层,分别叙述如下:
     阻锈剂——掺有2%亚硝酸钙将氯离子浓度的阈值提高到足以防止钢筋锈蚀的水平。阻止阳极反应,例如亚硝酸钙,有将氯离子引起的阳极反应降低到最小的功能。亚硝酸根离子相对接近钢材表面的氯离子量决定其是否能达到保护钢筋免于锈蚀,提出达到使钢筋不锈蚀的氯/亚硝酸盐之比要小于1.5。Nmai等人认为阳极阻锈剂,包括亚硝酸钙,有一系列局限性。他们研究了一种胺基脂,不仅有降低氯离子穿透混凝土保护层能力的作用,还能在钢材表面形成一保护膜。对浸泡在6%氯化钠溶液中,预先处理使混凝土梁存在裂缝的初步研究表明:以胺基脂为阻锈剂,用量为5 L/ m3混凝土,其阻锈作用要优于以亚硝酸钙为阻锈剂,用量为20 L/ m3的效果。看来有必要进一步研究,以确定不同阻锈剂的局限性和长期使用效果。
     环氧涂层钢筋(ECR)——美国在七十年代就将其用于桥面板;八十年代用于停车场坡道。估计大约有27000座桥面板采用了ECR。大部分处于冬季使用除冰盐地区。有些情况下,使用效果不能令人满意。早期采用ECR结构效果不佳的原因,是涂层不当、环氧脱开、保护层不够或其它施工问题。1993年对14个州使用ECR,暴露于冻融循环条件,时间为18~20年桥面板的调查结果表明:自采用ECR后,只须少量或无须维护工作;然而,1996年对停车场的调查则表明:只有60%获得预期的效果。业界用户认为:采用ECR,只能延长10~15年钢筋不生锈。看来现在对ECR在价格性能比方面,是否适宜作为长期阻锈的措施下定论还为时尚早。
     钢筋混凝土的阴极保护——阴极保护技术包括在相反方向外加电流和牺牲阳极来抑制电池电流。外加电流法通常用于受氯盐污染的钢筋混凝土结构的防锈;一些研究者报道:钢材与混凝土间粘结力的劣化,很可能是由于钠钾离子的积聚,它造成钢—混凝土界面的软化;劣化程度随外加电流的密度和混凝土中含氯量的增大而加剧。
     表面涂层——根据Swamy等人的说法,运用表面涂层保护钢筋免于锈蚀的做法,其有效性长期以来受到疑义,这是由于涂层材料的来源很广,而类似的涂层的扩散特性差异显著。作者采用高弹性的丙烯酸橡胶涂层,它显示优异的工程性质与非常小的扩散系数。这种涂层改善混凝土耐久性的效果,包括控制有害的碱-硅膨胀的效果已经证实。对表面涂层的长期性能和费用—效果还需要继续研究。
6、高掺量粉煤灰和矿渣混凝土
      当今全世界粉煤灰的年排量约为4.5亿吨,只有0.25亿吨,或6%作为混合材用于水泥或矿物掺合料用于混凝土。如果产灰国将粉煤灰在混凝土里的应用加速,那么混凝土对环境友好的作用就能大大增强。有大量高炉矿渣副产品的国家还可以通过利用其作为混凝土或水泥掺合料获利。下面举一些例子:
     结构混凝土——Malhotra的研究表明:掺有高效减水剂的混凝土,当拌合物的水胶比为0.3或者更低时,最多可达60%的水泥用粉煤灰代替,并具备强度与耐久性优异的特性。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、细骨料810 Kg/m3、和高效减水剂7 L/ m3制备的混凝土,其1d、28d和180d的抗压强度分别为8、55与80 MPa。广泛的实验表明:其弹性模量、徐变、干缩和冻融特性均与普通混凝土相当。值得注意的是:这种混凝土抵抗水和氯离子渗透的能力优异,从结构耐久性的角度,包括控制暴露于侵蚀环境中钢筋的锈蚀,应用掺有超塑化剂的高掺量粉煤灰混凝土是粉煤灰在建筑业中附加值最高的途径。
     碾压混凝土大坝(RCCD)——自八十年代以来,碾压混凝土筑坝技术在全世界被广泛接受,作为建设中等高度大坝最快也最经济的施工方法。根据Dunstan的报道,到1992年为止,全世界已有近100座 RCCD在17个国家建成。在碾压混凝土中通常掺有大量火山灰质材料,主要是粉煤灰,如瑞士一高度为95m的Platanovryssi坝所用碾压混凝土水泥用量仅35 Kg/m3,而粉煤灰(属高钙粉煤灰,总CaO达42%)为250 Kg/m3,是以褐煤为原料的热电厂所排放,使用前经预处理(燃烧并水化)。
     混凝土公路路面——在美国大约70%的低交通量公路与地方公路需要升级,考虑用大掺量粉煤灰代替水泥以降低造价,电力研究院(EPRI)出资搞了几个示范工程:在北达科他州,1988和1989年夏天,用20000m3混凝土铺筑厚为200 mm的路面,其水胶比为0.43,水泥用量100 Kg/m3、粉煤灰220 Kg/m3;德克萨斯州的路面示范工程在混凝土中成功地采用了低钙灰和高钙灰(掺量为混凝土重的10~20%)。该工程的另一特色是将老路面破碎的混凝土块作为骨料用于新路面。
     基层和路堤——高掺量粉煤灰和炉底灰在公路工程中的应用包括稳定土、路面基层、路堤和路肩,在1989年,3.5万多吨粉煤灰在宾州用于建造公路的路堤;在佐治亚州,水泥-粉煤灰混合料用作公路试验段的基层;在密执安州,高钙粉煤灰以每年30万吨用于施工基层和路肩。
     高掺量矿渣水泥——每年全世界高炉矿渣的产量大约为1亿吨,作为胶凝材料的比率很低,因为在许多国家,只有少部分矿渣进行水淬或粒化处理,而缓慢冷却的重矿渣没有胶凝性质。虽然美国材料试验标准学会规定矿渣在水泥中的掺量可以到65%,但商品水泥中一般不超过50%。
     根据Lang等人最近的研究,用一种德国产含矿渣77.8%的水泥(比表面积为405 m2 /Kg)制备超塑化混凝土,水泥用量455 Kg/m3;水胶比0.28;其1d、3d、7d、28d抗压强度分别为13、37、58和91 MPa。该混凝土具有良好的抵抗碳化、有机溶液渗透和冻融循环能力(不掺引气剂)和盐剥蚀。
7、混凝土再生骨料
     由于各种不同的原因,建筑业将混凝土废料再利用的重要性在增长,在许多国家的研究文献和近来一些国际会议中得到反映。除了环境保护以外,天然骨料资源的保护、废料堆积场所短缺和废料堆积费用的上升,都是将废弃混凝土作为再生骨料的原因。
     根据Hendriks的报道,欧盟国家每年排放2亿吨建筑施工和拆除旧建筑的垃圾,预计10年后还要翻番。在瑞士,自70年代以来,废弃物再生产业一直在发展,60%的拆除废料获得再利用。Uchikawa估计:日本在1992年产生的建筑废料约为8600万吨,其中1/3,即2900万吨是废弃混凝土。1200万吨已用作道路基层的骨料,其余的堆存起来。Saeki报道:再生骨料在寒冷地区作为道路基层材料的骨料,其各种性能是令人满意的。美国在1983年从长约9km的高速公路路面上破碎已劣化的混凝土,用作骨料生产混凝土建造了新路面。
     废弃混凝土加工的骨料取决其洁净度和坚实度,这与其来源和加工技术有关。利用预制场和预拌混凝土厂剩余混凝土加工的骨料通常比较干净,性质与刚加工的骨料接近;来源于拆除的路面或水工结构的废弃混凝土,需要筛分去除粉粒。许多实验室和现场研究表明:废弃混凝土相当于粗骨料的颗粒可以用来代替天然骨料,进行比较试验的结果是前者作为骨料配制的混凝土抗压强度和弹性模量至少是后者的2/3。
     拆除建筑物时的废弃混凝土比较难以处理,因为常混有其他杂物,如木头、金属、玻璃、石膏、纸、塑料和油漆。与拆除时的分选相结合,这类废弃物可以分门别类地回收和再生,效果较好。显然,由于加工费用所致,用建筑物拆除产生的废弃物加工骨料,要比天然骨料还贵一些,但是这种情况很快就会改变,因为天然的优质骨料来源日趋短缺,而且废弃物的处理所需费用也包括在经济分析的内容里。

8、费用—效益分析
     很少见到发表有关材料和施工费用的文献,但未发表的报告提供了一些有用的数据。不同国家之间的差异可能十分显著。此外,由于经历的时间尚短,还没有过硬的数据涉及近来开发技术(旨在延长暴露于侵蚀环境条件的钢筋混凝土结构物使用寿命)的费用—效益分析。
     Gerwick曾试图考察混凝土耐久性的经济性问题,比较了通常建议的控制混凝土受钢筋锈蚀影响而劣化的一些措施(作为混凝土结构物一次投资的百分比,以1994年西方国家的价格为基准),得出下列结论:
◆以粉煤灰或矿渣代替部分水泥,不增加费用,实际上只会降低费用;
◆用高效减水剂减小水胶比,要增加2% 费用;还掺有硅粉时,增加5%费用;
◆用阻锈剂或环氧涂层钢筋时,增加8%费用;两者都用时则为16%;
◆采用混凝土外表面涂层或结构阴极保护时,需要增加20~30%的费用。
9、对混凝土技术进展的评价
     对混凝土技术新近的发展,可以从5个角度将它们分成若干级,从而得出对混凝土业影响和冲击大小的结论。
   1).由于复杂的加工技术、高昂费用和产品对环境的不利影响,看来无宏观缺陷水泥与砂浆、化学粘结陶瓷和活性粉末砂浆总的来说今后只会对混凝土业产生不大的影响;
    2). 超塑化混凝土拌合物(掺或不掺硅粉)、自密实混凝土将继续在混凝土业应用,由于其粘稠和自身收缩大的特性,需要特别注意抹面和养护,因此对混凝土业的影响为中等;
    3). 由于技术简单、初始费用低、高耐久性和有益于环境等原因,超塑化大掺量粉煤灰混凝土未来可望对混凝土业产生重大影响。在三元复合方面,即水泥、硅粉或稻壳灰、大掺量粉煤灰或矿渣,还有大量研究与开发工作要做。
    4). 对阻锈剂、环氧涂层钢筋、外表面涂层和阴极保护等技术下定论为时尚早,与大掺量粉煤灰或矿渣混凝土相比,它们高昂的费用和对环境的影响是主要缺点。
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本文来源:中国绿色建筑网  
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