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1、第一部分混凝土及轻集料混凝土 3 我国混凝土技术进展及工程应用 中国建筑学会建材分会混凝土基本理论及应用专业委员会 1 国内外技术现状和发展趋势 混凝土是经济发展和社会进步的重要基础原材料之一，在我国的需求量为材料之最。目 前，我国每年建造房屋约2 0 亿m 2 ，高速公路约5 0 0 0 k m ，还有大量的铁路、桥梁、港口等 基础建设，仅混凝土一项就需要4 0 亿m 3 年。相应的，我国水泥年产量逐年增长，2 0 0 7 年 已超过1 3 5 亿吨，占世界水泥总量的5 0 以上。小康社会建设和城镇化的全面推进，乃至 整个现代化建设的实施，预示着我国未来几十年的经济发展和社会进步对混凝土有着
2、更大的 需求。虽然混凝土的生产和应用已取得长足的进步，但仍存在着许多问题需要解决。尤为突 出的是原材料生产过程中资源及能源消耗高、环境污染严重，使用效能低，与“全面、协 调、可持续发展”的科学发展观相违背。解决这一问题的唯一出路就是提高水泥性能、科 学地增加固体废弃物利用量，有效地使用化学外加剂，理性地设计混凝土材料。这就需要针 对新的形势和需求以及存在的问题，对混凝土进行深入系统的研究，以理论研究为基础，推 动水泥和混凝土的开发和工程应用。 近年来，国内外一直重视水泥混凝土的高性能化、高强化、多功能和绿色化。先进工业 国家如美国、加拿大、日本、印度及欧洲诸国先后投入巨资建立先进水泥基材料研究
3、中心、 高性能混凝土研究网或开展水泥材料的基础研究。如1 9 9 6 年，法国公共工程部、教育与研 究部又组织了为期4 年的国家研究项目“高性能混凝土2 0 0 0 ”，投入研究经费5 5 0 万美元。 美国于1 9 9 4 年提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在1 0 年 内投资2 亿美元进行研究和开发。瑞典1 9 9 1 年一1 9 9 7 年由政府和企业联合出资5 2 0 0 万克 朗，实施高性能混凝土研究的国家计划。日本早在2 0 世纪6 0 年代就开始研究并制成数十座 高强混凝土铁路桥。在8 0 年代后期研制开发高性能C 6 0 一C 8 0 的高强混凝土，
4、而且利用该 混凝土时，尤其重视混凝土的施工性能，特别是高流动性，要求浇筑混凝土后不振或微振。 采用免振自密实混凝土超过8 0 万m 3 。目前日本已研制出使用寿命在5 0 0 年以上的超高耐久 性混凝土。我国在“九五”期间就有重大科技攻关项目“重点工程混凝土安全性的研究”； “十五”和“十一五”期问科技部和国家自然科学基金委员会也在这一领域设立了重点和重大 项目，开展高性能水泥混凝土、机敏水泥基材料及其结构行为的研究。国内许多科研院所和高 校加入这一研究行列。而研究热点主要集中在水泥熟料的烧成、水泥浆体结构的形成、化学外 加剂、矿物掺合料的合理使用，并促进水泥和混凝土材料科学理论发展，形成一些
5、新观念。 1 1 混凝土的生态化( 包括工业废弃物的综合利用) 工业发达国家关于城市废弃物的利用技术的投入明显高于我国，其最显著的优势是在各 4 建筑材料新进展及工程应用 种废渣处理和利用成套技术的基础上建立了严格、完善的规章、规范，强制各种城市垃圾、 建筑废弃物等收归专业的企业进行处理和利用，不仅从法律角度限定所有废渣必须经过处 理，而且制订相应的经济政策保障处理和利用废渣的企业正常运行。日、德等国已基本上做 到零污染、零排放，各类废弃物的最大利用途径就是生产水泥和混凝土。发达国家利用废弃 物生产生态水泥已有成熟的经验，日本4 0 多家水泥企业，其中5 0 以上工厂处理各种废弃 物，日本麻省
6、水泥公司用下水道污泥及城市其他废弃物生产出高强度水泥；在欧洲水泥生产 者联合会所属的水泥厂中每年焚烧处理1 0 0 万吨有害废物。美国的大部分水泥厂都利用废料 煅烧水泥，技术成熟、应用普遍。人们已经认识到，水泥回转窑在处理有毒危险废弃物方面 比焚煤炉更有优越性，主要是利用可燃性有毒废弃物( 包括固态、液态、气态) 代替部分 或大部分燃煤和燃油煅烧水泥，既处理了废料，又节约了能源。日本等国已有将城市垃圾焚 烧处理与水泥熟料生产一体化的工业化试验研究。 在国家自然科学基金委和国家8 6 3 计划委员会的大力支持下，我国的生态材料的研究取 得了长足的进步和发展，在典型材料的环境协调性评价( M L
7、C A ) 、L C A 的方法学、冶金渣 的回收利用等方面作了大量工作。在城市垃圾焚烧飞灰、废石膏等固体废弃物的处置利用及 生态水泥方面做了一些研究。 碱激发水泥基材料是最近3 0 多年国际上水泥制造技术发展的一个方向，被公认为是本 世纪水泥技术最有前景的发展方向，目前国际上已有3 0 多个国家成立了专门研究这种材料 的研究所。但我国在这方面的研究还很弱，尽管如此，仍取得一些研究成果，如发现地聚合 物复合水泥( G B C ) 混凝土的干缩小于普通混凝土，抗裂性能高于普通混凝土，具有较好 的抗硫酸盐侵蚀性能，其水溶性氯离子有效扩散系数只有普通混凝土的1 7 ；随着聚合物 掺量的增加，水泥水化
8、物中C a ( O H ) ，数量减少，水泥混凝土的微观结构得到改善，混凝土 的路用性能得以显著提高，复合式路面使用性能优异；利用由碱激发偏高岭土得到的地聚合 物与轻集料陶砂制备出的地聚合物基轻质混凝土具有很好的力学性能和耐高温性能。 国外先后在部分水泥中掺入矿渣、粉煤灰、火山灰、页岩、石灰石等作为混合材料。我 国每年排放出各类固态工业废弃物近1 0 亿吨，自2 0 世纪5 0 年代就采用掺加一些天然矿物 如火山灰和工业废渣如矿渣、粉煤灰作为水泥生料的原材料；后又作为水泥熟料的混合材， 以增加水泥产量的措施，解决水泥需求问题。后来发展到研究钢渣、煤矸石和石灰石作为混 合材的可能性。 近年来，国
9、内外在高性能混凝土制备过程中掺加超细的矿渣粉或( 和) 粉煤灰，改善 了亚微观结构。对粉煤灰在水泥混凝土中的作用机理提出了滚珠效应、填充效应和表面水化 效应。掺加少量0 1p m 左右的硅灰( s i O ：) ，可以制备高强混凝土。这些掺合料因在某种程 度上具有胶凝性质，因此，近年来被称为辅助胶凝材料，又称为混凝土第六组分或矿物外 加剂。 利用矿物外加剂可配置高性能混凝土和特种功能混凝土，并把原来矿物掺合料简单的代 替水泥观念，提升到作为混凝土辅助性或性能调节型胶凝材料的高度来认识，对高性能混凝 土材料设计和性能优化有重要的启示意义。在应用基础理论上，提出了辅助胶凝材料复合胶 凝效应理论(
10、包括诱导激活效应、表面微晶化效应及界面耦合效应等) ，建立了胶凝组分优 化配伍理论与模型。在制备技术上，提出了机械力活化和化学活化技术路线，根据颗粒群特 第一部分混凝土及轻集料混凝土 5 征定量体视学分析，提出了最紧密堆积和颗粒形状匹配理论，解决了生产工艺关键技术。在 应用上，提出了辅助胶凝材料商品化的概念，使辅助胶凝材料发展成为混凝土的矿物外 加剂。 1 2 水泥基材料的改性 水泥基材料的改性主要体现在下列混凝土材料系列中：高强混凝土、高性能混凝土、自 密实混凝土、聚合物水泥混凝土和纤维增强混凝土。 近些年来，化学外加剂的应用，使混凝土的工作性能大大提高。这也造成混凝土技术的 一场革命。超塑
11、化剂还能改善硬化浆体和集料的界面结构。 外加剂的发展非常迅速，在欧洲和日本已相继发展到第三代产品，成为制备高性能混凝 土和特种混凝土的必需组分。我国的商品混凝土中也几乎无例外地掺用混凝土外加剂。外加 剂的发展无疑对提高混凝土质量和经济效益起着重要作用。但我国在混凝土外加剂的生产和 应用方面存在很多问题，特别是外加剂的生产和应用都是拿来主义，缺乏科学和理论的指 导。但是，由于外加剂掺人量非常少，其作用机理尚无法解释，因此在应用过程中许多缺陷 无法解决。 在高分子聚合物改性水泥基材料已有8 0 余年的历史，2 0 世纪7 0 年代以后，世界范围 对这一领域的研究兴趣与日俱增。聚合物改性水泥基材料有
12、良好的粘结性和耐水性，配置工 艺与普通水泥砂浆基本相同，不需要潮湿养护，收缩与普通砂浆相同或略低一些，强度较 高，弹性模量较低，抗冻融性和抗渗性好，是水工建筑、海洋以及港口建筑、普通工业与民 用建筑、地下建筑结构、道路与桥梁等的良好的修补材料。但聚合物改善性能的机理尚不十 分清楚。 活性细粉混凝土( R e a c t i v eP o w d e rc o n c r e t e - R P C ) 是一种超高强的混凝土，其立方体抗 压强度可达2 0 0 8 0 0 M P a ，抗拉强度可达2 5 1 5 0 M P a ，断裂能可达3 0 0 0 0 J m 2 ，单位体积重 量为2 5
13、 0 0 3 0 0 0 k g m 3 。制成这种混凝土的主要措施是：减小颗粒的最大尺寸，改善混凝土 的均匀性；使用细粉及极细粉材料，以达到最优存储密度( P a c k i n gd e n s i t y ) ；减少混凝土用 水量，使非水化水泥颗粒作为填料，增大存储密度；增放钢纤维以改善其延性；在硬化过程 中，加压及加温使其达到很高的强度。国内采用国产细粉材料，加入适量钢纤维，已研制成 C 1 8 0 一C 3 6 0 级的跗 C 。 我国从2 0 世纪9 0 年代开始免振捣自密实混凝土的研究，目前已广泛应用于水电站、桥 梁、高层建筑等各种工程。如三峡工程的泵站引水压力管道，钢筋密集，采
14、用自密实高性能 混凝土，取得了较好的施工效果；公伯峡水电站的压力钢管水平段及厂房中钢筋过于密集部 位分别采用了c 2 0 、c 3 0 自密实高性能混凝土；地处云贵高原的内昆铁路李子沟特大桥高墩 采用C 2 8 自密实混凝土施工。我国对自密实混凝土的研究发展比较迅速，但基本上都是针 对当地材料进行的混凝土工作性能评价及配合比设计，未形成统一的标准和规范，还需作进 一步的研究，另外自密实混凝土的高流动性、粘聚性和强度不稳定，仍没有完善的措施进行 指导。 钢纤维增强聚合物混凝土比钢纤维混凝土在力学性能上有大幅度的提高，其在梯面大桥 桥面铺装中的应用，也得到了相同的结论。 6 建筑材料新进展及工程应
15、用 1 3 混凝土结构功能一体化 从2 0 世纪9 0 年代末国内开展了混凝土结构一功能一体化的研究。混凝土结构- 功能一体 化是指集混凝土的结构性能与多种功能于一身，即混凝土材料在增强、增韧等力学性能的同 时，又拥有多种良好的功能特性，如混凝土性能的自感知和自调节、混凝土损伤的自诊断和 自修复。国内已研制开发了激光三角量测装置，可以对任意断裂面进行数字化三维重构，建 立了表征断裂面特性的若干参数，揭示了材料组成、宏观力学性能与断裂面参数的内在联 系。在此基础上并利用材料层次模型，提出用混杂纤维增强增韧混凝土的理念，实现了混凝 土的低成本高韧性。同时提出了融自然愈合、基体增强和有机物释放等机制
16、为一体的混凝土 裂缝自愈合的技术路线：通过在混凝土传统组分中复合活性无机掺合料、微细低弹模纤维和 有机化合物，在混凝土内部形成自增强、白愈合网络，有效减少早期微裂纹和细化削弱后期 裂缝尖端的应力集中，实现对混凝土材料微裂缝的自愈合。混凝土结构一功能一体化的研究 具有多学科综合性和涉及课题前瞻性等特点，不仅从整体上提升了混凝土材料的研究水平， 拓宽了混凝土材料创新思路和理念。国家自然科学基金委员会也在这一领域设立了重点项 目，开展机敏水泥基材料及其结构行为的研究。 在目前的太阳能建筑中利用以水泥基材料的显热方式储存热能为主的储能材料，虽然显 热储能的储能密度不高、体积较大，但具有成本低和储能性能长期稳定的优点。 有人将自密实混凝土( s e m c o m p a c t i n gc o n c r e t e ) 、内养护混凝土和承受高温的高强混凝 土纳入机敏混凝土的范畴。 1 4 水泥基材料的耐久性 除了追求材料的高强度以外，人们对耐久性和环境问题也日益重视。国内外对碱集料 反应、钢筋锈蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀、碳化等进行
