新型混凝土材料在土木工程領域中的應用

鄭必杰 楊 丹 宋 萌

[摘要]對高性能混凝土、活性微粉混凝土、鋼纖維混凝土、自密實混凝土、智能混凝土等的性能進行總結(jié),并對其應用與發(fā)展作簡要的介紹與分析。

[關鍵詞]建筑材料混凝土土木工程

中圖分類號:TU5文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0820101-01

一、引言

混凝土(三合土)作為一種傳統(tǒng)的建筑材料具有悠久的歷史。普通的混凝土材料系由膠結(jié)材料(石灰、水泥)、細骨料(砂子)、粗骨料(石子)和水所組成。在性能及其應用與發(fā)展的普通混凝土基礎上,根據(jù)添加材料和施工工藝的不同,派生出名目繁多、性能特異、用途不一的新型混凝土,本文介紹幾種新型混凝土及其在土木工程領域中的應用。

二、新型混凝土材料

(一)高性能混凝土

2O世紀8O年代以來,一些發(fā)達國家相繼研制成功高性能混凝土(以下稱HPC),使混凝土進入了高科技時代。

HPC的優(yōu)點體現(xiàn)在:1.由于HPC的高強(60Mpa-100MPa)和超高強(≥IOOMPa)特性,可使混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大大減少,從而減輕結(jié)構(gòu)自重和對地基的荷載,并減少材料用量,增加使用空間,大幅度的降低工程造價;2.由于HPC具有高工作性,可以減輕施工勞動強度,節(jié)約施工能耗;3.HPC的高耐久性可增加對惡劣環(huán)境的抵御能力,延長建筑物的使用壽命,減少維修費用及對環(huán)境帶來的影響,具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。

由于HPC的優(yōu)良性能,因此近十幾年來在國內(nèi)外得到了迅速廣泛的應用。法國若尼大橋(1989年)、加拿大拉羅漢蒂那大廈(1984年)、挪威北海石油鉆井平臺等均采用了aPE;我國上海南浦大橋154m主塔、楊浦大橋208m主塔采用泵送一級HPC,還將高流態(tài)混凝土泵至350m高的上海東方明珠電視塔進行施工,北京西客站、京津唐高速公路及其它高層建筑均采用了HPC,其使用前景相當廣闊。

(二)活性微粉混凝土(Reactive Powder Concrete)

活性微粉混凝土(簡稱RPC)是一種超高強的混凝土,其立方體抗壓強度可達200MPa-8OOMPa,抗拉強度可達25MPa-150MPa,斷裂能可達30kJ/m,單位體積質(zhì)量為2.5t-3.0t/m。在普通混凝土基礎上制成RPC的主要措施有:1.減小顆粒的最大尺寸,改善混凝土的均勻性;2.使用微粉及極微粉材料,達到最優(yōu)堆積密度(packing density);3.減少混凝土用水量,使用非水化水泥顆粒作為填料,以增大堆積密度;4.增放鋼纖維以改善其延性;5.在硬化過程中加壓及加溫,使其達到很高的強度。

普通混凝土的級配曲線是連續(xù)的,而RPC的級配曲線是不連續(xù)的臺階形曲線,其骨料粒徑很小,接近于水泥顆粒的尺寸。RPC的水灰比可低到O.15,需加入大量的超塑化劑,以改善其工作度。RPC的價格比常用混凝土稍高,但大大低于鋼材,可將其設計成細長或薄壁的結(jié)構(gòu),以擴大建筑使用的自由度。目前,加拿大Sherbrook已設計建造了一座跨度為60m、高3.47m的B200級RPC的人行摩托車用預應力桁架橋。

(三)纖維增強混凝土

為了克服混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點,在混凝土中摻加纖維以改善混凝土性能的研究,發(fā)展得相當迅速。目前研究較多的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。

在承重結(jié)構(gòu)中,發(fā)展較快、應用較廣的是鋼纖維混凝土(SFRC),可分為主要用于土木建筑工程的碳素鋼纖維和用于耐火材料工業(yè)中的不銹鋼纖維。當纖維長度及長徑比在常用范圍,纖維摻量在l%到2%(體積分數(shù),本文中的摻量均指體積分數(shù))的范圍內(nèi),與基體混凝土相比,鋼纖維混凝土的抗拉強度可提高40%-80%,抗彎強度提高60%-120%,抗剪強度提高5O%-100%,抗壓強度提高,在0-25%之間。彈性階段的變形與基體混凝土性能相比沒有顯著差別,但可大幅度提高衡量鋼纖維混凝土塑性變形性能的韌性。

鋼纖維混凝土采用常規(guī)的施工技術(shù),其鋼纖維摻量一般為O.6%-2.O%。再高的摻量,將容易使鋼纖維在施工攪拌過程中結(jié)團成球,影響鋼纖維混凝土的質(zhì)量。但是國內(nèi)外正在研究一種鋼纖維摻量達5%-27%的簡稱為S～CON的砂漿滲澆鋼纖維混凝土,它與普通鋼纖維混凝土相比,其特點是抗壓、抗拉、抗彎、抗剪強度以及延性、韌性等有更大的提高。雖然SIFCON力學性能優(yōu)良,但由于其鋼纖維用量大、

一次性投資高、施工工藝特殊,因此它只是在必要時用于某些特殊的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的局部,如火箭發(fā)射臺和高速公路的搶修等。

在砂漿中鋪設鋼絲網(wǎng)及網(wǎng)與網(wǎng)之間的骨架鋼筋(簡稱鋼絲網(wǎng)水泥)所做成的薄壁結(jié)構(gòu),具有良好的抗裂能力和變形能力,在國內(nèi)外造船、水利、建筑工程中應用較為廣泛。近年來,在鋼絲網(wǎng)水泥中又摻入鋼纖維來建造公路路面、漁船、農(nóng)船等,取得了更好的增韌、增強效果

(四)自密實混凝土

自密實混凝土不需機械振搗,而是依靠自重使混凝土密實。該種混凝土的流動度雖然高,但仍可以防止離析。配制這種混凝土的方法有:(1)粗骨料的體積為固體混凝土體積的50%;(2)細骨料的體積為砂漿體積的40%;(3)水灰比為0.9-1.0;(4)進行流動性試驗,確定超塑化劑用量及最終的水灰比,使材料獲得最優(yōu)的組成。

這種混凝土的優(yōu)點有:現(xiàn)場施工無振動噪音,可進行夜間施工,不擾民;對工人健康無害;混凝土質(zhì)量均勻、耐久;鋼筋布置較密或構(gòu)件體型復雜時也易于澆筑;施工速度快,現(xiàn)場勞動量小。

(五)智能混凝土

智能混凝土利用混凝土組成的改變,可克服混凝土的某些不利性質(zhì)。例如;高強混凝土水泥用量多,水灰比低,加入硅灰之類的活性材料,硬化后的混凝土密實度好。但高強混凝土在硬化早期階段,具有明顯的自生收縮和孔隙率較高,易于開裂等缺點。解決這些問題的一個方法是,用摻量為25%的預濕輕骨料來替換骨料,從而在混凝土內(nèi)部形成一個“蓄水器”,使混凝土得到持續(xù)的潮濕養(yǎng)護。這種加入“預濕骨料”的方法,可使混凝土的自生收縮大為降低,減少了微細裂縫的數(shù)量。

高強混凝土的另一問題是良好的密實性所引起的防火能力降低。這是因為在高溫(火災)時,砂漿中的自由水和化學結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樗畾?但卻不能從密實的混凝土中逸出,從而形成氣壓,導致柱子保護層剝落,嚴重降低了柱的承載力。解決這個問題的一種方法是在每方混凝土中加2kg聚丙烯纖維,在高溫(火災)時,纖維熔化,形成了能使水氣從邊界區(qū)逸出的通道,減小了氣壓,從而防止了柱子的保護層剝落

(六)碾壓混凝土

碾壓混凝土[5]近年發(fā)展較快,可用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)(如水工大壩、大型基礎)、工業(yè)廠房地面、公路路面及機場道面等。

用于大體積的碾壓混凝土結(jié)構(gòu)施工的澆筑機具與普通混凝土不同,其平整使用推土機,振實用碾壓機,層間處理用刷毛機,切縫用切縫機。整個施工過程的機械化程度高,施工效率高,勞動條件好,可大量摻用粉煤灰。與普通混凝土相比,澆筑工期可縮短1/3-1/2,用水量可減少20%,水泥用量可減少3O%-6O%。

碾壓混凝土的層間抗剪性能是其被用來修建混凝土高壩的關鍵。在公路、工業(yè)廠房地面等大面積混凝土工程中,采用碾壓混凝土,或者在碾壓混凝土中再加入鋼纖維,成為鋼纖維碾壓混凝土,則其力學性能及耐久性還可進一步改善。

(七)其他混凝土

此外,隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展,還出現(xiàn)了許多類型的混凝土,如快硬混凝土、耐熱混凝土、耐酸混凝土、耐堿混凝土、耐磨混凝土、水工混凝土、樹脂混凝土、瀝青混凝土、壓漿混凝土、噴射混凝土、壓軋混凝土等。這些新型混凝土各有其獨特的性能并應用在相關工程中,限于篇幅,這里就不一一贅述了。

參考文獻:

[1]俞瑞堂,高性能混凝土的發(fā)展與展望[J].水利水電工程設計,1997,(2):53～58.

[2]陳本沛,混凝土結(jié)構(gòu)理論和應用研究的理論與發(fā)展[M].大連:大連理工大學出版社,1994.

[3]趙國藩、黃承逵,纖維混凝土的研究與應用[M].大連:大連理工大學出版社,1992.

[4]曲福進,高性能纖維混凝土SIFCON靜動態(tài)特性研究[D].大連:大連理工大學,1996.

[5]黃達海,高碾壓混凝土拱壩施工過程仿真分析[D].大連:大連理工大學,1999.

作者簡介:

鄭必杰(1988-)福建福州市人,中國礦業(yè)大學建筑工程學院06級土木工程專業(yè);楊丹(1990-),湖北省潛江市人,中國礦業(yè)大學建筑工程學院06級土木工程專業(yè);宋萌(1988-),北京海淀區(qū)人,中國礦業(yè)大學建筑工程學院06級土木工程專業(yè)。