高性能混凝土在建筑工程中的應用

孫茂偉

摘 要:當前,現代水泥工業、水泥加工工藝和施工技術飛快發展,混凝土材料品種不斷增多,因此新型混凝土材料在工程建設中的地位顯得日益重要。文章基于高性能混凝土,闡述了高性能混凝土的特點,并探討了其在建筑工程中的應用。

關鍵詞:土建工程;新型混凝土材料;高性能混凝土(HPC)

普通的混凝土材料系由膠結材料(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展的普通混凝土基礎上,根據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,本文以高性能新型混凝為例,探討了其在建筑工程領域中的應用。

1 高性能混凝土(High Performance Concrete)概述

混凝土技術發展已有170多年的歷史,在緩慢的發展過程中,曾出現幾次變革,那就是1919年發現了水灰比定理,1938年發現了引氣劑,60年代初出現高效減水劑。目前,混凝土技術發展又處在一個變革時期。新型外加劑和膠凝材料的出現使既有良好的工作性,又有優異的力學性能和耐久性能的混凝土的生產成為現實。這種新型混凝土稱為高性能混凝土(High Performance Concrete),簡稱HPC。HPC的應用將對混凝土建筑施工技術和混凝土結構性能起重要作用。因此,美國、日本、英國、法國、加拿大、挪威等國都將HPC作為跨世紀的新材料,投入大量人力物力進行研究和開發。

20世紀80年代以來,一些發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,日益受到國際材料界和工程界的重視。很多國家把HPC作為跨世紀的新材料加以研究與利用,使其成為當代混凝土研究和應用領域中的一個熱點。

HPC組成材料包括水泥、粗細集料、多種礦物摻合料、水和超塑化劑,其組成和配比要比普通混凝土復雜,要求也高得多。

HPC的優點體現在:

由于HPC的高強(60Mpa～100MPa)和超高強(≥IOOMPa)特性,可使混凝土結構尺寸大大減少,從而減輕結構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。

由于HPC具有高工作性,可以減輕施工勞動強度,節約施工能耗。

HPC的高耐久性可增加對惡劣環境的抵御能力,延長建筑物的使用壽命,減少維修費用及對環境帶來的影響,具有顯著的社會和經濟效益。

2 高性能混凝土在建筑工程中的應用

為了分析高性能混凝土在建筑工程中的應用,筆者首先從高性能混凝土的特性來了解高性能混凝土。

2.1 高性能混凝土特性

新拌混凝土的工作性。新拌混凝土的工作性是一個綜合指標,如流動性、可泵性、填充性、均勻性等。HPC要求新拌混凝土具有大流動性(坍落度20cm～25cm)及流動度經時損失小,以滿足混凝土集中攪拌、運輸、泵送、澆注的工藝要求。甚至在澆注時要求混凝土不振搗自流平,即好的填充性。最終得到均勻穩定的混凝土。這些要求是普通混凝土難以滿足的。與普通混凝土相比,HPC的組分復雜,多種摻合料與超塑化劑配合使用,其目的是通過這些組分來調整性能。其中最關鍵的技術之一是超塑化劑及其組成。單一成分的超塑化劑(如萘系和三聚氰胺系高效減水劑)雖然對水泥漿有強的分散作用,減水率高達18以上,但并不能滿足HPC對工作性的全部要求。因為單一成分的超塑化劑(SP)難以解決坍落度損失、離析分層等問題。因此,必須將高效減水劑與緩凝劑、引氣劑、穩定劑等組成復合超塑化劑(CSP)才能較全面滿足HPC對工作性的要求。

硬化混凝土的性能。現代建筑向高層化、大跨度方向發展,因此促進了高強HPC的研究和開發。在高層建筑中,混凝土強度是對應于柱子的軸力。可以說建筑物的層數是由所使用的混凝土強度來決定的。25～30層的建筑物要使用強度36MPa～42MPa的混凝土,30～35層要42MPa～48MPa,更高層的建筑就需要更高強的混凝土,如60層需用100MPa。目前建筑物設計和施工以30～35層(高度約l00m)居多。因此,上述討論的強度范圍60MPa～120MPa的HPC是目前研究和今后發展的方向,而大量使用的強度標號是C40混凝土。在此情況下,配合比設計可以參照普通混凝土的方法,但是主要組成材料和性能應滿足HPC的要求。HPC可能比普通混凝土要耐久得多,這是因為在設計配合比時,就考慮到耐久性問題。特別是早期下沉和硬化收縮小、干縮小、水化放熱低,因而提高了混凝土抗裂縫能力,無初始結構缺陷。硬化后的混凝土密實、滲透性低。這些都使混凝土抵抗外部因素的能力得到提高,最終得到耐久性好的混凝土。

2.2 高性能混凝土的應用研究

據悉,全世界每年混凝土用量可達90億噸,規模之大、耗資之巨、應用之廣,作為現代工程主要材料的地位依然不被撼動。混凝土用于工程結構至今已有170多年歷史了,縱觀混凝土技術發展進程,其發展主要遵循復合化、高強化、高性能化三大技術路線長期以來,人們過分注重于混凝土的力學性能,主要集中在提高混凝土的強度上,以搞壓強度的比例關系來代表其性能的優劣,而對影響混凝土耐久性則重視不夠,從而導致了許多工程結構的開裂,甚至崩塌。例如,1980年3月,北海Stavanger近海鉆井平臺Alexander Kjell號突然破壞;烏克蘭境內的切爾諾貝利核電站的泄漏;日本的一些鋼筋混凝土橋梁,投入不到20年因不能使用而被炸毀;遼寧盤錦遼河大橋的斷毀等等。此外,由于混凝土耐久性不高,致使混凝土工程的維修費急劇增大。如何延長混凝土的使用壽命,發展高性能混凝土勢在必行。

2001年10月用高性能混凝土成功澆搗的航站樓工程第一塊大面積樓板,為澆筑量約800m3的主樓南區二層樓板。該樓板呈長條型,寬約20m,長約80m,厚500mm,澆筑前沿樓板長度方向由南往北布置2條施工泵管,分別提供泵送混凝土。施工澆筑時,投入混凝土生產線2條、混凝土攪拌車22臺、混凝土泵機2臺,施工用時14h,施工過程順利。其后,在檢查認可了這種新型混凝土抗裂性以及總結了它的施工養護經驗的基礎上,陸續澆搗了其它的大面積樓板,整個航站樓施工補償收縮纖維混凝土總量超過4萬m3。經檢驗,所有應用補償收縮纖維混凝土施工的樓板強度均達到設計要求,沒有發現任何明顯的肉眼可見裂縫,抗裂效果得到各方認可和好評。

早在1992年,吳中偉首次將高性能混凝土介紹到國內。如今,我國高性能混凝土的研究、應用發展迅速。我國是生產和使用混凝土的大國,混凝土的質量在不斷地提高,涉足高性能混凝土的研究和應用還是近10年的事。隨著高性能混凝土的優越性不斷地得到認可,混凝土應用技術的進步,城市建設速度的加快,高性能混凝土獲得了迅速發展。

高性能混凝土在實際工程中獲得了越來越廣泛的應用,尤其是在高層建筑、大跨度橋梁、海上采油平臺、礦井工程、海港碼頭等工程中的應用日益增多。例如:上海金茂大廈(C60)、北京靜安中心大廈(C80)、遼寧物產大廈(C80)、南京希爾頓國際大酒店(C30和C50)、長春國際商貿城(C55)、廣州虎門大橋(C50)、上海楊浦大橋(C50)等都是應用的典范。

全國很多研究單位已經研制出普通泵送高性能混凝土、大摻量粉煤灰高性能混凝土、高流態自密實高性能混凝土、纖維增加高性能混凝土、輕骨料高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土港工與海工高性能混凝土、高拋纖維高性能混凝土等等,研制出C30-C80的各種強度等級的高性能混凝土和完備的混凝土耐久性檢測設備,以及掌握了配套的施工成套技術和各種混凝土耐久性檢測技術等。其中具有優異耐久性的C30高性能混凝土即將在地質條件復雜的深圳地鐵工程中大規模使用。

結束語

如今我國HPC發展形勢一片良好,但是要使HPC在建筑工程中推廣使用還需一個認識和實踐的過程。隨著我國建筑基礎建設的不斷增強,HPC必將成為新世紀的重要建筑工程材料。

參考文獻

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