淺析新型混凝土制備及其特點

肖紅慶 湯蕊瞳 王曉云

(山東科技大學,山東 青島 266590)

1 概述

混凝土作為當代土木工程中應用最廣泛的材料之一，影響著當代建筑和土木工程的發展進程和前進方向，現代建筑技術不斷發展進步，制備和研發新型混凝土也成為了一個重要的發展方向。本文主要對常見的幾種新型混凝土進行了簡單的總結和概括。

2 新型混凝土的制備及特點

2.1 自密實混凝土

自密實混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)最早由日本學者提出，最初設計用于解決混凝土缺乏振搗而帶來的混凝土建筑物的結構問題和耐久性問題。因為在施工過程中無需振搗，僅依靠自身重力就可以均勻地填充到整個模具當中，具有很強的流動性和變形性，因而被稱為自密實混凝土。根據流變力學的觀點，自密實混凝土屬于典型的賓漢姆流體，應滿足如下的流變方程：

τ=τ0+ηγ。

其中，τ為剪切應力；τ0為屈服剪切應力；η為塑性粘度；γ為剪切速度。

普通混凝土是通過振搗方式來減小τ0使混凝土發生流動，而自密實混凝土則是通過將水灰比控制在較低水平，同時，添加高強外加劑和摻合料來使τ0減小到足夠小的范圍內來實現混凝土的高流動性。與傳統高流態混凝土的不同之處在于，自密實混凝土不僅具有高流動性，而且完全不需振搗，還同時具備抗分離性，填充性和間隙通過性等優良性能[1]。在很多情況下，由于體內配筋的要求和模具的限制，施工時很難對混凝土進行有效的振搗，并且振搗過程中產生的大量噪聲遠不能滿足綠色施工的要求。自密實混凝土可以在很大程度上改善以上的問題，在澆筑過程中無需振搗，無需專門的人工和振搗設備，既不會產生噪聲，也節省了費用。而且還能加快施工速度，提高工程質量[2]。

現階段，自密實混凝土主要應用于水利，橋梁，隧道等重大工程中，在構件的修補加固和預制構件的制作中也有部分應用，我國的《自密實混凝土應用技術規程》也對自密實混凝土的施工做了相應的規范。但由于成本較高，施工技術人員未完全掌握施工方法等原因，自密實混凝土在我國應用并不廣泛。

2.2 活性微粉混凝土

活性微粉混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)最早是由法國Bouygues研制成功的一種高強度混凝土。自問世以來即被廣泛關注和應用。活性微粉混凝土效仿“高致密水泥基均勻體系”模型，根據最密堆積原理，用直徑0.4 mm～0.6 mm的細骨料代替原有的粗骨料。通過摻加鋼纖維和硅灰等活性礦物來提高混凝土的韌性和延性。實驗表明[3]，活性微粉混凝土的抗折性能有顯著提升，強度可達50 MPa～60 MPa，遠大于普通混凝土。同時，韌性和斷裂能也有所上升，斷裂能提高至3×104J/m2，而且，硅灰具有很強的活性，可與Ca(OH)2發生化學反應，使Ca(OH)2含量減少，并生成密實的凝膠性水化產物，改善孔隙狀況，抑制堿骨料反應。活性微粉混凝土大致可分為兩類，RPC200和RPC800。RPC200的制備條件沒有特殊要求，抗壓強度可達200 MPa。RPC800則需要在高溫環境下生產，其抗壓強度可達800 MPa。

活性微粉混凝土強度高且綜合性能好，因而廣泛應用在橋梁工程中。制作橋梁構件時，無需配置鋼筋即可滿足構件的功能要求。由于密度小，可以降低自重，使構件向薄壁，大跨，細長等形態發展，構件更加靈活，施工過程更方便。此外，活性微粉混凝土在高層建筑，石油工程及軍工等方面多有應用，且取得了較好的效果。

2.3 泡沫混凝土

泡沫混凝土是將泡沫加入到水、波特蘭水泥、粗細集料、外加劑和摻合料組成的混凝土料漿中去，經過攪拌，澆筑硬化，最終得到的具有許多微小氣泡的混凝土。普通加氣混凝土的主要原料是粉煤灰或礦渣，采用蒸汽養護成型，泡沫混凝土與之有著本質的區別，以水泥為主要的膠結材料，且采用自然養護。泡沫混凝土的發泡方式有兩種，分別為物理發泡和化學發泡。物理發泡是把預先生產的泡沫添加到混凝土漿體中，混合均勻，待混凝土硬化成型后，泡沫以孔洞的形式留在混凝土體內。物理發泡產生的孔洞孔徑較小，一般小于2 mm。化學發泡是將化學發泡劑加入到預先制備好的混凝土料漿中，并混合均勻，由溫差效應或催化作用使發泡劑發生水化反應并生成氣體，隨著混凝土的硬化，最終形成氣泡并固定在混凝土內部。常用的發泡劑為過氧化氫，以MnO2或KMnO4為催化劑。化學發泡產生的孔隙較大，直徑一般為2 mm～4 mm。

根據實驗結果[4]，泡沫混凝土的各項指標在原有混凝土基礎上發生了較大改變。泡沫混凝土密度較小，普通泡沫混凝土密度等級一般為300 kg/m3～1 200 kg/m3，超輕泡沫混凝土密度可低至160 kg/m3，可使構件重量降低25%～40%。熱工性能有較大提升，由于體內含有大量微小且封閉的氣泡，保溫隔熱能力顯著增強，普通的泡沫混凝土的導熱系數一般為0.08 W/(m·K)～0.3 W/(m·K)。同時，體內的封閉氣泡增強了混凝土的隔聲能力，有效減少了噪聲污染。現階段，泡沫混凝土主要用于建筑物的保溫隔熱，在墻體，屋面及地基等構件中有較多應用。此外，泡沫混凝土在巖土和道橋中也有應用，泡沫混凝土本身是一種軟材料，滿足補償地基材料的要求，且密度小，產生的附加應力小，保溫性能好，能有效解決溫差引起的變形問題。

2.4 纖維混凝土

普通混凝土的固有特性是能承受較大壓力，但抗拉和抗彎能力很弱，隨著現代土木工程的發展，增強混凝土的抗拉、抗彎和抗折能力也成為一項重要課題。為了滿足以上要求，研制出了纖維混凝土。為了提高混凝土的性能，在普通混凝土中添加纖維材料，生產改性混凝土，是混凝土研究和發展的一個重要方向。纖維混凝土是在原有混凝土的基礎上，加入纖維材料，以此來改變混凝土的性能。加入纖維材料，相當于在混凝土中添加了微鋼筋，起到了和鋼筋相同的作用，在混凝土受拉時分擔拉力，從而提高抗拉和抗彎的能力。纖維混凝土性能的提升主要取決于添加的纖維材料，按照纖維材料的來源可分為人造纖維和天然纖維兩類。目前，使用比較廣泛的建筑纖維材料主要包括鋼纖維、玻璃纖維和碳纖維等幾種材料。理論上凡是具有高強度和高彈性模量的纖維均可作為纖維材料添加到混凝土中，但在實際應用中，對纖維材料有較高的要求。除了要具備較高的強度和彈性模量，還應具備化學穩定性。混凝土本身是堿性材料，pH值可達10～12，纖維材料應具備在強堿性環境中不發生化學反應的性質。其次，在水泥水化過程中會產生大量的水化熱，有時溫度可達80 ℃以上，部分混凝土采用高溫養護，體內溫度可達200 ℃。纖維材料必須具有良好的熱穩定性才能保證性質和結構不發生改變。此外，纖維材料應與混凝土漿料充分混合，并且與混凝土有較強的粘結力，才能保證纖維的性能得到完全施展。

纖維混凝土的主要特點是[5]施工性能良好，由于在混凝土中加入了纖維材料，提高了粘聚性和流動性，施工效率有所提高。抗拉和抗彎性能顯著提高，普通建筑用纖維抗拉強度即可達幾百兆帕，遠高于混凝土抗拉強度。纖維材料的高彈性模量使得混凝土的變形性能明顯提升，韌性可提高十幾倍，極限拉應變也顯著提高。纖維還能阻止裂縫的開展，提高混凝土的抗侵蝕能力和耐久性。除此之外，某些特殊纖維制作的混凝土還具有其他的優良性能，如石棉纖維混凝土絕熱性和耐久性良好，尼龍纖維混凝土抗滲和抗凍能力有很大提升，杜拉纖維等新興的材料也展現出了不同的新特性。現階段，纖維混凝土的研究和發展已比較完善，在工程中應用也較廣泛，公路，隧道，碼頭等對耐久性和抗腐蝕性要求較高的工程對纖維混凝土的需求比較大。

2.5 再生混凝土

再生混凝土，又稱再生骨料混凝土，是將廢棄的混凝土材料經過加工處理后，生產出再生粗骨料和再生細骨料，全部或部分代替天然骨料，制成的一種新型環保混凝土。現代工程中，混凝土作為使用最廣泛的建筑材料，隨之產生了很多的建筑垃圾，為了解決這一問題，研制出了再生混凝土。廢棄混凝土一般通過多次破碎并篩選的方法制成再生骨料，再生骨料存在一定缺陷，通常需經過強化處理來改善再生骨料的性能。強化處理的方法有物理強化，化學強化。化學強化是用強化材料，如水泥外摻Kim粉、硅灰和粉煤灰等，對制得的骨料浸泡和沖洗，對內部的空隙進行填充，對裂縫進行修補，從而達到強化目的。化學強化法浸泡后，混凝土抗壓強度有明顯提升，其他性能則改變很小。物理強化是通過摩擦切削的方法，除去表面雜質，磨平棱角，減少骨料的缺陷，從而達到強化目的。

與原生骨料相比，再生骨料強度較低、吸水性強、孔隙率大，導致再生混凝土抗壓強度比普通混凝土要低[6]。國內外實驗表明[7,8]，全部由再生骨料組成的混凝土抗壓強度較普通混凝土降低30%以上，再生混凝土受壓時的破壞主要發生在新老界面交界處，并沿著新老界面發展。由于再生骨料材料分布不均勻，也會發生再生骨料破壞的現象。目前，提高再生混凝土強度的方法主要是調整水灰比和顆粒級配，添加外加劑和摻合料等。現階段生產出的再生混凝土的性能已有部分可達到甚至超過普通混凝土。再生混凝土在國外應用廣泛，歐美、蘇聯、日本等對再生混凝土的研究較多，也取得了很大進展。日本的再生混凝土技術發展迅速，走在世界前列，對廢棄混凝土的利用率超過98%，幾乎完全實現了建筑垃圾的完全再利用。我國的再生混凝土技術起步較晚，又因為成本較高，難以實現商業化，再生混凝土在我國的使用并不廣泛，仍需進行進一步的研究和探索。

3 結語

新型混凝土種類繁多，本文所述只是其中一部分。新型混凝土因為優良的性能被廣泛使用，在各種建筑結構中也會更加常見。值得強調的一點是，不應過分夸大新型混凝土性能和作用。建筑工程中還是以普通混凝土為主，切不可濫用新型混凝土，需要時可根據工程實際合理使用。