水工新材料研究綜述

常曉林，姬 翔，段玉杰

(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

混凝土作為建筑材料已經(jīng)有將近300年的歷史，現(xiàn)在我國大壩也主要是混凝土壩和混凝土面板壩。截止2019年統(tǒng)計中國100 m以上的高壩已經(jīng)超過130座，而混凝土壩的比例占其中的57%，混凝土面板壩的比例占40%。另一方面，我國許多混凝土壩和面板壩中的混凝土服役時間已經(jīng)超過了30年。人們也發(fā)現(xiàn)了混凝土作為水工建筑材料的局限性，受到混凝土溫度應力的影響和后期壩體受力變形的影響，許多混凝土壩在施工期或者運行期或多或少地出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，同時混凝土重力壩、拱壩和面板堆石壩在運行期，對混凝土耐久性、抗拉力學性能也提出了更高的要求。如今，材料科學是國際研究的熱點和前沿，針對不同行業(yè)的特殊需求，人們開始研發(fā)許多具有超高性能的新型材料。隨著金屬玻璃、金屬陶瓷、生物礦化材料和新型無機聚合材料的深入研究，新型水泥基材料也開始不斷涌現(xiàn)。本文綜述了水工新材料的研究進展，介紹了近些年水工混凝土材料和新型水泥基材料的研究成果。

1 高性能混凝土

目前混凝土應用范圍越來越廣，使用總量越來越大，強度也越來越高。尤其是在水工建筑物中，混凝土一直是水利工程建設不可缺少的材料之一。但是因為混凝土受自身和外界環(huán)境的局限性制約，裂縫問題始終難以攻克。水利工程中的混凝土裂縫主要分為：干縮裂縫，塑性收縮裂縫，沉陷裂縫和溫差裂縫等[1]。引起混凝土裂縫的因素也較為復雜：材料的配合比，結(jié)構受力，施工工藝和環(huán)境溫差等都會導致混凝土出現(xiàn)裂縫[2]。

在防止混凝土裂縫的問題研究中，采用纖維增韌混凝土材料是改善其性能的有效途徑[3-5]。可用于改善水泥基復合材料的纖維種類很多，主要有鋼纖維、玻璃纖維、聚合物纖維、天然纖維、碳纖維等[6]。王成啟[7]等研究了不同幾何尺寸纖維混雜混凝土的混雜效應，認為不同幾何尺寸的纖維混雜能夠發(fā)揮一定的協(xié)同效應。Yin[8]等利用聚丙烯和高密度聚乙烯合成了可降解的高耐堿性塑料纖維，并研究了塑料纖維增強混凝土的力學性能和塑料纖維的抗拉拔性能，塑料纖維降低了混凝土的可加工性，但是可以有效控制混凝土的收縮裂縫。Kim[9]等研究了纖維幾何形狀對超高性能纖維混凝土力學性能的影響，測得鋼纖維增強的超高性能混凝土抗壓強度超過300 MPa。Shah[10]等針對纖維增強的高性能混凝土的檢測方法，尤其是無損檢測和測試標準規(guī)范進行了綜述。Abtahi[11]等對碳纖維、玻璃纖維、石棉纖維等最近出現(xiàn)的新型纖維增強混凝土進行了研究，并介紹了不同類型的非金屬纖維增強混凝土的應用前景。Mechtcherine[12]等對纖維增強混凝土的長期服役情況進行了研究，重點研究了纖維混凝土在長期服役過程中耐久性和力學性能的變化情況。Afroughsabet[13]對纖維混凝土的裂紋擴展機制和破壞模式進行了系統(tǒng)研究，總結(jié)了纖維取向?qū)w維增強混凝土的力學性能的影響。

目前越來越多的學者已經(jīng)認識到混凝土宏觀力學性能受到其微觀結(jié)構的影響，對于水泥基材料本身的研究也開始受到重視。Rieger[14]等提出了采用納米技術設計混凝土材料，使之具有超高性能，并指出通過有機物可以控制水化硅酸鈣的納米結(jié)構。Picker[15]等研究海膽脊柱的生物材料微觀結(jié)構，利用乙烯基吡咯烷酮-丙烯酸的共聚物(PVP-co-PAA)合成了層狀有機-無機水化硅酸鈣，并將其抗彎強度提高到了普通混凝土的100倍。C?lfen[16]等通過生物化學角度，研究了化學添加劑和水化硅酸鈣的作用機理，并總結(jié)出了對水化硅酸鈣具有特殊吸附性的有機添加劑應具有的共同特征。

2 水工混凝土耐久性

混凝土結(jié)構在受到各種環(huán)境因素的影響會產(chǎn)生損傷或劣化，其中在凍融循環(huán)和化學侵蝕作用下混凝土的耐久性受到的威脅較為嚴重，在我國許多地區(qū)混凝土因耐久性問題，往往未達到設計服役年限就破壞失效，因此提高混凝土耐久性也成為了水工新材料研究的熱點。Jacobsen[17]等研究了早齡期混凝土在經(jīng)受凍融循環(huán)作用下混凝土的自愈合能力。Zhou[18]等利用多場耦合的數(shù)值模擬方法，研究了混凝土的傳熱和水分傳質(zhì)情況。混凝土受環(huán)境影響作用較大，因此抗凍融抗化學侵蝕混凝土也成為了水工新材料的需求之一。

通過摻入摻合料和改變配合比是提高混凝土抗凍融抗侵蝕性能的重要手段之一。曹雁峰[19]等針對自然環(huán)境較為惡劣的西北地區(qū)抗腐蝕混凝土進行了研究，通過三摻粉煤灰、礦渣和硅粉可以有效提高混凝土的抗凍融、抗硫酸鹽侵蝕能力。Kevern[20]等通過摻入聚丙烯纖維和提高河沙摻量改善了透水混凝土的水滲透性，也改善了混凝土的抗凍融性，同時強度也得到了提高。Zhao[21]等在混凝土中摻入玄武巖纖維，并利用圖像分析技術測試了混凝土表面的位移場和應變場，結(jié)果表明玄武巖纖維可以顯著提高混凝土的抗彎強度減少凍融對試樣的破壞程度。Yazlcl[22]在自密實混凝土中摻入了C類粉煤灰和硅粉，結(jié)果表明為了提高混凝土的抗化學侵蝕能力，摻入粉煤灰和硅粉是非常有效的。Rikabi[23]等利用合成纖維的高抗拉強度增韌混凝土，同時研究了這種合成纖維增韌混凝土在凍融循環(huán)下的耐久性，通過凍融侵蝕實驗發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇纖維可以增強混凝土的抗凍融性，使得混凝土在反復凍融循環(huán)之后仍能保持結(jié)構的完整性。

近年來人們對混凝土的反應過程有了更深入的認識，合成的新型堿激發(fā)材料也獲得了優(yōu)異的耐久性。Pilehva[24]等在地聚物混凝土和普通硅酸鹽混凝土中摻入了相變材料微膠囊，這種微膠囊在溫度過高時融化吸熱，當溫度降低時固化放熱，可以減少凍融循環(huán)的不利影響。Matalkah[25]等利用強堿激發(fā)硅鋁酸鹽制備堿金屬鋁硅酸鹽水泥，這種水泥與普通混凝土相比具有優(yōu)異的抗凍融性能。

3 綠色混凝土

在追求混凝土高性能高耐久性的同時，人們也認識到混凝土雖然是人類使用量最大的建筑材料，同時還是世界上僅次于水的第二大消耗物，但是混凝土材料的制備會造成資源的過分開發(fā)、能源的大量消耗，環(huán)境的污染破壞。資源的有限和混凝土需求的增長導致生態(tài)環(huán)境的壓力增大，兩者之間的矛盾加劇，迫切需要研制和使用具有綠色環(huán)保、生態(tài)節(jié)能的混凝土材料，來解決目前面臨的難題。截止目前，世界上許多國家都對CO2的排放量提出了削減目標，力求減緩全球性溫室效應[26]。聯(lián)合國秘書處在2019-09-22日發(fā)布公報稱已通過一項新的氣候行動十年計劃，在2030年前將與秘書處相關的溫室氣體排放量減少45%。隨著人們綠色意識的增強，低碳環(huán)保的綠色混凝土將成為材料發(fā)展的必然，研究和應用綠色混凝土將助力混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展。

綠色混凝土包括有綠色高性能混凝土、再生骨料混凝土等，它的主要特征是盡可能的減少水泥用量，減少環(huán)境污染；大量利用工業(yè)廢渣，減少資源浪費；使用人工集料、再生集料等代用集料。綠色高性能混凝土(GHPC)較早是由吳中偉院士提出，他強調(diào)綠色的涵義主要為節(jié)約資源能源、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展。綠色高性能混凝土的技術難題主要在于組成材料和工藝流程[27]。高性能減水劑與超細摻合料的研究以及配套的工藝設備研制給綠色高性能混凝土的發(fā)展提供了可能。再生混凝土(recycled concrete，RC)的發(fā)展最早可追溯到二戰(zhàn)后，當時蘇聯(lián)、日本等國家就開始對廢棄混凝土的開發(fā)再利用展開積極的研究。日本在1977年制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》；美國采用微波技術可100%回收利用瀝青混凝土路面廢料；我國將建筑廢渣綜合利用列入1997年科技成果重點推廣項目。由于再生骨料中含有大量的水泥碎屑和粉末，導致再生混凝土的微觀結(jié)構更為復雜，力學性能差異較大[28]。大量實驗表明隨著再生粗集料取代率的增加，再生混凝土的碳化深度增大。再生混凝土的抗?jié)B耐磨、抗硫酸鹽腐蝕等性能均低于同水灰比的普通混凝土[29]。這給再生混凝土的推廣應用帶來巨大的挑戰(zhàn)[30-33]。Seyed Alireza Zareeia 等人研究了再生廢陶瓷骨料(RWCA)和廢地毯纖維(WCF)在高強度混凝土中的綜合利用，發(fā)現(xiàn)適量的WCF能夠有效增強混凝土的拉伸強度和彎曲強度，特定劑量的RWCA可生產(chǎn)出綠色高強度混凝土。 Mostafa Jalal[34]等人將廢舊的橡膠碎屑和火山灰摻入，通過部分替換骨料和水泥來制造更綠色的混凝土。植物性混凝土是一種由有機或無機粘合劑和農(nóng)林業(yè)的生物質(zhì)組成的生物質(zhì)混凝土[35]。由于它獨特的性質(zhì)和成分，植物性混凝土表現(xiàn)出負碳、輕質(zhì)、低密度、低導熱和隔音性等優(yōu)勢，并被廣泛應用。R.walker[36]研究火山灰對石灰麻混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)火山灰具有代替水泥的潛力，使石灰麻混凝土更具有可持續(xù)發(fā)展性。考慮到傳統(tǒng)混凝土以水泥為主要膠凝材料[37]，而在生產(chǎn)水泥的“兩磨一燒”過程中，會排放大量的CO2，約占全球CO2總排放量的8%。針對水泥的高CO2排放，麻省理工學院的Yet-Ming Chiang[38]等人提出并證明了一種基于環(huán)境溫度的電化學方法，可將CaCO3脫碳，進而基本上消除水泥制備過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放物，甚至還可以順帶制造一些有用的“副產(chǎn)品”。圖1展示了他們的低排放的電化學水泥廠方案，首先通過電解中性水產(chǎn)生ph梯度，CaCO3在低ph下脫碳，Ca(OH)2在高ph下沉淀，從中合成所需的硅酸鈣，同時產(chǎn)生高純度的O2/CO2氣體混合物和H2。圖2為低排放的電化學水泥廠方案。

圖1 改性水化硅酸鈣的超高抗彎性能和水化硅酸鈣的表面化學特性圖

圖2 低排放的電化學水泥廠方案圖

根據(jù)國際能源署(IEA)預測，在2050年水泥產(chǎn)量將增長12%～23%[38]，而每生產(chǎn)1 t水泥將會排放0.55～0.95 t的CO2，這意味著每年因生產(chǎn)水泥而產(chǎn)生的CO2排放量超過數(shù)十億噸[39]。Yet-Ming Chiang[38]等人繞開大多數(shù)直接研究新型綠色混凝土這一艱巨的方式，通過改變水泥制備過程實現(xiàn)低碳環(huán)保的目標，這也給我們指出一個實現(xiàn)綠色混凝土的新思路。

4 結(jié) 語

隨著我國水利工程的不斷發(fā)展，已建成的混凝土水工建筑物服役年限不斷增加，混凝土材料本身的劣化情況和耐久性問題等給混凝土結(jié)構安全性提出了新的挑戰(zhàn)。近些年材料科學與納米技術的發(fā)展為水泥基材料的研究開辟了新的方向，通過調(diào)整配合比和摻入礦物摻合料已經(jīng)難以滿足對混凝土性能的需求，越來越多的學者將研究的角度開始聚焦在材料的微納米結(jié)構上，從底層對水泥基材料進行改性，使得混凝土的性能得到了較大的提高。目前混水工建筑材料的抗裂性、耐久性等問題仍是亟待解決的難題，而這些問題的突破需要依靠材料科學的發(fā)展，對于水工新材料的研究仍需進一步探索。