現代混凝土技術的發展及對水泥混合材摻量的要求

關琳

摘 要：以現代混凝土演化為線索，從混凝土生產技術、性能、工程應用、檢測與監控、理論研究等方面綜合闡述國內外現代混凝土材料的發展歷史、現狀及趨勢。

關鍵詞：混凝土技術；發展；水泥混合材摻量

1 混凝土低水膠比帶來的混凝土配合比問題

以高效減水劑為主要特征的現代混凝土技術，由于能夠實現較低水膠比的混凝土配制，使混凝土的強度不再主要依靠水泥的強度。但較低的水膠比和較大坍落度（需求）造成混凝土較大的水泥（膠凝材料）用量。水泥用量的增加，勢必造成混凝土成本的提高，不為商品混凝土所??；同時，采用高強度等級水泥配制混凝土又會造成混凝土強度遠遠高出設計強度，導致資源的浪費。更為重要的是，較大量的高強度等級水泥的使用，勢必造成混凝土內部溫升的提高，促進混凝土的開裂。如何解決此問題，就是在混凝土中大量使用礦物摻合料。

2 提高混凝土功能

2.1 高強化

混凝土高強化的重要意義在于減輕工程建筑的自重。當前，在中國工程中運用的混凝土強度等級顯著提高，預拌混凝土工廠已比照成熟地掌握了C50-C60混凝土的制作與泵送技術，而C50-C60在全國大面積廣泛推廣。在制作高強混凝土的研討中，應致力于混凝土的延性、抗裂性與抗拉強度。廣州珠江新城西塔高432m，從主塔樓現澆異性柱到直形墻等計劃選用C70-C90高功能混凝土約4萬方，其間C80混凝土需最高泵送410m，C90混凝土需最高泵送167m。實踐施工選用52.5R硅酸鹽Ⅱ型水泥、S95礦粉、挪威硅灰、高效減水劑制作混凝土滿足工程計劃與施工需要，C90混凝土查看強度達112.7MPa。

2.2 高功能化

高功能混凝土不只具有杰出的耐久性、流動性與體積穩定性，因為在制造的組份材料中利用了很多的工業廢渣，顯著地減少了嚴峻污染環境的水泥用量。因而，應將之作為可耐久開展的綠色修建資料而給于大力的開展使用。自上世紀90年代以來，我國各行業高度重視混凝土耐久性，相繼出臺了針對本行業特色的混凝土耐久性標準和技能規定，如我國土木工程學會CCES01-2004《混凝土構造耐久性與施工攻略》、鐵道部的鐵建造[2005]157號《鐵路混凝土構造耐久性規劃暫行規定》等。我國在若干重大工程的建造中現已充分遵循了“混凝土耐久性規劃”理念，并提升到了“強度規劃與耐久性規劃偏重，強度服從耐久性”的高度。杭州灣跨海大橋全長36km，其間跨過海域長近32km，大橋主體構造除南、北航道橋用鋼箱梁外，其他均為混凝土構造，混凝土用量約250×104m3，規劃使用壽命100年。該橋混凝土施工中以氯離子擴散系數為混凝土耐久性的主要操控目標，選用大摻量摻合料（42.5PⅡ硅酸鹽水泥55%～70%礦粉粉煤灰復摻料）和低水膠比（≤0.4），低氯離子擴散系數（≤1.5×1012～3.5×1012m2/s），以混凝土資料的耐久性作為確?；炷翗嬙炷途眯缘谋匾疤?。

2.3 輕質化

在工程資料的上，除強度外，還有一個比重性能指標同樣具有重要意義。作為構造用的輕混凝土，近期的奮斗目標為：容重為500kg/m3，抗壓強度到達15MPa；容重為800kg/m3，抗壓強度到達25MPa。因而，對輕集料陶粒等的制作與研討還有待深化。

2.4 功能化

現代建筑等土木工程對混凝土資料提出了新的挑戰，不只需求混凝土有高強度，并且還應具有聲、光、電、磁、熱等功用，以習慣多功用和智能修建的需求。導電混凝土是將導電物質（如導電聚合物、碳黑、石墨、金屬粉末、金屬絲和碳纖維等）摻混并均勻渙散在水泥混凝土中而制成。目前常用于導電混凝土分可分為3類：聚合物類、碳類和金屬類，其間最常用的是碳類和金屬類，碳類常包含石墨和碳纖維。導電混凝土資料按其體積電阻率可分為半導體資料、防靜電資料、導電資料和高導電資料等，它們廣泛地使用于工業防靜電、非金屬電熱元件和修建物屏蔽電磁波等工程。自20世紀90時代以來，水泥基導電復合資料得到了很快的發展，現已在工程中得到了相當廣泛的使用。導電混凝土用作防靜電資料時，其電阻率小于105Ω·m即可。導電混凝土用作電熱資料的電阻率在10-1～102Ω·m之間，與常用的金屬電熱器比較，具有熱容大、抗過電壓和電流的能力強、散熱面積大、熱量散布均勻、表面溫度低、耐久等長處，因而不光可用作采暖的電熱資料，并且也可廣泛地使用于高速公路、機場跑道除雪，在動物養殖廠和植物養植場締造溫室等。經過功用摻合料碳黑、金屬粉末、金屬纖維制造的高導電混凝土資料電阻率為10-5～10-2Ω·m可用作傳導資料及電磁隱身資料。

美國內布拉斯加州的RocaSpur橋是世界上第一座選用導電混凝土橋面板除冰化雪的橋梁，其橋長46米，寬11米，橋面板內鑲嵌36m×8.5m×100mm的導電混凝土層（由52塊獨立的導電混凝土板構成），其間裝配了熱電偶為除冰化雪供給監測數據。導電混凝土選用鋼纖維和碳質資料作為導電介質，導電混凝土發熱板用三相交流電供電生熱，自動控制溫度在4.5～12.8℃，通電時記錄到峰值功率在360～560W·m-2。該橋2001年開工，次年竣工，2003年敞開交通，初次除冰試驗的數據顯現導電混凝土板的溫度高于環境9℃。比照剖析可知在路面板和橋面板上鋪設導電混凝土層從技能和經濟考量都是最為有用的除冰雪方法。貯存太陽能的蓄熱混凝土、夜間導向的發光混凝土，監測修建物安全性的智能混凝土、光致變色混凝土、溫度變色混凝土、抗滅菌混凝土、吸音混凝土等一批功用性混凝土將在現代工程、現代修建及其它領域中得到廣泛的使用。

2.5 藝術化

用玻纖增強混凝土等制作的人造石、雕塑、園林小品、仿生建筑和仿古建筑，在裝點自然、美化城市、改善人居環境等方面，混凝土將占有更大的藝術空間。質樸的、粗獷的、更貼近人類回歸自然心理要求的人造石文化時代必將出現。

2.6 膨密化

不論從密實性、體積穩定性以及減免干縮、溫度裂縫等功能來看，摻入適量膨脹劑，對于普通混凝土、高性能混凝土，尤其是大體積混凝土和侵蝕環境中的鋼筋混凝土，提高其耐久性都是十分有利的。普遍摻入膨脹劑是混凝土發展的一種趨勢。

3 混凝土能否代替水泥消納大量的工業廢渣

通過降低混合材摻量提高水泥強度等級，必然影響到對作為混合材的工業廢渣的消納，而這些廢渣能否以混凝土摻合料的形式進行消納？按照JGJ55—2011的規定，目前可用于混凝土的礦物摻合料有：符合GB/T18046的?；郀t礦渣粉、符合GB/T26751的?；姞t磷渣粉、符合GB/T20491鋼渣粉、符合GB/T1596的粉煤灰以及符合GB/T18736的礦渣粉、粉煤灰、沸石和硅灰，合計5種工業廢渣。而我國的工業廢渣品種多樣，僅可用于水泥中的人工火山灰質混合材料就多達5種。因此，現有的礦物摻合料不能涵蓋所有的混合材料品種，此其一。其二，作為礦物摻合料的原料，必須具備一定的排放量，如礦渣、磷渣和鋼渣等，才能夠滿足粉磨系統的“胃口”，否則將限制粉磨系統的運轉率，深陷虧本的泥潭。而很多工業廢渣由于分布散和排量小，不足以支撐粉磨站的運轉生產礦物摻合料，限制了其在混凝土的直接應用。而水泥的生產可以通過組分的設計消納小排量的工業廢渣，是礦物摻合料的生產不能相比的。因此，這將限制礦物摻合料的發展，在我國限制鋼鐵產量和火電比重逐步降低的情況下，此種情況更會加劇。因此，混凝土攪拌站不能完全取代水泥廠利用工業廢渣，這些分布散和排量小的工業廢渣只能通過水泥企業進行消納。

4 低強度等級水泥能否配制高強混凝土

前面已經介紹了混凝土礦物摻合料的規定，實際形成不同混合材摻量的水泥。所以，對于混合材料對水泥或混凝土性能的影響不做討論。只對低強度等級水泥能否配制高強混凝土進行分析。首先，按照現代混凝土技術和設計規范，用碎石作為粗骨料、在使用高效減水劑的條件下配制C30混凝土。根據混凝土水膠比的計算公式，可以分別計算出水膠比在0.5、0.4和0.3時所需水泥的28d抗壓強度分別為31MPa、24.6MPa和18.1MPa。也就是說，在0.5的水膠比條件下，用強度等級為32.5的水泥完全可以配制出C30的混凝土；在0.4的水膠比條件下，用強度等級為27.5的砌筑水泥完全可以配制出C30混凝土；而在0.3的水膠比條件下，用強度等級為22.5的砌筑水泥也可配制出C30混凝土?；蛘哒f，如果配制C15和C20的混凝土，在使用減水劑的情況下，還必須摻加礦物摻合料才能配制出性價比合理的混凝土來。下面的配合比是我院2013年調研建工企業時某企業的C20混凝土膠凝材料的組成：（240kg的P·C32.5水泥+90～95kg的粉煤灰）/m3混凝土。那么，用強度等級32.5的水泥在低水膠比的條件下能配制混凝土的強度是多少？設定水泥28d抗壓強度為35MPa，用碎石作為粗骨料，根據混凝土水膠比的計算公式，水膠比分別為0.28、0.26和0.24時的混凝土強度分別為62.5MPa、67.6MPa和73.6MPa。也就是說，利用28d抗壓強度為35MPa的32.5水泥可以配制C60和C70的高強混凝土?？梢?，現在高效減水劑的使用打破了傳統的常規：混凝土的水灰比可以減小到比檢測水泥的水灰比低得很多，老規范中“水泥強度應是混凝土強度的1.5～2倍”的規定已成為歷史，現今的32.5級水泥能配制C60混凝土已是現實。綜上所述，按照現代混凝土技術和配合比設計需要，以及目前我國混凝土強度等級還是以C30為主的情況下，目前應該大力發展的是大摻量混合材的低強度等級水泥，而不是混合材用量少的高強度等級水泥。

5 結語

以使用高效減水劑為主要特點的現代混凝土技術，可以實現低水膠比混凝土的配制，使混凝土的強度不再主要依賴水泥的強度。為彌補低水膠比造成的混凝土流動性的不足，礦物摻合料在混凝土中的使用成為必然，并成為膠凝材料的一部分，使混凝土膠凝材料成為實際的大摻量混合材、低強度等級水泥。然而由于混凝土攪拌站使用礦物摻合料的先天不足，大摻量混合材的低強度等級水泥應成為水泥行業目前首選戰略發展方向，或在大摻量混合材的條件下，生產不同強度等級的水泥，滿足不同強度等級混凝土的需要。

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