高强混凝土的发展前景分析

[摘要]本文讨论了高强混凝土的原材料选择、配合比设计和配制高性能混凝土应注意的问题,并对高强混凝土的发展、应用与前景作了分析。介绍了高性能混凝土在具体工程中的应用,并提出了高性能混凝土的几个发展方向，针对高强混凝土的特性,对其施工措施提出了自己的看法。
[关键词]高强度 混凝土 建筑工程 配制技术 混合料

一、引言
高性能混凝土是近年来混凝土材料发展的一个重要方向。高性能是指混凝上具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能，一般把强度等级为C50及其以上的混凝土称为高强混泥土。其配制是由水泥、砂、石、水等原材料加减水剂并同时添加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料，经常规工艺生产而得到的具有较高强度的混凝土。提高混凝土的强度是发展高层建筑、高耸结构、大跨度结构的重要措施，采用高强混凝土，可以减小结构或构件截面尺寸，减轻自重，因而可获得较大的经济效益，而且，高强混凝土一般也具有良好的耐久性，延长使用周期以达到经济效果。
二、高强混泥土的发展现状分析
随着社会现代化的高速发展，在我国建筑工程领域高强混泥土的使用范围越来越广，为提高混凝土强度，我国主要采用的措施有：（1）合理利用高效减水剂，采用优质骨料、优质水泥，利用优质掺合料，如优质磨细粉煤灰、硅灰、天然沸石或超细矿渣；（2）采用高效减水剂以降低水灰比是获得高强及高流动性混凝土的主要技术措施；（3）采用525，625，725号的硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥及相应的外加剂；（4）以矿渣、碱组分及骨料制备碱矿渣高强度混凝土；（5）采用复合高效减水剂，用525号水泥320kg／m3，水灰比0.43，425号水泥480kg／m3，水灰比0.32，在试验室中制成抗压强度分别为68MPa和65MPa的高强混凝土等。
用常规水泥和砂石原材料配制的现代高强混凝土技术是在高效减水剂发明之后从70年代开始发展起来的，它克服了过去配制高强混凝土只能是干硬性混凝土不能工业化预拌生产和泵送施工的根本缺陷，在拌料的工作度和混凝土的强度、体积稳定性与抗渗能力等方面具有综合的优良性能，并被看作是将对土建工程的发展起到重要推动作用的新一代建筑结构材料。高强混凝土具有优良的物理力学性能及良好的耐久性，其主要缺点是延性较差。而在高强混凝土中加入适量钢纤维后制成的纤维增强高强混凝土，其抗拉、抗弯、抗剪强度均有提高，其韧性（延性）和抗疲劳、抗冲击等性能则有大幅度提高。此外，在高层建筑的高强混凝土柱中，也可采用X形配筋、劲性钢筋或钢管混凝土等结构方面的措施来改善高强混凝土柱的延性和抗震性能。
为了大幅度地提高混凝土强度,人们很早以前就已经开展研究工作。1930年日本发表了通过加压振捣与高温养护得到100MPa高强混凝土的报告,其它一些国家的研究成果也有过一些报道。但当时高强混凝土尚处于研究阶段,没有在实际工程中得到应用，直到二十世纪60年代，由于高效减水剂在土建工程中的开发与逐步推广应用,才使得高强混凝土迅速走向实用化。到了二十世纪80年代末,以无水石膏为主要成分的高强混凝土掺合料的开发,与高效减水剂性能继续地改善,即使采用普通的振捣与常压养护方法,也能够制备80～100MPa的超高强混凝土并使其得到应用，这也加速了高强混凝土的发展。同时,以北欧为代表,通过硅粉和高效减水剂复合使用,也得到了强度为100MPa以上的高强混凝土。
我国对现代高强混凝土的研究和应用起步并不晚,早在1980年前后,就在海军大型拱形防护门(宽13m、高21m)中采用了坍落度达15cm、强度达到88.4MPa的高强混凝土,在湘桂铁路复线的红水河斜拉桥中采用了高坍落度的高强混凝土(其实际强度超过C60级)。由于技术、经济、政策上的一些因素及缺乏相应的设计施工条例,还由于我国不少工地的施工管理落后,高强混凝土的推广在以后几年中非常滞缓。
近几年来随着我国城市建设高潮兴起,高强混凝土在技术及经济效益上的巨大优势日益为人们所认识,并在一些建筑施工中的应用取得了突破性的进展。1990年,在较多城市的高层建筑中应用C60混凝土；1995年以来，C80级高强混凝土已在上海世纪广场、辽宁物产大厦、北京静安中心、广州建和中心等工程中局部试用；张璐明等用粉煤灰掺料制备出80～90MPa高性能混凝土；王一光等采用3%超细矿渣等量取代水泥，利用过裹砂石工艺配制出C80～C90高性能混凝土；蒲心诚等运用常规的材料及通用的工艺方法研制成功了超高强高性能混凝土，其28d龄期抗压强度离高达到了130MPa。
三、配制高强混凝土所采用的主要技术途径
大量的事实证明，高强混凝土技术最核心的技术是高强混凝土配制技术，因而也是高强混凝土技术发展的标志技术，我国高强混凝土技术之所以落后于世界先进水平，其根本原因也就是配制技术落后于世界先进水平，尤其是高效减水剂技术至今未有重大突破。目前，国际上配制高强混凝土所采用的方法多种多样，概括起来，主要有以下几个方面的关键技术。

（1）原材料方面：一般均以现有硅酸盐水泥为主要原料（部分也使用高硅水泥），另加入高效减水剂、高强集料、超微掺合料、高分子聚合物（聚乙烯醇、甲基羟丙基纤维素、聚丙烯酰胺）、纤维等。其中，原材料技术中的三个主要技术是：①高效减水剂技术，一旦高效减水剂的减水率突破30%，单用高效减水剂制备C100以上的超高强混凝土就可以实现；②外掺料技术，找到一种廉价的掺合料来代替昂贵的硅灰，高强混凝土就向实用化迈出了重要的一步；③高标号水泥技术，水泥标号能够继续提高，混凝土强度也将随之提高。由于我国生产高标号水泥的技术水平有限，受货源限制，目前配制高强混凝土主要用425号、525号水泥，625号水泥也有使用，725号、825号、925号水泥应用极少。
（2）配合比方面：低水灰比（W/C =0.30～0.93）配合；高砂率（S>40%）；最佳颗粒级配；水泥用量(C=500kg/m3～700kg/m3）。
（3）集料方面：用现有的石灰石碎石可以配制强度≤C100 的高强混凝土；但若配制强度>C100高强混凝土，必须采用特种高强集料，例如玄武岩、烧矾土等，且砂率最好高于40%。
（4）外加剂方面：用现有的市售高效减水剂可以配制出强度在C60～C120之间的高强混凝土；但不能配制出强度≥C120的高强混凝土，必须开发新型超高效减水剂。
（5）掺合料方面：用现有的掺合料，例如矿渣、粉煤灰等或不用掺合料可以配制出强度在C60～C100之间的高强混凝土；若配制强度在C100～C120之间的超高强混凝土，必须使用硅灰、超细矿渣等超微掺料。
（6）成型方面：高压成型（ 成型压力30MPa～700MPa）、挤出或注模成型、真空脱水、热压成型（温度80℃～250℃，压力30MPa～700MPa）、振动加压成型。
（7）养护方面：蒸压养护、湿养（在潮湿介质中养护）。目前尚未出现效果极佳的特殊养护技术。
综合以上技术途径可知，目前高强混凝土配制技术最核心的技术是高效减水剂技术，因而，制造减水效率足够高（30%以上），混凝土坍落度经时损失足够小（10h以上无损失）的超高效减水剂成为当前高强混凝土技术发展的最大障碍，也就成了广大高强混凝土学者的主要任务。还值得指出的是，对于以上方法，人们通常不是单独采用其中的某一种，而总是将以上各方法联合使用，以达最佳效果。
意大利学者采用“高硅水泥+玄武岩集料+富配比+低水灰比+最佳骨料级配+蒸压养护”的技术得到了抗压强度高达300MPa 的超高强混凝土；挪威学者Odd E.Gjorv用高质量的陶瓷集料代替矿物集料，将混凝土的抗压强度又由230MPa 提高到460MPa。与国际上的技术水平相比，我国配制高强混凝土的技术，无论是普遍水平，还是最高水平，均落后于世界发达国家水平。
四、高强混凝土的发展趋势
高强混凝土技术发展到今天，旧的研究领域正在不断成熟，新的研究领域也在不断开拓，并且已经取得了长足的进步。
混凝土在今后的发展中还存在着材料与工程技术方面的难题。如果这些问题得到解决，我国在高强混凝土方面会取得更进一步的发展，本文作者试图从如下角度，对高强混凝土的未来发展作出展望，抛砖引玉，共同推进高强混凝土技术继续发展。
（1）混凝土的强度不断提高。C60～C100区段的高强混凝土的研究开发已比较成熟，研究的热点正集中在C100～C150 的强度区段，预计不久的将来，C100以上的超高强混凝土将会得到大量的推广应用。
（2）用掺入高效减水剂来降低水灰比以提高密实度，并同时掺入活性矿物掺料以增加水泥石中胶凝物质的数量并改善其质量的方法，使混凝土的强度大幅度提高，耐久性根本改善，并能保证混合料的高流动性，这一方法将继续成为配制高强混凝土的主要技术途径。高效减水剂和活性矿物掺料将成为高强混凝土不可缺少的第五和第六组分；在复合改性思想的指导下，人们将采用更加先进的复合技术途径配制高强混凝土，高强混凝土将继续向多元化方向发展。
（3）高强混凝土原材料研究将更加成熟。将制定出适应于高强混凝土的原材料技术标准和质量标准，原材料审定将更加合理；将出现超高效减水剂，坍落度经时损失将得到解决；活性矿物掺料品种增加。
（4）研究降低高强混凝土脆性的技术方法以克服其延性小弱点。可能的方法是：①合适的结构形式，例如合适的配筋形式与配筋量，或采用三维配筋与钢管约束；②与其他材料，如各种纤维复合使用。根据目前国际国内已发表的研究资料，上述趋势十分明确。
（5）矿物细掺料。矿物细掺料不仅有利于混凝土的水化作用，而且在对混凝土强度、密实度和工作性提高方面有着促进作用，而且对抵抗侵蚀和延缓性能退化等都有较大作用。
（6）配合比选择和施工质量控制的智能化。高性能混凝土优越的工作性和可靠性可使施工进度大幅度加快,改善劳动环境,减轻劳动强度,有利于采用先进技术以至让机器人参与施工,提高自动化的程度。
（7）超高强混凝土配制工艺比目前的工艺更加简化，易操作。

（8）采用泵送施工以提高施工效率并降低劳动强度。
（9）全面研究高强混凝土的物理力学基本性能，为结构工程设计奠定基础。
（10）配合比研究趋于成熟，有可能建立起新的水灰比公式。
五、结束语
随着结构技术的革新和结构需要的增加,混凝土作为结构材料的地位必然得到加强,而传统的混凝土技术已无法满足日新月异的工程建设的需要,高强、高性能混凝土的出现及应用必将为未来建筑的发展注入新的生机与活力。步入二十一世纪，我国现代化程度日新月异，在农业、工业、军事等领域，高强混凝土的使用必将越来越普遍，提高混凝土的强度成为我国发展建筑工程方面的核心任务。与此同时，我国高强混凝土配制、生产技术工艺的提高可缩小与国际先进水平的差距，因此，发展高强混凝土技术，任重道远。
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（作者单位：西京学院工程技术系 陕西西安）