1混凝土及預應力技術發展現狀與成就
近年來,在巨大工程建設任務,特別是重點建設項目和大型工程的帶動下,我國的混凝土工程技術水平有了很大的提高。目前,我國混凝土的年用量約為24億~30億m3,用于房屋建筑和土木工程的水利、交通、市政等所有行業,從結構材料類型方面來講,混凝土結構約占全部工程結構的90%以上,混凝土將是現階段乃至未來2年內我國主導的工程結構材料。
圍繞結構混凝土技術,我國的材料、設計、施工、理論、教學和標準等部門的工程技術人員,組成了許多學術機構、工作組和研發團隊,研究和交流混凝土工程技術的相關問題,可以說我國有世界上最大、最全面、較高水平的混凝土工程技術研發和應用隊伍,積聚了極其寶貴的人才。
近來,混凝土材料技術的總體發展水平是高強度(C60—C80級混凝土得到推廣,C100級混凝土開始應用)、高性能(自密實、補償收縮、低水化熱等)、多品種(早強、速強、防水、纖維、水下等),混凝土平均強度進一步提高,混凝土外加劑技術迅速發展,品種增多,混凝土材料性能得到較好改善,各種不同功能混凝土不斷推出。
混凝土工程技術理論研究進一步深入,相應標準規范全面更新或正在更新。主要有《混凝土結構設計規范》GB50010—2002修訂中、《混凝土結構工程施工質量驗收規范}GB50204-2002、《預拌混凝土》GB/T14902-2003、《普通混凝土配合比設計規程}JGJ55-2000、《混凝土質量控制標準}GB50164—92修訂中、《混凝土強度檢驗評定標準》GBJl07-87修訂中等。
混凝土結構分析設計水平進一步提高,我國自主版權的建筑工程軟件如PKPM等采用高精度有限元分析設計混凝土結構已得到大量應用,混凝土結構抗震、隔震、減震等新型設計理念在工程中得到應用,混凝土結構耐久性和可持續發展等設計思想開始在工程中體現。
混凝土工程施工技術取得較大進展,預拌混凝土成為東部發達地區的主要配送方式,模板技術水平進一步提高,混凝土攪拌、運輸、布料等環節的機械化水平大大提高。特殊構件、特殊部位、特殊技術的混凝土施工形成多種成套技術或工法,如大體積混凝土施工技術、超長混凝土結構設計施工技術、超高混凝土泵送施工技術、鋼管混凝土施工技術、型鋼混凝土施工技術等。
預應力技術近幾年也得到進一步發展,我國高強度低松弛鋼材年產量已大于200萬t(其中預應力鋼絞線產量約140萬t),年使用量約180萬t,成為世界第一生產大國和使用大國,高強度低松弛預應力筋成為我國預應力筋的主導品種,這表明目前我國預應力筋的生產技術、生產量和使用技術處于世界先進水平。目前我國預應力鋼絞線的錨具用量約6 000萬標準錨固單元,且基本上為國產自主創新開發的產品,數量居世界第一,在性能指標方面能夠符合FIP《后張預應力體系驗收建議》的技術要求,達到了國際先進水平。預應力工藝技術不斷更新,無粘結預應力工藝的耐久性進一步完善,緩粘結工藝正在開發,體外索和拉索技術得到開發和應用,特殊預應力工藝技術如牽引、提升、轉體等開始應用。目前預應力技術在我國已成為土建工程中一種十分重要的結構材料和特殊的工藝手段,應用范圍日益擴大,由以往的單層及多層房屋、公路、鐵路橋梁、軌枕、電桿、壓力水管、儲罐、水塔等,擴大到現在的高層建筑、地下建筑、高聳結構、水工建筑、海洋結構、機場跑道、核電站壓力容器等方面。
混凝土及預應力混凝土結構已應用于超高層、超大跨、超大體積、超大面積、超重荷載等各種行業、各種形狀、不同功能的結構物工程中。如建筑工程中的上海世茂國際廣場(混凝土結構60層,屋面高度246m,2004年建成)、重慶世貿中心(混凝土結構60層,結構屋面高度234m,2004年建成)、上海明天廣場(混凝土結構58層,結構屋面高度230m,2003年建成)、唐山會展中心(預應力結構柱網達42m×36m,2004年建成)、深圳大中華證券交易大廳(柱網為42.5m×34m,2004年建成);橋梁工程中的中小跨公路、鐵路和城市橋梁都是混凝土和預應力結構,最大跨度為蘇通大橋副航道連續剛構橋達到270m,東海大橋(2005年建成)預制簡支梁跨度達70m;特種工稚結構如秦山二期、三期、田灣核電站,各種污水處理設施結構,各種工業儲存結構。其中有不少項目工程體量大、技術復雜、施工難度大,但由于應用了許多先進技術,保證了工程建設的順利進行,充分顯示了我國混凝土工程技術已達到或接近國際先進水平。
2結構混凝土存在的主要問題及發展趨勢
2.1主要問題
1) 資源消耗高,污染排放大
近年,我國水泥產量已連續20年居世界第一,年產量約10億t,占全球總產量的40%以上,建筑業每年消耗混凝土25億m3,混凝土結構用鋼筋超過6 000萬t,約占全球的1/3。建筑業持續高速發展導致資源枯竭、能源耗費和環境破壞。
2) 材料強度及性能還需提高
我國混凝土強度等級平均為C30級,預應力混凝土為C40級;混凝土結構
用鋼筋以335MPa為主和400MPa開始推廣應用。歐美國家混凝土平均強度比我們高5~10MPa;鋼筋強度400~600MPa級用量已達到95%以上。
3) 混凝土材料新品種應用較少
自密實混凝土,輕質混凝土,纖維混凝土,特種混凝土及各種外加劑、摻合料技術還應大力研究、開發、推廣。
4) 混凝土結構耐久性研究及修復技術開發滯后。
5) 混凝土結構檢測精度有待提高,現場快速檢測方法需進一步開發。
6) 預應力技術的節材優勢未能充分發揮。
7) 專業公司規模不大、綜合能力不足。
2.2發展趨勢
1) 混凝土材料
研究開發、推廣應用綠色高性能混凝土;開發研究有效地利用工業廢料,減少硅酸鹽水泥熟料用量的技術;關注降低單位混凝土水泥用量,利用工業廢料有效改善混凝土結構耐久性,延長基礎設施使用壽命的技術等,是混凝土材料技術發展的總趨勢。
2) 鋼筋及預應力筋材料
鋼筋材料技術的發展趨勢是,強度逐步發展至400~500MPa;預應力材料除了目前使用的高強度鋼材外,新型碳纖維、玻璃纖維和聚酯纖維類非金屬預應力筋等產品將得到應用。
3) 鋼筋工程施工技術將大量實現工廠化、機械化。
4) 預制混凝土技術將得到大量推廣應用。
5) 預應力技術 ①設計理論將有重大進展,預應力結構的耐久性和經濟性更為協調一致;②預應力工藝將進一步完善,專用產品質量提高;③應用領域進一步擴大。
3技術發展目標及對策
3.1發展目標
提高混凝土工程技術水平,降低單位建筑面積混凝土和鋼筋材料用量,延長使用壽命,減少混凝土廢棄物排放,實現混凝土技術的可持續發展。
3.2 對策及建議
3.2.1提高混凝土和鋼筋的強度及性能
常用混凝土的強度等級由現在的C20~C40級平均C30級,提高到C40~C60級平均C50級,推廣使用的高強混凝土的強度等級由現在的C50~C80級,提高到C60~C100級。混凝土結構用鋼筋的強度級別由現在的335~400MPa級提高到400~500MPa級。降低鋼筋和混凝土材料用量,減少對資源和能源的消耗。
隨著混凝土強度等級的提高,對用于配制結構用混凝土原材料的要求提高為:①水泥的強度等級由現在常用的32.5~42.5提高到42.5~52.5, 62.5的水泥亦應批量應用。②混凝土減水劑的減水率在20%以上并大量使用。③使用優質、環保的摻合料.
3.2.2繼續開發推廣高性能混凝土,促進綠色混凝土在我國的生產和應用
1) 大力發展混凝土減水劑和其他外加劑。
2) 提高混凝土摻合料的質量。
3) 加強進行一般強度等級和高強度自密實混凝土的合理配制研究,及相應混凝土外加劑的研究。
4) 除加強天然輕集料和工業廢料的利用外,研制、開發高性能輕集料,應用礦物摻合料及纖維增強技術等,發展高性能輕集料混凝土。
3.2.3發展纖維混凝土技術
1) 進一步改進纖維產品的生產技術和產品質量,擴大鋼纖維、聚丙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等的生產規模。
2) 加強基礎和應用基礎研究,加強研究纖維混凝土的微觀機理,長期變形性能及耐久性能等;開展超短細纖維超高強混凝土復合材料研究和生產,以及混雜纖維混凝土、智能纖維混凝土的研究。
3.2.4提高耐久性,延長使用壽命
提高我國混凝土耐久性設計和施工水平,提出耐久性指標和試驗方法,可按設計要求達到安全使用年限。合理改造已有混凝土結構,延長結構使用壽命。充分利用拆除的混凝土廢棄物,研究再生骨料混凝土技術,形成循環結構發展模式。
3.2.5發展混合結構,提高結構效率
提高混凝土結構的承載力和延性,以適應超高、超大跨結構發展需要,發展由混凝土與鋼材構成的各種組合結構,如鋼管混凝土、鋼骨混凝土、鋼一混凝土組合結構。
3.2.6發展和改進預應力及預制技術
在預應力材料方面的發展目標:開發研究強度高、自重輕、彈性模量大的復合纖維類非金屬預應力筋。
預應力工藝技術的發展目標:
1) 開發應用新型高抗腐蝕孔道成型及灌漿技術。
2) 完善無粘結預應力防腐蝕體系。
3) 發展預應力拉索及體外索成套技術。
繼續在高層建筑,大跨度、大空向建筑中推廣應用預應力混凝土結構技術,改進修訂相關標準規范,提高使用效率,節約材料。 積極研究開發新型預制結構、預制構件技術,節約材料,美化環境,實現工廠化、工業化建造技術。
4建議
4.1加大科技投入、重視成果轉化
繼續加強混凝土結構耐久性、安全性及可持續發展相關技術的研發。加大對混凝土改性材料等基礎性開發研究。大力開發節材、節能的混凝土應用技術(如提高強度,優化截面,延長壽命,再生利用等),積極示范、推廣應用節能、節材技術,降低混凝土對資源和環境的破壞,實現混凝土技術的可持續發展。
4.2打破部門分割、統籌規劃管理
積極發展專業公司、大型集團公司,鼓勵專項技術的研究開發、設計應用、生產制造和工程服務一體化,推進混凝土技術的發展,提高設計及施工水平:
1) 發展年生產混凝土能力100萬~200萬m3及以上的大、中型混凝土研究、性能設計、生產供應企業。
2) 發展大型模板生產企業和專業模板及支撐設計、安裝公司。
3) 發展預制結構設計、預制構件生產和安裝專業公司。
4) 發展大型專業預應力工程公司,它不僅有自己的預應力專用產品和配套的質量保證體系.有整套的預應力專業施工技術和現場服務體系,還有研究、產品開發和預應力混凝土結構設計與施工的高水平咨詢能力,從而樹立起我國的國際名牌預應力體系。
4.3鼓勵發展預制及預應力技術
鼓勵在高層建筑,大跨度、大空間建筑樓蓋中推廣應用預應力混凝土結構技術,改進修訂相關標準規范,真正發揮超高強預應力筋的節材特點,提高使用效率,降低鋼筋用量。
積極研究開發新型預制結構、預制構件技術,節約材料,美化環境,實現建筑工程的工廠化、工業化生產建造目標。