摘 要:簡要論述了新型混凝土(高性能混凝土、活性微粉混凝土、低強混凝土、輕質(zhì)混凝土、鋼纖維混凝土、自密實混凝土、智能混凝土等) 及混凝土增強材料(非金屬配筋、新型預(yù)應(yīng)力鋼棒等) 的材料組成,以及新型混凝土近年來在工程中的應(yīng)用與發(fā)展.
關(guān)鍵詞:混凝土;混凝土增強材料;組成;發(fā)展
中圖分類號: TU528. 0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
混凝土是主要的建筑材料,廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑工程、水利工程、地下工程、公路、鐵路、橋涵及國防建設(shè)等工程中. 我國每年混凝土用量約10億m3 ,鋼筋用量約2 500 萬t ,規(guī)模之大,耗資之巨,居世界前列. 為節(jié)約資源,保護能源和環(huán)境,走可持續(xù)發(fā)展之路,既要滿足當(dāng)代人的要求,又不危及后代人的需求能力,綠色混凝土將成為今后混凝土的發(fā)展方向.
1 新型混凝土種類
組成鋼筋混凝土主要材料之一的混凝土的發(fā)展方向是高強、輕質(zhì)、耐久(抗磨損、抗凍融、抗?jié)B) 、抗災(zāi)(地震、風(fēng)、火) 、抗爆等.
1. 1 高性能混凝土(HPC)
HPC 是近一二十年才提出的,它的出現(xiàn),把混凝土技術(shù)從經(jīng)驗技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呖萍?代表著當(dāng)今混凝土發(fā)展的總趨勢. 其特點集中表現(xiàn)為具有大流動性、高強度、高耐久性、低水化熱、高體積穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)越性能. 從強度而言,抗壓強度大于C60的混凝土即屬于高強混凝土[1] . 提高混凝土強度是發(fā)展高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)的重要措施.采用高強混凝土,可以減小截面尺寸,減輕自重,因而可獲得較大的經(jīng)濟效益,而且高強度混凝土一般也具有良好的耐久性.
提高混凝土強度可采用的主要措施有: (1) 增加水泥中早強和高強礦物成分的含量,特別是采用以氯鋁酸為主要成分的水泥,快硬、早強的效果顯著,4d 的抗壓強度可達(dá)20 MPa 以上. (2) 提高水泥的細(xì)度. (3) 以礦渣、堿組分及骨料制備堿礦渣高強度混凝土. 利用優(yōu)質(zhì)摻合料,如優(yōu)質(zhì)磨細(xì)粉煤灰、硅灰、天然沸石或赤鐵礦石、鈦鐵礦石等,可獲得強度更高、耐久性和延性更好的高性能混凝土. (4) 合理利用高效減水劑,可降低水灰比,有效提高混凝土強度.此外,在高層建筑的高強混凝土柱中,也可采用X 形配筋、勁性鋼筋或鋼管混凝土等結(jié)構(gòu)方面的措施來改善高強混凝土柱的延性和抗震性能.
1. 2 活性微粉混凝土(RPC)
RPC 是一種超高強的混凝土,其立方體抗壓強度可達(dá)200 ～ 800 MPa , 抗拉強度可達(dá)25 ～ 150MPa ,斷裂能可達(dá)30 kJ / m2 ,單位體積質(zhì)量為2. 5～3. 0 t/ m3 . 制成這種混凝土的主要措施是: (1) 減小顆粒的最大尺寸,改善混凝土的均勻性. (2) 使用微粉、極微粉材料,以達(dá)到最優(yōu)堆積密度(packing den2sity) . (3) 減少混凝土用水量,使用非水化水泥顆粒做填料,以增大堆積密度. (4) 增放鋼纖維以改善其延性. (5) 在硬化過程中加壓及加溫,使其達(dá)到很高的強度.
1. 3 低強混凝土
美國混凝土學(xué)會(AC1) 229 委員會提出了在配料、運送、澆筑方面可控制的低強混凝土,其抗壓強度為8 MPa 或更低. 這種材料可用于基礎(chǔ)、樁基的填、墊、隔離及用于路基或填充孔洞,也可用于地下構(gòu)造. 在一些特定情況下,可用其調(diào)整混凝土的相對密度、抗壓強度、彈性模量等性能指標(biāo),且不易產(chǎn)生收縮裂縫.
1. 4 輕骨料混凝土
利用天然輕骨料(如浮石、凝灰?guī)r等) 、工業(yè)廢料輕骨料(如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造輕骨料(頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等) 制成的輕質(zhì)混凝土具有密度小、相對強度高及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點. 利用工業(yè)廢渣如廢棄鍋爐煤渣、煤礦的煤矸石、火力發(fā)電站的粉煤灰等制備輕質(zhì)混凝土,可降低混凝土的生產(chǎn)成本,并變廢為寶,減少城市或廠區(qū)的污染,減少堆積廢料占用的土地,同時有利于環(huán)境保護.
1. 5 纖維混凝土
為改善混凝土的抗拉性能差、延性差等特點,在混凝土中摻加纖維以改善混凝土性能的研究發(fā)展得相當(dāng)迅速. 目前應(yīng)用較多的有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、石棉及合成纖維混凝土等[1 ] .
在承重結(jié)構(gòu)中,發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是鋼纖維混凝土. 鋼纖維主要有用于土木建筑工程的碳素鋼纖維和用于耐火材料工業(yè)中的不銹鋼纖維. 用于土木建筑工程的鋼纖維主要有以下幾種生產(chǎn)方法:鋼絲切斷法、薄板剪切法、鋼錠(厚板) 銑削法和熔鋼抽絲法.
在砂漿中鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)及網(wǎng)與網(wǎng)之間的骨架鋼筋(簡稱鋼絲網(wǎng)水泥) 所做成的薄壁結(jié)構(gòu),具有良好的抗裂能力和防變形能力,在國內(nèi)外造船、水利、建筑工程中應(yīng)用較為廣泛. 近年來,在鋼絲網(wǎng)水泥中又摻入鋼纖維來建造飛機跑道、高速公路、橋面、水壩覆面、軍事工程等要求高耐磨性、高抗沖擊性和抗裂的部位及構(gòu)件,取得了較好的雙重增韌、增強效果.
1. 6 自密實混凝土
自密實混凝土不需機械振搗,依靠自重使混凝土密實. 混凝土的流動度雖然高,但仍可以防止離析. 配制這種混凝土的方法有:粗骨料的體積為固體混凝土體積的50 %; 細(xì)骨料的體積為砂漿體積的40 %;水灰比為0. 9～1. 0 ;進(jìn)行流動性試驗,確定超塑化劑用量及最終的水灰比,使材料獲得最優(yōu)的組成.
這種混凝土的優(yōu)點有:在施工現(xiàn)場無振動噪音;可進(jìn)行夜間施工,不擾民;對工人健康無害;混凝土質(zhì)量均勻、耐久;鋼筋布置較密或構(gòu)件體型復(fù)雜時易于澆筑;施工速度快,現(xiàn)場勞動量小.
1. 7 防輻射混凝土
防輻射混凝土能屏蔽X 射線或中子輻射,由于材料對射線的吸收能力與其表觀密度成正比,因此防輻射混凝土采用重骨料配制. 常用的重骨料有重晶石、赤鐵礦、磁鐵礦、鋼鐵碎塊等. 常用膠凝材料為硅酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥,最好采用硅酸鋇、硅酸鍶等重水泥.
1. 8 泵送混凝土
為了使混凝土施工適應(yīng)于狹窄的施工場地以及大體積混凝土結(jié)構(gòu)物和高層建筑,多采用泵送混凝土. 其拌合物的坍落度較大,具有順利通過管道、摩擦阻力小、不離析、不阻塞和粘聚性良好的性能. 通過混凝土輸送泵輸送,能一次連續(xù)完成水平運輸和垂直運輸,效率高且節(jié)約勞動力.
泵送混凝土對原材料的要求是:水泥應(yīng)選用硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥,不宜采用火山灰硅酸鹽水泥. 粗骨料的最大粒徑與輸送管徑之比不宜過大,當(dāng)泵送高度在50 m 以下時,碎石不宜大于1∶3 ,卵石不宜大于1∶2. 5 ;當(dāng)泵送高度在50～100 m 時,碎石不宜大于1∶4 ,卵石不宜大于1∶3 ;當(dāng)泵送高度在100 m 以上時,碎石不宜大于1∶5 ,卵石不宜大于1∶4. 細(xì)骨料宜采用中沙.
2 配筋及增強材料
2. 1 纖維筋
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋材料,主要是鋼筋. 最近在國際上研究較多的是樹脂粘結(jié)的纖維筋作混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的非金屬配筋. 常用的纖維筋有樹脂粘結(jié)的碳纖維筋、玻璃纖維筋及芳綸纖維筋.國外研究指出,這幾種纖維筋的強度都很高,只是玻璃纖維筋的抗堿化性能較差. 纖維筋的突出優(yōu)點是抗腐蝕、高強度,此外,還具有良好的抗疲勞性能、大的彈性變形能力、高電阻及低磁導(dǎo)性;其缺點是斷裂應(yīng)變性能較差、較脆、徐變(松弛) 值較大,熱膨脹系數(shù)較大.
2. 2 雙鋼筋
為了減小裂縫寬度和構(gòu)件的變形,國內(nèi)在一些工程中,采用焊成梯格形的雙鋼筋,在構(gòu)件內(nèi)平放或豎放.
2. 3 冷軋變形鋼筋
為了節(jié)約鋼材用量,國內(nèi)引進(jìn)國外設(shè)備或自制設(shè)備,用光圓鋼筋,經(jīng)過冷軋,軋成帶肋的直徑小于母材直徑的鋼筋,稱為冷軋帶肋鋼筋. 另一種類似的鋼筋,是用I 級光圓用筋冷軋扭轉(zhuǎn)成型,稱為冷軋變形用筋或冷軋扭鋼筋. 這2 種冷軋鋼筋的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值(極限抗拉強度) 及設(shè)計值都比母材大大提高,與混凝土的粘結(jié)強度也得到提高,但直徑較小.它們主要作為板式構(gòu)件的受力鋼筋或梁、柱構(gòu)件的箍筋或作預(yù)應(yīng)力筋. 由于強度提高,可以節(jié)約材料用量,獲得經(jīng)濟效益. 這2 種鋼筋,國內(nèi)已制訂了規(guī)程.為將這種小直徑鋼筋的用途擴展至梁、柱的受力鋼筋,也可采用雙筋或三筋的并筋[2 ] ,但需適當(dāng)增大其錨固長度.
2. 4 環(huán)氧樹脂涂敷鋼筋
在海洋環(huán)境或者有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中(如冬季撒鹽的橋面) ,鋼筋銹蝕是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因. 為了防止鋼筋銹蝕,用不銹鋼制造鋼筋是一個途徑,但價格昂貴. 另一個途徑是用環(huán)氧樹脂涂敷鋼筋表面,形成防銹涂層,以防止鋼筋生銹. 鋼筋在工廠中校直、加熱、噴涂樹脂粉末,形成防護薄膜,冷卻后經(jīng)檢驗合格,用于有嚴(yán)格防銹蝕要求的工程,可使結(jié)構(gòu)的耐久性大大提高.
2. 5 纖維布、纖維條、纖維板
國內(nèi)在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時,常用的一種技術(shù)是鋼板粘結(jié)加固技術(shù),但鋼板質(zhì)量大、運送不便,剪切成型也比較復(fù)雜. 最近發(fā)展并應(yīng)用了以質(zhì)量輕、易于加工、單向抗拉強度很高的纖維布(條、板) 代替鋼板進(jìn)行構(gòu)件加固的技術(shù),取得了良好的效果. 這種碳纖維布的特點是:具有很高的單向抗拉強度(為普通鋼材的10 倍) ,彈模與鋼材接近,適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固;質(zhì)量輕,密度僅為鋼的1/ 4 ,加固層厚度一般不大于1 mm ,基本不增加結(jié)構(gòu)自重及截面尺寸;施工方便,功效高;耐腐蝕,無須定期維護.
3 結(jié)束語
混凝土是水泥、砂、石、水、外加劑、摻合料等多組分構(gòu)成的一種性能多樣化的材料,其性能不僅與組成材料的性能有直接關(guān)系,而且還與施工技術(shù)、所處環(huán)境及維護條件等有關(guān). 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,會出現(xiàn)更多的新型材料,及將這些材料用于結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計方法、施工技術(shù)以及維護要求等,這些將促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] 王秀花. 建筑材料[M] . 北京:機械工業(yè)出版社,2003.
[2 ] 王世芳. 建筑材料[ M] . 北京: 中央廣播電視大學(xué)出版社,1997.
