高强混凝土的发展及应用

2010-08-15王山

山西建筑 2010年7期

王山

高强混凝土(High Performance Concrete,简称HPC)全方位地改变了混凝土的工作概念。它的概念是相对的,是与当前混凝土技术的一般水平比较而言的。我国吴中伟院士认为:HPC是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上,采用现代混凝土技术,选用优质原材料,在严格的质量管理条件下制成的[1]。美国混凝土学会363(高强混凝土)委员会现行的定义为:“设计强度等于或高于41 MPa,且不包括应用非常规材料和技术制得的混凝土。”因此,高强混凝土的下限是41 MPa[2]。从我国现今的结构设计和施工技术水平出发,同时考虑混凝土材性的变化,一般认为将强度等级不小于C50的结构混凝土称为高强混凝土[3]。

1 性能研究和技术简况

1.1 性能特点

1)强度高,变形小,使用于大跨、重载、高耸结构。2)流动性大,早期强度高。3)耐久性和抗渗、抗冻性好,能承受恶劣环境条件考验,使用寿命长。4)重量轻,节材效果显著。5)能缩短加载龄期,并承受大的预应力,且预应力损失小。

1.2 技术研究概况

早在1940年日本用高压脱水法,制得水灰比小的混凝土,抗压强度达100.0 MPa以上[2]。在加拿大和美国等国家的大学,研究高强混凝土结构的比较多,研究主要集中在钢筋混凝土结构的不同纵筋含量和配箍率对于混凝土结构的强度和延性的影响上。

我国于1960年前后曾用立方体强度达100 MPa的混凝土在北京建造成跨度18 m的预应力屋架。20世纪70年代清华大学研制出抗压强度为100 MPa的高强混凝土,并施工了80 MPa的混凝土[5]。我国在20世纪70年代初就开始了对现代高强混凝土(掺加高效减水剂的高强混凝土)的研究。1980年后,清华大学土木工程系和海军工程设计局成功地将坍落度为15 cm,C70～C75高强混凝土用于大型拱形防护门工程[6]。清华大学的陈肇元教授、大连理工大学的赵国藩教授,以及重庆建筑大学和沈阳建筑工程学院等院校的研究人员对于高强混凝土柱的抗震性能作了大量的研究工作,并作了大量的试验,这些试验大多集中在混凝土强度、轴压比、配箍率等因素对构件延性的影响[6]。深圳市安托山混凝土有限公司2005年完成的《高强高性能混凝土在工程实践中的应用》项目,第一次不用硅灰,采用粉煤灰和聚羧酸等外加剂等材料,在常规工艺条件下,配制出了强度高、工作性能优异,体积稳定性和耐久性良好的C80高性能混凝土,并成功地应用于直接外露的结构构件中。这些科研探索为高强混凝土的实际应用奠定了很好的基础[7]。

2 国内外应用与发展

2.1 应用领域

基于高强混凝土的优点,其应用范围很广,目前主要在以下工程领域应用[4]:1)桥梁工程。2)高层建筑。3)混凝土制品。4)水利水电工程。5)港口和海洋工程。6)其他领域。

2.2 国外高强混凝土的应用概况

美国的高强混凝土应用领先其他工业发达国家,其中芝加哥市尤其突出,20世纪70年代前后兴建起大量高层建筑,大部分是以高强混凝土作为结构受力材料。

加拿大多伦多市56层大楼也用了高强混凝土,Sherbrooke市60 m跨的人行桥的混凝土抗压强度为350 MPa[8]。

日本在20世纪40年代制出的混凝土的抗压强度就曾达到100 MPa,但出于抗震要求,建筑规范规定的强度等级较低,一般不超过C60。其修建的20世纪跨度最大的双层悬索桥——明石海峡大桥结构工程使用的就是HPC[1]。

法国Catenom核电站2 000多根预制预应力梁的混凝土抗压强度约为250 MPa[8]。

马来西亚吉隆坡的石油大厦(1998年建成)高达452 m,为世界上第二高的建筑物[9],使用的就是高强混凝土。

德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级,强度等级为当今世界之最。

挪威为目前世界上强度等级第二高的混凝土结构设计规范,已有C105级超高强混凝土结构设计规范。目前应用超高强混凝土最好的国家是挪威。

2.3 国内高强混凝土的应用概况

我国首次用高强混凝土的建筑是“毛主席纪念堂”(1977年),全部混凝土结构采用60.0 MPa的高强混凝土[2]。

近年来,由于高标号水泥和高效减水剂的研制和生产,为普通条件下配制高强度混凝土提供了有利条件,促进了高强混凝土的研究和在实际工程中的应用。但我国高强混凝土在多数地区应用还较少,在较发达地区的高层建筑、大跨桥梁、海上建筑等应用较多。C50以上的高强及C80以上超高强高性能混凝土仅在经济发达的城市或地区的推广应用较为普及。但在国内实际工程中混凝土强度最高达到C130。

3 发展方向

3.1 超高强混凝土

超高强混凝土并没有明确的定义,在此认为强度等级超过C100的为超高强混凝土。在我国,C100以上的超高强混凝土已经在重要工程中开始使用,国外已经在实验室中配制出了抗压强度超过800 MPa的超高强混凝土,并正在研制1 000 MPa的极高强混凝土[10]。已有的研究成果如下:清华大学曹峰等剔除普通混凝土中的粗骨料以提高匀质性,同时在水泥基体中复合使用粉煤灰、硅粉和高效减水剂并掺加微细钢纤维以增强韧性和延性,配制出流动性良好的混凝土,抗压强度达到230 MPa,抗折强度50 MPa。重庆建筑大学蒲心诚按常规工艺制成28 d抗压强度为117 MPa的超高强混凝土,后又采用“普通525号水泥+超高效萘系减水剂+硅灰+低水灰比”的技术路线制得坍落度240 mm以上,28 d抗压强度100 MPa以上的超高强混凝土。目前,用类似的技术路线已经能制得抗压强度达150 M Pa的混凝土[10]。

3.2 高强纤维混凝土

超高强混凝土的研究、应用和推广可以减少结构构件尺寸、有效减轻构件和结构自重,对发展高耸结构、高层结构有重要意义,具有长期的综合经济性。但是高强混凝土的脆性及爆裂破坏性能已经严重限制了其进一步的发展应用,研究发现通过掺入纤维可以明显改善其缺陷,提高混凝土的抗弯抗冲击韧性,进而提高超高强混凝土结构的抗动力破坏性能[11]。纤维又分天然纤维、人造纤维和钢纤维[3]。

钢纤维是一种高强高弹模金属纤维,能明显提高混凝土的抗压、抗劈裂、抗折强度、提高混凝土的弯曲韧性和抗冲击性能。1963年美国学者 J.P.Romualdi和G.B.Baston所提出的著名“纤维间距理论”认为,钢纤维混凝土的开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的理论,引起了广泛的重视,从而促进了钢纤维混凝土的发展[12]。

聚丙烯纤维是一种强度高、密度小、不吸水、耐酸碱的新型高分子建筑材料。广东工业大学的苏健波、同济大学吴科如等研究了聚丙烯纤维混凝土的抗压、劈裂、抗拉强度等性能;东南大学的焦楚杰等对聚丙烯纤维——钢纤维混杂增强高强混凝土的弯曲性能进行了试验研究[10]。

3.3 高强纤维混凝土与普通混凝土的比较

在追求强度高的同时,不能忽略混凝土的自重带来的影响。普通混凝土的质量密度为2 200 kg/(kg·m-3)～2 400 kg/(kg·m-3),如果其密度太大,其单位密度强度值(fc/ρ)将会大大降低。结构的自重大,缩减了结构的有效空间和净空,限制了向更大跨度和高耸结构的应用,并且在地震区还加大了惯性力和结构地震响应[3]。为了适应发展的要求,势必要对结构混凝土材料加以改善以减轻自重。如1936年美国建造的旧金山——奥克兰海湾桥的桥面,采用了高强轻质混凝土[13]。