高性能混凝土发展面临的若干问题

2011-12-31贺红云孙伟峰

中国新技术新产品 2011年13期

贺红云孙伟峰

（许昌市腾飞市政工程集团有限公司，河南许昌 461000）

1 水泥混凝土现状和问题

水泥混凝土是近代使用最广的建筑材料。水泥混凝土与其他常用建筑材料相比，生产能耗低、原料来源广、工艺简单、生产成本低，并具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点。近百年来，混凝土的发展趋势是强度不断提高。尤其是近50年来，片面提高强度尤其是早期强度而忽视其他性能的倾向，造成水泥生产向大幅度提高磨细程度和增加硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，水泥28d胶砂抗压强度从30MPa左右猛增到60MPa，增加了水化热，降低了抗化学侵蚀的能力，流变性能变差。提高混凝土强度的方法除采用高标号水泥外，更多的是增加单方水泥用量，降低水灰比与单方加水量。因此混凝土的和易性随之下降，加之施工时振捣不足，易引起质量事故。混凝土强度越高，结构延性越差，给结构抗震性能带来的隐患越大。由于对施工质量的不信任，混凝土的试配强度往往比设计强度等级提高一个等级以上，C50混凝土的强度实际上超过60MPa，加上水泥用量的增加，进一步增加产生温度应力、收缩开裂和化学侵蚀破坏的可能性。于是混凝土耐久性问题愈显尖锐，因混凝土材质劣化和环境等因素侵蚀，出现混凝土建筑物破坏失效甚至崩塌等事故，造成巨大损失，加上施工能耗、环境保护等问题，传统的水泥混凝土显示出不可持续发展的缺陷。

2 高性能混凝土

在科学技术飞速发展的今天，混凝土耐久性问题却一直被认为是技术上未能解决的难题，混凝土耐久性指标被定在30年、50年，最多也不过100至200年。混凝土耐久性已成为各国混凝土科技人员致力研究的重要课题。

尽管不同国家不同学者结合各自的认识、实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土有不同的定义和解释，但共同的观点是：高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计——保证拌合物易于浇筑和密实成型，不发生或尽量减少由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀性。对不同的工程有其重点的要求，因此，吴中伟教授为高性能混凝土下的定义是：高性能混凝土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制作的混凝土，以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，在耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性、经济性等性能方面有重点地予以保证。使各个强度等级的混凝土都可做到高性能。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效减水剂，减少水泥用量。

近年来，我国高强混凝土和高性能混凝土的研究、应用在发展较快，但缺少统一的规划，由于经费不足而缺乏系统研究，有很多只是低水平或同水平的重复。研究的内容大多集中在高强度、高流动性混凝土的配制和施工。有人认为只要加入了粉煤灰或磨细矿渣，坍落度大就是高性能；有人认为达到高强、泵送就是高性能……实际上，在高性能混凝土今后的发展过程中，还要解决材料与工程技术乃至管理方面的很多难题，现列举如下。

2.1 如何选择和使用矿物细掺料

矿物细掺料的使用是火山灰材料一石灰胶凝材料一硅酸盐水泥一混合材料水泥一高性能混凝土的组分这样一个否定之否定的发展过程。矿物细掺料不仅有利于水化作用，提高强度、密实度和施工性，增加粒子堆积密度，减小孔隙率，改善孔结构，而且对抵抗侵蚀和延缓性能的劣化等都有较大作用。需要研究以下问题。

2.1.1 矿物细掺料在混凝土中的使用不同于按现行标准生产的掺合料水泥，而是将矿物细掺料作为混凝土中除水泥、水和骨料外的必要组分进行设计，设计方法区别于传统的方法。

2.1.2 高性能混凝土掺用大量矿物细掺料，在混凝土水胶比很低且没有裂缝的情况下，可有效地起到保护钢筋的作用。但是对于受弯构件，当受拉区出现裂缝后，碳化性能如何?如何检查钢筋锈蚀情况?由此推算矿物细掺料的上限应是多少?

2.1.3 按现行标准检验属于相同级别的矿物细掺料，实际使用时的效果会有很大差别(如强度发展、凝结性能、流变性能等)。为保证矿物细掺料的稳定性，如何准确而全面地评定矿物细掺料的活性?如何科学地分类?如何根据各自的优缺点进行复合，以取长补短，充分发挥其有利作用?

2.2 高效减水剂与复合外加剂的开发改性和使用以及相关问题

高效减水剂解决了高性能混凝土的低水胶比和低用水量与施工性之间的矛盾，因而成为不可缺少的组分。如何使用以便更好的发挥其效率，还有很多工作要做。

2.2.1 目前我国用量最大的萘系高效减水剂生产十分分散，质量差别很大，不利于集约化生产和总体质量的提高。如何优选品牌达到生产规模化以提高和稳定产品质量?

2.2.2 开发新品种时不仅应注重提高其减水率，而且应考虑环境保护和劳动保护，要认真进行毒性检验和在混凝土中的溶出实验。最近有些单位从改进生产工艺来提高现有萘系高效减水剂的减水率，是值得提倡的。

2.2.3 高效减水剂的作用受使用方法的影响。目前主要在配制混凝土时掺入，其中与拌合水同时加入的方法效果最差，国外多采用液体高效减水剂后掺法，可提高减水率，减少混凝土坍落度损失。但最有效的方法是在生产水泥时与水泥共同粉磨，则高效减水剂的品种和掺量对水泥性能的影响规律如何?水泥检验标准如何与之相适应?

2.2.4 高效减水剂与其他外加剂以及细掺料复合使用的产品化、定型化。

2.3 适应高性能混凝土需要的高性能胶凝材料的研究与生产应用

目前国产水泥质量差异很大，一项工程在施工时经常更换不同牌号的水泥。水泥和高效减水剂相容性很不稳定，不能适应低水胶比高性能混凝土的需要，给高性能混凝土施工质量控制造成很大困难。预先在工厂从流变性能的需要进行石膏、掺合料和外加剂等各组分的选择和配合比优化，再选择合适的水泥熟料，调节其他辅助材料，以合适的参数共同磨细，制成适用于不同强度等级高性能混凝土的胶凝材料，则可大大简化施工过程，稳定混凝土质量。用于混凝土时，可在达到相同施工性时，选用较低的水胶比；在得到高流动性的同时，拌合物不离析、不泌水，有良好的可泵性和填充性，硬化后可得到良好的耐久性。

2.4 配合比选择和施工质量控制的计算机软件开发

高性能混凝土对原材料和施工管理要求较高，应当建立配合比选择的专家系统以及质量管理和施工控制的计算机软件，以提高混凝土工程质量和施工效率。目前有些同志尝试编制软件，但因力量分散、数据和参数的数量不足，以致缺乏普遍性。建议由权威性管理部门投入经费，组织实力雄厚的单位和专家集中攻关。

2.5 完善高性能混凝土的性能，使其向理想化发展

高性能混凝土大量使用矿物细掺料，既提高了混凝土性能，又减少了对水泥的需求，同时可降低煅烧熟料时CO2的排放。因大量使用粉煤灰、矿渣及其他工业废料，减少了自然资源和能源的消耗以及对环境的污染。安全使用期长，可减少因修补或拆除造成的浪费和建筑垃圾。同时高性能混凝土适应了人类更大规模改善和保护环境、节省资源和能源的需要，因此高性能混凝土是可持续发展的混凝土，但对高性能混凝土仍要一分为二，发挥其优点，克服缺点，以期不断完善。