漫談我國水泥基混凝土材料的發(fā)展
一、超高層、大跨度建筑與超高強、超輕混凝土
1999年10月12日，人類迎來了“世界60億人口日”。人口的增加，導(dǎo)致人均土地及各種資源占有率，尤其是人均耕地面積的減少，目前世界人均耕地面積已不足0.25公傾/人。隨著城市人口密度日趨加大，城市功能日益集中和強化，需要建造高層建筑，以解決眾多人口的生活、工作空間。同時，人們的觀念也在發(fā)生變化，人們將更加追求精神上、情趣上的享受，大型公共建筑的需求量將增多，未來的建筑物將向更高、更大跨度發(fā)展。
混凝土強度的不斷提高，以及鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)的發(fā)展，以鋼筋混凝土為主體結(jié)構(gòu)的高層和超高層建筑不斷涌現(xiàn)，在全世界119幢高度超過200m的超高層建筑中，有25幢采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土建筑物的建造成本較低，穩(wěn)定性和耐火性好。隨著高性能混凝土的開發(fā)和施工技術(shù)的不斷提高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層和超高層建筑還將不斷增多。
然而，技術(shù)發(fā)展到今天，人們在向超高層和大跨度挺進的過程中，已碰到了混凝土過重的問題，這一問題使設(shè)計施工都受到很大限制。在當(dāng)前的技術(shù)水平條件下橋梁跨度基本上到了臨界狀態(tài)。對于超高層建筑，從計算上來講，建造200層大樓不會成為問題，但龐大的柱子從使用和美觀上顯然是不合理的，況且混凝土的延性較差，用在抗風(fēng)、抗震結(jié)構(gòu)中是要擔(dān)風(fēng)險的。除非能大幅度提高混凝土強度、減輕混凝土自重、改善混凝土性能，否則高度、跨度都難以增大。
提高混凝土強度、降低混凝土表觀密度可以說是土木建筑技術(shù)界的一個宿愿。從理論上講，混凝土的抗壓強度可達到400MPa以上，國際上曾有過用特殊方法制成C370的報道，一些發(fā)達國家制造C100混凝土已是輕而易舉的事，我國在這方面尚需努力，應(yīng)朝著近期實現(xiàn)高強度C50～C100普及化，遠期實現(xiàn)超高強度C100化的目標奮進。
二、大氣中CO2濃度增大，酸雨增多與高密實度、低污染混凝土
自然狀態(tài)下大氣中CO2濃度為0.03%，進入20世紀后半期，大氣中CO2濃度呈上升趨勢。據(jù)報導(dǎo)1990年初觀測大氣中CO2濃度已經(jīng)達到0.035%，預(yù)計到本世紀末將達到0.1%。大氣中CO2濃度的增加，以及由此引起的地球表面溫度上升，即所謂的溫室效應(yīng)的共同作，將加快混凝土的中性化速度。
眾所周知，水泥基混凝土材料依靠其中的水泥與水反應(yīng)，生成具有一定強度和粘結(jié)力的凝膠體而產(chǎn)生強度，硬化的水泥凝膠體含有25%～30%的Ca(OH)2晶體，因此正常情況下混凝土呈堿性，PH值在12～13之間。這種堿性環(huán)境對鋼筋起到保護作用，即在鋼筋周圍形成一層鈍化膜，使鋼筋不生銹。然而混凝土是一種非均質(zhì)、多孔材料，環(huán)境中的空氣和水分將通過這些孔隙向混凝土內(nèi)部滲透或擴散，與水泥凝膠體中的Ca(OH)2發(fā)生碳化反應(yīng)，使混凝土中的堿性物質(zhì)變成碳酸鹽，其結(jié)果是混凝土的堿性降低，其PH值可下降為8.5～10，即混凝土中性化。當(dāng)然引起混凝土中性化的原因還有酸雨及酸性土壤等。
降雨本來是大自然賜予人類及地球上所有生物的恩惠，正常的降雨其PH值為5.6，因雨水中溶解大氣中的CO2，因此與純水相比略呈酸性。但從20世紀70年代開始，歐洲等地出現(xiàn)了PH＜4的酸性雨，80年代以后，我國東南沿海及部分內(nèi)地地區(qū)也相繼出現(xiàn)了大面積的酸雨。酸雨對植物生長不利，也給建筑物帶來危害。酸雨中的酸根對混凝土中的骨料和水泥凝膠體均會產(chǎn)生嚴重的腐蝕作用。
混凝土的中性化所帶來的最大不利影響是使鋼筋保護層破壞，鋼筋容易生銹，從而導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。國外的一些調(diào)查表明，密實度和強度足夠高的混凝土，經(jīng)20～30年后，碳化深度一般不超過10mm，鋼筋沒有銹蝕跡象。密實度和強度低的混凝土，5～6年，混凝土碳化深度可達到30mm，20～30年后碳化深度達50～70mm。而對于同一密實度的混凝土，碳化反應(yīng)速度又取決于環(huán)境中CO2濃度，CO2濃度越高，碳化速度越快，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性越不利。
隨著大氣中CO2濃度的增大和酸雨的增多，碳化、腐蝕對鋼筋混凝土的耐久性的威脅也越來越嚴重，因此我們應(yīng)積極采取相應(yīng)措施，提高混凝土本身的密實度，防止或緩解空氣向混凝土中的擴散，以提高混凝土的抗碳化和抗腐能力。當(dāng)然，我們更主要的是應(yīng)減少工業(yè)對大氣的污染，從開發(fā)新材料的角度，減少材料生產(chǎn)過程中CO2、CO、SOX的排放量。眾所周知，混凝土材料本身就是一種CO2、CO、SOX高排放的產(chǎn)品，混凝土中的水泥大約占混凝土重量的1/5，在制造水泥時CaCO3的分解，排放出具有溫室效應(yīng)的CO2氣體，依理論計算每生產(chǎn)1t水泥熟料，要排放大約800kgCO2。燒制水泥時煤炭的燃燒還產(chǎn)生CO2、CO、SOX等有害氣體。目前全世界每年CO2的排放量大約為100億噸，其中由于水泥生產(chǎn)而產(chǎn)生的CO2氣體約占1/10，是產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體的大戶?？傊?，由于大氣污染日益加重，我們應(yīng)從開發(fā)新型膠凝材料和提高混凝土密實度兩個方面加強研究，雙管齊下發(fā)展混凝土材料。
三、新的施工工藝與大流動性、凝結(jié)時間自由調(diào)節(jié)混凝土
混凝土拌合物流動性的好壞直接影響到混凝土構(gòu)件的施工、混凝土組分均勻性、結(jié)構(gòu)密實性、質(zhì)量和尺寸完好性。因此，新拌狀態(tài)下混凝土的流動性一直是混凝土研究與生產(chǎn)領(lǐng)域的重要方向。
最初的混凝土是大流動性的，由于當(dāng)時施工機械不發(fā)達，攪拌和振搗機械能力較差，只能加大用水量以提高混凝土的流動性。但是由于水灰比大，混凝土孔隙率大，密實度差，強度只能達到15～20MPa。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，用于混凝土攪拌、振搗施工的機械能力增強，可以采用機械攪拌、強力振動密實進行施工，因此可適當(dāng)降低水灰比，使混凝土強度有所提高。從20世紀40年代開始，為提高混凝土強度，進一步降低水灰比，使拌合物非常干硬，需要依靠強力攪拌和振搗進行施工。但這種干硬性混凝土由于過于干硬，易使混凝土內(nèi)部造成孔洞，密實性差。減水劑、塑化劑的開發(fā)應(yīng)用，在較小水灰比條件下可獲得塑性或流動性的混凝土，混凝土的流動性又從干硬性向塑性發(fā)展。1962年萘系減水劑的研制成功，使摻高效減水劑的混凝土在很低的水灰比條件下，獲得很高的流動性，甚至可以不施加外力，在混凝土自重作用下，具有自己填充、自密實的能力，坍落度可達到22～25cm，而水灰比可以降低為0.3以下，甚至可以達到0.20左右。
大流動性混凝土具有很強的填充模板并自我密實的能力，即使是截面較小或配筋較密的構(gòu)件，也可以不施加振動或加壓手段，依靠混合物的自重即可達到填滿模板并充分密實的程度，所以通常稱為“免振混凝土”或“自密實混凝土”。這種混凝土對環(huán)境保護和節(jié)能降耗具有重要意義。
混凝土澆灌后在一定時間內(nèi)并不硬化，如能自由調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，那么預(yù)拌混凝土的制造設(shè)備、材料運輸和生產(chǎn)工藝必將大為簡化。有時我們?yōu)榱丝s短施工周期，希望混凝土能在極短時間內(nèi)凝結(jié)并具有初期的承載能力；反之在需要長途運輸時，我們又希望混凝土“休眠”一個時間，以適應(yīng)作業(yè)需要。七十年代日本市場上出售的超速硬水泥或美國的調(diào)凝水泥，正是基于上面談到的想法制成的，但超速硬水泥的水化熱大，尚不宜勝以拌制表面系數(shù)較小的混凝土，且其調(diào)凝性能遠不能按使用者意愿控制，同時目前產(chǎn)量較低，尚不能與普通水泥相匹配。上述問題如獲得解決，混凝土將會成為更理想的工程材料。
四、特種構(gòu)件與浸漬混凝土（PIC）
采用聚合物浸漬改良多孔材料性能的方法首先運用于木材，這種方法引伸到混凝土領(lǐng)域就是PIC。浸漬可以改變混凝土的力學(xué)性能，強度可提高200～400%，據(jù)報道抗壓強度為58.8MPa的Φ7.5×45cm的試件經(jīng)樹脂浸漬后，抗壓最大值可達到285MPa，其壓彎彈性模量約提高50～80%，表面硬度和耐磨性增強至1.7倍以上，吸水率降至10%以下，透水系數(shù)顯著減小，而熱傳導(dǎo)性、熱擴散率、比熱等幾乎不發(fā)生變化。PIC目前的用處還不廣，只是在個別場合，它主要用于有耐酸和耐藥品性要求的管道和排水溝，有強度和耐久性要求的預(yù)制板和道路道擋石。另外在隧道涵洞的表面覆蓋層、住宅的墻板、軌枕、海水淡化裝置、混凝土船、混凝土壩的表面抗沖刷層、海洋采挖平臺等部位，都有一定使用價值。要使這種新材料真正發(fā)展，必須認真研究一切與PIC制造有關(guān)的問題，如改進能適應(yīng)不同使用目的的浸漬液以及極大地簡化制造工藝等問題，還應(yīng)當(dāng)積極推廣部分浸漬法并使PIC能在現(xiàn)場施工。在提高舊有構(gòu)筑物的耐久性方面，部分浸漬現(xiàn)場施工方法將會發(fā)展成為一門必不可缺的分支技術(shù)。
五、人居環(huán)境與環(huán)?；炷?/STRONG>
環(huán)保型混凝土是指能減輕地球環(huán)境負荷，同時又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生的混凝土。它包括減輕環(huán)境型和生態(tài)型兩大類。減輕環(huán)境負荷型混凝土，是指在混凝土生產(chǎn)、使用直到解體全過程中，能夠減輕給地球環(huán)境造成的負擔(dān)。這類混凝土研究得較多，在我國已有幾十年的歷史，但需更進一步發(fā)展。從利用高爐礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣作為水泥的混合材、混凝土的摻合料，到開發(fā)利用高流態(tài)、自密實、高性能混凝土，均屬于減輕環(huán)境負荷型混凝土。
生態(tài)型混凝土則是指能夠適應(yīng)動、植物生長、對調(diào)節(jié)平衡、美化環(huán)境景觀、實現(xiàn)人類與自然的協(xié)調(diào)具有積極作用的混凝土材料。這類混凝土的研究和開發(fā)還剛起步，它標志著人類在處理混凝土材料與環(huán)境的關(guān)系過程中采取了更加積極、主動的態(tài)度。它的目標是混凝土不僅僅作為建筑材料，為人類構(gòu)筑所需要的結(jié)構(gòu)物或建筑物，而且它是與自然融合的，對自然環(huán)境和生態(tài)平穩(wěn)具有積極的保護作用。目前所開發(fā)的品種主要有透水、排水性混凝土，生物適應(yīng)型混凝土、綠化植被混凝土和景觀混凝土。
現(xiàn)代城市的地表不斷被鋼筋混凝土的房屋建筑和不透水的路面所覆蓋，目前我國城市的道路覆蓋率已達到7～15%?；炷龄佈b的道路給人們的出行及商品的流通帶來了極大的方便，提高了生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量。但這些不透水的道面也給城市的生態(tài)環(huán)境帶來了諸多負面的影響。與自然的土壤相比，混凝土路面缺乏吸收熱量和滲透雨水的能力，隨之帶來了一系列問題。一是能夠滲入地表的雨水明顯減少，而工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代生活使地下水的抽取量成倍增長，造成地下水位急劇下降，土壤中水分不足、缺氧、地溫升高等；二是不透氣的路面很難與空氣進行熱量與濕度的交換，對空間的溫度和濕度等氣候條件的調(diào)節(jié)能力下降，產(chǎn)生“熱島現(xiàn)象”，使氣候惡化；三是當(dāng)短時間內(nèi)集中降雨時，由于大量雨水不能及時滲入地表，只能通過下水設(shè)施排入河流，大大加重了排水設(shè)施的負擔(dān)，容易造成洪水泛濫等社會問題；再是降雨時不透水的道路表面容易積水，對車輛行人通行的舒適性和安全性帶來不利的影響。
針對上述問題，20世紀80年代，美國、日本等發(fā)達國家開始研究透水性路面鋪筑材料，并將其應(yīng)用于公園、人行道、輕量級車道、停車場以及各種體育場地。在汽車工業(yè)、交通設(shè)施高度發(fā)達的21世紀，人類研究開發(fā)環(huán)保、生態(tài)型的透水性路面材料具有極為重要的社會意義和廣闊的發(fā)展前景。
綠化混凝土是指能夠適應(yīng)綠色植物生長、進行綠色植被的混凝土及其制品。綠化混凝土可以增加城市的綠化空間，調(diào)節(jié)人們的生活情緒，同時能吸收噪音和粉塵，對城市氣候的生態(tài)平衡也起到積極作用，與自然協(xié)調(diào)、具有環(huán)保意義。20世紀90年代初，日本最早開始研究綠化混凝土，當(dāng)時主要針對大型土木工程。隨著人類對環(huán)境和生態(tài)平衡的重視，混凝土結(jié)構(gòu)物的美化、綠化、人造景觀與自然景觀的協(xié)調(diào)成為混凝土學(xué)科的又一個重要課題。近年來我國城市建設(shè)加快，城區(qū)被大量的建筑物和混凝土的道路所覆蓋，綠色面積明顯減少。所以也開始重視混凝土結(jié)構(gòu)物的綠化。但到目前為止還僅限于使用孔洞型綠化混凝土塊體材料，主要用于城市停車場。而對于郊外大型土木工程的施工，綠化則考慮得很少，破壞了的自然景觀難以得到修復(fù)。因此積極地開發(fā)研究并應(yīng)用綠色混凝土將是我國混凝土材料向環(huán)保型材料發(fā)展的一個重要方面。
六、資源枯竭與新骨料混凝土及可再生混凝土
地球上的資源是有限的，許多是不可再生的。土木工程是人類與自然界進行物質(zhì)交換量最大的活動，全世界每年僅混凝土用量達到90億噸，大量材料的生產(chǎn)和使用，消耗大量資源。150多年前，以硅酸鹽水泥為膠凝材料的混凝土問世，就以其原材料資源豐富、價格低廉為主要優(yōu)點，很快受到世人的青睞，而成為近代、現(xiàn)代土木建筑工程的主要材料。但是近些年來，由于用量越來越大，大量開山、采石，已經(jīng)嚴重破壞了自然景觀和綠色植被，挖河取砂，造成水土流失或河流改道等嚴重后果，許多國家和地區(qū)已經(jīng)沒有可取的碎石和砂子，混凝土的骨料資源出現(xiàn)了嚴重危機。因此人類必須開發(fā)節(jié)省資源的混凝土材料，并且要實現(xiàn)資源的可循環(huán)利用。
人造骨料就是以一些天然材料或工業(yè)廢渣、城市垃圾、下水道污泥為原材料制得的混凝土骨料，它對環(huán)境保護有著非常積極的作用。生產(chǎn)人造骨料的工業(yè)廢料很多，高爐礦渣、電爐氧化礦渣、銅渣、粉煤灰等。日本已經(jīng)開發(fā)利用城市下水道污泥生產(chǎn)骨料的技術(shù)，這種骨料其強度達到了普通河砂砂漿的90%，很有利用前景。除此之外，還有粉煤灰陶粒、粘土頁巖陶粒等人造輕骨料。使用輕骨料還可制造輕質(zhì)混凝土材料，減輕結(jié)構(gòu)物的自重，提高建筑物的保溫隔熱性能，減少建筑能耗。
用海砂取代山砂和河砂，作混凝土的細骨料，是解決混凝土細骨料資源問題的有效方法，因為海砂的資源很豐富。但是海砂中含有鹽分、氯離子，容易使鋼筋銹蝕，硫酸根離子對混凝土也有很強的侵蝕作用。此外，海砂顆粒較細，且粒度分布均一，很難形成級配；有些海砂往往混入較多的貝殼類輕物質(zhì)。目前已經(jīng)開發(fā)出一些對海砂中鹽分的處理方法，例如散水自然清洗法、機械清洗法、自然放置法。對于海砂的級配問題，主要采取摻入粗碎砂的辦法進行調(diào)整，使之滿足級配要求。日本在海砂方面的利用已經(jīng)達到了工業(yè)化生產(chǎn)的階段，1995年產(chǎn)量達到5000萬噸以上。
廢棄混凝土的再利用最早開始于歐洲，1976年，以當(dāng)時的西德、比利時和荷蘭為主成立了“混凝土解體與再利用委員會”，開始研究廢棄混凝土的消化與再生利用，并且將廢棄混凝土再生骨料用于高速道路等實際工程。美國從1982年開始承認將混凝土廢棄物作為混凝土的粗、細骨料，后日本也相繼開始了對廢棄混凝土再生利用的研究。由于我國的經(jīng)濟發(fā)展比發(fā)達國家滯后大約半個世紀，土木建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也相應(yīng)地落后了一定距離，混凝土結(jié)構(gòu)物的廢棄、解體的高峰期還沒有到來，廢棄混凝土的再生利用還沒有正式啟動。由于利用廢棄混凝土做再生骨料，需要一系列的加工和分離處理，成本較高，這將妨礙廢棄混凝土利用的進程，但是廢棄混凝土的利用從保護環(huán)境、節(jié)省資源的角度有重要的社會效益，需要國家從政策上以支持。
七、少鋼筋與纖維增強混凝土
眾所周知混凝土抗壓強度高，而抗拉強度卻很低。鋼筋混凝土的出現(xiàn)雖然彌補了這一缺陷，但大量的鋼材卻被消耗，同時如前所述，鋼筋實際上是一種抗化學(xué)腐蝕差的材料，這給混凝土使用壽命帶來了很大影響。如何提高混凝土抗拉強度，減少鋼筋用量，也是目前和今后一個時期內(nèi)混凝土材料發(fā)展的一個重要課題。在混凝土中摻入纖維以改善其力學(xué)性能的嘗試還是上世紀初的事，而抱有實用性竭力進行研究則是1960年以后的事。纖維增強混凝土主要受增強纖維品種、質(zhì)量及其價格的支配。纖維本身強度高，同水泥有良好的粘接性，它的熱耐久性也不錯，如果工藝過關(guān)，價格便宜，它的推廣應(yīng)用并非難事?，F(xiàn)在該材料還處于開發(fā)階段，技術(shù)上、材料上都存在一些問題，有待下一步解決，尤其應(yīng)設(shè)法降低成本，這項新技術(shù)才能獲得強大的生命力。
100多年來，混凝土作為用量最大的結(jié)構(gòu)工程材料，為人類建造了大量的生產(chǎn)、生活、交通、娛樂等基礎(chǔ)設(shè)施?？梢哉f混凝土材料為營造人類的生存環(huán)境，建造現(xiàn)代社會的物質(zhì)文明立下了汗馬功勞。然而，混凝土的生產(chǎn)與使用也給地球環(huán)境帶來了不可忽視的副作用。隨著時代的進步，人類要尋求與自然和諧、可持續(xù)發(fā)展之路，對混凝土材料也不再僅僅要求其作為結(jié)構(gòu)材料的功能，而是在盡量不給環(huán)境增加負擔(dān)的基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)對保護環(huán)境，對人類與自然的協(xié)調(diào)能起到積極作用的新型混凝土。這是時代的要求，也是混凝土材料發(fā)展的必然趨勢。
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