新型结构材料一高特性混凝土

1 何谓高特设混凝土

　　混凝土材料自从l 9世纪30年代问世以来，尽管它的发展极其缓慢，但技术性能的改进亦有过三次重大的飞跃，第一次是上世纪中叶钢筋混凝土的出现；第二次是本世纪30年代预应刀混凝土的发明；‘第三次是本世纪60年代混凝土高效减水剂的使用；现在正面临着第四次飞跃，即开展高特性混凝土研究。根据国外文献报导：它是在一些发达国家推广应用高强混凝土时遇到施工问题或引起混凝土结构损坏的环境条件下而提出来的。例如：在挪威。开发北海油田所采用的钻探平台，尽管使用了高强轻骨料混凝土，但仍遇到海水中含有腐蚀性介质的侵蚀破坏，为此，在国际上首次将硅铁合金冶炼过程中排出的粉尘——硅灰掺入到混凝土中，从而改善了高强轻骨料混凝土的耐腐蚀性能。由于高特性混凝土是在推广应用高强混凝土基础上而提出来的，以往高强混凝土就是高特性混凝土一说，观已为国外工程3技术界所否定。到底高特性混凝土的准确涵义是什么，它具有那些性能？一些工业发达国家仍在探讨之中。下面列举出二个实例加以说明。美国联邦公路管理局制定的战略性公路研究计划对高特性混凝土作出如下描述：混凝土最大的水灰比为9．35；按照ASTMC666方法A测定的最小耐久性系数为80％；最小的强度准则2浇注后四小时为2lMPa，二十四小时为34MPa，二十八于为69MFa。表1列出了四个耐久性和四个强度参数指标来衡量高特性混凝土长期特性准则和试验方法以及有害的现场条件下使用所推荐的相关性能。

美国混凝土协会对高特性混凝土给出的定义是2使用传统的组份，正常的搅拌程序和典型的养护实践一般不能取得符合特殊性能和统一要求的混凝土o这些要求包括2不影响强度的情况下容易浇注和固结；长期力学性能；高早期强度；韧性；体积稳定性；在恶劣的环境下使用有较长的寿命。按照上述要求，下面列出了具体性能指标：二十八天或五十六天龄期砼的抗压强度为42一70 MPa，五十六天以上龄期砼的抗压强度为70 一l 26MPa，18—24小时龄期砼抗压强度为l 7．5—28MFa；大于45。5×103MPa的弹性 模量；能防护钢材不被腐蚀，在其它恶劣的环境下使用具有防护能力；高工作度，可泵性和可修整性，中等范围的流动度，其坍落度为l 5．2—29．3cm，流态砼其坍落度大于20．3cm而不离析，可降低泵送压力，容易修整，冷天浇注具有正常的凝结时间，加速强度增长，低温下不冰冻，热天浇注能保持正常的坍落度并可控制水化；按照工程施工要求可延长凝结时间。

尽管上述二个机构提出的定义和性能指标有所差异，但归纳起来大体上可分为三类。第一类是材料本身的特性，如早期、后期强度，弹性模量等；第三类是不影响质量情况下的施工性能，如流动性、可浇、可泵性等；第三类是在恶劣环境下的使用性能，如抗冻触循环，耐剥落等。笔者认为；混凝土材料能预期达到三者兼得的良好性能，才是当今工程技术界所追求的全新概念，亦是的年代末期许多工业发达．国家，如英国、日本、加拿大等国开展高特性混凝土研究的根本所在。

2 粗骨料在配制高特性混凝土中的作用及其检测方法

一般来说，由于粗骨料占混凝土的体积为30—70％，它的特性对硬化混凝土将起到重要作用。然而，在配制普通混凝土时，人们为了满足施工需要，采用超过水泥水化所需的理论水灰比，其结果混凝土内部的游离水份在毛细管孔的作用—厂蒸发，从而在骨料之间形成薄弱的过渡界面区，加之骨料的强度远远大十水泥砂浆，在外力作用下，容易在此薄弱的过渡界面区破坏，因此，对于粗骨料的强度很少检测。从一些工业发达国家所走的技术路线分析，在配制高特性混凝土时，无一不加入俗称为第五组份的高效化学外加剂和活性sio 2含量(98％)很高的矿物附加剂。例如：冶炼硅铁合金或金属硅排出的粉尘，或磨细粉煤灰，．粒状高炉矿渣。前者可将拌制混凝土的用水量降到接近或低于水泥水化理论水灰比范围，后者由于其活性Si9。含量很高，在碱性激发条件下，能与水泥水化析出的Ca(oH)2起反应，生成具有水硬1性质的硅酸盐胶体，降低了骨料颗粒邻接界面的氢氧化钙晶体的原度和空间排列，加之其颗粒粒径非常细(o．1一o．5LLm)，比水泥颗粒小1—2个数量，它的加入填充了水泥颗粒之间的间隙，起到填充致密作用，改善了水泥石的微观组织结构，从而提高了混凝土材料的宏观物理——力学性能(强度、弹性模量、抗渗性、耐久性等)o由于骨料之间界面性能的改善并能与粗骨科强度相匹配，当混凝上棱柱体抗压强度高于C80时，粗骨料强度将起到控制混凝土强度的关键作用，这已为国外不少试验研究工作所证实。为此，一方面人们仿效人造轻骨料配制轻混凝土的技术路线，用人造方法生严高强骨料取代天然骨料配制高特性混凝土；另一方面探索粗骨料强度检测方法。从理论上说，粗骨料的抗压强度可直接从整块岩石切取的立方体或圆柱体试件进行检测。因为送到预拌混凝土工厂的粗骨料是堆聚粒状颗粒，未必能获取特定的立方体或圆柱体试件。此外，大多数岩石均具有本身的特征J而且由单一或多种矿物组成，知道了某种岩石的强度未必能很好地评定骨料强度。从国内外有关标准分析，目前采用的均属定性检测方法。例如：采用比重、吸水率、硬度、磨损率等，如果骨料的吸水率很高或比重很低，表明此种骨料有很高的渗透性空洞，因而其抗压强度很差。定性方法只说明总的趋势，未必能反映出这些物理量与骨料的强度之间有很好的相关性。另一种方法是由台湾学者张太朋(T a—Pe．ng Cha．ng)提出的定量简单评估法。此种方法是建立在颗粒力学理论基础上并通过平均应力矢量推导出适用于粗骨料强度计算的通用公式：

　　　　　　　　　　　ð22=PH/V

F——作用在垂直方向上的集中荷载
　　k一一作用力二点之间的距离
　　V——颗粒的体积
　　如果颗粒是不规则的形状或箱形棱柱体、圆桂体，上式可改写成下式，如果颗粒是不规则的外形，只要定出荷载作用平面的距离(可用金刚锯切取)，用阿基米德原理(Archi medef s Prin ciple)测出颗粒的体积，即可通过上式计算出抗压强度值。为了验证上述公式的可靠性，他还选择了四种不问矿场的骨料TA(破碎砾石)，TB(破碎砾石)，TC(破碎砾石)，TD(破碎建筑砖)进行定性分析和混凝土强度检测，其结果见表2—4。

表2列出的四种骨科抗压强度值是通过公式计算所得(二个相对加荷点之间的高度定为16mm，体积用阿基米德原理测出，全部骨料在5吨的压力机上完成抗压强度试验)。这一结果说明：TA和TB是质量等级最好的粗骨科。从混凝土抗压强度试验结果亦说明；用质量等级最好的粗骨科TA和TB配制的混凝土，其抗压强度也越高，相比之下，骨科强度提高大约55％，混凝土强度也相应提高47％。张氏所提出的颗粒平均应力概念能定量地评定任意多角型骨料，包括尖角棱边的破碎碎石抗压强度，这将为今后发展高强或高特性混凝土提供了直观、省时有效的方法。

3 在我国发展高特性混凝土的初浅分析

正如前述，高特性混凝十是在高强混凝土推广应用基础上提出来的，因此，高强混凝土是发展商特性混凝土不可逾越的阶段。改革开放l 0多年来，我国土建工程中所使用的混凝土抗压强度已有大幅度提高，由以往C20—C25普遍提高到C 35一C459C69混凝土已成功地实际应用于沈阳、广州、深圳等一些高层建筑中。为此，国家建设部已将高强混凝土列入九．五期间十大重点推广应用项目之一，国家建树局也把高特性混凝土列入“九．五”科技攻关计划中。然而，不容否的事实是，由于我国经济落后，基础差，认目前砼年用量仍然低于80年代初期世界年·人平均水平，与一些工业发达国家相比，总体水平还存在不少差距，为有利于这一计划和目标的实现，笔者提出几点粗浅分析意见；

3．1推动商品混凝土工业发展，为加速高持性混凝土研究开发进程奠定工业基础

　　任何新严品的问世，均离不开当时的工业基础和条件。在我国混凝土生产长期处于分散落后的现场拌制方式，这将制约混凝土配制技术水平的提高，非但浪费了原材料，而且带来环境污染问题。始于70年代前期，在首都北京建起了一批混凝土预拌站，从而结束了我国落后的生严力式，并在此推动下，80年代中期，沿海经济发达地区如天津、上海、常州、广州等地相继建成了—批规模不一的混凝土预拌站，目前已在40多个城巿推广应用o 1985年年设计、生产能力达3000多万立方米，而实际年产量只达到设计生产能力的50％。新近在我省佛山、江门和重庆市城区制定出相应限制现场搅拌的技术法规，很难想像如果没有这些雏形的混凝土预拌站的话，混凝土强度怎能不断地得到提高，进而达到监控混凝土具有多种功能的目的呢？因此，国家成地方建设主管部门对我国商品混凝土工业的发展应作出规划，明确目标，逐步推进，才能跟上工业发达国家的步伐，使这种多功能的结构材料真正在我国土建工程中发挥它的作用。

3.2综合各种因素，多渠道开辟高活性硅质材料来源，为它的发展奠定物质基础

纵观一些工业发达国家所走过的历程，无论是高强混凝土或高特性混凝土的研制与应用，均是严格地选择原材料而不是通过施工技术的变革实现的。其中高效化学外加剂和活性sio 2含量很高的矿物附加剂使用是必不可少的。就以后者而言，目前国际上普遍采用金属硅或硅铁合金冶炼过程中排出的粉尘(简称：硅灰或硅粉)，有些国家如澳大利亚因资源缺乏不惜高代价从挪威输入硅粉开展试验研究工作。加之此种粉状材料细度小，重量轻，给运输、操作和使用带来困难，可从二个方面着手解决这一问题。一方面将松散密度大约200kg／m3的原状硅粉经处理后成致密粒状(密度50 O一600k6／m3)、或用水调成悬浮浆液(水：硅粉＝1：1重量比)，或用水预湿、成球，然后与水泥熟料一起粉磨成为硅粉水泥；另一方面，寻找其它代用材料如美国芝加哥混凝土材料服务公司研制出高活性亚高岭土，它可代替硅粉配制出高强混凝土，其效果可与硅粉相媲美。但高岭土需除去杂质，高温煅烧，细磨成小于2Pm的粉末才可使用。我国不．是盛产硅粉的国家，我省虽有二间较具规模的铁合金厂，均因资金短缺无法改变收尘方式而将它排放到大气中。个别单位开展这方试验工作只能从山西、青海等地购买硅粉，但材料长距离运输是划不来的。更何况我国幅员辽阔，资源分布各界，因此，应综合考虑资源、运输、成本等多种因素，开辟多渠道高活性硅质材料来源，才能达到预期的目的和效果。

3.3政策上应给予必要的扶持，才能使它健康、稳妥地向前发展

　　高特性混凝土在国外已进入到，实际应用阶段，根据国外情况，无论是高强或高特性混凝土，普遍掺入占水泥用量l0％左右的硅粉。如按目前我国硅粉的最低售价为l 500元／t，每立方米高强混凝土的水泥用量为550kg计，仅此一项每立方米混凝土的成本就增加82。5元。如果考虑预拌混凝土设备投入折旧、管理以及化学外加剂的使用，其费用增加则更为可观。现阶段我国仍然是一个经济落后、工业基础并不雄厚的发展中国家，就像其它新型材料推广应用的情况一样，必然受到经济因素的制约。尤其是我国正处于由计划经济逐步转入市场经济过程中，人们往往采用直观的材料价格进行对比，而不考虑使用新型材料后给工程带来的效果。因此，在我国目前经济条件下，无论推广应用高温混凝土或研制高特性混凝土，均应在经济政策上给予积极扶持相鼓励，才能使这种新型结构材料——高特性混凝土沿着正确轨道稳步地向前发展。