摘 要:简要论述了新型混凝土(高性能混凝土、活性微粉混凝土、低强混凝土、轻质混凝土、钢纤维混凝土、自密实混凝土、智能混凝土等) 及混凝土增强材料(非金属配筋、新型预应力钢棒等) 的材料组成,以及新型混凝土近年来在工程中的应用与发展.
关键词:混凝土;混凝土增强材料;组成;发展
中图分类号: TU528. 0 文献标识码: A
混凝土是主要的建筑材料,广泛应用于工业与民用建筑工程、水利工程、地下工程、公路、铁路、桥涵及国防建设等工程中. 我国每年混凝土用量约10亿m3 ,钢筋用量约2 500 万t ,规模之大,耗资之巨,居世界前列. 为节约资源,保护能源和环境,走可持续发展之路,既要满足当代人的要求,又不危及后代人的需求能力,绿色混凝土将成为今后混凝土的发展方向.
1 新型混凝土种类
组成钢筋混凝土主要材料之一的混凝土的发展方向是高强、轻质、耐久(抗磨损、抗冻融、抗渗) 、抗灾(地震、风、火) 、抗爆等.
1. 1 高性能混凝土(HPC)
HPC 是近一二十年才提出的,它的出现,把混凝土技术从经验技术转变为高科技,代表着当今混凝土发展的总趋势. 其特点集中表现为具有大流动性、高强度、高耐久性、低水化热、高体积稳定性等多方面的优越性能. 从强度而言,抗压强度大于C60的混凝土即属于高强混凝土[1] . 提高混凝土强度是发展高层建筑、高耸结构、大跨度结构的重要措施.采用高强混凝土,可以减小截面尺寸,减轻自重,因而可获得较大的经济效益,而且高强度混凝土一般也具有良好的耐久性.
提高混凝土强度可采用的主要措施有: (1) 增加水泥中早强和高强矿物成分的含量,特别是采用以氯铝酸为主要成分的水泥,快硬、早强的效果显著,4d 的抗压强度可达20 MPa 以上. (2) 提高水泥的细度. (3) 以矿渣、碱组分及骨料制备碱矿渣高强度混凝土. 利用优质掺合料,如优质磨细粉煤灰、硅灰、天然沸石或赤铁矿石、钛铁矿石等,可获得强度更高、耐久性和延性更好的高性能混凝土. (4) 合理利用高效减水剂,可降低水灰比,有效提高混凝土强度.此外,在高层建筑的高强混凝土柱中,也可采用X 形配筋、劲性钢筋或钢管混凝土等结构方面的措施来改善高强混凝土柱的延性和抗震性能.
1. 2 活性微粉混凝土(RPC)
RPC 是一种超高强的混凝土,其立方体抗压强度可达200 ～ 800 MPa , 抗拉强度可达25 ～ 150MPa ,断裂能可达30 kJ / m2 ,单位体积质量为2. 5～3. 0 t/ m3 . 制成这种混凝土的主要措施是: (1) 减小颗粒的最大尺寸,改善混凝土的均匀性. (2) 使用微粉、极微粉材料,以达到最优堆积密度(packing den2sity) . (3) 减少混凝土用水量,使用非水化水泥颗粒做填料,以增大堆积密度. (4) 增放钢纤维以改善其延性. (5) 在硬化过程中加压及加温,使其达到很高的强度.
1. 3 低强混凝土
美国混凝土学会(AC1) 229 委员会提出了在配料、运送、浇筑方面可控制的低强混凝土,其抗压强度为8 MPa 或更低. 这种材料可用于基础、桩基的填、垫、隔离及用于路基或填充孔洞,也可用于地下构造. 在一些特定情况下,可用其调整混凝土的相对密度、抗压强度、弹性模量等性能指标,且不易产生收缩裂缝.
1. 4 轻骨料混凝土
利用天然轻骨料(如浮石、凝灰岩等) 、工业废料轻骨料(如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造轻骨料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等) 制成的轻质混凝土具有密度小、相对强度高及保温、抗冻性能好等优点. 利用工业废渣如废弃锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、火力发电站的粉煤灰等制备轻质混凝土,可降低混凝土的生产成本,并变废为宝,减少城市或厂区的污染,减少堆积废料占用的土地,同时有利于环境保护.
1. 5 纤维混凝土
为改善混凝土的抗拉性能差、延性差等特点,在混凝土中掺加纤维以改善混凝土性能的研究发展得相当迅速. 目前应用较多的有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、石棉及合成纤维混凝土等[1 ] .
在承重结构中,发展较快、应用较广的是钢纤维混凝土. 钢纤维主要有用于土木建筑工程的碳素钢纤维和用于耐火材料工业中的不锈钢纤维. 用于土木建筑工程的钢纤维主要有以下几种生产方法:钢丝切断法、薄板剪切法、钢锭(厚板) 铣削法和熔钢抽丝法.
在砂浆中铺设钢丝网及网与网之间的骨架钢筋(简称钢丝网水泥) 所做成的薄壁结构,具有良好的抗裂能力和防变形能力,在国内外造船、水利、建筑工程中应用较为广泛. 近年来,在钢丝网水泥中又掺入钢纤维来建造飞机跑道、高速公路、桥面、水坝覆面、军事工程等要求高耐磨性、高抗冲击性和抗裂的部位及构件,取得了较好的双重增韧、增强效果.
1. 6 自密实混凝土
自密实混凝土不需机械振捣,依靠自重使混凝土密实. 混凝土的流动度虽然高,但仍可以防止离析. 配制这种混凝土的方法有:粗骨料的体积为固体混凝土体积的50 %; 细骨料的体积为砂浆体积的40 %;水灰比为0. 9～1. 0 ;进行流动性试验,确定超塑化剂用量及最终的水灰比,使材料获得最优的组成.
这种混凝土的优点有:在施工现场无振动噪音;可进行夜间施工,不扰民;对工人健康无害;混凝土质量均匀、耐久;钢筋布置较密或构件体型复杂时易于浇筑;施工速度快,现场劳动量小.
1. 7 防辐射混凝土
防辐射混凝土能屏蔽X 射线或中子辐射,由于材料对射线的吸收能力与其表观密度成正比,因此防辐射混凝土采用重骨料配制. 常用的重骨料有重晶石、赤铁矿、磁铁矿、钢铁碎块等. 常用胶凝材料为硅酸盐水泥或铝酸盐水泥,最好采用硅酸钡、硅酸锶等重水泥.
1. 8 泵送混凝土
为了使混凝土施工适应于狭窄的施工场地以及大体积混凝土结构物和高层建筑,多采用泵送混凝土. 其拌合物的坍落度较大,具有顺利通过管道、摩擦阻力小、不离析、不阻塞和粘聚性良好的性能. 通过混凝土输送泵输送,能一次连续完成水平运输和垂直运输,效率高且节约劳动力.
泵送混凝土对原材料的要求是:水泥应选用硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,不宜采用火山灰硅酸盐水泥. 粗骨料的最大粒径与输送管径之比不宜过大,当泵送高度在50 m 以下时,碎石不宜大于1∶3 ,卵石不宜大于1∶2. 5 ;当泵送高度在50～100 m 时,碎石不宜大于1∶4 ,卵石不宜大于1∶3 ;当泵送高度在100 m 以上时,碎石不宜大于1∶5 ,卵石不宜大于1∶4. 细骨料宜采用中沙.
2 配筋及增强材料
2. 1 纤维筋
钢筋混凝土结构的配筋材料,主要是钢筋. 最近在国际上研究较多的是树脂粘结的纤维筋作混凝土及预应力混凝土结构的非金属配筋. 常用的纤维筋有树脂粘结的碳纤维筋、玻璃纤维筋及芳纶纤维筋.国外研究指出,这几种纤维筋的强度都很高,只是玻璃纤维筋的抗碱化性能较差. 纤维筋的突出优点是抗腐蚀、高强度,此外,还具有良好的抗疲劳性能、大的弹性变形能力、高电阻及低磁导性;其缺点是断裂应变性能较差、较脆、徐变(松弛) 值较大,热膨胀系数较大.
2. 2 双钢筋
为了减小裂缝宽度和构件的变形,国内在一些工程中,采用焊成梯格形的双钢筋,在构件内平放或竖放.
2. 3 冷轧变形钢筋
为了节约钢材用量,国内引进国外设备或自制设备,用光圆钢筋,经过冷轧,轧成带肋的直径小于母材直径的钢筋,称为冷轧带肋钢筋. 另一种类似的钢筋,是用I 级光圆用筋冷轧扭转成型,称为冷轧变形用筋或冷轧扭钢筋. 这2 种冷轧钢筋的抗拉强度标准值(极限抗拉强度) 及设计值都比母材大大提高,与混凝土的粘结强度也得到提高,但直径较小.它们主要作为板式构件的受力钢筋或梁、柱构件的箍筋或作预应力筋. 由于强度提高,可以节约材料用量,获得经济效益. 这2 种钢筋,国内已制订了规程.为将这种小直径钢筋的用途扩展至梁、柱的受力钢筋,也可采用双筋或三筋的并筋[2 ] ,但需适当增大其锚固长度.
2. 4 环氧树脂涂敷钢筋
在海洋环境或者有腐蚀性介质的环境中(如冬季撒盐的桥面) ,钢筋锈蚀是影响结构耐久性的重要原因. 为了防止钢筋锈蚀,用不锈钢制造钢筋是一个途径,但价格昂贵. 另一个途径是用环氧树脂涂敷钢筋表面,形成防锈涂层,以防止钢筋生锈. 钢筋在工厂中校直、加热、喷涂树脂粉末,形成防护薄膜,冷却后经检验合格,用于有严格防锈蚀要求的工程,可使结构的耐久性大大提高.
2. 5 纤维布、纤维条、纤维板
国内在对钢筋混凝土结构进行加固时,常用的一种技术是钢板粘结加固技术,但钢板质量大、运送不便,剪切成型也比较复杂. 最近发展并应用了以质量轻、易于加工、单向抗拉强度很高的纤维布(条、板) 代替钢板进行构件加固的技术,取得了良好的效果. 这种碳纤维布的特点是:具有很高的单向抗拉强度(为普通钢材的10 倍) ,弹模与钢材接近,适用于钢筋混凝土结构的加固;质量轻,密度仅为钢的1/ 4 ,加固层厚度一般不大于1 mm ,基本不增加结构自重及截面尺寸;施工方便,功效高;耐腐蚀,无须定期维护.
3 结束语
混凝土是水泥、砂、石、水、外加剂、掺合料等多组分构成的一种性能多样化的材料,其性能不仅与组成材料的性能有直接关系,而且还与施工技术、所处环境及维护条件等有关. 随着科学技术的飞速发展,会出现更多的新型材料,及将这些材料用于结构工程的设计方法、施工技术以及维护要求等,这些将促进混凝土结构技术的进一步发展.
参考文献
[ 1 ] 王秀花. 建筑材料[M] . 北京:机械工业出版社,2003.
[2 ] 王世芳. 建筑材料[ M] . 北京: 中央广播电视大学出版社,1997.
