混凝土及其增强材料的发展与应用

摘要：对混凝土（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）以及混凝土增强材料(非金属配筋、新型预应力钢棒等）近年的应用与发展，作了简要的论述.关键词：高性能混凝土；活性微粉混凝土；钢纤维混凝土；砂浆渗浇钢纤维混凝土；纤维筋中图分类号：TU528文献标识码：A混凝土是现代工程结构的主要材料，我国每年混凝土用量约10亿m3，钢筋用量约2500万t，规模之大，耗资之巨，居世界前列。可以预见，钢筋混凝土仍将是我国在今后相当长时期内的一种重要的工程结构材料，物质是基础，材料的发展，必将对钢筋混凝土结构的设计方法、施工技术、试验技术以至维护管理起着决定性的作用。本文对构成钢筋混凝土的主要材料--混凝土及其增强材料的应用与发展，从工程应用角度作简要介绍。1混凝土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（highperformanceconcrete，HPC）HPC是近年来混凝土材料发展的一个重要方向，所谓高性能：是指混凝上具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能。从强度而言，抗压强度大于C50的混凝土即属于高强混凝土，提高混凝土的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，高强混凝土一般也具有良好的耐久性。我国己制成C100的混凝土。已有文献报道1)，国外在试验室高温、高压的条件下，水泥石的强度达到662MPa（抗压）及64.7MPa（抗拉）。在实际工程中，美国西雅图双联广场泵送混凝土56d抗压强度达133.5MPa。在我国为提高温凝土强度采用的主要措施有[1]：(1)合理利用高效减水剂，采用优质骨料、优质水泥，利用优质掺合料,如优质磨细粉煤灰、硅灰、天然沸石或超细矿渣。采用高效减水剂以降低水灰比是获得高强及高流动性混凝土的主要技术措施；(2)采用525,625,725号的硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥及相应的外加剂，这是中国建筑材料科学研究院制备高性能混凝土的主要技术措施；(3)以矿渣、碱组分及骨料制备碱矿渣高强度混凝土，这是重庆建筑大学在引进前苏联研究成果的基础上提出的研制高强混凝土的技术措施；(4)交通部天津港湾工程研究所采用复合高效减水剂，用525号水泥320kg／m3，水灰比0.43，和425号水泥480kg／m3，水灰比0.32，在试验室中制成了抗压强度分别为68MPa和65MPa的高强混凝土。文献[2]报告了采用某些金属矿石粗骨料如赤铁矿石、钛铁矿石等，可以比用普通石料作粗骨料获得强度更高、耐久性和延性更好的高性能混凝土。高强混凝土具有优良的物理力学性能及良好的耐久性，其主要缺点是延性较差。而在高强混凝土中加入适量钢纤维后制成的纤维增强高强混凝土，其抗拉、抗弯、抗剪强度均有提高，其韧性（延性）和抗疲劳、抗冲击等性能则能有大幅度提高。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[3]。1.2活性微粉混凝土（reactivepowderconcrete，RPC）[4]RPC是一种超高强的混凝土，其立方体抗压强度可达200-800MPa，抗拉强度可达25～150MPa，断裂能可达30KJ／m2，单位体积质量为2.5-3.0t／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）使用微粉及极微粉材料，以达到最优堆积密度（packingdensity）；（3）减少混凝土用水量，使非水化水泥颗粒作为填料，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。普通混凝土的级配曲线是连续的，而RPC的级配曲线是不连续的台阶形曲线，其骨料粒径很小，接近于水泥颗粒的尺寸。RPC的水灰比可低到0.15，需加入大量的超塑化剂，以改善其工作度。RPC的价格比常用混凝土稍高，但大大低于钢材，可将其设计成细长或薄壁的结构，以扩大建筑使用的自由度。在加拿大Sherbrook已设计建造了一座跨度为60m、高3.47m的B200级RPC的人行-摩托车用预应力桁架桥。1.3低强混凝土[4]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8MPa或更低。这种材料可用于基础、桩基的填、垫、隔离及作路基或填充孔洞之用，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、工作度、抗压强度、弹性模量等性能指标，而且不易产生收缩裂缝。荷兰一座隧洞工程中曾采用了低强度砂浆（1ow-strengthmortar，LSM〕，其组分为：水泥150kg／m3，砂；1080kg／m3，水570kg／m3，超塑化剂6kg／m3，膨润土35kg／m3，所制成的LSM的抗压强度为3.5MPa，弹性模量低于500Mpa。LSM制成的隧洞封闭块，比常规的土壤稳定法节约造价50％，故这种混凝土可望在软土工程中得到发展应用。1.4轻质混凝土[5]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较小、相对强度高以及保温、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，并变废为用，减少城市或厂区的污染，减少堆积废料占用的土地，对环境保护也是有利的。粘1.才5颜纤维增强蝴混凝械土尸[6]铺为了改善相混凝土的飘抗拉性能然差、延性饿差等缺点压，在混凝才土中掺加话纤维以改帽善混凝土闲性能的研羡究，发展偶得相当迅仁速。目前首研究较多跪的有钢纤门维、耐碱专玻璃纤维鹿、碳纤维择、芳纶纤要维、聚丙状烯纤维或属尼龙合成胞纤维混凝材土等傅。杠仿在承重结穿构中，发集展较快、诱应用较广彼的是钢纤桐维混凝土该。而钢纤仁维主要有乌用于土木应建筑工程燥的碳素钢监纤维和用铃于耐火材三料工业中说的不锈钢迁纤维。用波于土木建州筑工程的虾钢纤维主洒要有以下切几种生产妈方法：市（司1耐）钢丝切园断法；宿（铜2眠）薄板剪悲切法；质（地3帜）钢锭（眠厚板）铣甜削法；竖（驰4兴）熔钢抽增丝法跪。塘吧当纤维长开度及长径叶比在常用怪范围，纤旅维掺量惕在旺1树％嘉到歉2革％（体积倍分数，本趁文中的掺插量均指体笋积分数）州的范围内甩，与基体坐混凝土相量比，钢纤驾维混凝土岛的抗拉强驾度可提偏高惧4窝0橡％愿~8痒0辞％，抗弯携强度提宁高毛5柔0究％榨~12酬0企％，抗剪牢强度提结高粗5犯0而％堪~10翼0甜％，抗压嗽强度提高丹较小，散在绸0~2净5拉％之间，援弹性阶段利的变形与缘基体混凝笼土性能相兆比没有显舅著差别，听但可大幅啦度提高衡买量钢纤维怎混凝土塑茧性变形性轿能的韧性预。鼻驱中国工程企建设标准爬化协会屈于骡199合2栗年批准颁熔布了由大美连理工大同学等单位串编制的《缴钢纤维混孙凝土结构牢设计与施撕工规程》谁（蓬CECS板3肝8僵：甲9处2塘），对推匹广钢纤维蚀混凝土的竖应用起到祥了重要作抓用究。刷湿钢纤维混拘凝土采用踏常规的施余工技术，乒其钢纤维嚼掺量一般送为嘱0.仅6睛％尼～棵2.粉0害％。再高挂的掺量，丢将容易使础钢纤维在宗施工搅拌印过程中结设团成球，毁影响钢纤蜂维混凝土芽的质量。歉但是国内获外正在研冬究一种钢主纤维掺量聪达葵5橡％石～算27捐%远的简称踢为岭SIFC营O腊N刮的砂浆渗鬼浇钢纤维兰混凝土，底其施工技搬术不同于村一般的搅窄拌浇筑成纺型的钢纤捎维混凝土菜，它是先垂将钢纤维洒松散填放亿在模具内伏，然后灌起注水泥浆灾或砂浆，涂使其硬化雄成型探。递SIFC仙O类N侮与普通钢脆纤维混凝味土相比，漠其特点是汉抗压强度搁比基体材句料有大幅扮度提高，些可链达掠100~鸭200M哲P袍a贴，其抗拉举、抗弯、冤抗剪强度聚以及延性样、韧性等展也比普通舱掺量的钢晓纤维混凝壶土有更大达的提瑞高庆[7聋]谊。限矮另一种名阔为砂浆渗鲜浇钢纤维锦网混凝土浑（废SIMC宜O中N买）的施工夏方法借与挪SIFC正O酬N贫的基本相文同，只是负预先填置去在模具内乡的不是乱炕向分布的活钢纤维，茂而是钢纤茧维网，制哑成的产品政中，其纤介维掺量一粱般辨为玩4谱％汇~届6释％，试验缠表明戏，筝SIMC殖O绝N诉可用较低舞的钢纤维恨掺量而获材得震与泄SIFC静O狭N篮相同的强小度和韧性彩，从而取馆得眨比夏SIFC衫O惧N心节约材料叼和造价的畜效果偶。挑胜虽律然绞SIFC疗O望N贸或销SIMC侦O裕N析力学性能线优良，但章由于其钢服纤维用量苍大、一次群性投资高灰，施工工副艺特殊，臭因此它们题只是在必奏要时用于去某些特殊敲的结构或汁构件的局液部，如火诚箭发射台剃和高速公钟路的抢修瓣等鼻。吸党在砂浆中闯铺设钢丝夹网及网与紫网之间的器骨架钢筋守（简称钢姥丝网水泥妨）所做成误的薄壁结废构，具有访良好的抗种裂能力和纯变形能力秒，在国内这外造船、板水利、建晋筑工程中准应用较为妄广泛。近彼年来，在而钢丝网水绳泥中又掺疼人钢纤维衰来建造公部路路面、晋渔船、农艺船等，取昨得了更好肺的双重增按韧、增强射效果窃。绒跃1.都6悲自密实混市凝土淘（益self错-com家pact纺ing多conc苗ret腾e胖）屈起自密实混茅凝土不需巩机械振捣籍，而是依沸靠自重使柜混凝土密啊实。混凝新土的流动片度虽然高介，但仍可率以防止离材析。配制岛这种混凝写土的方法室有挺[4把]根：滔（导1浆）粗骨料鸟的体积为艳固体混凝结土体积监的融5贿0他％；婆（宾2秤）细骨料候的体积为扎砂浆体积泄的附40忧%龄；患（仿3标）水灰比贷为瑞0.9-贼1.渡0颗；目（滥4把）进行流非动性试验巧，确定超奸塑化剂用丸量及最终忘的水灰比嫩，使材料乓获得最优跨的组成徐。攀辉这种混凝西土的优点阶有：在施情工现场无姐振动噪音峡；可进行换夜间施工娇，不扰民改；对工人贡健康无害食；混凝土肠质量均匀岸、耐久；咱钢筋布置僚较密或构倒件体型复兵杂时也易拣于浇筑；浓施工速度育快，现场窄劳动量小遭。惊矮1.总7苏智能混凝珍土晓（络smar肚tco钥ncre填t俯e顽）锣[4]碌利用混凝澡土组成的迈改变，可蚀克服混凝悔土的某些插不利性质旺，例如：相高强混凝则土水泥用身量多，水伟灰比低，阅加入硅灰断之类的活叹性材料，脚硬化后的缸混凝土密州实度好，名但高强混叨凝土在硬辉化早期阶律段，具有仇明显的自棵主收缩和患孔隙率较面高，易于陆开裂等缺喊点。解决服这些问题规的一个方云法是，用英掺量膨为什2舞5锦％的预湿购轻骨料来转替换骨料博，从而在耍混凝土内榜部形成一湖个辜"场蓄水俱器使"校，使混凝梅土得到持怨续的潮湿湾养护。这辜种加忌入继"活预湿骨握料的"惧的方法，轰可使混凝钥土的自生闷收缩大为扫降低，减据少了微细池裂缝否。亩寨高强混凝玩土的另一决问题是良去好的密实姓性所引起种的防火能阁力降低．软这是因为佳在高温（这火灾〕时木，砂浆中障的自由水童和化学结剃合水转变巴为水气，方但却不能各从密实的喉混凝土中载逸出，从蔬而形成气阅压，导致厅柱子保护中层剥落，墓严重降低睡了柱的承扔载力，解番决这个问夜题的一种关方法是，量在每方混疼凝土中蓝加株2k宋g粪聚丙烯纤什维，在高系温（火灾史）时，纤渡维熔化，容形成了能扣使水气从狗边界区逸笨出的通道挤，减小了砌气压，从床而防止柱垄的保护层架剥落痕。草痕1.杰8余预填骨料厉升浆混凝矿土辛1鲜）垂恩国内在大病连中浅远牵6000细0烘t擦船坞工程挪中，因地帐质条件复谨杂，船坞唐底板首次范采用了坐蝴落于基岩优上的预填店骨料升浆郑混凝土，虏即用密度哨较大的排厚零4~5详m俗的铁矿石屋作为预填喇骨料，矿售石层下再惑铺立设柱1沈m乡厚的石灰冻石块石。叨矿石层上售是验厚赌6效0择～睡80c滑m屈的现浇钢昂筋混凝土渣板在预填绢骨料层中厘布置压浆层孔注入砂燃浆，形成壳预填骨料静升浆混凝止土。采取他这种工艺创，缩短了深工期，取职得了良好波的经济效罢益河。况岂1.览9哨碾压混凝萝土算[8]阅碾压混凝呆土近年发僚展较快，疫可用于大村体积混凝断土结构（缸如水工大泽坝、大型庄基础）、境工业厂房俊地面、公伶路路面及帮机场道面锈等都。赔纹用于大体歌积混凝土冷的碾压混干凝土的浇辽筑机具与小普通混凝叮土不同，旺其平整使包用推土机躺，振实用乳碾压机，犯层间处理乒用刷毛机忌，切缝用巡切缝机，蝴整个施工变过程的机虹械化程度趣高，施工奸效率高，嫌劳动条件复好，可大内量掺用粉轧煤灰，与鞭普通棍凝死土相比，可浇筑工期帝可缩些短循1桌／戏3~1/厌2叶，用水量庆可减重少塑2截0狐％，水泥告用量可减具少荡3冒0富％趁~6使0垫％肥。您神碾压混凝磨土的层间黑抗剪性能菜是修建混舍凝土高坝鸡的关键问规题，国内阶大连理工穷大学等单刷位曾开展苦这方面的拣研究工作饥。宴围在公路、羊工业厂房幼地面等大量面积混凝燥土工程中木，采用碾未压混凝土挎，或者在嚼碾压混凝售土中再加饿入钢纤缝集，成为钢日纤维碾压蜡混凝土，照则其力学没性能及耐漫久性还可度进一步改摘善驱。迁乞1.1袜0慰再生骨料吃混凝颂土处认新中国建迟国至今己量逾接5数0鱼年，建国冶前后修建别的不少混随凝土结构初，因老化堂或随着经梳济的发展俘，需拆除巧重建，其望拆除量十帮分巨大，胸在拆除的刺混凝土中哈，约有一防半是粗骨票料，应该算考虑如何锋使之再生扣利用。以优减少环境菜垃圾，变符废为用缓。藏讨文汁献坑[4侧]渗报道，在读荷兰的德祝尔夫特，到一甘个旗27驻2女所住宅的雾方案中，盆所有的混拦凝土墙均眨利用了再喷生骨料，幸该方案下顽一步的计痒划，是在吹混凝土楼和板中也利坐用再生骨茧料。芝当然，在切利用这些盆再生骨料深时，需对钩这种馄凝荣土的性能盆进行试验装，例如，制文蚀献守[9眠]映报道了有场关再生轻拔质混凝土布收缩和徐愈变较为显冷著的试验角成果，值诱得重视款。堵收2赵键配筋及增标强材筹料县玩2.险1云纤维掌筋仓[6]及钢筋混凝蛇土结构的前配筋材料掀，主要是鹅钢筋最近储在国际上均研究较多榜的是树脂卵粘结的纤辞维筋蛙（潜fibe耀rre脸info篮rced说pla店stic鸡s无，疲FR对P史）作馄凝遗土及预应粘力混凝土樱结构的非絮金属配筋巴，常用的尺纤维筋有纷树脂粘结双的碳纤维洋筋党（弦GFR善P均）、玻璃爪纤维筋屠（伍GFR鱼P抽）及芳纶似纤维筋流（动AFR耐P属）国外研甜究指出，状这几种纤迎维筋的强贤度都很高括，只是玻出璃纤维筋嫂的抗碱化口性能较差伴。纤维筋自的突出优克点是抗腐宿蚀、高强判度，此外遍，还具有好良好的抗邪疲劳性能贫、大的弹捏性变形能饲力、高电软阻及低磁羞导性，其捷缺点是断卵裂应变性工能较差、苦较脆、徐翼变（松弛逃）值较大伟，热膨胀友系数较大滩。冷类国外已有恰日本、德内国、荷兰扇等国将纤宁维筋用于维预应力混参凝土桥，攻包括体外社预应力桥在的实勿例纺[4泊]慨。枝扒2.远2绵双钢田筋诊[1]厉为了减小仙裂缝宽度拒和构件的希变形，国牛内在一些来工程中，惰采用焊成变梯格形的硬双钢筋，酒在构件内跌平放或竖标放布置湖。牲学2.态3爆冷轧变形透钢蛙筋葵[1]须为了节约存钢材用量丽，国内引恰进国外设乱备或自制养设备，用待光圆钢筋离，经过冷割轧，轧成摩带肋的直倡径小于母迎材直径的旅钢筋，称帽为冷轧带崖肋钢筋。名另一种类派似的钢筋壳，是预用央I杯级光圆用万筋冷轧扭定转成型，库称为冷轧险变形用筋某或冷轧扭新钢筋。这欧两种冷轧驳钢筋的抗做拉强度标吐准值（极子限抗拉强屋度）及设驻计值都比汇母材大大听提高，与彻混凝土的辩粘结强度肢也得到提掌高，但直房径较小。四它们主要排用作板式领构件的受蛋力钢筋或僵梁、柱构哲件的箍筋腿或作预应复力筋。由备于强度提赞高，可以柏节约材料望用量，获佣得经济效宽益。这两缺种钢筋，受国内己制侵订了规程疯。为将这站种小直径拣钢筋的用裳途扩展至脸梁、柱的帝受力钢筋萍，也可采质用双筋或否三筋的并孝筋，但需梢适当增大巡其锚固长顽度狡。描号2.何4纽环氧树脂得涂敷钢崭筋芽[1]级在海洋环较境或者有虫腐蚀性介乎质的环境仔中（如冬泪季撒盐的肌桥面），躲钢筋锈蚀仰是影响结涨构耐久性此的重要原概因。为了度防止钢筋铺锈蚀，用给不锈钢制他造钢筋是饮一个途径璃，但是价题格昂贵。版另一个途议径是用环俘氧树脂涂忘敷钢筋表币面，形成门防锈的涂访层，以防和止钢筋生遍锈，这种谈方法在日遣本、美国亦应用较多府。钢筋在迎工厂中校裂直、加热迟、喷涂树恰脂粉末，仪形成防护垫薄膜，冷仿却后经检矛验合格，范用于有严惨格防锈蚀预要求的工纲程，可使蚁结构的耐泳久性大大耳提高嚷。屿府2.膏5爱预应力混劲凝土用钢泽棒、预应舍力混凝土页用螺旋肋拦钢帮丝玻恨在传统用畏于预应力道混凝土的读钢丝、钢准绞线、热脑处理钢筋袜的基础上积，从国外本引进生产支线，己生似产出直径蛇达值12.6同m蝇m愉、抗拉强旷度技达呀1570霞MP胸a睁的预应力背混凝土用格的带螺旋庄肋的钢棒钉（捧stee新1ba期r脂），及直熄径剧达初12.0据m煎m愿、抗拉强市度箭达剥1570葵MP移a音的带螺旋乱肋的钢丝泳。这种新免产品的特竿点是：高邀强度、低魔松弛，与爷混凝土的财粘结强度华好，易墩镇粗，可点竞焊，可盘冲卷等不。珍饮2.界6测纤维布、无纤维条、燕纤维错板丧样国内在对节钢筋混凝惭土结构进躁行加固时你，常用的敏一种技术柿是钢板粘洽结加固技够术，但是腿钢板质量陡重、运送谱不便，剪接切成型也拔比较复杂盘。拣谁最近在国谱内外发展辟并应用了滋以质量很环轻、易于式加工、单在向抗拉强百度很高的神纤维布（格条、板〕确代替钢板绒进行构件晃加固的技今术，取得商了良好的东效果。例鹅如，冶金稀工业局建王筑研究总侧院使用从怨日本进口米的碳纤维艳，开发了挎加固改造飘修复混凝宋土结构新政技长术装[10太]导，其使用色的碳纤维弊布，软厚溪0.11万1-0.肠165m伸m射，单向抗蚊拉强肿度蔬3000膏~355链0MP它a岔，这种碳分纤维布的青特点是：蹄具有很高奶的单向抗面拉强度（证为普通钢邻材雄的思1捕0撞倍），弹庄模与钢材句接近，很熔适用于钢停筋混凝土疮结构的加只固；质量蚁轻，密度狐仅为钢廉的阔1/烤4呢，加固层崇厚度一般兴不大迎于它1m忧m自，基本不覆增加结构密自重及截贸面尺寸；值施工方便月，功效高芳；耐腐蚀华，无须定绑期维护墙。逃坚国外在用袜碳纤维布抹或碳纤维谜条时，还暖利用不同端弹模的碳汪纤维进行毒优化组合处，降低造乎价雾。过杆除碳纤维倒外，与纤厌维筋类似妈，也有用葡芳纶纤维陡和玻璃纤历维制成的套产品（布影、条或扳钥〕．值得啦指出的是盆，国际桥金梁与结构等工程学会陪（崇IABS肿E俊）津在吉199梳9践年奔1执1呈月出版属的杂Stru喉ctur雄alE例ngin银eeri僚n须g采第哀9臭卷洗第对4篮期中，集拆中报道了障加拿大、萍美国、日骂本、欧洲特诸国在发胀展使用这岸种新型材情料方面的携经验，对谷激发我国迅开展这种革新材料的程生产与应晋用很有意丸义毒。梁占3外涂结束食语为条混凝土是且水泥、砂愤、石、水书、外加剂萄、掺合料弄等多组分宽构成的一鄙种性能多终样化的材脉料，其性文能不仅与前组成材料谊的性能有驳直接关系是，而且还附与施工技塔术、所处吴环境及维毙护条件等删有关；笔壳者只是从赴一个结构股工程技术界人员的工过程实用角进度出发，忍对于所涉纲及过的研浅究领域和辞知之不多秩的混凝土剖及其增强盏材料的发彩展与应用臂等方面，什作了抛砖正引玉的介俯绍。期望搅在混凝土收结构领域宜内，有更把多的专家坑学者开发嚷出更多新士的材料，匙并进而研撤究将这些舒材料用于猜结构工程显所需解决棉的设计方棕法、施工耀技术以及掉维护要求彻等，以促皂进我国混动凝土结构慎技术的进掉一步发展牵。沫参考文献洁[1]晕光赵国工藩敬.特高等钢筋差混凝土结损构粘学饼[M]诞.去北京：中滔国电力出朵版社具。圣1999恨藏[2]坦Ajib牺oye改F.ol矮uoku剑n块，宝Sary揭A.J洋.Mal革ak.扒