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、預應力混凝土技術的發(fā)展，以鋼筋混凝土為主體結構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構。與鋼結構相比，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)和施工技術的不斷提高，鋼筋混凝土結構的高層和超高層建筑還將不斷增多。

　　然而，技術發(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，這一問題使設計施工都受到很大限制。在當前的技術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、抗震結構中是要擔風險的。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1990年初觀測大氣中CO2濃度已經(jīng)達到0.035%，預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，生成具有一定強度和粘結力的凝膠體而產生強度，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、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部滲透或擴散，與水泥凝膠體中的Ca(OH)2發(fā)生碳化反應，使混凝土中的堿性物質變成碳酸鹽，其結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，從而導致鋼筋混凝土結構的破壞。國外的一些調查表明，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，對鋼筋混凝土結構的耐久性越不利。

　　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，因此我們應積極采取相應措施，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。當然，我們更主要的是應減少工業(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的CO2氣體，依理論計算每生產1t水泥熟料，要排放大約800kgCO2。燒制水泥時煤炭的燃燒還產生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，其中由于水泥生產而產生的CO2氣體約占1/10，是產生溫室效應氣體的大戶?？傊?，由于大氣污染日益加重，我們應從開發(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、凝結時間自由調節(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件的施工、混凝土組分均勻性、結構密實性、質量和尺寸完好性。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領域的重要方向。

　　最初的混凝土是大流動性的，由于當時施工機械不發(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，易使混凝土內部造成孔洞，密實性差。減水劑、塑化劑的開發(fā)應用，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并不硬化，如能自由調節(jié)凝結時間，那么預拌混凝土的制造設備、材料運輸和生產工藝必將大為簡化。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凝結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，且其調凝性能遠不能按使用者意愿控制，同時目前產量較低，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域就是PIC。浸漬可以改變混凝土的力學性能，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制造有關的問題，如改進能適應不同使用目的的浸漬液以及極大地簡化制造工藝等問題，還應當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。

　　五、人居環(huán)境與環(huán)?；炷?/STRONG>