混凝土材料研究和發(fā)展趨勢的分析與探討
2011-02-22 00:00
1. 前言
混凝土以其良好的抗水性、優(yōu)越的可塑性、優(yōu)良的耐火性以及最具競爭力的經(jīng)濟(jì)性而成為目前全世界用量最大（110億噸/年）和使用范圍最廣的材料。其對全世界人文和自然環(huán)境都產(chǎn)生了深刻和持久的影響。這種對人類社會具有如此影響力的傳統(tǒng)材料也必然要受到21世紀(jì)新科技革命的沖擊和影響，具體體現(xiàn)在新材料技術(shù)中結(jié)構(gòu)材料復(fù)合化和綠色技術(shù)的影響，從而使混凝土材料朝著高性能化、智能化和綠色化的方向發(fā)展。
2. 混凝土材料研究和發(fā)展的趨勢
2.1 新材料技術(shù)的發(fā)展促使混凝土通過復(fù)合走向高性能和智能化
道路復(fù)合就是在基體材料中添加一種或多種材料通過某種手段實現(xiàn)其有效結(jié)合從而提高基體材料性能的技術(shù)手段，其目的是實現(xiàn)混凝土的高性能化和智能化。
（1） 高性能化
混凝土的高性能，主要體現(xiàn)在：高的工作性、高強(qiáng)度和高的耐久性（如：水工混凝土的抗?jié)B、寒冷地區(qū)的抗凍、機(jī)場和公路混凝土路面的抗沖耐磨、海工或化工混凝土工程的抗酸性侵蝕、大體積混凝土的抗裂等）。高的工作性可通過復(fù)合超塑化劑來實現(xiàn)，使得混凝土能夠無需振搗靠自重流平模板的每一個角落，即自流平混凝土。高強(qiáng)可以通過復(fù)合各種纖維來實現(xiàn)。法國研究人員通過特殊工業(yè)通復(fù)合直徑0.15mm長度13mm、最大體積摻量為2.5%的鋼纖維，在400℃的養(yǎng)護(hù)條件下，制備出的超高強(qiáng)混凝土其抗壓強(qiáng)度達(dá)到800Mpa。這種混凝土在韓國得到了商業(yè)應(yīng)用，如圖1（Cheong人行橋），跨度120m,拱高130m,其細(xì)長比創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。高的耐久性，根據(jù)具體要求不同而復(fù)合不同的材料。如：復(fù)合化學(xué)纖維、超細(xì)礦物摻合料或引氣劑等可提高混凝土抗?jié)B性抗凍性，復(fù)合鋼纖維和硅灰可以提高路面的抗沖耐磨性能，復(fù)合高爐礦渣和粉煤灰可以有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，復(fù)合大摻量粉煤（如圖2）和相變材料（如冰）可以減少大體積混凝土內(nèi)部溫升從而控制其開裂等。
（2）智能化
所謂智能化，就是在混凝土原有的組分的基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使混凝土材料具有自感知和記憶、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)特性的多功能材料。自感知混凝土就是在混凝土基材加入導(dǎo)電相可使混凝土具備本征自感應(yīng)功能。比如在混凝土中加入具有溫敏性的碳纖維，使得混凝土具有熱電效應(yīng)和電熱效應(yīng)。
日本學(xué)者研制的自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土材料自身即可完成對室內(nèi)環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需求對其進(jìn)行調(diào)控。這種為混凝土材料帶來自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度功能的關(guān)鍵組分是沸石粉。機(jī)理為：沸石中的硅鈣酸鹽含有3×10-10~9×10-10m的孔隙，這些孔隙可以對水分、NOx和SOx氣體選擇性吸附。通過對沸石種類進(jìn)行選擇（天然的沸石有40多種），可以制備符合實際需要的自動調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復(fù)合材料。
它具有如下特點：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓低的地方，其吸濕容量大；吸放濕與溫度相關(guān)，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。這種材料已成功用于多家美術(shù)館的室內(nèi)墻壁，取得非常好的效果。自修復(fù)混凝土是模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采用粘接材料和基材相復(fù)合的方法，對材料損傷破壞具有自行愈合和再生功能，恢復(fù)甚至提高材料性能的新型復(fù)合材料。日本學(xué)者將內(nèi)含粘接劑的空心膠囊摻入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下發(fā)生開裂，空心膠囊就會破裂而釋放粘結(jié)劑，粘結(jié)劑流向開裂處，使之重新粘結(jié)起來，起到愈傷的效果。
2.2 綠色技術(shù)的發(fā)展引導(dǎo)混凝土向節(jié)能減排、循環(huán)使用的方向發(fā)展
混凝土雖然擁有眾多優(yōu)勢，但其對環(huán)境的影響卻不能忽視。混凝土每年大約消耗15億噸的水泥和近90億噸的天然砂石料，可以說是世界上最大的天然資源用戶,其生產(chǎn)和應(yīng)用必將給生態(tài)環(huán)境帶來許多不利的影響。所以混凝土就必然面臨這一問題所帶來的沖擊，可持續(xù)經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排等一系列國家政策要求混凝土必須走綠色之路。自然就要從水泥和砂石料這兩方面著手解決了。
2.2.1 以工業(yè)廢料代替水泥以實現(xiàn)節(jié)能減排
許多工業(yè)廢料如煤熱電廠排放的粉煤灰、煉鋼廠排放的粒化高爐礦渣（磨細(xì)）、工業(yè)燃煤后留下的未能充分燃燒的煤矸石（磨細(xì)），生產(chǎn)硅金屬的排放的硅灰等都可以用來部分代替水泥，而不降低混凝土的性能。事實上，這些工業(yè)廢料等量代替水泥后，如果配料得當(dāng)，往往能夠提高甚至大幅度混凝土的各種性能，如強(qiáng)度和耐久性能。我國的三峽大壩，使用量2800萬m3,約合6720萬噸，其中的粉煤灰替代水泥的量為40%,既減少了成本，又成功解決了三峽大壩大體積混凝土溫升的問題。硅灰已成為現(xiàn)代高強(qiáng)高性能混凝土必不可少的礦物摻合料之一。文獻(xiàn),利用56%的礦渣和和30%煤矸石制備無孰料水泥，也就是說用礦渣和煤矸石經(jīng)過一定處理完全代替水泥，配制低等級的混凝土混凝土，已經(jīng)成為可能。
2.2.2 循環(huán)利用工業(yè)和建筑垃圾來提高混凝土的綠色度
如果將占混凝土重量80%左右的天然骨料（即砂石料）全部用工業(yè)和建筑垃圾代替，將具有重要意義。將工業(yè)廢料（如高爐礦渣和煤矸石）和建筑垃圾（如拆遷的廢磚和廢舊混凝土）破碎后，經(jīng)過分級、清洗和配比都可以制成再生骨料（即再生砂石），再用其部分或全部代替天然骨料制成混凝土（即再生混凝土），這種再生骨料的替代率越高，混凝土的綠色度自然就越高。香港理工大學(xué)的S.C.Kou等人將廢舊混凝土破碎后制成再生粗細(xì)骨料，100%代替天然砂石，制成出28天強(qiáng)度為64.2Mpa的高性能再生自密實混凝土。
3. 結(jié)語
現(xiàn)代科技革命給混凝土的研究和發(fā)展帶來巨大的沖擊和挑戰(zhàn)，同時也帶來了機(jī)遇和促進(jìn)?？梢詳喽?，隨著混凝土朝著高性能、智能和綠色化的方向不斷發(fā)展，隨著人類社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加快，隨著人民生活水平的提高而對住房需求的日益增大，混凝土材料必將以其經(jīng)濟(jì)、耐久、智能、綠色而持續(xù)的為人類的發(fā)展?jié)仓顬閳詫嵉奈镔|(zhì)基礎(chǔ)。
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