上海市混凝土工程技术发展综述(上)

1 　概　述

    混凝土是当代最主要的建筑材料，其历史悠远。当前的产量及其在土木工程中的重要性，乃至技术进步的惊人速度为世人所瞩目。我国混凝土年产量占世界之首，混凝土工程技术的发展在我国尤为重要。

    回顾上海近代建筑史，本世纪以来，混凝土工程技术和世界各国的混凝土技术发展的道路一样，走过了从塑性混凝土到干硬性混凝土，再到由大流动高强度混凝土向高性能混凝土过渡的几个里程碑。

    第一阶段从本世纪初到30 年代。一批风格各异、造型独特、品质精良的大厦相继建成，使上海成为闻名于世的“万国建筑博览会”的大展台。这一阶段，混凝土仅在少数“钢骨水泥”结构的高层建筑中应用。所用的混凝土也仅是以1∶2∶4 或1∶3∶6 (水泥∶黄砂∶石子)的经验配合比加水拌和，制成利用简单的钢扦作施工器具，可以插捣密实的塑性混凝土，强度停留在100^#～200^#(即C10～C20) 的水平上。

    第二阶段出现在本世纪的50～70年代。在这30年中，以预制混凝土技术的发展和各类先张法预应力混凝土的工业建筑构件为代表，相继建成了一大批重大的工业建筑工程项目和统建住宅工程，预制混凝土构件装配式建筑体系得到了很大的发展。到70年代末80年代初，梁、板、柱全预制装配式建筑得到了充分发展，其中以上海微型轴承厂全预制多层工业厂房和宝钢外招(宝钢友谊宾馆) 为代表的预制全装配高层民用建筑，充分显示了当时混凝土预制装配技术的发展水平。在这一阶段，由于受当时前苏联混凝土工程技术路线的影响，干硬性混凝土技术得到了一定程度的发展。混凝土的平均强度为200^#到300^#(C20 到C30)，工厂预制的预应力混凝土强度达到400^#(C40) 。

    第三阶段，就是改革开放的80、90年代。80年代上海市混凝土工程技术发展中最突出的成绩是：预拌混凝土成套技术的开发；混凝土外加剂技术的发展，使一大批高层建筑的泵送混凝土的应用成为可能；大体积基础混凝土施工技术日趋成熟；粉煤灰混凝土应用技术达到较高水平； 混凝土的平均强度也由C20～C30提高到C30～C40；混凝土的流动度达到180±30mm，属大流动混凝土范畴；预制混凝土构件中出现了误差仅0.5mm 的合流污水管片和地铁管片等高品位的市政精品构件；强度C80的PHC管桩在工程中得到了广泛使用；预应力混凝土技术已由单一的多孔板、屋面板和先涨法梁类构件，向无粘结后涨法预应力楼板体系和曲线预应力桥面板，并向预应力结构和部分预应力结构等先进的预应力施工技术过渡。

    进入90 年代，混凝土工程技术又跨出了一大步。C60混凝土已在一大批有影响的标志性工程中获得应用；C80泵送混凝土也开始用于工程实践；混凝土外加剂进入了第三代水平，利用外加剂对混凝土进行改性，以适应各种特殊施工的技术要求，已被广大从事混凝土工程的技术人员掌握；大体积混凝土的施工技术水平达到国际先进水平； 混凝土的一次泵送高程达到382.5m，更是世界领先水平； 粉煤灰的利用率达到1.4%(即用于水泥和混凝土中的粉煤灰量已大于本市全年排放的粉煤灰量，从周边省、市调入部分粉煤灰) ，在世界上是罕见的；高钙粉煤灰应用技术已达到国际水平；矿渣微粉作为混凝土的掺合料，不但已用于工程实践，且多项技术指标已达到国际先进水平；“香格里拉大酒店”、“高登金融大厦”的预制外墙板及大型预制混凝土地下连续墙等产品的各项技术参数和制作精度，代表了上海市预制混凝土构件的生产水平也已达到了国际先进水平。

    轻骨料混凝土、纤维增强混凝土、聚合物混凝土等特种混凝土的科研和应用技术也有很大的进展。绿色高性能混凝土( GHPC)的技术开发工作，已受到各方面关注。

    21 世纪将是高性能混凝土(HPC)、绿色高性能混凝土( GHPC)兴起和发展的时代。1994 年我国发布的《中国21世纪议程———中国21世纪人口、环境与发展白皮书》指出：“必须寻求一条人口、经济、社会、环境和资源相互协调的，既能满足当代人的需求，而又不对满足后代人需求的能力构成危害的可持续发展的道路。”发展绿色高性能混凝土正是充分利用各种工业废弃物，大力发展复合胶凝材料，最大可能地降低硅酸盐水泥用量，使混凝土工程技术走上可持续发展道路的必由之路。

2 　八、九十年代的混凝土工程技术进步

    八·五和九·五期间，上海建设事业空前发展，混凝土工程技术的进步尤为显著。然而，由于人们长期以来片面地重视混凝土的强度，上海的混凝土强度在90年代由C40提高到了部分工程达到C60，个别工程C80的水平。相对混凝土强度而言，对混凝土耐久性的重视程度就显得明显地不足。

2.1 　预拌混凝土技术的发展

    在近20 年中，预拌混凝土由于其生产设备先进、管理科学、可加快施工速度、提高工程质量，且能满足现代化高速度施工的混凝土需求量等一系列优势，预拌混凝土生产技术已成为建筑施工技术中发展最快的一项技术。

2.1.1 　预拌混凝土产量的飞速递增

    上海市预拌混凝土的雏型始于1977年，统计数字是从1979年才有的。下图就是这20年来上海市预拌混凝土产量的统计图。在预拌混凝土产量逐年提高的同时，预拌混凝土技术也同样取得了相应的提高。

2.1.2 　高性混凝土的开发研究

    1990年5月16日～18日在美国马里兰州盖特律堡， 美国国家标准与技术学会和美国混凝土学会(ACI) 共同发起召开了一次高性能混凝土专题研讨会。1991年9月国际混凝土杂志发表了题为《High Perfomance Concrete ： Research Need ， to Enhance it’s Use》的论文，次年元月上海市建筑构件研究所就译出了“加强高性能混凝土应用的研究”的译文，为上海市高性能混凝土的发展拉开了序幕。在以后的10年中，上海高性能混凝土研究领域中取得一大批可喜的成果，其中具有代表性的成果有：中华第一高楼———88层金茂大厦的C40一次泵送到382.5m；明天广场矿渣微粉C80泵送混凝土；在上海教育电视台综合楼大体积基础混凝土，水泥用量只占胶凝材料总量的46%，配制的混凝土浆量饱满，混凝土工作性、粘聚性和抗离析性能都十分优异，强度达到C40的高性能混凝土。

    1998年上海市科委又向上海建工(集团) 总公司下达了“高性能预拌混凝土应用技术研究”的科研项目计划任务书。研究内容涉及“免振自密实混凝土”、“轻质骨料预拌混凝土”、“大流动超高强混凝土研制”、“大体积控制升温混凝土”、“GHPC(绿色高性能混凝土)研究”等5个方面的研究方向。

2.1.3 　大体积混凝土施工技术

    上海改革开放的20年中，一大批高、大、精、尖的标志性建筑相继建成。深基础大体积混凝土的施工技术，已成为上海市混凝土工程技术进步的重要里程。上海市的深基础大体积混凝土往往由于强度要求高、施工速度快和质量要求高等特点，决定了它的首选施工方案是一次浇捣，不留施工缝的施工工艺。这就给大体积混凝土施工提出了十分苛刻的约束条件。大体积基础混凝土除了必须满足强度、工作性和耐久性要求外，还存在如何防止温度变形裂缝产生的问题。经过20年工程实践的摸索，取得一大批国内、国际领先水平的工程项目。在深基础大体积混凝土的施工中，总结出了以下几条技术措施。

    (1) 尽可能地利用混凝土的后期强度，把28 天设计强度延长到45天或56天，以减少水泥用量，降低水化热总量；

    (2) 采用混合材水泥或增加掺合料用量，以降低水化热和推迟水化热峰值出现的时间，以利协调由于温度引起的应力过高和混凝土初始结构强度过低这一对矛盾，从而达到减少大体积混凝土裂缝的目的；

    (3) 在施工中采取内降外保的养护工艺，针对不同的工程条件采取合理的养护制度，延长养护时间，提高养护质量；

    (4) 采用智能化温度采样系统，动态控制大体积混凝土内部温度变化的情况。

    通过以上技术措施，上海自1979年首次成功地在宝钢转炉基础工程中创造一次连续浇捣混凝土7218m3无有害结构裂缝的实例后，在大体积基础混凝土施工中已创有以下几个全国乃至世界之最：

    (1) 在虹桥世贸商城工程中创下连续浇捣混凝土24000m³的世界之最；

    (2) 在金茂大厦工程中创下了一次浇捣C50(R56)混凝土13500m³，且厚度达4m的世界之最；

    (3)徐浦大桥主塔基础最大厚度6m。

    典型的大体积基础混凝土工程列于表1。其中尤以世贸大厦的24000m³的基础底板施工技术为突出。它集中显示了我国组织大体积基础混凝土施工的高水平和雄厚的设备技术力量。该工程集中了上海建工(集团)总公司所属的上海建工材料公司和上海市建筑构件制品公司两大商品混凝土生产专业公司的10余座混凝土搅拌台，在统一原材料、统一配合比、统一生产工艺的高度统一下，动用了200 辆混凝土搅拌输送车和20 台混凝土泵，在36 小时内施工完毕，平均每台泵车单位时间泵送量为34.7m³/小时。这一泵送速度也达到了国际先进水平(德国资料反映为35m³/小时) 。

2.1.4 　

高泵程混凝土施工

    泵送混凝土的泵送高度是混凝土工程技术水平的重要标志，因为混凝土的泵送高度，是混凝土外加剂技术、掺合料技术、配合比设计和泵送机械性能等一系列技术的综合反映。80 年代上海大量高层建筑的兴建，为上海市泵送混凝土技术的显示提供了广阔的舞台。

    从1981年上海宾馆首次采用泵送混凝土施工技术以来，泵送高度由80m逐年提高到金茂大厦的382.5m，创造泵送混凝土世界第一高度，泵送混凝土的强度也由C30提高到杨浦大桥主塔结构的C50 混凝土。历年高泵程混凝土施工实例列于表2。

2.1.5 　混凝土外加剂技术发展已进入第三阶段

    上海的混凝土外加剂技术从50年代的氯盐为主要原料的早强剂和松香皂为主的引气剂起步，继后出现了纸浆废液为原料的塑化剂，为混凝土外加剂发展的第一阶段。60年代起正规生产木钙型减水剂，到80年代初研制出萘系高效减水剂为止，上海市的混凝土外加剂技术发展到了第二阶段。进入80年代后和预拌混凝土一样，外加剂技术的进步十分迅猛，可认为上海市的混凝土外加剂技术的发展进入了第三阶段。在上海建工(集团) 总公司承建的工程中，混凝土外加剂的使用面几乎达到了100%。其中突出的几个台阶是：1989年的南浦1型和南浦Ⅰ型(缓) 特种泵送剂的研制成功，把3天强度达到28.5MPa的C40混凝土送上了158m高的南浦大桥主塔顶端；1995年在杨浦大桥主塔工程泵送混凝土施工中，采用南浦Ⅱ型把C50高强混凝土泵送到208m 的高度；1997年在中华第一楼金茂大厦中，采用FTH 复合高效泵送剂，把C40混凝土一次泵送到382.5m的高度；1998年在明天广场矿渣微粉C80泵送混凝土， 采用SQ2 ⅡC 完成了3500m³ 的C80混凝土泵送施工作业。

    进入90年代中期后，由于混凝土掺合料技术的进步，各种性能各异的混凝土掺合料相继问世。掺合料的掺入使混凝土的施工性能和强度发展规律出现变化，为适应这些变化了的规律，各种专用的外加剂被相应地研制成功。其中典型的产品有WZ。在大掺量矿渣微粉混凝土中利用WZ 配制了3 天强度便可达到甚至超过单纯用普硅水泥配制的普通混凝土，解决了大掺量活性掺合料混凝土早期强度低的负面影响，为“绿色高性能混凝土”的发展开辟了一条新的道路。目前上海市外加剂产品在知名工程中应用范例列于表3 。

2.1.6 　活性掺合料的开发应用

    混凝土活性掺合料应用技术研究，可以追溯到50年代的混合水泥中的粉煤灰和水淬矿渣的利用。把粉煤灰作为混凝土掺合料，在混凝土搅拌时直接掺入，在50年代仅出现在水坝用混凝土中。然而，在上海真正普及粉煤灰应用技术，直接把粉煤灰用于建筑工程用的混凝土中是1978年的事。通过20余年的工程实践，上海的粉煤灰应用技术在国内已远远领先，在国际上也跨入了先进行列。如上海同济大学建材学院(原上海建材学院) 科研人员已研制出，当胶凝材料总量为550kg/m³，粉煤灰掺量达到40%时，强度可达60MPa以上的高强混凝土(《大掺量粉煤灰高强混凝土》) 。经过几年的研究和开发，使上海的高钙粉煤灰应用技术在国内处于领先地位《， 高钙粉煤灰混凝土应用技术规程》的发布，代表了上海市粉煤灰在混凝土工程中应用的技术水平。

   
      矿渣微粉作为活性掺合料的应用技术，是近几年才被重视的。然而，由于这项技术的巨大潜力，其发展速度和在技术水平、经济效益两个方面取得的成绩特别可观。自1997年建委成立“高炉矿渣微粉生产技术开发应用研究”项目课题组后，采取了产、学、研结合的道路，通过短短二年的研究开发，取得一大批可喜的成果。特别是“矿渣微粉C80泵送混凝土”、“大体积混凝土工程用矿渣微粉混凝土应用技术”、“矿渣微粉混凝土耐久性研究”、“宝钢高炉矿渣微粉混凝土应用研究”、“双掺磨细矿渣及高钙粉煤灰混凝土的最优配比及性能”等一批矿渣微粉的应用技术和材性研究课题的完成，把上海市矿渣微粉应用技术提高到了较高的水平。

    混凝土掺合料技术的进步，实际上是混凝土材料科学技术进步的重要标志。混凝土掺合料应用技术的日趋成熟，复合胶凝材料的概念逐步被从事混凝土工程技术研究、开发、应用的科技人员接受。混凝土工业要走可持续发展的道路，胶凝材料的变革是必然的趋势。高效活性掺合料和硅酸盐水泥复合组成高效复合水泥基胶凝材料，是混凝土工业走“绿色道路”的必由之径。

2.1.7 　清水混凝土施工技术

    90年代的上海随着一大批高质量的标志性公共建筑和市政工程的相继建成，大大地改观了上海的城市面貌。这些工程中有大型的体育场馆、闻名于世的两桥一塔(南浦大桥、杨浦大桥、东方明珠广播电视塔) 、浦东国际机场、高架道路等等。它们除了优美独特的造型、一流的工程质量外，清水混凝土古朴凝重、自然清纯的质感，给这些标志性建筑物增添了光彩。东方明珠的大型斜筒体、八万人体育馆的大斜率柱和浦东国际机场超大型结构的清水混凝土施工技术难度更大。清水混凝土施工的技术关键是以下三个：

    (1) 混凝土配合比设计和原材料质量控制。新拌混凝土必须具有极好的工作性和粘聚性，绝对不允许出现分层离析的现象。原材料产地必须统一，砂、石的色泽和颗粒级配均匀。

    (2) 模板工程。清水混凝土施工用的模板必须具有足够的刚度，在混凝土侧压力作用下不允许有一点变形，以保证结构物的几何尺寸均匀、断面的一致，防止浆体流失。对模板的材料也有很高的要求，表面要平整光洁，强度高、耐腐蚀，并具有一定的吸水性。对模板的接缝和固定模板的螺栓等，则要求接缝严密，不允许漏浆。

    (3) 养护。清水混凝土如养护不当，表面极容易因失水而出现微裂缝，影响外观质量和耐久性。因此，对裸露的混凝土表面，应及时采用粘性薄膜或喷涂型养护膜覆盖，进行保湿养护。

2.2 　预制混凝土构件和预应力混凝土技术

    在过去的20多年中，由于各种工程的需要和材料科学的进步，预制混凝土技术和预应力混凝土设计施工技术，获得极大的发展机遇。然而，相对于预拌混凝土技术的进步，预制混凝土技术进步显得明显地不足，预制混凝土构件几乎已退出了公共建筑领域。然而，在常规的房屋建筑预制构件悄然退出的同时，超大型的预制地下连续墙恰被作为混凝土构件的新产品开发了出来。市政工程中，一大批预制混凝土精品构件不断地被开发出来，把上海的预制混凝土技术也提高到了一个新的水平。混凝土制品正在向大和精的方向发展。

    预应力混凝土技术的发展可用一句话来概括，即完成了由单个预应力构件制作向预应力混凝土结构的过渡。在完成这一过渡的同时，在工艺上由单一的先张法工艺过渡到以后张工艺为主；材料由低碳冷拔钢丝和低碳合金钢( Ⅲ、Ⅳ级钢筋) 转向高强钢丝和钢绞线；锚具也由单根的楔形锚固端和镦头锚固的形式，向QM、XM、OVM、DM和B&S等单束和群锚体系过渡。

2.2.1 　市政用混凝土精品构件的开发

    预应力空心板梁虽是市政桥梁工程中的通用构件，但在南浦大桥建造前，其使用量较小，构件强度、精度等要求也不高。1990年，南浦大桥用的预应力空心板梁由于大桥浦西段主引桥设计成螺旋状，盘旋而上，故主引桥空心板梁的外形尺寸变化复杂，精度要求十分高，被称为市政工程用混凝土精品构件。自“南浦大桥预应力板梁成套生产技术研究”科研成果获得推广后，杨浦、徐浦等越江桥梁工程用的桥面板梁的生产日趋成熟，现已成为常规产品。继后结合内环线工程，在1994年又开发出了工厂预制异型后张法预应力空心板梁，为高架环线和南干线等道路工程建设，提供了高质量的混凝土预制构件，加快了工程的施工速度，减少现场施工用地，提高了工程质量。

    1990年，合流污水工程311标管片的研制成功及以后地铁管片的生产，把预制混凝土构件的制作精度和产品质量提高到了国际先进水平。该类管片的外型尺寸精度要求达到0.5mm，混凝土设计强度为C50，抗渗和耐久性要求均十分高。在1992～1996年间，为配合合流污水工程又开发出了不同口径的预制顶、埋管。1992年开发出小口径超长距顶进施工用的钢筋混凝土管段，1996年又研制开发出了直径达3000mm的预制大口径顶、埋管，其水平均在国内领先。

2.2.2 　超大型预制地下连续墙

    软土地基深基础结构设计和施工技术，在上海已处于国际先进水平。然而，在地下连续墙的施工工艺上，由于传统的现浇施工工艺，筑成的地下连续墙存在容易夹泥、槽壁坍塌、抗渗性差、墙体和底板连接处位置难以保证等一系列缺点和弊病，给施工带来了困难，给工程质量留下了隐患。特别是在某些利用地下连续墙作为地下工程组成部分时，现浇地下连续墙由于其固有的缺点，给后续施工带来了很大的难度和经济上的损失。预制地下连续墙由于工厂生产，具有板面平整、混凝土密实度高、抗渗性好、预埋钢筋位置准确、墙体和底板连接质量高、不易渗漏等优点，可以充分发挥三作用复合式深基础结构的作用，而被广大设计、施工人员重视。从1997年开始，通过建工锦江、明天广场和达安城地下车库等工程的应用，取得了比预期更好的效果，总体水平已达到国际先进水平，现已进入预制预应力地下连续墙的研制阶段。由于采用预应力工艺，预制的地下连续墙长度可做到30m左右，这一长度在一般工程中已足够保证一幅到底的深度要求，可以取消横向接头，又能进一步提高工程质量和降低工程造价。(待续)