高强混凝土的研究现状及发展趋势

摘要：分析了高强混凝土的技术发展，阐明了现代高强混凝土的概念；论述了现代高强混凝土技术的发展现状；展望了现代高强混凝土技术的发展趋势。

关键词：高强混凝土；研究现状； 发展趋势

 

 

    高强混凝土是使用水泥、砂、石等传统原材料，通过添加一定数量的高效减水剂（或同时添加一定数量的活性矿物材料），采用普通成型工艺制成的具有高强性能的一类水泥混凝土。强度达到多高称为高强混凝土，目前尚无定论。

 

    在美国，以圆柱抗压强度标准值达到或超过42MPa 为高强混凝土。ACI 提出以圆柱体抗压强度的标准值不低于42MPa 相当于我国的C50 级混凝土。在我国，通常将强度等级等于或超过C50 级的混凝土称为高强混凝土。这个分类标准适合我国国情。经过强度换算，也和西方国家标准大体是一致的。

 

 

    现代高强混凝土的应用已遍及桥梁工程、房建工程、港口海洋工程、地下工程等各个土建工程领域。高强混凝土在房屋建筑和一般构筑物中的应用场合主要有：

    1）高层建筑；

    2）大跨屋盖；

    3）处于侵蚀环境下的建筑物或构筑物。

 

 

    简单的说，混凝土是多组分的集合料水化胶凝硬化后形成的固体材料，其高强的获得涉及到胶结材料本身的强度提高，骨料本身的高强，以及胶结料与骨料界面强度等。

 

 

    国际上配制高强混凝土所能达到的技术水平，以现浇混凝土为例，可以概括为如下几个方面：

    1） 胶凝材料方面用现有的市售水泥425 号、525 号可以配制出C60～C100 之间的高强混凝土，胶凝材料单方用量C 最好在500kg/m³～700kg/m³ 之间，且强度越高，此用量一般越大；用现有的市售水泥不能配制出≥C120 的超高强混凝土，必须开发新型水泥。

 

    2）集料方面：用现有的石灰石碎石可以配制≤C100 的高强混凝土；但若配制>C100 高强混凝土，必须采用特种高强集料，例如玄武岩、烧矾土等。砂率最好高于40%。

 

    3） 外加剂方面用现有的市售高效减水剂可以配制出C60～C120 之间的高强混凝土；不能配制出≥C120 的高强混凝土，必须开发新型超高效减水剂。

 

    4）掺合料方面： 用现有的掺合料，例如矿渣、粉煤灰等或不用掺合料可以配制出C60～C100 之间的高强混凝土；若配制C100～C120 之间的超高强混凝土，必须使用硅灰、超细矿渣等超微掺料。

 

    5）配合比方面除上面已经提到的胶凝材料单方用量C和砂率之外，水胶比（ W/C）和单方用水量W 也是决定高强混凝土指标的重要方面，甚至是最重要的方面。

 

 

    意大利学者采用“ 高硅水泥+ 玄武岩集料+ 富配比+低水灰比+ 最佳骨料级配+ 蒸压养护”的技术路线得到了抗压强度高达300MPa 的超高强混凝土。挪威的Odd E.Gjorv 用高质量的陶瓷集料代替矿物集料，将混凝土的抗压强度又由230MPa 提高到460MPa。

 

    与国际上的技术水平相比，我国配制高强混凝土的技术，无论是普遍水平，还是最高水平，均落后于世界发达国家水平。

 

 

    大量的事实证明，高强混凝土技术最核心的技术是高强混凝土配制技术，因而也是高强混凝土技术发展的标志技术，我国高强混凝土技术之所以落后于世界先进水平，其根本原因也就是配制技术落后于世界先进水平，尤其是高效减水剂技术至今未有重大突破。

 

    目前，国际上配制高强混凝土所采用的方法多种多样，概括起来，主要有以下几个方面的关键技术。

    1）原材料方面：一般均以现有硅酸盐水泥为主要原料，另加入高效减水剂、高强集料、超微掺合料、高分子聚合物（聚乙烯醇、甲基羟丙基纤维素、聚丙烯酰胺）、纤维等。也有使用高硅水泥的。其中，原材料技术中的三个主要技术是：①高效减水剂技术：一旦高效减水剂的减水率突破30%，单用高效减水剂制备C100 以上的超高强混凝土就不成问题。②外掺料技术：如果找到一种廉价的掺合料来代替昂贵的硅灰，高强混凝土就向实用化迈出了重要的一步。③高标号水泥技术：如果水泥标号能够继续提高，混凝土强度也将随之提高。由于我国生产高标号水泥的技术水平有限，受货源限制，目前配制高强混凝土主要用525 号水泥，625 号水泥也有应用，725 号、825 号、925 号水泥应用极少。

 

    2）配合比方面：主要有：低水灰（ 胶）比（ W/C 从0.30～0.093）配合；高砂率（ >40%）；最佳集料级配；富配比（水泥用量C=500kg/m³～700kg/m³）。

 

    3）成型方面：主要有：高压成型（ 成型压力从30MPa～700MPa）、挤出或注模成型、真空脱水、热压成型（温度从80℃～250℃，压力从30MPa～700MPa）、振动加压成型。除上面已提到的Roy 的成果外，早在1947 年，英国世界著名混凝土专家T.C.Powers 就使用W/C=0.08 的水泥浆体，加压制成圆柱体试件，获得的抗压强度为280MPa。

 

    4）养护方面：主要有：蒸压养护、湿养（在潮湿介质中养护）。目前尚未出现效果极佳的特殊养护技术。

 

    综合以上配制途径可知，目前高强混凝土配制技术最核心的技术是高效减水剂技术，因而，制造减水效率足够高（ 30%以上），混凝土坍落度经时损失足够小（ 10h 以上无损失） 的超高效减水剂成为当前高强混凝土技术发展的最大障碍，也就成了广大高强混凝土学者的主要任务。

还值得指出的是，对于以上方法，人们通常不是单独采用其中的某一种，而总是将以上各方法联合使用，以达最佳效果。

 

 

    综上所述，高强混凝土技术发展到今天，旧的研究领域正在不断成熟，新的研究领域也在不断开拓，已经取得了长足的进步。

 

    鉴于现代高强混凝土技术研究与应用存在的上述不足，本文作者试图从如下角度，对高强混凝土的未来发展作出展望，抛砖引玉，共同推进高强混凝土技术继续发展。

 

    1）混凝土的强度不断提高。C60～C100 区段的高强混凝土的研究开发已比较成熟，研究的热点正集中在C100～C150 的强度区段，预计不久的将来，C100 以上的超高强混凝土将会得到大量的推广应用。

 

    2）用掺入高效减水剂（ 二元复合）来降低水灰比以提高密实度，并同时掺入活性矿物掺料以增加水泥石中的胶凝物质的数量并改善其质量的方法（三元复合），使混凝土的强度大幅度提高，耐久性根本改善，并能保证混合料的高流动性，这一方法将继续成为配制高强混凝土的主要技术途径。高效减水剂和活性矿物掺料将成为高强混凝土不可缺少的第五和第六组分；在复合改性思想的指导下，人们将采用更加先进的复合技术途径配制高强混凝土，高强混凝土将继续向多元化方向发展。

 

    3）高强混凝土原材料研究将更加成熟。将制定出适应于高强混凝土的原材料技术标准和质量标准，原材料审定将更加合理；将出现超高效减水剂，坍落度经时损失将得到解决；活性矿物掺料品种增加。

 

    4）配合比研究趋于成熟，有可能建立起新的水胶比强度公式。

    5） 超高强混凝土配制工艺比目前的工艺更加简化，易操作。

    6）采用泵送施工以提高施工效率并降低劳动强度。

    7）全面研究高强混凝土的物理力学基本性能，为结构工程设计奠定基础。

 

    8）研究降低高强混凝土脆性的技术方法以克服其脆性大的弱点。可能的方法是：①合适的结构形式，例如合适的配筋形式与配筋量，或采用三维配筋与钢管约束；②与其他材料，如各种纤维复合使用。根据目前国际国内已发表的研究资料，上述趋势是十分明确的。我们应该根据自己的条件和力量，在参照上述趋向研究开发适应于我国当前技术水平的高强混凝土的同时，努力追赶国际先进技术，缩小同发达国家的差距。

 

 

    随着结构技术的革新和结构需要的增加,混凝土作为结构材料的地位必然得到加强,而传统的混凝土技术已无法满足日新月异的工程建设的需要,高强、高性能混凝土的出现及应用必将为未来建筑的发展注入新的生机与活力。