試論高流態(tài)混凝土的主要性能與應用前景
摘 要：
通過研究分析高流態(tài)混凝土的技術(shù)性能及經(jīng)濟性能，總結(jié)出大規(guī)模應用高流態(tài)混凝土可有效降低污染物排放、提高構(gòu)筑物耐久性能，降低建筑使用周期內(nèi)的綜合成本，并提出高流態(tài)混凝土在不同領(lǐng)域的應用前景。
關(guān)鍵詞：
高流態(tài);自密實;補償收縮;性能;前景
混凝土是人類最早使用的復合型材料之一，早在遠古時期，人類便使用以粘土、石灰、石膏、火山灰等為膠凝材料，以碎石、貝殼等為骨料，以稻草、灌木等為抗拉材料的原始混凝土。1824年，英國利茲城的泥水匠阿斯普丁(J.Aspdin)發(fā)明了波特蘭水泥，從而宣告了現(xiàn)代混凝土的誕生。用波特蘭水泥配制成的混凝土具有工程所需要的強度和耐久性，而且原料易得，造價較低，特別是能耗較低，因此，現(xiàn)代工程廣泛使用混凝土作為結(jié)構(gòu)材料。隨著混凝土應用的推廣，一些混凝土自身性能的不足也逐漸體現(xiàn)出來，如耐久性差、振搗密實困難、生產(chǎn)效率低下、環(huán)保性能差等。針對上述問題工程界提出了高流態(tài)混凝土(High-Flowing Concrete)的概念。高流態(tài)混凝土，顧名思義就是指具有高流動性能的混凝土。高流態(tài)混凝土流動性好，混凝土拌合物依靠自重不需要振搗即可充滿模型和包裹鋼筋，具有良好的施工性能和充填性能，而且骨料不離析，混凝土硬化后具有良好的力學性能和耐久性能。
1、高流態(tài)混凝土相較于普通混凝土的主要性能及特點
1.1高流態(tài)混凝土的自密實性能。自密實混凝土(self-compacting concrete即SCC)是高流態(tài)混凝土的重要分支，根據(jù)其特性，自密實混凝土可以定義為[1]：混凝土在澆筑過程中不經(jīng)外力振搗，僅靠重力即可通過鋼筋間隙，密實填充模板的每一個角落，形成均勻密實的結(jié)構(gòu)，且在澆筑過程中不泌水、骨料不離析。現(xiàn)代混凝土自誕生以來已經(jīng)發(fā)展到第四代——高性能混凝土(HPC)，高流態(tài)自密實混凝土是第四代混凝土的一個重要的組成部分和發(fā)展方向。高流態(tài)自密實混凝土在施工中表現(xiàn)出優(yōu)良的工作性能，混凝土在澆筑過程中無需振搗而完全依靠重力作用自由流淌并充分填充模板內(nèi)的空間，混凝土硬化后，由于其密實填充的特點，因此較普通混凝土擁有更好的力學性能和耐久性能。自密實混凝土目前主要用于鋼筋密集、無法振搗的施工部位，保證混凝土在不利施工條件下也能密實澆筑。
1.2高流態(tài)混凝土的泵送性能好。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，混凝土的強度等級愈來愈高，建筑物的高度也愈來愈高。相應的，高強度商品混凝土的泵送高度、長度也越來越大。普通混凝土隨著強度的增加，水膠比相應減小，混凝土的流動性能隨之降低，無法滿足高層泵送要求。而經(jīng)過配合比設(shè)計，加入高效泵送劑后配置而成的高流態(tài)高強混凝土可以長時間保持流動性，可有效提高高強混凝土的泵送高度和泵送距離，且混凝土凝結(jié)后的強度不受影響。如芝加哥Water Tower Place高262米，從地下室到25層的柱子均采用了強度C70以上的高流態(tài)泵送混凝土;現(xiàn)今的世界最高建筑——阿聯(lián)酋迪拜塔，混凝土(C60)的泵送高度達到了驚人611米;在法國的Le Refrain供水隧道(見圖)的建設(shè)過程中，混凝土的水平泵送距離達到了2015米，混凝土從泵送入口到出口的時間達到了近2個小時。
圖法國LeRefrain供水隧道
1.3高流態(tài)混凝土單位成本節(jié)約。高流態(tài)混凝土的經(jīng)濟性能可以從以下幾個方面體現(xiàn)：首先，高流態(tài)混凝土的應用減少了施工中人員、機械的投入。其次，高強度高流態(tài)混凝土的應用，縮減了結(jié)構(gòu)物截面積，實際上增大了建筑的使用面積;另外高流態(tài)混凝土的工程應用提高了結(jié)構(gòu)物的耐久性、減少了今后可能的加固修復費用。我們以1m3C30混凝土的澆筑成本為例，應用普通混凝土和應用高流態(tài)自密實混凝土澆筑成本計算見表。從表中可以看出，由于材料費用和人工費用的增加，同強度下高流態(tài)混凝土的澆筑成本已經(jīng)低于普通混凝土的澆筑成本。
1.4環(huán)保性能好。高流態(tài)混凝土的環(huán)保性能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先使用高流態(tài)混凝土減少了機械振搗工作量，降低了噪音污染;其次，在同等強度的前提下，使用高流態(tài)混凝土減少了水泥用量，據(jù)估算，生產(chǎn)1t水泥熟料所排放的二氧化碳約為1t，二氧化硫約0.78kg，氮氧化合物約1.25kg，粉塵約 2.3kg;二氧化碳的大量排放直接導致“溫室效應”，二氧化硫則會引起“酸雨”現(xiàn)象，而大量粉塵則直接污染環(huán)境，應用高流態(tài)混凝土可以節(jié)約水泥用量，從而減少了上述“副產(chǎn)品”的排放;另外高流態(tài)混凝土的配制過程中摻加了工業(yè)廢料，如磨細礦渣、粉煤灰、硅灰等，可以節(jié)約水泥，保護環(huán)境，并能改善混凝土的耐久性。磨細礦渣活性好，對強度、耐久性、低水化熱甚至工作性都有利。粉煤灰具有火山灰活性，摻入混凝土中，能降低初期水化熱，少干縮，改善新拌混凝土的和易性，增加混凝土的后期強度，顯著提高混凝土的耐久性。我國發(fā)電企業(yè)每年生產(chǎn)大量的粉煤灰，但利用率較低左右，如能大力發(fā)展高流態(tài)混凝土，將產(chǎn)生極大的環(huán)境“紅利”。
2、高流態(tài)混凝土的應用前景
高流態(tài)混凝土的概念誕生于上世紀70年代，但我國的研究和應用較晚。近年來，隨著我國國力的增強、國家對基礎(chǔ)設(shè)施投資的增加、勞動力成本的上升、環(huán)保要求提高等原因，高流態(tài)混凝土在我國的應用逐漸增多，但應用的領(lǐng)域較窄，使用比例較低。結(jié)合國內(nèi)外的研究與應用現(xiàn)狀，高流態(tài)混凝土在以下幾個領(lǐng)域使用較少，有著較好的應用前景：
2.1水工高流態(tài)自密實混凝土。近年來國家加大了對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資，水利工程是投資的重點，一大批各類水利項目上設(shè)。水利施工中存在著體量大，形狀復雜、配筋密集、作業(yè)面狹窄、難以振搗等困難。另外，水工混凝土對材料的流動性、粘聚性、抗分離性和鋼筋通過能力等性能指標有著特殊的要求，根據(jù)現(xiàn)有研究，水工高流態(tài)自密實混凝土有著下列特點：①混凝土坍落度大，流動性好，混凝土拌和物不需振搗僅靠重力便能通過自行流動達到均勻密實;②混凝土抗分離性能良好，在穿過鋼筋網(wǎng)后至凝結(jié)前無分層離析和泌水現(xiàn)象;③硬化后的混凝土干縮小，能夠有效填充各結(jié)構(gòu)部位，達到內(nèi)實外光。水工高流態(tài)自密實如能大量應用，將極大的減少施工難度，提高施工效率及工程質(zhì)量。
2.2補償收縮高流態(tài)混凝土(微膨脹高流態(tài)混凝土)。普通的硅酸鹽水泥在自然條件下硬化，具有一定的干縮性。混凝土的收縮值隨著水泥的品種、熟料的礦物組成、水泥顆粒的細度水灰比的大小、養(yǎng)護條件的不用以及使用環(huán)境的差異等的變化而變化。根據(jù)理論7～60天內(nèi)混凝土的收縮率較大，60天后混凝土的收縮率逐漸趨于緩慢、平穩(wěn)。混凝土內(nèi)部由于收縮會產(chǎn)生微裂紋，微裂紋會破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，影響混凝土的力學性能和耐久性。而經(jīng)過配合比設(shè)計的補償收縮高流態(tài)混凝土在保證強度和流動性的同時還能有效的抵償混凝土的干縮，甚至微膨脹。補償收縮高流態(tài)混凝土在裂縫修補，新老混凝土交接施工等方面有著良好的應用前景。
2.3水下施工高流態(tài)混凝土。目前在大型公路橋梁的基礎(chǔ)形式主要采用水下鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁基礎(chǔ)屬于隱藏工程，其質(zhì)量的好壞直接決定了整個工程的質(zhì)量。水下混凝土施工隱蔽性強，混凝土極易產(chǎn)生松散、離析、縮頸等質(zhì)量問題，控制水下混凝土施工的質(zhì)量是整個水下鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制中的節(jié)點工程。在水下施工中，水流速度快，施工環(huán)境復雜，施工工程難度很大。水下混凝土的整平和密實完全依靠混凝土自重來完成，混凝土如果沒有良好的抗離析性和粘聚性將極易被水流沖散而影響成樁質(zhì)量。此外，根據(jù)灌注樁的澆筑特點，首盤混凝土澆筑后將被后續(xù)混凝土持續(xù)頂升，在此過程中混凝土必須一直保持較高的流動性，否則就容易造成斷樁、夾層等質(zhì)量事故。首盤混凝土在保持長時間流動性的基礎(chǔ)上，初凝時間還不能太遲，否則就無法達到設(shè)計強度。上述技術(shù)性能，普通混凝土很難達到。經(jīng)過設(shè)計的水下施工高流態(tài)混凝土具有良好的流動性、粘聚性，塌落度延時損失小，在水下灌注樁等施工項目中有著良好的應用前景。
2.4結(jié)構(gòu)補強高流態(tài)混凝土。近四五十年以來，混凝土結(jié)構(gòu)物因材質(zhì)劣化造成過早失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外屢次發(fā)生，造成了重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。例如，在日本沿海地區(qū)，許多橋梁、港灣建筑等，建成后10年不到的時間里，混凝土表面即出現(xiàn)裂紋、剝落，鋼筋銹蝕外露的現(xiàn)象。我國很多早期混凝土構(gòu)造物使用壽命遠低于設(shè)計要求便出現(xiàn)了嚴重的損壞。結(jié)構(gòu)補強高流態(tài)混凝土在混凝土構(gòu)造物的補強修復中可以發(fā)揮很大的作用。結(jié)構(gòu)物剝蝕、裂縫的修復中難度最大的就是作業(yè)面窄小，混凝土振搗困難，無法密實，這樣補強工程就無法達到預期的效果。高流態(tài)混凝土因其高流動性、自密實性能，可有效解決上述問題。結(jié)構(gòu)補強高流態(tài)自密實混凝土在國外已有應用，國內(nèi)的研究與應用目前還是空白。
國內(nèi)外大量研究及工程實例表明，大規(guī)模應用高流態(tài)混凝土可有效降低污染物排放、提高構(gòu)筑物耐久性能，降低建筑使用周期內(nèi)的綜合成本，為我國實現(xiàn)節(jié)能、高效、可持續(xù)性發(fā)展的目標提供支撐。
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