沈 佳 威, 羅 廷 星, 羅 林

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

混凝土是一種使用最廣泛的建筑材料。作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家,混凝土在中國(guó)正處于繁榮發(fā)展時(shí)期。截止目前,我國(guó)城鄉(xiāng)具有的建筑總面積已達(dá)650多億m2,按照國(guó)家建設(shè)部的預(yù)測(cè),到2030年,我國(guó)還將新增建筑面積300億m2左右。因此,在未來(lái)的一段時(shí)間里,我國(guó)還會(huì)有大量的大型工程且其大部分工程都會(huì)使用到混凝土。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō),必須知道其由來(lái)、具有的主要特性、注意事項(xiàng)與發(fā)展方向等。

混凝土主要由膠凝材料、水、集料組成,在其使用過(guò)程中還可以摻和外加劑和礦物材料等[1],按照一定的比例進(jìn)行合理的調(diào)配,經(jīng)成型、硬化后制成人造石。

“混凝土”一詞源自表示共存的拉丁文詞匯“ Conoretus”。第一個(gè)發(fā)明的是硅酸鹽混凝土,即所謂的波特蘭混凝土。1824年,英國(guó)人阿斯普丁將石灰和泥土進(jìn)行了燒結(jié),用這種混凝土砌出來(lái)的磚看起來(lái)和波特蘭的石頭很相似,因此將其命名為“波特蘭混凝土”,并在同一年申請(qǐng)了專利權(quán)[2]。到1843年,阿斯普丁之子終于開(kāi)始在自己的工廠中制造“波特蘭”,到現(xiàn)在為止,時(shí)間已經(jīng)過(guò)去了近200 a。

自從阿斯普丁公司拿到技術(shù)專利后,就有了各種各樣的水泥和混凝土[3]。1850年,法國(guó)人郎波特用鐵絲網(wǎng)建造出一艘小型混凝土船,并開(kāi)始使用鐵絲網(wǎng)加固水泥。英國(guó)人科倫于1887年首次提出了混凝土的受力分析方法;而美國(guó)人艾布拉姆斯則在1918年首次將水泥比作混凝土進(jìn)行受力分析,從而為混凝土的受力分析打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此之后,又誕生了預(yù)應(yīng)力混凝土、高強(qiáng)混凝土、干硬性混凝土、塑性混凝土、流態(tài)混凝土、自密實(shí)混凝土、輕集料混凝土、加氣混凝土等混凝土。到了20世紀(jì)60年代,又有了高效減水劑以及與之對(duì)應(yīng)的流態(tài)混凝土,同時(shí),高分子材料也開(kāi)始進(jìn)入混凝土材料領(lǐng)域,從而產(chǎn)生了聚合物混凝土;同時(shí),現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)也逐漸被用于混凝土材料的科學(xué)研究中。目前,人們對(duì)混凝土的研究已有了較為深刻的認(rèn)識(shí),多種不同用途的高效混凝土在各個(gè)方面都起到了重要的作用?？偟膩?lái)說(shuō),在此前100多年的時(shí)間里,混凝土技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

2 混凝土的分類(lèi)及其特點(diǎn)

2.1 混凝土的分類(lèi)

混凝土最重要的組成成分是水泥,因此,混凝土的性能是由水泥種類(lèi)決定的。水泥有很多種類(lèi),其中以硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣類(lèi)硅酸鹽水泥、火山灰類(lèi)硅酸鹽水泥、粉煤灰類(lèi)硅酸鹽水泥以及復(fù)合硅酸鹽水泥等為應(yīng)用最廣泛的水泥[4]。由于各種類(lèi)型的水泥其性能各不一樣,因此,必須按照施工時(shí)的實(shí)際條件選擇各種性能的水泥配合使用。

(1)硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥在其初期和晚期都具有較高的強(qiáng)度,其凝固硬化速度較快;低溫下,其強(qiáng)度增長(zhǎng)速度比其它混凝土快,其抗凍性、耐磨性好,但其水化熱大,耐水性、抗腐蝕性較弱,因此而被廣泛應(yīng)用于要求早強(qiáng)、冬季施工,或要求抗凍,或要求高強(qiáng)度,或要求耐久性的混凝土中。而不能在有海水、礦物水、高壓水和大型混凝土建筑中使用[5]。

(2)普通硅酸鹽水泥。一般硅酸鹽水泥建筑是用硅酸鹽水泥和一些其它原料與石灰制成,其在初期凝固強(qiáng)度方面略遜于普通混凝土,但在其它方面卻與其相似。普通硅酸鹽水泥是目前應(yīng)用最為廣泛的一種,適合在一般氣候、高濕度或水中工作。

(3)礦渣硅酸鹽水泥。礦渣硅酸鹽水泥是由硅酸鹽水泥與20%～70%的爐渣粉末和石灰混合制成,具有初期強(qiáng)度低、晚期強(qiáng)度增強(qiáng)迅速、硬化緩慢、水化熱低,耐熱、耐水性和耐蝕性好的特點(diǎn),亦存在滲漏、抗凍性和耐磨性差、干燥收縮大的不足。其廣泛應(yīng)用于潮濕的環(huán)境下或水下混凝土、厚大體積混凝土或抗硫酸鹽腐蝕的混凝土中。礦渣硅酸鹽水泥亦可用于一般的抗?jié)B環(huán)境或在正常的天氣條件下,但其并不適合在多次凍融循環(huán)的環(huán)境或有早強(qiáng)要求的地方使用。

(4)火山灰硅酸鹽水泥。其是以20%～50%的硅酸鹽類(lèi)礦物為原料,加入20%～50%的火山碎石和石灰粉制成的硅酸鹽類(lèi)礦物,具有早期強(qiáng)度低、低溫下強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢、高溫下強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速、水化熱低,耐水、耐腐蝕的特點(diǎn),但其存在抗凍、耐磨性能差、干燥收縮大、拌制混凝土耗水量大等問(wèn)題。因此,這種水泥適合在大體積混凝土中使用,也適合在需要抗?jié)B和抗硫酸鹽的混凝土中使用,但不適合在干燥、反復(fù)凍融和干濕循環(huán)的地方使用,也不適合在有磨損和早期硬化現(xiàn)象的地方使用。

(5)粉煤灰硅酸鹽水泥。其是在硅酸鹽水泥中加入20%～40%的粉煤灰和石膏制成的粉煤灰水泥。與火山灰硅酸鹽水泥相比,除干燥收縮小、水化熱小之外,其它性能與火山灰硅酸鹽水泥相似。

(6)復(fù)合硅酸鹽水泥。其在硅酸鹽水泥中加入了兩種或多種特定混合物質(zhì)(顆粒狀高爐礦渣、火山灰或粉煤灰),再加入適量的石灰,使其達(dá)到15%～50%的比例時(shí)形成的硅酸鹽水泥。其特征為:隨著配合料增多,其性能從一般硅酸鈣逐漸趨近于所加入復(fù)合混合物的種類(lèi);當(dāng)其摻量在20%以下時(shí),混凝土的性質(zhì)與常規(guī)混凝土相近。

2.2 混凝土具有的特點(diǎn)

(1)材料易得,資源多,費(fèi)用低廉。在混凝土中,除水泥之外,所使用的材料大多為砂和石,這些材料在各地存在廣泛,而且這些材料的開(kāi)發(fā)成本亦相對(duì)較低,因此,混凝土的價(jià)格相對(duì)低廉。

(2)優(yōu)異的材料性能。水泥石又被稱為凈漿硬化體。作為一種新型材料,其具有許多優(yōu)異的特性,尤其是其抗壓強(qiáng)度非常高。在許多建設(shè)項(xiàng)目中,要求混凝土具有數(shù)十兆帕乃至數(shù)百兆帕的抗壓強(qiáng)度。

(3)防火性能?；炷潦且环N不可燃的材料,具有很好的防火性能,并且在火災(zāi)中仍然能夠維持其強(qiáng)度與穩(wěn)定,比木頭與鋼鐵要好得多。

(4)易于成形?；炷敛牧峡梢员患庸楦鞣N形狀,尤其是在無(wú)振動(dòng)的情況下,如果具有足夠的模具,可以將其成型為設(shè)計(jì)師心中所想的任何形狀。

3 混凝土的基本性能

(1)混凝土的和易性。和易性是指混凝土在攪拌、運(yùn)輸、振搗等施工操作后并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的混凝土,其具有流動(dòng)性、黏聚性、保水性三個(gè)性能,工作性能被稱為和易性[6]。目前尚無(wú)一種綜合評(píng)價(jià)混凝土工作性能的手段,通常采用的方式是對(duì)混凝土的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè);而對(duì)其保水率、黏聚性等性能的評(píng)價(jià)則主要依靠肉眼進(jìn)行觀察。流動(dòng)性通常是由測(cè)量崩塌或維勃稠度指數(shù)衡量的。

(2)混凝土的收縮程度。對(duì)于中等流動(dòng)性的混合料,其收縮系數(shù)適宜。測(cè)定塌落度的方法為:按照一定的方式,將混凝土拌和物放進(jìn)一個(gè)坍塌度槽中,待其灌滿后將其放到一邊,再把坍落桶豎直地抬起來(lái)并移動(dòng)到一邊,讓其在自重的影響下發(fā)生坍塌,然后將坍落的高度測(cè)量出來(lái),其即為塌落度。然后用搗棒對(duì)已經(jīng)塌落下的拌合物進(jìn)行錘擊,并對(duì)其受擊后下沉、坍落的情況以及周?chē)拿谒闆r進(jìn)行觀測(cè)?；旌狭系谋澜獬潭仍酱?、周?chē)鷽](méi)有滲出的水分、在撞擊后也不會(huì)出現(xiàn)沉降說(shuō)明其工作性能很好。

(3)混凝土的滲透性。泌水指的是在混凝土澆筑振搗密實(shí)后、凝固前從其外表上觀察到的一種水的情況。其本質(zhì)是將水從水泥混合料中剝離,故其可以被看作是一種離析。其主要原因?yàn)檎駝?dòng)密實(shí)后,由于水泥石中的重質(zhì)固體成分沉淀,而各組份的持水性沒(méi)有達(dá)到充分的分散狀態(tài)。通常情況下,直到混凝土整個(gè)凝固進(jìn)程完成,混凝土凝固前、凝固后都會(huì)發(fā)生泌水。

4 混凝土應(yīng)用時(shí)須考慮的問(wèn)題

4.1 做好質(zhì)量控制工作

商品混凝土的施工質(zhì)量既關(guān)系到商品混凝土的生產(chǎn)企業(yè),亦關(guān)系到建設(shè)企業(yè),因此必須控制好工程質(zhì)量。質(zhì)量控制工作必需從以下兩個(gè)方面著手方能確保每一個(gè)質(zhì)量問(wèn)題都能得到解決以確?；炷恋馁|(zhì)量。對(duì)于商品混凝土站而言:一方面必須注意控制好原材料的質(zhì)量,優(yōu)化配合比設(shè)計(jì),控制計(jì)量的精度,控制攪拌的均勻性;另一方面,在鋼筋鋪設(shè)、模板支護(hù)、混凝土澆筑、拆模和養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)還要加強(qiáng)對(duì)其的質(zhì)量控制。

4.2 完善供貨合同中的技術(shù)條款

由于工程項(xiàng)目種類(lèi)繁多,環(huán)境各異,而且商品混凝土尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化,需要由用戶自行制定,因此,技術(shù)條款即成為雙方協(xié)作的前提,亦成為其品質(zhì)裁決的依據(jù),必須予以關(guān)注。通常,商品混凝土的技術(shù)條件包括以下幾個(gè)方面:

(1)用戶提出的混凝土各項(xiàng)性能的需求。其中包含新拌混凝土的可操作性;硬化混凝土的強(qiáng)度、變形、抗?jié)B性、抗凍性和其他耐久性指數(shù)。以上性質(zhì)的規(guī)定將成為該制品的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

(2)不得出現(xiàn)含糊不清的指標(biāo)。有些合同規(guī)定了“確保不裂縫”。但裂縫產(chǎn)生的因素很多,除了配合比例不合理外,還存在施工和維護(hù)措施不當(dāng)?shù)?。因?一旦出現(xiàn)裂縫情況就很難做出判斷,單方面將責(zé)任強(qiáng)加到貨物上也是不合情理的。所以,一定要提出明確、可驗(yàn)收的指標(biāo)。對(duì)于裂縫的控制,可以對(duì)商品混凝土廠家提供的混凝土干縮變形指標(biāo)、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、放熱量、熱膨脹系數(shù)、絕熱溫升等提出要求,進(jìn)而控制裂縫。

(3)供求各方責(zé)任進(jìn)行清晰的界定。在商品混凝土施工過(guò)程中,許多問(wèn)題的責(zé)任并不容易明確,比如開(kāi)裂問(wèn)題、表面起砂問(wèn)題,這些問(wèn)題如何定義并沒(méi)有一個(gè)可以參考的模型。因此,工程建設(shè)單位一定要對(duì)此進(jìn)行認(rèn)真的分析,并根據(jù)項(xiàng)目特征提出完善的技術(shù)要求,進(jìn)而確?；炷潦┕さ馁|(zhì)量,同時(shí)也便于在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)確定雙方的責(zé)任。

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的混凝土雖然已有近200 a的歷史,也經(jīng)歷了N次大的飛躍,但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展,各種超長(zhǎng)、超高、超大型混凝土構(gòu)筑物以及在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的重大混凝土結(jié)構(gòu),如超高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆、有毒有害廢物處置工程等的建造需求在不斷增加,這些混凝土工程施工難度大,環(huán)境惡劣。因此,混凝土也面臨著許多新的挑戰(zhàn)。