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高性能混凝土在建筑工程中的应用

孙茂伟
摘 要:当前,现代水泥工业、水泥加工工艺和施工技术飞快发展,混凝土材料品种不断增多,因此新型混凝土材料在工程建设中的地位显得日益重要。文章基于高性能混凝土,阐述了高性能混凝土的特点,并探讨了其在建筑工程中的应用。
关键词:土建工程;新型混凝土材料;高性能混凝土(HPC)
普通的混凝土材料系由胶结材料(石灰、水泥)、细骨料(砂子)、粗骨料(石子)和水所组成。在性能及其应用与发展的普通混凝土基础上,根据添加材料和施工工艺的不同,派生出名目繁多、性能特异、用途不一的新型混凝土,本文以高性能新型混凝为例,探讨了其在建筑工程领域中的应用。
1 高性能混凝土(High Performance Concrete)概述
混凝土技术发展已有170多年的历史,在缓慢的发展过程中,曾出现几次变革,那就是1919年发现了水灰比定理,1938年发现了引气剂,60年代初出现高效减水剂。目前,混凝土技术发展又处在一个变革时期。新型外加剂和胶凝材料的出现使既有良好的工作性,又有优异的力学性能和耐久性能的混凝土的生产成为现实。这种新型混凝土称为高性能混凝土(High Performance Concrete),简称HPC。HPC的应用将对混凝土建筑施工技术和混凝土结构性能起重要作用。因此,美国、日本、英国、法国、加拿大、挪威等国都将HPC作为跨世纪的新材料,投入大量人力物力进行研究和开发。
20世纪80年代以来,一些发达国家相继研制成功高性能混凝土(以下称HPC),使混凝土进入了高科技时代,日益受到国际材料界和工程界的重视。很多国家把HPC作为跨世纪的新材料加以研究与利用,使其成为当代混凝土研究和应用领域中的一个热点。
HPC组成材料包括水泥、粗细集料、多种矿物掺合料、水和超塑化剂,其组成和配比要比普通混凝土复杂,要求也高得多。
HPC的优点体现在:
由于HPC的高强(60Mpa～100MPa)和超高强(≥IOOMPa)特性,可使混凝土结构尺寸大大减少,从而减轻结构自重和对地基的荷载,并减少材料用量,增加使用空间,大幅度的降低工程造价。
由于HPC具有高工作性,可以减轻施工劳动强度,节约施工能耗。
HPC的高耐久性可增加对恶劣环境的抵御能力,延长建筑物的使用寿命,减少维修费用及对环境带来的影响,具有显著的社会和经济效益。
2 高性能混凝土在建筑工程中的应用
为了分析高性能混凝土在建筑工程中的应用,笔者首先从高性能混凝土的特性来了解高性能混凝土。
2.1 高性能混凝土特性
新拌混凝土的工作性。新拌混凝土的工作性是一个综合指标,如流动性、可泵性、填充性、均匀性等。HPC要求新拌混凝土具有大流动性(坍落度20cm～25cm)及流动度经时损失小,以满足混凝土集中搅拌、运输、泵送、浇注的工艺要求。甚至在浇注时要求混凝土不振捣自流平,即好的填充性。最终得到均匀稳定的混凝土。这些要求是普通混凝土难以满足的。与普通混凝土相比,HPC的组分复杂,多种掺合料与超塑化剂配合使用,其目的是通过这些组分来调整性能。其中最关键的技术之一是超塑化剂及其组成。单一成分的超塑化剂(如萘系和三聚氰胺系高效减水剂)虽然对水泥浆有强的分散作用,减水率高达18以上,但并不能满足HPC对工作性的全部要求。因为单一成分的超塑化剂(SP)难以解决坍落度损失、离析分层等问题。因此,必须将高效减水剂与缓凝剂、引气剂、稳定剂等组成复合超塑化剂(CSP)才能较全面满足HPC对工作性的要求。
硬化混凝土的性能。现代建筑向高层化、大跨度方向发展,因此促进了高强HPC的研究和开发。在高层建筑中,混凝土强度是对应于柱子的轴力。可以说建筑物的层数是由所使用的混凝土强度来决定的。25～30层的建筑物要使用强度36MPa～42MPa的混凝土,30～35层要42MPa～48MPa,更高层的建筑就需要更高强的混凝土,如60层需用100MPa。目前建筑物设计和施工以30～35层(高度约l00m)居多。因此,上述讨论的强度范围60MPa～120MPa的HPC是目前研究和今后发展的方向,而大量使用的强度标号是C40混凝土。在此情况下,配合比设计可以参照普通混凝土的方法,但是主要组成材料和性能应满足HPC的要求。HPC可能比普通混凝土要耐久得多,这是因为在设计配合比时,就考虑到耐久性问题。特别是早期下沉和硬化收缩小、干缩小、水化放热低,因而提高了混凝土抗裂缝能力,无初始结构缺陷。硬化后的混凝土密实、渗透性低。这些都使混凝土抵抗外部因素的能力得到提高,最终得到耐久性好的混凝土。
2.2 高性能混凝土的应用研究
据悉,全世界每年混凝土用量可达90亿吨,规模之大、耗资之巨、应用之广,作为现代工程主要材料的地位依然不被撼动。混凝土用于工程结构至今已有170多年历史了,纵观混凝土技术发展进程,其发展主要遵循复合化、高强化、高性能化三大技术路线长期以来,人们过分注重于混凝土的力学性能,主要集中在提高混凝土的强度上,以搞压强度的比例关系来代表其性能的优劣,而对影响混凝土耐久性则重视不够,从而导致了许多工程结构的开裂,甚至崩塌。例如,1980年3月,北海Stavanger近海钻井平台Alexander Kjell号突然破坏;乌克兰境内的切尔诺贝利核电站的泄漏;日本的一些钢筋混凝土桥梁,投入不到20年因不能使用而被炸毁;辽宁盘锦辽河大桥的断毁等等。此外,由于混凝土耐久性不高,致使混凝土工程的维修费急剧增大。如何延长混凝土的使用寿命,发展高性能混凝土势在必行。
2001年10月用高性能混凝土成功浇捣的航站楼工程第一块大面积楼板,为浇筑量约800m3的主楼南区二层楼板。该楼板呈长条型,宽约20m,长约80m,厚500mm,浇筑前沿楼板长度方向由南往北布置2条施工泵管,分别提供泵送混凝土。施工浇筑时,投入混凝土生产线2条、混凝土搅拌车22台、混凝土泵机2台,施工用时14h,施工过程顺利。其后,在检查认可了这种新型混凝土抗裂性以及总结了它的施工养护经验的基础上,陆续浇捣了其它的大面积楼板,整个航站楼施工补偿收缩纤维混凝土总量超过4万m3。经检验,所有应用补偿收缩纤维混凝土施工的楼板强度均达到设计要求,没有发现任何明显的肉眼可见裂缝,抗裂效果得到各方认可和好评。
早在1992年,吴中伟首次将高性能混凝土介绍到国内。如今,我国高性能混凝土的研究、应用发展迅速。我国是生产和使用混凝土的大国,混凝土的质量在不断地提高,涉足高性能混凝土的研究和应用还是近10年的事。随着高性能混凝土的优越性不断地得到认可,混凝土应用技术的进步,城市建设速度的加快,高性能混凝土获得了迅速发展。
高性能混凝土在实际工程中获得了越来越广泛的应用,尤其是在高层建筑、大跨度桥梁、海上采油平台、矿井工程、海港码头等工程中的应用日益增多。例如:上海金茂大厦(C60)、北京静安中心大厦(C80)、辽宁物产大厦(C80)、南京希尔顿国际大酒店(C30和C50)、长春国际商贸城(C55)、广州虎门大桥(C50)、上海杨浦大桥(C50)等都是应用的典范。
全国很多研究单位已经研制出普通泵送高性能混凝土、大掺量粉煤灰高性能混凝土、高流态自密实高性能混凝土、纤维增加高性能混凝土、轻骨料高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土港工与海工高性能混凝土、高抛纤维高性能混凝土等等,研制出C30-C80的各种强度等级的高性能混凝土和完备的混凝土耐久性检测设备,以及掌握了配套的施工成套技术和各种混凝土耐久性检测技术等。其中具有优异耐久性的C30高性能混凝土即将在地质条件复杂的深圳地铁工程中大规模使用。
结束语
如今我国HPC发展形势一片良好,但是要使HPC在建筑工程中推广使用还需一个认识和实践的过程。随着我国建筑基础建设的不断增强,HPC必将成为新世纪的重要建筑工程材料。
参考文献
[1]张鹏.新型混凝土材料在土木工程领域中的应用[J].邢台职业技术学院学报,2008,(2).
[2]俞瑞堂.高性能混凝土的发展与展望[J].水利水电工程设计,1997,(2).
[3]陈本沛.混凝土结构理论和应用研究的理论与发展[M].大连:大连理工大学出版社,1994.

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