国内混凝土技术的现状与发展

国内混凝土技术的现状与发展作者:吴晓泉（全国混凝土协会技术发展部）以国家“十五”计划、西部大开发战略为指导；结合我国入世（WTO）后国际工贸竞争带来的机遇与挑战；北京申办2008年29届夏季奥运会成功（北京、天津、上海、青岛、沈阳、西安等城市）今后5～7年的建设高潮；配合2001年企业资质申报、审定和建设部提出的“管理年”等中心工作，审时度势，梳理并探索进一步优化预拌商品混凝土企业，改造并重振预制混凝土构件企业，发展和完善混凝土建筑砌块企业之路，迈上新台阶，继往开来，与时俱进。1历史回眸1．1专家点评1981年，[英]悉尼.明德斯（SianeyMrndess）、[美]J.费朗西斯.扬（J.Erancis.young），在合著《混凝土》一书首页上写道“混凝土已经成为现代社会的基础，在日常生活中几乎各个方面都直接或间接地涉及到混凝土。”1987年，美国专家来华透露，联邦已拨款几十亿美元，ACI正在研究月球开发用混凝土。不久混凝土将成为太空建设材料。1992年，清华大学冯乃谦教授写道“作为一门经验技术，混凝土技术目前已进入高科技行业，它远远超过传统建筑业的潜在用途。”1996年，我国工程院院士吴中伟认为“今后30～50年水泥基材（包括各种混凝土和制品）将会得到更大的发展。”1998年，国内著名专家写道“混凝土在工程领域发挥着其它材料无法替代的作用，已经成为现在社会文明的基石。是人类社会文明发展的见证。”2000年，我们协会专家这样赞誉“凡有人群的地方，就有混凝土在闪光。”1．2水泥起源混凝土一词源于拉丁文术语“Concretus”，其意思是共同生存。“水泥”是一个一般术语，亦适用于所有胶结材料。当涉及到非波特兰（我国称硅酸盐）水泥时，应冠以定语，例如铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥，环氧树脂混凝土等。1976年，[英]杰姆斯.帕克（JamesParker），用含有粘土的不纯石灰石球，烧制成天然水硬性胶结材。1813年，[法]维卡V（icat），用石灰石和粘土的合成物，经煅烧制成了人造水硬性胶结材。他还发明了沿用至今的维卡针，用以测定水泥的凝结时间。1824年，[英]利兹的一个施工人员约瑟夫.阿斯普丁（Joseph.Aspdin）提出“波特兰”水泥的一个专利。它是由煅烧某些磨细（粉状或弄碎成糊状）的石灰石，掺入分别磨细的粘土，再将混合物在窑内煅烧至CO2被分解逸出。最后将烧成物磨细制成水泥应用。因为硬化后的水泥酷似英国波特兰石场天然建筑石料，故而命名为波特兰水泥。尽管阿斯普丁并未达到起码的烧结温度[1845年，伊沙.约翰逊（IsaacJohnson）提出的9000C～10000C]，其水泥未必是真正意义上的波特兰水泥，但因为在市场上取得了很大的成功，而被后人确定为水泥的发明人。初时波特兰水泥是用立窑生产。1886年开始用回转窑生产，1909年[美]托马斯.爱迪生（ThomasEdison）发布一系列回转窑专利。1836年德国首先进行了系统的抗拉和抗压强度试验。1900年，水泥的基本试验大部分标准化。我国1889年开始创建水泥工业，印象中生产大古牌水泥。1．3混凝土技术的变革自从1824年波特兰水泥获得专利之后，各种水泥混凝土陆续问世。在短短177年间共发生四次变革。1．3．1第一次变革——理论基础时代1850年[法]郎波特（Lambot）用钢筋网造了一条小型水泥船。标示了钢筋混凝土（RC）时代的开始，也是RC预制工业的萌芽。1887年，[英]M.科伦（MKoenen）首发了RC结构计算方法。1918年，[美]D.A艾布拉姆斯（D.A.Abrams）建立了水灰比（W/C）强度公式。当混凝土充分密实时，其强度与W/C成反比。1930年，[瑞士]鲍罗米（Belomey）根据大量试验数据，应用数理统计方法，纳入了水泥强度因素后，提出了混凝土强度与水泥实际强度及W/C之间的关系。确认了混凝土强度取决于水泥石性能，而水泥石性能又取决于自身的孔隙率。因为鲍罗米公式中没有考虑水泥的物理化学性质，水泥水化程度，水化时温度、含气量变化及泌水形成的裂缝等因素，后来鲍尔斯（Powers）又确立了混凝土强度增长与胶空比的关系，即已水化水泥浆体积与已水化水泥浆体积加毛细孔体积加气孔体积之和的比值。进一步反映了混凝土强度与毛细空隙的关系。可见减少空隙，增加胶空比，能够提高混凝土强度是鲍罗米与鲍尔斯公式的一致性。1．3．2第二次变革——预应力和干硬性混凝土时代1928年，[法]E.弗列辛涅（E.Freyssinet）提出了混凝土收缩和徐变理论。采用了高强钢丝并研制了锚具，为预应力技术在混凝土中应用奠定了基础。预应力混凝土系从外部对混凝土改性。因为依靠机械张拉钢筋，因为之称为机械预应力混凝土。20年后，前苏联依靠膨胀混凝土在硬化过程中产生膨胀能，通过与钢筋粘结力和末端锚固张拉钢筋而产生预应力，称之为化学预应力混凝土。1934年，美国发明了振动器。从此高标号混凝土飞速发展。前苏联根据W/C理论开发了干硬性混凝土，并研制了许多高效重型设备。1940年，[日]吉田德次郎配制了W/C0.22的混凝土，经加压与振动处理又施高温养护，获得了28d抗压强度100Mpa的成果。但后来逐步认识到，配制50Mpa干硬性混凝土十分困难，并很不经济。1．3．3第三次变革——干硬性混凝土向流动性混凝土转变时代1937年，[美]E.W斯克里彻取得了用亚硫酸盐纸浆废液改善混凝土和易性，提高强度和耐久性的专利，拉开了现代外加剂之幕。1913年，[美]柯尼尔.开（Cornellkee）设计出曲轴机构传动的立式缸混凝土泵，并取得专利。1927年[德]弗得茨.海尔（FritzHell）亦设计同类型混凝土泵，并第一次获得成功的应用。1932年，[荷兰]库依曼将立式缸改为卧式缸，制造了库依曼型混凝土泵。1936年，保尔（Bell）提出了可泵性问题。随后格莱（Gray），波波维茨等人对可泵性作了不同的解释。现在浒的是按宾汉姆流体特征表达。我国学者简言：“可泵性实则就是拌合料在泵压下管道中移动磨擦阻力和弯头阻力之和的倒数。”阻力越小，可泵性越好。通俗讲，可泵性是拌合物在泵送过程，不离析，粘塑性好、磨擦力小、不堵塞、能顺利沿管道输送的性能。1962年，[日]服部健一等将萘磺酸甲醛高缩合物（聚合度n≈10核体）用于混凝土分散剂，1964年花王石碱公司作为商品出售，名为“麦地”（MT-150）高效减水剂。几乎与此同时（1963年）前联帮德国研制成功三聚氰氨磺酸盐甲醛缩聚物，随后出现的还有环氧树脂（NO89）。上述减水剂减水率高达20%～30%，前联邦德国首先用三聚氰胺“美尔门脱（Melment）”研制成功坍落度18㎝～22㎝的流态混凝土。标示了流动性混凝土时代的开始。我国前华北窑业公司于1948年引进美国文沙引气剂样品，1949年研制成功松香热聚物为主要成份的引气剂。产品名为长城牌引气剂，在天津新港应用效果显著。我国20世纪50年代开始大量生产使用外加剂，主要产品有松香热物和松香皂类的引气剂、纸浆废液（木质素磺酸钙）、氯盐防冻剂等。1970年，国家建材院、清华大学、江西水泥制品研究所率先推出萘系和三聚氰胺系高效减水剂。70～80年代是我国发展高潮时期，高效减水剂与日本的差距只有10年，而前于苏联5年。1999年全国拥有外加剂骨干企业482家，总产量达123.5万吨，已居世界前列。1．3．4第四次变革——高强混凝土应用，高性能混凝土萌发时代1．3．4．1高强混凝土（HSC）是混凝土技术的高科技，高性能混凝土（HPC）是混凝土技术的前沿。1918年，[美]建造的陶粒钢筋混凝土载重7000t海船，半浸海水之中，至今（80余年）仍很完好。1929年下水，1942年搁浅于挪威海岸，名为CreteJoist的钢筋混凝土船，历经数十年海潮和严寒考验，经取芯测定和电位测试，其混凝土强度可达75MPa～120Mpa，除有少数裂缝外，未见明显腐蚀，钢筋绣蚀亦很缓慢。可见人们很早就开始关注HSC和HPC。HSC在不同历史阶段涵义不同。20世纪30年代前全界用体积配合比，强度10MPa～30Mpa。二战后各国不断提高，强度25MPa～40Mpa。我国建国后以北京为先导改为重量配合比，强度11Mpa、14Mpa、20Mpa。50年代HSC强度为35Mpa，60年代为40MPa～50Mpa，70年代为60Mpa。时下采用现代技术配制的HSC强度早已超过了结构设计所采用的强度。例如使用优质天然骨料能够生产230Mpa的混凝土，使用优质陶瓷骨料可以得到460Mpa的混凝土，甚至使用轻骨料亦可配制100Mpa的轻质混凝土。美国混凝土学会（ACI）和国际预应力混凝土联合会（FIP）与欧洲混凝土委员会（CEB）1990年、1992年公布报告都将HSC的强度界定为≥41Mpa，且不包括应用特种材料和技术制备的混凝土。其理由是超过40Mpa的混凝土性能与生产工艺都会开始变化。一些国家的标准和规范，均在抗压强度40MPa～50Mpa试验基础上制定的，但不限制≥41Mpa的混凝土。HSC的强度低限，将随着研究工作的不断深化而逐步提高。目前抗压强度≥50Mpa或60Mpa通常被认为是HSC。HSC的技术发展走过三个阶段。没有减水剂前，靠低W/C、振动加压和高温养护制备为第一阶段；以高效减水剂为主开创了HSC发展的第二阶段；采用矿物质细粉料和高效减水剂双掺，以普通工艺制备（亦是当前配制HSC技术路线的主要特征）为第三阶段。现在HSC技术有以下四个档次：设计强度（按新标准，下同）为60Mpa，采用目前市售材料和标准可以生产与施工；设计强度为80Mpa，市售材料和标准尚有怀疑，仅以预拌商品混凝土中试点应用；设计强度为100Mpa～120Mpa，市售材料已不适宜，技术标准也要重新制订，处于试验室配制阶段。设计强度为140Mpa～150Mpa，必须开发新材料，处于攻关研究阶段。HSC的技术经济效果十分明显，国内外经验表明：用60Mpa代替30Mpa～40Mpa，可减少40%混凝土、39%钢材用量降低工程造价20%～35%。若用于构件生产，每提高强度10Mpa，养生能耗减少标准煤13㎏/m3。当强度由40Mpa提高到80Mpa，其构筑物体积、自重均缩减30%。众所周知，混凝土属脆性材料，强度越高脆性越突出。其抗拉强度不与抗压强度同步成比例增长。研究微观结构，强度达到一定值的HSC为共价键，破坏时突然崩裂，并伴有巨响。要通过掺入纤维或高分子材料等途径改性解决。世界许多国家HSC在工程上应用始于20世纪六七十年代。1967年，[美]芝加哥建成最早应用HSC的高层建筑Lakepoint塔楼，70层总高197m，底桩使用C65混凝土。同时期还有用C70混凝土修建核电站的报导。1968年，[日]旭化成工业（株）通过离心法成型生产抗压强度80Mpa高强钢筋砂浆桩。1970年小野田水泥公司和日本混凝土工业公司开发了90Mpa桩用混凝土，86m跨公路桥用了C70混凝土。1973年，[挪威]建成北海油田ф27m，深70m，面积2英亩钻井平台。我国HSC现浇最早的是1998年在沈阳建成的18层62m高的辽宁省工业技术馆，12层以下柱子用了C60混凝土。1990年，广州68层国际大厦，在200m高的顶部直升机坪中用了掺粉煤灰的C60混凝土；北京西客站、电教中心、联合广场分别用了C60～C80混凝土。北京财税大楼设计强度等级C110，实际达到124Mpa～131Mpa。1999年统计，我国已建成超过150m的超高层建筑已有100栋，其中一批使用了C60泵送混凝土。1．3．4．2高性能混凝土HPC是HighPerfomanceConcrete的缩写。1968年以来日本、美国、加拿大、法国、德国等国家投入了大量的财力、人力和物力致力于开发和研究，并用于一些重要工程。1990年，美国国家标准与技术研究院（NIST）和ACI201委员会定名为“HPC”。此举否定了过去太偏重强度的发展道路，引导了正确的发展方向。我国译为“高性能混凝土”。1991年初我协会成员单位上海建筑构件研究所译出“加强高