我國混凝土工程發(fā)展中的幾個問題---協(xié)創(chuàng)機械與您分享
官網(wǎng)：www.qzxc0595.com 聯(lián)系人：趙先生13599297557
我國解放前水泥產(chǎn)量*幾十萬噸，混凝土技術(shù)十分落后，因沒有規(guī)范而全憑經(jīng)驗。1947年，吳中偉教授提出了“混凝土科學技術(shù)”的概念，并在實踐中引進國外經(jīng)驗，聯(lián)系我國的實際，寫出了《怎樣做好混凝土工程》[1]一書，書中提出的混凝土配合比設(shè)計的簡易方法后被編入**重工業(yè)部基建司的《混凝土配合比設(shè)計》中，自此將我國的混凝土逐步納入科學化的軌道。50年來，我國水泥和混凝土工業(yè)發(fā)展迅速，水泥產(chǎn)量從1949年的66萬t到1997年已達5.1億t。50年代我國混凝土設(shè)計強度平均為15MPa；70年代平均強度為20MPa，預(yù)應(yīng)力混凝土*使用40~45MPa;80年代平均強度提高到25~30MPa；近年來北京地區(qū)大量使用的混凝土設(shè)計強度已達30~40MPa；C50以上**度混凝土已在大城市建設(shè)中大量用于預(yù)制構(gòu)件、高層建筑和大跨度橋梁中。***減水劑的使用，不*使**混凝土得以實現(xiàn)，而且**改善了混凝土的施工性能，推進了預(yù)拌混凝土的發(fā)展，減少了混凝土澆筑的缺點。這是混凝土技術(shù)進步的重要標志。
??由于對土木工程結(jié)構(gòu)耐久性的要求，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，近10年來出現(xiàn)了高性能混凝土這種新型的混凝土技術(shù)。高性能混凝土應(yīng)用現(xiàn)代混凝土科學技術(shù)，可提高混凝土結(jié)構(gòu)安全使用壽命，盡量減少造成修補或拆除的浪費和建筑垃圾;高性能混凝土可大量利用工業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，盡量減少自然資源和能源的消耗，減少對環(huán)境的污染;高性能混凝土具有優(yōu)異的施工性能，便于施工，可節(jié)省勞力，減少振搗用電，降低環(huán)境噪聲等，因此高性能混凝土是混凝土可持續(xù)發(fā)展的出路，下一個世紀將進入高性能混凝土的時代。但從我國整體來看，目前高性能混凝土尚為“陽春白雪”，預(yù)拌混凝土也只在少數(shù)大城市中占據(jù)主導地位。高性能混凝土的**發(fā)展，不*是科技人員和施工人員的事，而且需要房地產(chǎn)開發(fā)者、設(shè)計人員、工程監(jiān)理人員和政策法規(guī)制定者的共同努力。 高性能混凝土技術(shù)包含了混凝土制作全過程的優(yōu)化，并不**是配合比的選擇，它還包含對原材料的要求和施工技術(shù)。就當前我國這方面的現(xiàn)狀而言，還存在若干影響混凝土技術(shù)發(fā)展的問題。本文就其中一些問題提出粗淺看法，希望引起討論從而對我國混凝土進步起一些促進作用。
??1混凝土**不一定耐久
??同世界范圍的發(fā)展趨勢一樣，近百年來我國水泥與混凝土的發(fā)展趨勢也是不斷提**度。一方面是由于生產(chǎn)水平的提高，另一方面也是由于使用者的要求。提高混凝土的強度，可以減小構(gòu)件斷面尺寸而增加建筑物的使用空間，降低配筋率、減輕結(jié)構(gòu)自重而提高抗震性能，降低工程總體造價。
??例如，據(jù)美國芝加哥地區(qū)結(jié)構(gòu)工程師WillianSchmidt和EdwardSHoffman計算，為了支撐445kN的使用荷載，每層樓所需的單位比價:當使用強度為42MPa的混凝土時為5.2美元，混凝土強度為52MPa時為4.21美元，而混凝土強度為62MPa時則降至3.65美元[2]。費城一高層辦公樓底層鋼筋混凝土柱，保持用鋼量不變，混凝土強度從41MPa提高到55MPa時，柱子斷面尺寸從915mm×1170mm減小到760mm×760mm，減小了46%[2]。提高混凝土強度的方法是采用高標號水泥、降低水灰比和增加單方水泥用量，片面提**度而忽視其他性能的傾向，會造成水泥生產(chǎn)向大幅度提高比表面積和增加硅酸三鈣、鋁酸三鈣的含量發(fā)展，增加了水泥中水化熱大、收縮傾向大、抗化學侵蝕性差的組分?；炷林袉畏剿嘤昧吭黾?，也造成了混凝土收縮增大和由于內(nèi)部溫升增大、產(chǎn)生溫差應(yīng)力而增加開裂的傾向。因此，混凝土的強度和耐久性雖有一定聯(lián)系，但**不一定耐久;反之，高性能混凝土按耐久性進行設(shè)計，高性能也不一定**，任何強度的混凝土都可實現(xiàn)高性能(考慮適用性和經(jīng)濟性，相當好是C30以上)。然而，有不少人仍然認為**度才是高性能。為了競相顯示自己的技術(shù)力量，不少工程技術(shù)人員紛紛配制出C80、C100的超**混凝土。這種以**度來標志混凝土科技進步的觀念，即從低強度混凝土到中等強度，再到**度以至超**度混凝土，長期以來已被公認。這種過分重視強度以致忽視甚至無視耐久性等重要性能的錯誤觀念，卻為水泥基材料的進步和土木工程帶來了極大的損失。
??混凝土的相當大缺點是破壞時呈脆性。這種脆性破壞的傾向隨強度的提高而增加，。
混凝土的強度越高，在荷載作用下破壞之前的塑性變形階段越短。圖2為只在受拉區(qū)配筋的梁，延性比為梁在破壞荷載下的撓度和使鋼筋屈服荷載下梁的撓度之比，ρ"/ρ0為配筋率與極限配筋率之比。由圖2可見，混凝土強度從26MPa提高到63MPa時，盡管受拉鋼筋配筋率隨之增加。而梁的撓度延性比也隨之下降。同樣，柱子的抗震延性比亦隨混凝土強度的提高而下降[3]。 近年來，由于擔心施工單位偷工減料，有些設(shè)計人員將混凝土設(shè)計強度提高一個等級;試驗技術(shù)人員在試配時擔心**施工質(zhì)量不能保證，又取較大的標準差值，使配制強度又幾乎提高一等。對于**混凝土更是如此，這等于又提高了混凝土強度等級，進一步增加了脆性。對地震區(qū)的結(jié)構(gòu)而言，則是增加了不安全的因素。
??對結(jié)構(gòu)而言，構(gòu)件斷面不*與強度有關(guān)，還有剛度的要求。無論強度多高，也要保證相當小的斷面尺寸，因此對強度的要求也是有限的。像追求體育運動成績那樣追求混凝土的**度是沒有意義的。希望將有限的力量轉(zhuǎn)到提高**混凝土韌性的研究上，這是**混凝土研究的難題——表現(xiàn)為其抗拉強度和抗壓強度比、斷裂能和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性比。
??2 什么是高性能混凝土
??混凝土**就是高性能的觀點已被**不一定耐久所否定，但仍有人認為高性能混凝土必須是**混凝土。從目前已取得的效果以及從工程安全性與安全使用期等要求來講，**混凝土必須是高性能混凝土。因此**混凝土應(yīng)當包括在高性能混凝土之中，而不是相反。如果強調(diào)高性能混凝土必須**，則必然**限制高性能混凝土的應(yīng)用范圍。大量使用的鋼筋混凝土建筑物和構(gòu)筑物對強度要求并不高，但應(yīng)當是耐久的。因此高性能混凝土應(yīng)不只是**度，而應(yīng)包括各強度等級，這樣才有廣闊的應(yīng)用范圍。提高混凝土的技術(shù)水平和質(zhì)量，才能成為混凝土的發(fā)展方向。
??還有人認為，摻用礦物細摻料的混凝土就是高性能混凝土。吳中偉教授對高性能混凝土的定義為:高性能混凝土是一種新型的高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，是以耐久性作為設(shè)計的主要指標的。針對不同用途要求，對下列性能應(yīng)有重點地予以保證，即耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。為此，高性能混凝土配制的特點是低水膠比，選用質(zhì)量材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和***外加劑 [4] 。圖3顯示了配制混凝土 所采取的措施對達到高性能的影響。其中采用低水膠比的目的是降低混凝土溫升、增強硬化前后混凝土的體積穩(wěn)定性，同時也是摻用礦物細摻料的要求[5] ;摻用質(zhì)量礦物細摻料的目的是為了提高施工性、體積穩(wěn)定性、密實性和抗化學侵蝕性，同時因降低水膠比和混凝土溫升而提高耐久性;使用***減水劑的目的是保證混凝土拌合物的施工性;優(yōu)異的施工性又保證了混凝土的密實成型而提高了耐久性。
因此，摻用礦物細摻料只是提高混凝土性能的一個措施，而且，礦物細摻料不是簡單的摻用，必須根據(jù)工程具體要求選用合適品質(zhì)的細摻料，有時還需恰當?shù)貜?fù)合摻用，更不是水泥的簡單取代。
??還有人希望高性能混凝土是“傻瓜混凝土”“什么人都能做”。這種想法源于對現(xiàn)場**施工人員素質(zhì)下降而影響混凝土施工質(zhì)量的無奈。實際上，任何高技術(shù)都是在解放**工人勞動力的同時，卻對技術(shù)人員的素質(zhì)提出了更高的要求。高性能混凝土由于其優(yōu)異的施工性能，給施工帶來方便，可***由于振搗不勻而造成的缺點，因此降低了對現(xiàn)場**工人的要求。但是高性能混凝土的性能對原材料和配合比的變動更加敏感。低水膠比、多細摻料和***減水劑使拌合物具有不同于普通混凝土的流變特性，要求技術(shù)人員和管理人員熟悉這種特性和質(zhì)量控制的技術(shù)。因此高性能混凝土對工人要求低了，而對技術(shù)人員和管理人員卻要求高了，*有合理的配合比是達不到高性能的。
??3 現(xiàn)行標準、規(guī)程與高性能混凝土的關(guān)系
??沒有規(guī)矩不成方圓，任何科學技術(shù)在工程上應(yīng)用都必須依據(jù)標準、規(guī)范和規(guī)程，但科學技術(shù)又總是先行的，即標準、規(guī)范和規(guī)程總是滯后的。如果只是嚴格執(zhí)行標準、規(guī)范而不考慮科學技術(shù)的進步，則勢必阻礙科學技術(shù)的發(fā)展。在高性能混凝土技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用中，也必然遇到這個問題。例如由于高性能混凝土摻用***減水劑，使用很低的水膠比，對水泥流變性能的要求高于對強度的要求，按照現(xiàn)行ISO標準在水灰比為0.5的條件下進行檢驗的水泥流變性能，就不能反映水泥在高性能混凝土中的行為[6] 。
??事物都具有兩面性。在一定時期、一定的條件下，***突出的事物，其缺點往往會被忽視。在注意到一種傾向時，必須注意被掩蓋的另一種傾向，以免走彎路。例如目前我國修訂水泥標準的主要目的是“與**接軌”，這是WTO的要求。通過推行修訂后的水泥標準，可望提高質(zhì)量水泥熟料的產(chǎn)量，優(yōu)化我國水泥生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。按照新標準52.5號水泥必須達到舊標準的625號的強度，也就是說，實行新標準后，現(xiàn)有水泥強度必須提高一個等級。如前所述，目前提高水泥強度的路線主要是提高C3A和C3S的含量及水泥的比表面積。其結(jié)果是，在強度(尤其是早期強度)提高的同時，卻降低了后期強度增長率、儲存的性能和抗化學腐蝕的能力，提高了水化熱，增加了收縮，流變性能變差。在高性能混凝土的推廣應(yīng)用中，***減水劑與水泥相容性的問題也因此而更加突出。因此修改后的水泥標準實施后，是否可以在現(xiàn)行有關(guān)標準中增加如下相應(yīng)的附加規(guī)定。
(1)按摻用***減水劑的低水膠比混凝土流變性能優(yōu)化石膏的摻量[7]，則水泥中的SO3含量比現(xiàn)有按水灰比0.5優(yōu)化的SO3含量提高約0.5個百分點。
??(2)按綠色混凝土[8]的思路，高性能混凝土中礦物細摻料摻量將超過50%。大量試驗數(shù)據(jù)表明，應(yīng)按不同用途突破現(xiàn)行規(guī)定的限量，以緩解水泥強度提高帶來的負面影響。
??(3)在水泥強度提高的情況下，也應(yīng)相應(yīng)提高混凝土強度。我國水泥標準修訂前，很多地區(qū)仍然大量使用425號以上的水泥配制C20混凝土，由于有相當小水泥用量限制，不得不采用0.6甚至0.7的水灰比，致使混凝土的耐久性很差，這無疑是很大的浪費。
??(4)除非特殊的用途(如冬期施工、搶修工程)，建議盡量不用早強水泥，以免影響混凝土的耐久性。
??4 混凝土的可持續(xù)發(fā)展與砂石的危機
??可持續(xù)發(fā)展是以保護資源和環(huán)境以及節(jié)省能源為前提的。從少用水泥、摻用以工業(yè)廢料為主的礦物細摻料以及本身的耐久性等方面考慮，高性能混凝土是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的。但混凝土中的砂石料占總量的70%以上，砂石的生產(chǎn)和質(zhì)量也影響到混凝土能否可持續(xù)發(fā)展的問題。
??由于砂石原料來源***易得，生產(chǎn)工藝簡單，價格低廉而長期不受重視，被一些人認為是取之不盡的材料而隨意浪費。近年來由于混凝土用量的猛增，對砂石產(chǎn)量的需求**增加，原有較大規(guī)模的砂石生產(chǎn)廠家的產(chǎn)量不能滿足要求而出現(xiàn)了大量不具規(guī)模的作坊式私人采石場。有的一座山有幾十個采石場，多采用安全措施很差的**爆破和落后的破碎機破碎。采用這種工藝，強度越高的巖石，針、片狀顆粒越多;粒徑越小，針、片狀顆粒越多。為保證針、片狀顆?？偭坎怀瑯?，幾乎都將10mm以下的顆粒篩除。加工后產(chǎn)生的石粉量也很大，因此石子的生產(chǎn)過程中資源的浪費嚴重，而且質(zhì)量越來越差。例如對石子的要求偏重于強度，而對石子的級配則只有在標準中規(guī)定，實際上似乎越來越令人無可奈何。90年代初之前北京的石子空隙率一直為40%~43%，而目前已達46%以上，甚至達到48%以上。廣東一帶石子空隙率甚至達50%。按國家標準，建筑工程使用的石子為連續(xù)級配，相當小粒徑為5mm;而目前實際混凝土用碎石一般做不到5mm以上連續(xù)級配。廣東一帶的石子則全部以??一、三??或??二、四??出售，即粒徑10~30mm或20~40mm。北京的石子實際上也沒有10mm以下的顆粒。石子中針、片狀顆粒含量居高不下。砂子的開采更是無序，有的采砂場方圓不過幾十米，設(shè)備只有一條船、一輛拖拉機、一個篩子、一臺磅秤。濫采濫用的結(jié)果，使一些大城市已經(jīng)越來越買不到高性能混凝土所需級配良好的粗砂。用現(xiàn)有的砂石必須增加漿骨比和***減水劑摻量來滿足拌合物流動性的要求，不*不經(jīng)濟，而且使混凝土彈性模量降低，收縮增大，從而影響耐久性。
??在混凝土的原材料中，人們長期以來只注重水泥的質(zhì)量而忽視砂石的質(zhì)量。盡管有砂石的國家標準，卻難以按標準控制砂石的生產(chǎn)。高性能混凝土要求石子粒徑小、粒形好，砂子粗，級配恰當，這在目前的砂石生產(chǎn)狀況下很難滿足。
??只有使砂石的生產(chǎn)集約化，達到一定的規(guī)模，才有力量改造目前落后的生產(chǎn)工藝、進行科學的質(zhì)量控制和管理以及下腳料的綜合利用。否則，任憑市場盲目競爭，不*子孫后代沒有砂石用，眼前即將出現(xiàn)砂石的危機，混凝土將無法持續(xù)發(fā)展。
??節(jié)約資源一方面需要科學開采，另一方面還需要科學使用，這就需要我們糾正一些觀念。例如對石子，如果控制了風化(軟弱)顆粒、含泥(細粉)量，對強度不必要求太高，則破碎后的粒形好，等徑狀顆粒多，針片狀顆粒少，對混凝土強度影響很小。因為相對于混凝土的強度來說，天然巖石的強度是足夠的。即使是強烈風化的低強度花崗巖，其巖石抗壓強度也達80~100MPa。石子對混凝土強度的影響主要是界面。當石子和混凝土彈性模量差別很大時(例如低強度混凝土使用**度石子)，在水泥水化減縮和溫度、濕度變化時，二者變形不一致，會導致界面產(chǎn)生微裂縫，成為混凝土的薄弱環(huán)節(jié)；如果二者彈性模量差別縮小，則界面結(jié)合可得到加強。輕骨料混凝土的強度可以**高于輕骨料的強度，主要是由于界面的作用。由表1的實例可見，所用石子中深康風化粗?；◢弾r強度低，但粒形好，混凝土的水膠比為0.31時，拌合物施工性能好，28d抗壓強度達71.3MPa;烏石谷致密石灰?guī)r的強度很高，但不*針、片狀顆粒多，多數(shù)是不夠針、片狀標準的長條狀和扁狀顆粒，水膠比為0.33時拌合物坍落度也只有148mm，此時混凝土28d強度為68.8MPa。這說明混凝土性能對水膠比要比對石子強度敏感，而石子的粒形對混凝土施工性的影響則更重要。
放寬對石子強度的要求，可擴大石子的可用資源、減少加工過程中的浪費，同時可提高石子的總體質(zhì)量。
??另一個例子是，近年出于預(yù)防混凝土中堿-骨料反應(yīng)的考慮，對石子的堿活性進行了控制。這是對混凝土耐久性重視的表現(xiàn)，值得慶幸。但另一方面卻限制了大量資源的利用。據(jù)調(diào)查，北京地區(qū)石子十之八九具有潛在堿活性。眾所周知，混凝土中堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生條件除骨料具有堿活性外，必須是使用高堿的水泥，必要條件則是有水。在相同條件下影響堿-骨料反應(yīng)的因素還有混凝土的水膠比、骨料粒徑、溫度以及環(huán)境(如干濕交替會加速反應(yīng))等。在混凝土中摻入足夠量含有活性SiO2的礦物細摻料能使堿-骨料反應(yīng)完全得到**。圖4、5為在水泥中摻入礦渣或粉煤灰時的**情況?？梢?*堿-骨料反應(yīng)的礦物細摻料礦渣摻量為40%，粉煤灰摻量為30%。
降低混凝土的水膠比，對堿-骨料反應(yīng)也有緩解作用，尤其是室內(nèi)不接觸水的構(gòu)件，更沒有發(fā)生堿-骨料反應(yīng)的環(huán)境條件。因此在推行高性能混凝土后，具有堿活性的骨料也可利用。然而對骨料的粒形、粒徑和級配等影響高性能混凝土性能的品質(zhì)應(yīng)當給予更大的重視。
??5 現(xiàn)代混凝土技術(shù)的進步和大系統(tǒng)的觀念
??人類進入現(xiàn)代文明時期以后，任何重大發(fā)明創(chuàng)造和技術(shù)進步都不可能是個人的行為，社會越發(fā)展，越需要各學科的互相協(xié)作、互相交叉和互相滲透。
??長期以來，水泥、混凝土、鋼筋混凝土構(gòu)件和工程結(jié)構(gòu)被劃分屬于不同學科，在不同領(lǐng)域的不同層次(level)上或?qū)Σ煌叨?scale)的對象進行研究，在工程上也分屬不同行業(yè)。例如，一般水泥的研究屬于微觀和亞微觀(或稱細觀)層次，主要用化學和物理化學的方法研究熟料燒成和水泥的水化;混凝土的研究主要在宏觀(粗觀)層次上用物理和力學方法進行;鋼筋混凝土構(gòu)件的研究則完全在宏觀層次上用力學方法進行，其間的關(guān)系是上一層次只要了解下一層次的結(jié)果。實際上，水泥，特別是混凝土，是一種復(fù)雜的、非均質(zhì)的多相體，水泥漿體、混凝土，以至鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的行為都不能用其中各組分單個行為的簡單疊加來表征。即不同層次上研究的結(jié)果均不能簡單地外推。在相同水灰比(水膠比)和外界條件下，有些細摻料在砂漿和混凝土中的行為是不同的。例如頁巖灰是一種很好的細摻料，其相當佳摻量在水泥中是30%，而在混凝土中則是20%;在混凝土中摻入硅灰時，混凝土強度隨硅灰的摻量而提高;但在水泥中，水泥強度并不隨硅灰的摻量而變化，說明混凝土的行為并不取決于水泥單獨的性質(zhì)和行為。這是由于眾所周知的界面的存在所引起的，如果把不同層次各自研究的結(jié)論簡單地放在一起，就會發(fā)生各性質(zhì)及各因素之間的相互制約或矛盾。應(yīng)當是將水泥放在混凝土中、混凝土放在鋼筋混凝土構(gòu)件中、鋼筋混凝土構(gòu)件放在工程中、工程放在環(huán)境(自然的和社會的)中進行研究，才能使各層次間的關(guān)系達到對立的統(tǒng)一。
??過去，在各層次研究分離的情況下，本應(yīng)是整體的水泥-混凝土-工程結(jié)構(gòu)，由于分屬不同領(lǐng)域，造成其工程技術(shù)人員"隔行"。在當前進入高性能混凝土時代之際，會出現(xiàn)矛盾而影響工程質(zhì)量和混凝土科技的進步。例如，隨著建設(shè)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要求提高混凝土強度，提高混凝土強度則要求水泥提高標號(為了工程的進度和經(jīng)濟的緣故還要求提高水泥早期強度);而不懂混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員并不知道 混凝土的強度是怎樣提高的;混凝土的生產(chǎn)者也不了解水泥標號(或早期強度)的提高是采取了什么措施，而這種措施反過來會對混凝土的其他性能和工程有什么影響。水泥的生產(chǎn)者并不了解混凝土技術(shù)的進展，不知道水泥的性質(zhì)如何與混凝土技術(shù)相適應(yīng)，結(jié)果導致發(fā)生使用外加劑的混凝土流變性能的問題、大體積混凝土的溫度應(yīng)力問題、收縮開裂的問題、混凝土的長期性能問題等。水泥**終要體現(xiàn)到工程上去，向工程滲透，才能符合工程實際?；炷量茖W技術(shù)人員不*要了解水泥除強度以外的各種物理力學性能，而且要增加一些水泥組成和工藝的知識，還應(yīng)了解施工的知識和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的知識;反之，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計和施工技術(shù)人員必須深化水泥、混凝土的知識，才能知道如何對水泥提出***而正確的要求，并正確地使用混凝土?，F(xiàn)在許多房地產(chǎn)開發(fā)者規(guī)定由甲方采購和供應(yīng)主要原材料，因而需要房地產(chǎn)開發(fā)者、工程監(jiān)理人員也懂得水泥、砂石、外加劑等原材料的何種組分和性質(zhì)對混凝土有何種影響;懂得結(jié)構(gòu)和施工的知識，而且知識要不斷更新，否則不*會阻礙技術(shù)進步，而且還會影響工程質(zhì)量。即社會越進步，就越需要基礎(chǔ)知識扎實和知識面寬的技術(shù)人員，在任何領(lǐng)域中，若只憑經(jīng)驗，固執(zhí)己見，不能接受新事物，只會成為新技術(shù)的絆腳石。
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