混凝土及其增強材料的發展與應用

劉香云

（鄭州永恒市政建設工程有限公司，河南 鄭州 450052）

1 混凝土

1.1 高性能混凝土

HPC是近年來混凝土材料發展的一個重要方向，所謂高性能：是指混凝上具有高強度、高耐久性、高流動性等多方面的優越性能。從強度而言，抗壓強度大于C50的混凝土即屬于高強混凝土，提高混凝土的強度是發展高層建筑、高聳結構、大跨度結構的重要措施。采用高強混凝土，可以減小截面尺寸，減輕自重，因而可獲得較大的經濟效益，而且，高強混凝土一般也具有良好的耐久性。我國己制成C100的混凝土。已有文獻報道，國外在試驗室高溫、高壓的條件下，水泥石的強度達到662MPa（抗壓）及64.7MPa（抗拉）。

1.2 活性微粉混凝土

RPC是一種超高強的混凝土，其立方體抗壓強度可達200-800MPa，抗拉強度可達25～150MPa，斷裂能可達30KJ/m2，單位體積質量為2.5-3.0t/m3。制成這種混凝土的主要措施是：（1）減小顆粒的最大尺寸，改善混凝土的均勻性；（2）使用微粉及極微粉材料，以達到最優堆積密度；（3）減少混凝土用水量，使非水化水泥顆粒作為填料，以增大堆積密度；（4）增放鋼纖維以改善其延性；（5）在硬化過程中加壓及加溫，使其達到很高的強度。

1.3 低強混凝土

這種材料可用于基礎、樁基的填、墊、隔離及作路基或填充孔洞之用，也可用于地下構造，在一些特定情況下，可用其調整混凝土的相對密度、工作度、抗壓強度、彈性模量等性能指標，而且不易產生收縮裂縫。

1.4 輕質混凝土

利用天然輕骨料（如浮石、凝灰巖等）、工業廢料輕骨料（如爐渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等）、人造輕骨料（頁巖陶粒、粘土陶粒、膨脹珍珠巖等）制成的輕質混凝土具有密度較小、相對強度高以及保溫、抗凍性能好等優點利用工業廢渣如廢棄鍋爐煤渣、煤礦的煤矸石、火力發電站的粉煤灰等制備輕質混凝土，可降低混凝土的生產成本，并變廢為用，減少城市或廠區的污染，對環境保護也是有利的。

1.5 纖維增強混凝土

為了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點，在混凝土中摻加纖維以改善混凝土性能的研究，發展得相當迅速。目前研究較多的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。

當纖維長度及長徑比在常用范圍，纖維摻量在1%到2%（體積分數，本文中的摻量均指體積分數）的范圍內，與基體混凝土相比，鋼纖維混凝土的抗拉強度可提高40%～80%，抗彎強度提高50%～120%，抗剪強度提高50%～100%，抗壓強度提高較小，在0～25%之間，彈性階段的變形與基體混凝土性能相比沒有顯著差別，但可大幅度提高衡量鋼纖維混凝土塑性變形性能的韌性。

1.6 自密實混凝土

自密實混凝土不需機械振搗，而是依靠自重使混凝土密實。混凝土的流動度雖然高，但仍可以防止離析。配制這種混凝土的方法有：（1）粗骨料的體積為固體混凝土體積的50%；（2）細骨料的體積為砂漿體積的40%；（3）水灰比為0.9-1.0；（4）進行流動性試驗，確定超塑化劑用量及最終的水灰比，使材料獲得最優的組成。

這種混凝土的優點有：在施工現場無振動噪音；可進行夜間施工，不擾民；對工人健康無害；混凝土質量均勻、耐久；鋼筋布置較密或構件體型復雜時也易于澆筑；施工速度快，現場勞動量小。

1.7 智能混凝土

利用混凝土組成的改變，可克服混凝土的某些不利性質，例如：高強混凝土水泥用量多，水灰比低，加入硅灰之類的活性材料，硬化后的混凝土密實度好，但高強混凝土在硬化早期階段，具有明顯的自主收縮和孔隙率較高，易于開裂等缺點。解決這些問題的一個方法是，用摻量為25%的預濕輕骨料來替換骨料，從而在混凝土內部形成一個“蓄水器”，使混凝土得到持續的潮濕養護。這種加入“預濕骨料”的方法，可使混凝土的自生收縮大為降低，減少了微細裂縫。

高強混凝土的另一問題是良好的密實性所引起的防火能力降低.這是因為在高溫（火災〕時，砂漿中的自由水和化學結合水轉變為水氣，但卻不能從密實的混凝土中逸出，從而形成氣壓，導致柱子保護層剝落，嚴重降低了柱的承載力，解決這個問題的一種方法是，在每方混凝土中加2kg聚丙烯纖維，在高溫（火災）時，纖維熔化，形成了能使水氣從邊界區逸出的通道，減小了氣壓，從而防止柱的保護層剝落。

1.8 預填骨料升漿混凝土

國內在大連中遠60000t船塢工程中，因地質條件復雜，船塢底板首次采用了坐落于基巖上的預填骨料升漿混凝土，即用密度較大的厚4～5m的鐵礦石作為預填骨料，礦石層下再鋪設1m厚的石灰石塊石。礦石層上是厚60～80cm的現澆鋼筋混凝土板在預填骨料層中布置壓漿孔注入砂漿，形成預填骨料升漿混凝土。采取這種工藝，縮短了工期，取得了良好的經濟效益。

1.9 碾壓混凝土

用于大體積混凝土的碾壓混凝土的澆筑機具與普通混凝土不同，其平整使用推土機，振實用碾壓機，層間處理用刷毛機，切縫用切縫機，整個施工過程的機械化程度高，施工效率高，勞動條件好，可大量摻用粉煤灰，與普通棍凝土相比，澆筑工期可縮短1／3～1/2，用水量可減少20%，水泥用量可減少30%～60%。

2 配筋及增強材料

2.1 纖維筋

鋼筋混凝土結構的配筋材料，主要是鋼筋最近在國際上研究較多的是樹脂粘結的纖維筋作混凝土及預應力混凝土結構的非金屬配筋，常用的纖維筋有樹脂粘結的碳纖維筋、玻璃纖維筋及芳綸纖維筋國外研究指出，這幾種纖維筋的強度都很高，只是玻璃纖維筋的抗堿化性能較差。纖維筋的突出優點是抗腐蝕、高強度，此外，還具有良好的抗疲勞性能、大的彈性變形能力、高電阻及低磁導性，其缺點是斷裂應變性能較差、較脆、徐變（松弛）值較大，熱膨脹系數較大。

2.2 雙鋼筋

為了減小裂縫寬度和構件的變形，國內在一些工程中，采用焊成梯格形的雙鋼筋，在構件內平放或豎放布置。

2.3 冷軋變形鋼筋

為了節約鋼材用量，國內引進國外設備或自制設備，用光圓鋼筋，經過冷軋，軋成帶肋的直徑小于母材直徑的鋼筋，稱為冷軋帶肋鋼筋。另一種類似的鋼筋，是用I級光圓用筋冷軋扭轉成型，稱為冷軋變形用筋或冷軋扭鋼筋。這兩種冷軋鋼筋的抗拉強度標準值（極限抗拉強度）及設計值都比母材大大提高，與混凝土的粘結強度也得到提高，但直徑較小。它們主要用作板式構件的受力鋼筋或梁、柱構件的箍筋或作預應力筋。由于強度提高，可以節約材料用量，獲得經濟效益。這兩種鋼筋，國內己制訂了規程。為將這種小直徑鋼筋的用途擴展至梁、柱的受力鋼筋，也可采用雙筋或三筋的并筋，但需適當增大其錨固長度。

2.4 環氧樹脂涂敷鋼筋

在海洋環境或者有腐蝕性介質的環境中（如冬季撒鹽的橋面），鋼筋銹蝕是影響結構耐久性的重要原因。為了防止鋼筋銹蝕，用不銹鋼制造鋼筋是一個途徑，但是價格昂貴。另一個途徑是用環氧樹脂涂敷鋼筋表面，形成防銹的涂層，以防止鋼筋生銹，這種方法在日本、美國應用較多。鋼筋在工廠中校直、加熱、噴涂樹脂粉末，形成防護薄膜，冷卻后經檢驗合格，用于有嚴格防銹蝕要求的工程，可使結構的耐久性大大提高。

2.5 預應力混凝土用鋼棒、預應力混凝土用螺旋肋鋼絲

在傳統用于預應力混凝土的鋼絲、鋼絞線、熱處理鋼筋的基礎上，從國外引進生產線，己生產出直徑達12.6mm、抗拉強度達1570MPa的預應力混凝土用的帶螺旋肋的鋼棒，及直徑達12.0mm、抗拉強度達1570MPa的帶螺旋肋的鋼絲。這種新產品的特點是：高強度、低松弛，與混凝土的粘結強度好，易墩粗，可點焊，可盤卷等。

[1]趙國藩.高等鋼筋混凝土結構學[M].北京：中國電力出版社。1999

[2]陳本沛.混凝土結構理論和應用研究的理論與發展[M].大連理工大學出版社.1994.