淺談混凝土的特性及其應用

沈 佳 威, 羅 廷 星, 羅 林

(中國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。作為一個發展中國家,混凝土在中國正處于繁榮發展時期。截止目前,我國城鄉具有的建筑總面積已達650多億m2,按照國家建設部的預測,到2030年,我國還將新增建筑面積300億m2左右。因此,在未來的一段時間里,我國還會有大量的大型工程且其大部分工程都會使用到混凝土。對于工程師來說,必須知道其由來、具有的主要特性、注意事項與發展方向等。

混凝土主要由膠凝材料、水、集料組成,在其使用過程中還可以摻和外加劑和礦物材料等[1],按照一定的比例進行合理的調配,經成型、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”。第一個發明的是硅酸鹽混凝土,即所謂的波特蘭混凝土。1824年,英國人阿斯普丁將石灰和泥土進行了燒結,用這種混凝土砌出來的磚看起來和波特蘭的石頭很相似,因此將其命名為“波特蘭混凝土”,并在同一年申請了專利權[2]。到1843年,阿斯普丁之子終于開始在自己的工廠中制造“波特蘭”,到現在為止,時間已經過去了近200 a。

自從阿斯普丁公司拿到技術專利后,就有了各種各樣的水泥和混凝土[3]。1850年,法國人郎波特用鐵絲網建造出一艘小型混凝土船,并開始使用鐵絲網加固水泥。英國人科倫于1887年首次提出了混凝土的受力分析方法;而美國人艾布拉姆斯則在1918年首次將水泥比作混凝土進行受力分析,從而為混凝土的受力分析打下了堅實的基礎。在此之后,又誕生了預應力混凝土、高強混凝土、干硬性混凝土、塑性混凝土、流態混凝土、自密實混凝土、輕集料混凝土、加氣混凝土等混凝土。到了20世紀60年代,又有了高效減水劑以及與之對應的流態混凝土,同時,高分子材料也開始進入混凝土材料領域,從而產生了聚合物混凝土;同時,現代測試技術也逐漸被用于混凝土材料的科學研究中。目前,人們對混凝土的研究已有了較為深刻的認識,多種不同用途的高效混凝土在各個方面都起到了重要的作用。總的來說,在此前100多年的時間里,混凝土技術得到了長足的發展。

2 混凝土的分類及其特點

2.1 混凝土的分類

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決定的。水泥有很多種類,其中以硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣類硅酸鹽水泥、火山灰類硅酸鹽水泥、粉煤灰類硅酸鹽水泥以及復合硅酸鹽水泥等為應用最廣泛的水泥[4]。由于各種類型的水泥其性能各不一樣,因此,必須按照施工時的實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度,其凝固硬化速度較快;低溫下,其強度增長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,因此而被廣泛應用于要求早強、冬季施工,或要求抗凍,或要求高強度,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,具有初期強度低、晚期強度增強迅速、硬化緩慢、水化熱低,耐熱、耐水性和耐蝕性好的特點,亦存在滲漏、抗凍性和耐磨性差、干燥收縮大的不足。其廣泛應用于潮濕的環境下或水下混凝土、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滲環境或在正常的天氣條件下,但其并不適合在多次凍融循環的環境或有早強要求的地方使用。

(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礦物,具有早期強度低、低溫下強度增長緩慢、高溫下強度增長迅速、水化熱低,耐水、耐腐蝕的特點,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,也適合在需要抗滲和抗硫酸鹽的混凝土中使用,但不適合在干燥、反復凍融和干濕循環的地方使用,也不適合在有磨損和早期硬化現象的地方使用。

(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(顆粒狀高爐礦渣、火山灰或粉煤灰),再加入適量的石灰,使其達到15%～50%的比例時形成的硅酸鹽水泥。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合混合物的種類;當其摻量在20%以下時,混凝土的性質與常規混凝土相近。

2.2 混凝土具有的特點

(1)材料易得,資源多,費用低廉。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,而且這些材料的開發成本亦相對較低,因此,混凝土的價格相對低廉。

(2)優異的材料性能。水泥石又被稱為凈漿硬化體。作為一種新型材料,其具有許多優異的特性,尤其是其抗壓強度非常高。在許多建設項目中,要求混凝土具有數十兆帕乃至數百兆帕的抗壓強度。

(3)防火性能。混凝土是一種不可燃的材料,具有很好的防火性能,并且在火災中仍然能夠維持其強度與穩定,比木頭與鋼鐵要好得多。

(4)易于成形。混凝土材料可以被加工為各種形狀,尤其是在無振動的情況下,如果具有足夠的模具,可以將其成型為設計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、運輸、振搗等施工操作后并能獲得質量均勻、成型密實的混凝土,其具有流動性、黏聚性、保水性三個性能,工作性能被稱為和易性[6]。目前尚無一種綜合評價混凝土工作性能的手段,通常采用的方式是對混凝土的流動狀態進行檢測;而對其保水率、黏聚性等性能的評價則主要依靠肉眼進行觀察。流動性通常是由測量崩塌或維勃稠度指數衡量的。

(2)混凝土的收縮程度。對于中等流動性的混合料,其收縮系數適宜。測定塌落度的方法為:按照一定的方式,將混凝土拌和物放進一個坍塌度槽中,待其灌滿后將其放到一邊,再把坍落桶豎直地抬起來并移動到一邊,讓其在自重的影響下發生坍塌,然后將坍落的高度測量出來,其即為塌落度。然后用搗棒對已經塌落下的拌合物進行錘擊,并對其受擊后下沉、坍落的情況以及周圍的泌水情況進行觀測。混合料的崩解程度越大、周圍沒有滲出的水分、在撞擊后也不會出現沉降說明其工作性能很好。

(3)混凝土的滲透性。泌水指的是在混凝土澆筑振搗密實后、凝固前從其外表上觀察到的一種水的情況。其本質是將水從水泥混合料中剝離,故其可以被看作是一種離析。其主要原因為振動密實后,由于水泥石中的重質固體成分沉淀,而各組份的持水性沒有達到充分的分散狀態。通常情況下,直到混凝土整個凝固進程完成,混凝土凝固前、凝固后都會發生泌水。

4 混凝土應用時須考慮的問題

4.1 做好質量控制工作

商品混凝土的施工質量既關系到商品混凝土的生產企業,亦關系到建設企業,因此必須控制好工程質量。質量控制工作必需從以下兩個方面著手方能確保每一個質量問題都能得到解決以確保混凝土的質量。對于商品混凝土站而言:一方面必須注意控制好原材料的質量,優化配合比設計,控制計量的精度,控制攪拌的均勻性;另一方面,在鋼筋鋪設、模板支護、混凝土澆筑、拆模和養護等各個環節還要加強對其的質量控制。

4.2 完善供貨合同中的技術條款

由于工程項目種類繁多,環境各異,而且商品混凝土尚未形成標準化和系統化,需要由用戶自行制定,因此,技術條款即成為雙方協作的前提,亦成為其品質裁決的依據,必須予以關注。通常,商品混凝土的技術條件包括以下幾個方面:

(1)用戶提出的混凝土各項性能的需求。其中包含新拌混凝土的可操作性;硬化混凝土的強度、變形、抗滲性、抗凍性和其他耐久性指數。以上性質的規定將成為該制品的驗收準則。

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

(3)供求各方責任進行清晰的界定。在商品混凝土施工過程中,許多問題的責任并不容易明確,比如開裂問題、表面起砂問題,這些問題如何定義并沒有一個可以參考的模型。因此,工程建設單位一定要對此進行認真的分析,并根據項目特征提出完善的技術要求,進而確保混凝土施工的質量,同時也便于在出現問題時確定雙方的責任。

5 結 語

傳統的混凝土雖然已有近200 a的歷史,也經歷了N次大的飛躍,但隨著現代科學技術和生產的發展,各種超長、超高、超大型混凝土構筑物以及在嚴酷環境下使用的重大混凝土結構,如超高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應堆、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,環境惡劣。因此,混凝土也面臨著許多新的挑戰。