浅谈高强混凝土的应用

摘要：近年来，我国的建筑行业发展迅速，作为建筑行业的必备建筑材料――钢筋混凝土的生产技术也是得到了较大程度的提高。开发新型优质高强混凝土，满足结构设计要求，减轻结构自重、简化施工工艺，降低施工成本，改变传统的低强度等，已成为建筑施工科学研究发展方向之一。本文作者结合自己的工作经验对国内外钢筋混凝土的生产技术进行了主要阐述和详细介绍，不足之处，希望多多指正。

关键词：高强混凝土概念特点种类及配制

当今世界民用和工业建筑中，混凝土是应用最广泛的建筑材料。改善混凝土的性能，提高混凝土的强度，是未来建筑结构发展的主要研究方向，也是推动我国向节能环保和低碳发展的有效途径。在发达国家中，高强混凝土较早开始研究。我国在60年代也对高强混凝土开始研制工作，但进展缓慢。随着改革开放政策的实施，我国的科研水平也步入了高速发展的阶段。但当前我国高强混凝土的研究仍落后于发达国家。因此,必须加大对高强混凝土的研究，在建筑业内鼓励使用高标号混凝土，从而提高我国建筑工程的质量和技术水平。

一、概念

高强混凝土全方位地改变了混凝土的工作概念。它的概念是相对的,是与当前混凝土技术的一般水平比较而言的。我国吴中伟院士认为:HPC是一种新型高技术混凝土 ,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上,采用现代混凝土技术,选用优质原材料,在严格的质量管理条件下制成的。美国混凝土学会 363 (高强混凝土)委员会现行的定义为: “设计强度等于或高于41MPa ,且不包括应用非常规材料和技术制得的混凝土。” 因此,高强混凝土的下限是41MPa。从我国现今的结构设计和施工技术水平出发 ,同时考虑混凝土材性的变化,一般认为将强度等级不小于C50的结构混凝土称为高强混凝土。

二、特点

1)强度高 ,变形小 ,使用于大跨、 重载、 高耸结构。

2)流动性大 ,早期强度高。

3)耐久性和抗渗、 抗冻性好 ,能承受恶劣环境条件考验 ,使用寿命长。

4)重量轻 ,节材效果显著。

5)能缩短加载龄期 ,并承受大的预应力 ,且预应力损失小。

三、种类及配制

1、活性微粉混凝土

RPC是一种超高强的混凝土，其立方体抗压强度可达200-800MPa，抗拉强度可达25～150MPa，断裂能可达30KJ／，单位体积质量为2.5-3.0t／m³。制成这种混凝土的主要措施是：（1）减小颗粒的最大尺寸，改善混凝土的均匀性；（2）使用微粉及极微粉材料，以达到最优堆积密度；（3）减少混凝土用水量，使非水化水泥颗粒作为填料，以增大堆积密度；（4）增放钢纤维以改善其延性；（5）在硬化过程中加压及加温，使其达到很高的强度。

普通混凝土的级配曲线是连续的，而RPC的级配曲线是不连续的台阶形曲线，其骨料粒径很小，接近于水泥颗粒的尺寸。RPC的水灰比可低到0.15，需加入大量的超塑化剂，以改善其工作度。RPC的价格比常用混凝土稍高，但大大低于钢材，可将其设计成细长或薄壁的结构，以扩大建筑使用的自由度。

2、纤维增强混凝土

在混凝土中掺加纤维以达到改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺点，当前这种掺加纤维以改善混凝土性能的研究，发展得相当迅速。目前研究较多的有钢纤维、碳纤维、耐碱玻璃纤维、聚丙烯纤维、芳纶纤维或尼龙合成纤维混凝土等。

在承重结构中，发展较快、应用较广的是钢纤维混凝土，常规的钢纤维混凝土的施工技术，其钢纤维掺量一般为0.6％～2.0％。再高的掺量，将容易使钢纤维在施工搅拌过程中结团成球，影响钢纤维混凝土的质量。当纤维长度及长径比在常用范围，纤维掺量在1％到2％（体积分数，本文中的掺量均指体积分数）的范围内，与基体混凝土相比，钢纤维混凝土的抗拉强度可提高40％-80％，抗弯强度提高50％-120％，抗剪强度提高50％-100％，抗压强度提高在0-25％之间，大幅度提高衡量钢纤维混凝土塑性变形性能的韧性。

3、自密实混凝土

自密实混凝土不需机械振捣，而是依靠自重使混凝土密实。混凝土的流动度虽然高，但仍可以防止离析。配制这种混凝土的方法有：（1）水灰比为0.9-1.0；（2）粗骨料的体积为固体混凝土体积的50％；（3）细骨料的体积为砂浆体积的40%；（4）进行流动性试验，确定超塑化剂用量及最终的水灰比，使材料获得最优的组成。

自密实混凝土有施工现场无振动噪音；可进行夜间施工，不扰民；混凝土质量均匀、耐久；钢筋布置较密或构件体型复杂时也易于浇筑；对工人健康无害；施工速度快，现场劳动量小等优点。

四、国内外应用与发展

1、应用领域

基于高强混凝土的优点 ,其应用范围很广 ,目前主要在以下工程领域应用:1)桥梁工程。2)高层建筑。3)混凝土制品。4)水利水电工程。5)港口和海洋工程。6)其他领域。

2、国外高强混凝土的应用概况

美国的高强混凝土应用领先其他工业发达国家 ,其中芝加哥市尤其突出 ,20 世纪 70 年代前后兴建起大量高层建筑 ,大部分是以高强混凝土作为结构受力材料。加拿大多伦多市 56 层大楼也用了高强混凝土。

日本在 20 世纪 40 年代制出的混凝土的抗压强度就曾达到100MPa ,但出于抗震要求 ,建筑规范规定的强度等级较低 ,一般不超过C60。其修建的 20 世纪跨度最大的双层悬索桥――明石海峡大桥结构工程使用的就是 HPC。法国一核电站 2 000 多根预制预应力梁的混凝土抗压强度约为 250MPa。马来西亚吉隆坡的石油大厦(1998 年建成)高达 452 m ,为世界上第二高的建筑物,使用的就是高强混凝土。德国现行的混凝土结构设计规范已达 C110 级 ,强度等级为当今世界之最。挪威为目前世界上强度等级第二高的混凝土结构设计规范 ,已有 C105 级超高强混凝土结构设计规范。目前应用超高强混凝土最好的国家是挪威。

3、国内高强混凝土的应用概况

我国首次用高强混凝土的建筑是 “纪念堂” (1977 年) ,全部混凝土结构采用 60.0MPa的高强混凝土。

近年来 ,由于高标号水泥和高效减水剂的研制和生产 ,为普通条件下配制高强度混凝土提供了有利条件 ,促进了高强混凝土的研究和在实际工程中的应用。但我国高强混凝土在多数地区应用还较少 ,在较发达地区的高层建筑、 大跨桥梁、 海上建筑等应用较多。C50 以上的高强及 C80 以上超高强高性能混凝土仅在经济发达的城市或地区的推广应用较为普及。但在国内实际工程中混凝土强度最高达到 C130。

五、发展方向

1、超高强混凝土

超高强混凝土并没有明确的定义,在此认为强度等级超过C100 的为超高强混凝土。在我国,C100 以上的超高强混凝土已经在重要工程中开始使用,国外已经在实验室中配制出了抗压强度超过 800MPa的超高强混凝土,并正在研制 1 000MPa的极高强混凝土。已有的研究成果如下:清华大学曹峰等剔除普通混凝土中的粗骨料以提高匀质性,同时在水泥基体中复合使用粉煤灰、 硅粉和高效减水剂并掺加微细钢纤维以增强韧性和延性,配制出流动性良好的混凝土 ,抗压强度达到 230MPa,抗折强度50MPa。重庆建筑大学蒲心诚按常规工艺制成 28 d抗压强度为117MPa的超高强混凝土,后又采用 “普通 525 号水泥 + 超高效萘系减水剂 +硅灰 +低水灰比” 的技术路线制得坍落度 240 mm以上,28 d抗压强度 100MPa 以上的超高强混凝土。目前,用类似的技术路线已经能制得抗压强度达 150MPa的混凝土。

2、高强纤维混凝土

超高强混凝土的研究、 应用和推广可以减少结构构件尺寸、有效减轻构件和结构自重 ,对发展高耸结构、 高层结构有重要意义 ,具有长期的综合经济性。但是高强混凝土的脆性及爆裂破坏性能已经严重限制了其进一步的发展应用 ,研究发现通过掺入纤维可以明显改善其缺陷 ,提高混凝土的抗弯抗冲击韧性 ,进而提高超高强混凝土结构的抗动力破坏性能。

钢纤维是一种高强高弹模金属纤维 ,能明显提高混凝土的抗压、 抗劈裂、 抗折强度,提高混凝土的弯曲韧性和抗冲击性能。1963年美国学者所提出的著名 “纤维间距理论” 认为 ,钢纤维混凝土的开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的理论 ,引起了广泛的重视 ,从而促进了钢纤维混凝土的发展。

结语

随着结构技术的革新和结构设计的需要,混凝土作为结构材料的地位必然得到加强,而传统的混凝土技术已无法满足日新月异的工程建设需要,高强混凝土的出现及应用必将为建筑技术的发展注入新的生机与活力。毋庸置疑,高强土的应用必将更加广泛,大跨及超高的工程建设将越来越多,对高强混凝土技术的要求也将更为迫切。

参考文献：

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