混凝土技术的新发展_高性能混凝土
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2006.13.JSKJ
混凝土技术的新发展——
□ 天津广播电视大学建筑工程学院 魏鸿汉
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高性能混凝土
高性能混凝土是对传统混凝土技术根本性的革新，高性能混凝土不但有着优良的技术性能、明显的经济效果而且对于建立环保型社会有着重要的现实意义。本文对高性能混凝土的涵义、发展背景、技术途径和应用前景进行了探讨。
高性能混凝土提出的背景及涵义
水泥混凝土，是当今世界上用量最大的人造材料。目前我国混凝土的年用量估计已超过１０亿立方米或２４亿吨。混凝土为人类物质文明做出了重要贡献。
近代混凝土技术在其应用的百年多的过程中已经有过不少重要进展。但从总体看，混凝土的原料单纯依靠开采天然资源，性能单纯依靠增加水泥用量的传统指导思想依然没有根本改变。虽混凝土的强度比起过去有了很大提高，但综合性能却未见本质改善。
首先，钢筋混凝土结构设计者往往只对混凝土的强度特别感兴趣。但是，很多实际的钢筋混凝土结构，却由于耐久性不足而发生过早破坏，使设计强度丧失殆尽。据美国资料显示，到２００９年为止，美国每年将需６０～８５亿美元，来消除因耐久性而损坏桥梁的缺陷。这些教训已促使一些国家规定桥梁等重要基础设施工程的使用寿命必须超过１００～１２０年，甚至１５０年的要求。众多的工程事故及惊人的维修费用使人们意识到对混凝土的耐久性应像其力学性质一样予以高度考虑。
当代工程结构的跨度、高度和承受的荷载越来越大，所处的环境也更为恶劣，要求混凝土不但要有更好的力学性能，更要有高的抵抗环境侵蚀的能力。在未来的几十年里，超大型水坝、海底隧道，海上采油平台与堤坝，污水管道，核反应堆外壳，有害化学物的容器等恶劣环境下的结构物将日益增多，混凝土的使用寿命将从普通混凝土的４０～５０年提高至几百年。对这些特种结构工程来说，混凝土的耐久性显得更加重要。
其次，混凝土的广泛应用与环境间协调的矛盾日渐突出。混凝土作为现代应用巨量的工程材料，必须充分考虑它的使用对生态环境的影响。不论是水泥、砂、石等这些来自天然资源的传统混凝土的原材料对资源的破坏和对生态环境及自然景观的严重影响。还有水泥工业所排放的ＣＯ２量，造成地球的温室效应。使人们愈来愈认识到无节制地扩大水泥生产和消耗天然资源的做法是难以为继的，混凝土必须走可持续发展的道路，尤其是对中国这样正在从事大规模基础设施建设的发展中国家，如果仍采用传统混凝土技术，（据
推测 ２０１０年的水泥年用量将达到８亿吨），我国的自然资源将很难承受这一重负。
混凝土的使用寿命是混凝土与环境协调性的重要指标。提高混凝土的耐久性与长期性能，从而提高混凝土的使用寿命，不但意味着资源、能源及资金的大量节约，同时也意味着可避免结构、构件的过早破坏而带来的环境污染。
过去一般都认为混凝土技术是一种经验性的总结。从原材料的选择、配制与工艺都比较简单。但从２０世纪７０年代末期，混凝土技术已有很大发展，混凝土所达到的强度已远远超出了工程所要求的范围。混凝土技术进入了高科技的领域。在原材料方面，球状水泥、活化水泥等新型水泥以及高性能减水剂，尤其是，矿渣、粉煤灰、沸石及硅灰等超细掺合料等广泛使用，改善和提高了混凝土的技术性能。这些新材料不但成为高强度、高性能混凝土不可缺少的新组分，而且使混凝土的性能设计和控制达到了更高的水准，在混凝土施工技术方面，各种搅拌设备、原材料的检验与监测设备、计算机的应用等高新技术，提高了混凝土的生产和控制水平。目前已可以根据新拌混凝土的指标检测，预测混凝土２８天的强度；混凝土拌合物可以达到高流态，而且在搅拌运输与施工过程中坍落度基本上无损失，泵送后的混凝土可以免振捣自密实。
由于以上这些新材料、新技术的出现和发展，对传统的混凝土提出了前所未有的严峻挑战，在工程实践中已逐步或正在实现按照材料科学的方法，用性能设计的观念来进行混凝土的设计和施工。进而促进了高性能混凝土的提出和发展。
高性能混凝土一词的出现也不过是近１０年来的事。正像高强混凝土的“强度”区别于普通混凝土所常用的强度一样，高性能混凝土的“性能”应该区别于传统混凝土的性能。但是，高性能混凝土不像高强混凝土那样，可以用单一的强度指标予以明确定义，不同的工程对象在不同场合对混凝土的各种性能有着不同的要求，这使得高性能混凝土成为一个含义不十分明确的名词，并可随不同的使用对象与地区而改变。
１９９０年５月在由美国ＮＩＳＴ和ＡＣＩ主办的讨论会上，高性能混凝土（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ，简称ＨＰＣ）定义为具有所要求的性能和匀质性的混凝土。这些性能包括：易于浇筑、捣实而不离析；高超的、能长期保持的力学性能；早期强度高、韧性高和体积稳定性好；在恶劣的使用条件下寿命长。也就是说ＨＰＣ要求高的强度、高的流动性与优异的耐久性。
但是，各国不同的学派，根据实际工程的要求，对ＨＰＣ的看法
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有所不同。
以Ｍｅｈｔａ为代表的美国与加拿大学派强调的是硬化后混凝土的性质。Ｍｅｈｔａ认为对于近来建造的暴露于腐蚀性环境下的混凝土结构物，其受腐蚀的速率之快表明：抗压强度指标已不足以保证其长期耐久性，而耐久性应当放在ＨＰＣ的首位。Ｍｅｈｔａ还认为ＨＰＣ应该满足抗渗性和尺寸稳定性规定，以满足防止化学侵蚀、降低预应力损失、降低混凝土的原生裂纹，最终达到提高耐久性，达到高性能的目标。
以冈村为代表的日本学派认为高强、超高强与高流态混凝土就是高性能混凝土。也就是说，他们强调的是新拌混凝土的性质，这也是日本大多数学者及工业界的观点。
欧洲混凝土协会和国际预应力协会则将高性能混凝土定义为水灰比低于０．４０的混凝土。
尽管对高性能混凝土的含义有着不同的见解，但是多数述及到混凝土优良的耐久性、工作性和力学性能。
我国著名的混凝土科学家吴中伟教授定义高性能混凝土为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制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。他认为，高性能混凝土不仅在性能上对传统混凝土有很大突破，在节约资源、能源、改善劳动条件、经济合理等方面，尤其对环境保护有着十分重要的意义。高性能混凝土应更多地掺加以工业废渣为主的掺合料，更多地节约水泥熟料。国内目前普遍认为，吴中伟教授对高性能混凝土所作的这种描述是适宜的。
从特定的含义或狭义理解，至少在现阶段，可以将高性能混凝土定义为以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化生产与施工的混凝土。与传统的混凝土相比，这种高性能混凝土在配比上的特点是低用水量（水与胶结材料总量之比低于０．４，或至多不超过０．４５），较低的水泥用量，并以化学外加剂和矿物掺合料作为水泥、水、砂、石之外的必需组分。虽然高性能混凝土的内涵不仅仅反映在高耐久性上，但是目前国内外学术界和工程界普遍认为耐久性仍是高性能混凝土的基础性指标。这说明不论混凝土的高性能体现在那些特殊的技术方面，但只有以足够的耐久性做保证和前提，才有高性能的实用价值。从另一角度看，也可以认为混凝土任何高性能的实现都不能以耐久性的丧失为代价。
高性能混凝土的技术途径
高性能混凝土的技术途径主要应从材料选择、配合比设计及拌制工艺等方面着手。
一、材料选择
１、水泥
配制高性能混凝土宜选用强度等级不低于４２．５的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中低热水泥，对水泥的主要要求：Ｃ３Ａ含量不宜超过８％，含碱量不宜超过０．７％；需水量小；细度不宜过高，颗粒形状和级配合理。
２、矿物掺合料
矿物掺合料能改善胶结材的级配，提高浆体的流动性，减少混凝土拌和物的泌水、离析。提高混凝土抗化学腐蚀性，增加混凝土的密实度。研究和实践表明，大掺量矿物掺合料混凝土可以建耐久性很好的高性能混凝土。使用的矿物掺合料主要以粉煤灰和磨细矿渣粉为代表，国外也有少数掺加较多石灰石粉的实例。必要时，也可以掺用磨细天然沸石粉和硅粉。不同种类的矿物掺合料有不同的特性和作用，因此可将不同矿物掺合料复合使用，以取长补短。
３、高性能混凝土外加剂
对高性能混凝土用化学外加剂的要求是：减水率高（２０～３５％）；保塑性好，能延缓坍落度损失；对水泥适应性好；能改善混凝土的孔结构，提高抗渗性、耐久性等；能调节混凝土的凝结和硬化速度；氯离子含量、含碱量低。要按胶结料和外加剂相融的原则和工程要求选用新型高效减水剂和其他组分多元复合而成的高性能、多功能混凝土外加剂。
４、粗细骨料
配制高性能混凝土的粗骨料颗粒尺寸必须大小搭配、有良好的级配，这样才能减少用于填充骨料间空隙的浆体量，减少混凝土收缩而有利于防裂。高性能混凝土应选用粒径较小（最大粒径不宜大于２５ｍｍ）的石子。且应选用粒形接近于等径状的石子，以获得混凝土拌合物良好的施工性能，并对硬化后的强度有利。为此，要控制针、片状颗粒含量不大于５％，同时要控制那些虽然不够针、片状颗粒的标准但目测是扁形和长形的颗粒的比例。配制高性能混凝土的细骨料一般要求中、粗砂，但其来源在一些地方已趋于枯竭，我国许多地方只出产细砂，但细砂也可配制出高强高性能混凝土，如国内现已研制出强度超过了１００ＭＰａ细砂高性能混凝土。
二、配合比设计
为能得到很低的渗透性并使活性矿物掺合料充分发挥强度效应，高性能混凝土水胶比一般低于０．４０。但低水胶比混凝土更容易产生早期开裂，必须通过加强早期养护加以控制。如果强度要求不是很高，宜适当增加水胶比，但不应超过０．４５。
高性能混凝土在配合比上的特点是低用水量，较低的水泥用量，并以大量掺用的优质矿物掺合料和配用的高性能混凝土外加剂作为水泥、水、砂、石之外的混凝土必需组分。
建筑工程用的具有良好的流动性和粘聚性的高性能混凝土，一般需有较多的胶结材料和较高的砂率。其用水量宜不大于１７５ｋｇ／ｍ３，胶结材浆体量宜大于３３０ｌ／ｍ３，砂率宜在３５～４５％。具体的配合比
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必须根据工程的具体条件和要求，通过试验研究得出，并须经现场试验确认满足要求后，方可正式使用。
三、拌制工艺
高性能混凝土水泥等胶结料总量较大，用水量小，混凝土拌和物组分多、粘性较大，不易拌和均匀，需要采用拌和性能好的强制搅拌设备，适当延长搅拌时间。
在制备高性能混凝土时，对多个生产环节均需严格控制，各种原材料计量要准确，通常允许偏差可控制在：水泥和矿物掺合料±１％，粗细骨料±２％，水和化学外加剂±１％。使出机的混凝土拌和物工作性稳定、波动小。尤其是要使砂石含水率尽量稳定，加强监控和观测，及时调整用水量和砂石用量，调控好混凝土稠度，严禁在混凝土拌和物出机后添加额外的水量。高性能混凝土的保塑，主要通过掺用高性能泥凝土外加剂来解决。掺用矿物掺合料，控制拌和物入模温度，也有利于减少工作性的损失。
高性能混凝土的应用和发展前景
在世界范围内，高性能混凝土、包括现代高强混凝土已成为土
木工程技术中的研究和开发热点。自２０世纪８０年代中期以来，各个发达国家投入了大量资金，由政府机构来组织配套研究并通过示范工程加以推广。如今，我国已经步入了大规模基础设施建设的年代。结合我国国情发展高性能混凝土，为建设高质量的工程设施提供性能可靠、经济耐久且符合持续发展要求的建筑材料和结构材料，比其他发达国家来说更为紧迫。
高性能混凝土的历史还短，现代的混凝土设计、施工和质量检测标准，包括原材料的标准主要是针对高水灰比的普通混凝土的特点而制定的，许多不适用于以低水胶比为特点的高性能混凝土，有的甚至成为推广应用高性能混凝土的阻力。有关高性能混凝土的设计施工规程和检测方法，我国正在研究编制，高性能混凝土将在发展中不断完善。
高性能混凝土适合预拌生产和机械化施工，我国多数大城市和重点工地，现已具备推广应用的基本条件。推广应用高性能混凝土需要有设施、施工、科研部门和原材料与混凝土生产企业各方参与，需要政府有关部门加以组织、协调、干预和技术经济政策上的支持。混凝土工业是传统产业，需要用高新技术加以改造和提高。可以断言，高性能混凝土的研发和推广应用必将是我国今后新型混凝土发展的主要方向。
软土路基的处理措施
□ 上海外建建设咨询监理有限责任公司 范益利
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——以上海市临港新城E5道路为例
本文通过上海市临港新城Ｅ５道路的软土路基分布特征，介绍了几种常见的处理措施方案进行比较，最后确定选择适合该路段的软基处理方法。
工程概况
上海市临港新城Ｅ５道路全长６．４３９公里，规划路宽５０米，为城市主干道，断面布置采用机动车双向六车道，与沿线道路交叉处两港大道（城市快速道）远期采用立体交叉外，其余均采用平交方案。Ｅ５道路是临港新城中装备产业区的主干道，该区未来的交通需求具有“重载、超载”的特点，这就对Ｅ５道路的路基提出了较高的要求。
地质条件及软土路基特征
Ｅ５道路工程范围内地质情况由人民塘随塘河一分为二。人民塘随塘河以北地区位于杭州湾北岸与长江河口南岸交汇的南汇嘴地区，地貌类型为河口、沙嘴、沙岛，沿线多以农田、果园为主，其间河港交错、湖塘众多。该区域地势平坦，地面标高一般在＋３．３７～＋４．９５米，这部分地基地质情况相对较好，可直接清除表层较差的土层，
然后用石灰含量７％的石灰土回填道路碾压（约３０厘米），使路基回弹模量达到２５兆帕以上。在路线经过河道、沟浜、水塘等时候，路基施工必须挖出淤泥土至原状土，然后在底部铺设３０厘米厚的砾石砂作为隔离层，再用二灰土分层夯实至原地面标高，每层铺筑厚度为２０厘米，并在原地面标高处铺设一层土工布。土工布铺设前应对土工布下的土基进行检验。
人民塘以南地区为新近吹填区（部分正在吹填中），地基土属正常沉积区，土层分布较稳定，主要有饱和的粘性土、粉性土和砂性土组成，一般具有成层分布特点。其地质分布上的特点如下：场地现有大堤内侧浅部普遍分布着一层冲填土，该层厚度１．５～４．８米，土性在水平与垂直变化较大，从现场情况看，砂质粉土中夹较多粘土，含水量高，土体还未固结；静力触探闭贯入阻力Ｐｓ值在０．３１～０．４２兆帕之间，土质较为软弱。冲填土下及现有大堤外侧为一层淤泥。在场地浅部普遍分布着一层砂质粉土夹粉砂，该层土性变化较大，土质不均匀，局部夹厚度不等的淤泥质粉质粘土，静探Ｐｓ值一般约２．９９兆帕，层厚约８．４～１４．０米；总体而言，该层渗透性好，有利于地基土的排水固结以及上部附加应力的消散，减少后期主、次固结沉降，对天然地基控制沉降较为有利。由于吹填土