混凝土材料的現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

-.z.混凝土材料的現(xiàn)狀及研究進(jìn)展**工程學(xué)院戴嶸摘要：首先回憶了混凝土的開展歷史，然后系統(tǒng)地介紹和總結(jié)了混凝土材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹了近期混凝土材料水化機(jī)理探索方面的進(jìn)展以及新型混凝土的開發(fā)成果。最后根據(jù)社會(huì)開展需求，展望了混凝土材料開展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：混凝土；高性能混凝土；自密實(shí)混凝土ThePresentSituationandResearchProgressofConcreteMaterialsDairongNanJingInstituteTechnologyAbstract：Thehistoryofthedevelopmentofcontemporaryconcreteisreviewedfirst．Thenthecurrentdevelopmentandapplicationsofconcretehavebeensystematicallyintroducedandsummarized,emphasizingonnewdiscoveriesine*ploringthehydrationmechanismandnewdevelopmentofcontemporaryconcrete．Finally，thedevelopmenttrendsandfutureapplicationsofconcretematerialshavebeenpresentedbasedonthedemandsofthedevelopinghumansociety.KeyWords：concrete;highperformanceconcrete;Self-pactingconcrete引言混凝土是一種由填充料與膠凝材料組成的復(fù)合材料。實(shí)際上，混凝土是一種人造石材。從其字面上理解，要形成這種材料，首先要將各組成局部混在一起，然后經(jīng)過(guò)膠凝材料的凝結(jié)作用，形成統(tǒng)一的材料，即人造石材。在混凝土中，填充料起骨架作用，稱為骨料；膠凝材料與水形成漿體，稱為膠凝漿體。膠凝漿體包裹在骨料外表并填充骨料之間的空隙。在硬化前，膠凝漿體起潤(rùn)滑作用，使得拌合物具有一定的和易性，便于施工。膠凝漿體硬化后，將骨料膠結(jié)為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體[7]。人類已經(jīng)進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速開展，一種又一種新型混凝土涌現(xiàn)出來(lái)，如高性能混凝土、纖維混凝土、自密實(shí)混凝土、再生混凝土、活性細(xì)粉混凝土以及透光混凝土等相繼出現(xiàn)?；炷聊芊耖L(zhǎng)期作為最主要的建筑構(gòu)造材料，除其本身必須具有高強(qiáng)度、高工作性、高耐久性等性能外，還在于其能否成為綠色材料。因此綠色高性能混凝土是現(xiàn)代混凝土技術(shù)開展的必然結(jié)果，是混凝土的開展方向。2．現(xiàn)代混凝土的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀2.1水化與微構(gòu)造形成機(jī)理的研究進(jìn)展從混凝土開展歷史來(lái)看，混凝土是一種應(yīng)用先行、實(shí)用導(dǎo)向的材料，歷來(lái)缺乏系統(tǒng)的科學(xué)的研究。事實(shí)上，混凝土是一種極其復(fù)雜的多尺度構(gòu)造材料，其微構(gòu)造跨越了從納米、微米、毫米多個(gè)尺度。對(duì)混凝土粘結(jié)強(qiáng)度奉獻(xiàn)最大的水化產(chǎn)物，c—s—H凝膠，其微構(gòu)造即在納米尺度?；炷了且粋€(gè)很復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，通過(guò)水化過(guò)程膠凝凈漿從流態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫坠虘B(tài)。對(duì)于水泥水化過(guò)程的研究，主要采用傳統(tǒng)水化熱分析法，通過(guò)不同階段水泥水化熱的測(cè)量來(lái)分析水泥水化機(jī)理[6]。但是，水泥水化所釋放的熱量既不與水泥水化程度成正比，也不與水泥塊體的物理特性成一定比例關(guān)系，很難定量去描述水泥水化過(guò)程和機(jī)理。當(dāng)水泥和水按照一定比例混合后，水泥中的局部離子就會(huì)在水中溶解，并游離在凈漿孔隙水中。在特定的電場(chǎng)作用下，孔隙水中的離子具有導(dǎo)電性，并產(chǎn)生一定的電流。水泥漿體的導(dǎo)電性主要取決于漿體中離子濃度和其微構(gòu)造，特別是水泥凈漿的孑L構(gòu)造及其連通性[1]?；谶@樣的原理，可以通過(guò)水泥漿體的導(dǎo)電率或者電阻率的測(cè)定來(lái)分析水泥的水化過(guò)程。許多學(xué)者通過(guò)對(duì)水泥漿體的交流阻抗譜來(lái)分析水泥漿體的水化過(guò)程。但是，在試驗(yàn)過(guò)程中電極與水泥凈漿之間的接觸很難保證，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的精度和一致性造成很大的影響。2.2新型混凝土的開展與應(yīng)用高性能混凝土高性能混凝土(Highperformanceconcrete，簡(jiǎn)稱HPC)是在高強(qiáng)混凝土(Highstrengthconcrete，簡(jiǎn)稱HSC)的根底上開展而起來(lái)的。高性能混凝土有多種定義，不同國(guó)家，甚至是同一個(gè)國(guó)家的不同應(yīng)用部門，對(duì)高性能混凝土的定義都有差異。，我們通常所謂的高性能混凝土是指混凝土具有高強(qiáng)度、高耐久性、高流動(dòng)性等多方面的優(yōu)越性能。高強(qiáng)度、高工作性、高耐久性這三項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)成了"高性能混凝土〞所具備"三高(即3H)〞的性能指標(biāo)。但是，高性能混凝土并不一定強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)，也就是說(shuō)高性能混凝土除了包含以前的概念外，還包括另一個(gè)方面，就是普通混凝土的高性能化[3]。普通混凝土的高性能化的應(yīng)用：目前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)劃分的混凝土最高強(qiáng)度等級(jí)為C60，而實(shí)際工程中應(yīng)用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般都在C50以下，C30左右的混凝土最為普遍，由于國(guó)內(nèi)大多使用萘系復(fù)合型的減水劑，混凝土坍落度損失沒有得到根本解決，再加上各地的技術(shù)水平差異和原材料變化較大，往往達(dá)不到技術(shù)要求。因此高強(qiáng)高性能混凝土尚未在全國(guó)完全普及推廣使用。通過(guò)對(duì)原材料的優(yōu)選和質(zhì)量控制、配合比優(yōu)化、生產(chǎn)過(guò)程的有效控制，使用高效減水劑、摻入礦物超細(xì)粉料、尤其是復(fù)合礦物超細(xì)粉料改善混凝土的微觀構(gòu)造，可以提高普通混凝土的施工性能和耐久性，使普通混凝土高性能化。高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用：提高混凝土強(qiáng)度是開展高層構(gòu)造、高聳構(gòu)造、大跨度構(gòu)造的重要措施。采用高強(qiáng)高性能混凝土可以減小截面尺寸，減輕自重，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。高強(qiáng)高性能混凝土近年來(lái)在高層建筑、大跨橋梁、海上建筑、公路等建立中采用愈來(lái)愈多。C50以上的高強(qiáng)及C80以上超高強(qiáng)高性能混凝土僅在經(jīng)濟(jì)興旺的城市或地區(qū)的推廣應(yīng)用較為普及。自密實(shí)混凝土自密實(shí)混凝土是一種高流動(dòng)性混凝土。一般來(lái)講，自密實(shí)混凝土可以靠白重及慣性力填充滿模板空間，無(wú)需振搗。施工中既減少了噪音污染，又節(jié)約了勞動(dòng)力。自密實(shí)混凝土組分的特點(diǎn)有：膠凝材料量大，細(xì)骨料量大，粗骨料量少，高效減水劑量大。這些特點(diǎn)是為了使混凝土在能保持其高抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，增加其流動(dòng)性[2]。在大大提高流動(dòng)性的同時(shí)，自密實(shí)混凝土還必須保證各組分空間分布的均勻性，尤其是粗骨料。為此，自密實(shí)混凝土必須具備良好、適中的流變性。提高自密實(shí)混凝土流變性主要有兩種方法，粉末法與增稠劑法。粉末法是通過(guò)加添具有一定細(xì)度的礦物粉末或工業(yè)廢渣以提高膠凝材料總量，在保持小水灰比的前提下，增加混凝土的粘稠度。增稠劑法是通過(guò)在混凝土中加添大分子質(zhì)量的水溶性聚合物，由其與水反響所產(chǎn)生的粘聚力來(lái)增加膠凝槳體的粘稠度。在歐洲和日本，自密實(shí)混凝土已經(jīng)被廣泛用來(lái)進(jìn)展水下構(gòu)造和高配筋構(gòu)造的混凝土澆注，并取得許多成功的范例。據(jù)報(bào)道，在北美自密實(shí)混凝土主要在質(zhì)量控制要求較高的混凝土預(yù)制構(gòu)件工廠中得到大量應(yīng)用。在我國(guó)、**、**等城市也開場(chǎng)使用自密實(shí)混凝土，從1995年開場(chǎng)，澆筑量已超過(guò)4萬(wàn)立方米。主要用于密筋、形狀復(fù)雜等無(wú)法澆筑或澆筑困難的部位、解決擾民問(wèn)題、縮短工期等[7]。但是，由于其較高的本錢和質(zhì)量控制所需的條件較高，許多現(xiàn)場(chǎng)澆注的場(chǎng)合不愿意使用自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土的進(jìn)一步推廣還需要進(jìn)展深入的研究，一方面開發(fā)本錢相對(duì)低廉的外加劑，另外進(jìn)一步完善其質(zhì)量控制程序，便于混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工。3.混凝土的開展趨勢(shì)3.1混凝土微構(gòu)造的深入研究在現(xiàn)代混凝土的組分中，水泥基膠凝材料起著將其它組分固結(jié)在一起的重要作用。膠凝材料在水化過(guò)程中形成的微構(gòu)造是現(xiàn)代混凝土的細(xì)胞，其分布與組合影響著現(xiàn)代混凝土的各項(xiàng)宏觀性能。因此。探討現(xiàn)代混凝土復(fù)雜的硬化漿體微觀構(gòu)造形成機(jī)理并提煉其微構(gòu)造模型是當(dāng)前本研究領(lǐng)域中至關(guān)重要的課題。同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)代混凝土組分復(fù)雜的特點(diǎn)，有必要研究各組分對(duì)微構(gòu)造形成的影響，組分之間的交互作用，水化速率與水化度對(duì)微構(gòu)造的影響，以提煉現(xiàn)代混凝土的微構(gòu)造模型。3.2高韌性、高抗拉強(qiáng)度混凝土的研發(fā)波特蘭水泥通常主要有CS，CS，CAF和cA4大礦物組成，水化后產(chǎn)生c—s—H凝膠及其結(jié)晶相。其中，C—s—H和結(jié)晶CH，鈣礬石等的多少與形態(tài)決定了其膠結(jié)能力。由于這些礦物均為水化礦物，它們之問(wèn)的作用力來(lái)源既有離子鍵、共價(jià)鍵的成分，又有相當(dāng)一局部分子鍵力。離子鍵、共價(jià)鍵幾乎沒有塑性變形，分子鍵塑性變形能力也很小，這就從根本上決定了其低韌性和低抗拉強(qiáng)度。為解決現(xiàn)代混凝土的脆性大的問(wèn)題，迫切需要研發(fā)新型高韌性、高抗拉強(qiáng)度的現(xiàn)代混凝土?？煽紤]在此類混凝土的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)展增韌。如在c—s—H的層間的硅氧鍵上接上陽(yáng)性半聚合物，然后由其自行聚合，形成纖維狀或膠膜狀有機(jī)聚合物，填充空隙，提高韌性及抗拉強(qiáng)度[4]。3.3耐久性混凝土的研發(fā)當(dāng)前所有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，往往只考慮構(gòu)造的承載能力，并以靜止的觀點(diǎn)對(duì)待構(gòu)造的抗力。近期推出的耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，往往只提出一些構(gòu)造措施，缺乏科學(xué)的理論工具與計(jì)算公式，不能滿足現(xiàn)實(shí)的需求。為此，研究并建立嶄新的服役壽命設(shè)計(jì)理論是混凝土科研人員必須面對(duì)的責(zé)任。實(shí)現(xiàn)環(huán)境影響因素向力學(xué)效能的轉(zhuǎn)換與探明構(gòu)造性能的時(shí)變規(guī)律是建立新的服役壽命設(shè)計(jì)理論的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。前者可提供在設(shè)計(jì)中考慮環(huán)境因素的科學(xué)依據(jù)，從而把耐久性因素以力或應(yīng)力的形式引入設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。這一工作以多孔介質(zhì)力學(xué)與熱動(dòng)力學(xué)為平臺(tái)，以虛功計(jì)算為工具，將混凝土耐久性問(wèn)題統(tǒng)一到力學(xué)的框架下。后者將提供材料與構(gòu)造性能隨時(shí)間的變化規(guī)律，以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)及多尺度理論為根據(jù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將其劣化過(guò)程，維修加固等統(tǒng)一考慮在內(nèi)。真正實(shí)現(xiàn)混凝土構(gòu)造服役壽命設(shè)計(jì)口[5]。4.總結(jié)簡(jiǎn)單回憶了混凝土的開展歷史。然后，系統(tǒng)地介紹和總結(jié)了混凝土材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并重點(diǎn)介紹了近期混凝土材料水化機(jī)理探索方面的主要進(jìn)展和成果。還以自密實(shí)混凝土和超高強(qiáng)混凝土為例系統(tǒng)闡述了高性能混凝土的開展和應(yīng)用，并指出了各自存在的缺乏之處。最后，圍繞水泥水化機(jī)理、高韌性、高抗拉強(qiáng)度混凝土的研發(fā)以及荷載承載力與耐久性科學(xué)統(tǒng)一的服役壽命設(shè)計(jì)理論為主論述了現(xiàn)代混凝土開展的趨勢(shì)和應(yīng)用前景。5.參考文獻(xiàn)[1]陳彩藝，水泥水化及其微構(gòu)造開展的計(jì)算機(jī)模擬[D].**大學(xué)土木工程學(xué)院，2021：11[2]李宗律，孫偉，潘金龍.現(xiàn)代混凝土的研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2021〔11〕:1-7[3]杜婷，郭太平，林杯立，等.混凝土材料的研究現(xiàn)狀和開展應(yīng)用[D].理論研究，2006〔5〕：5-9[4]MindessSidney，YoungJFrancis，DarwinDavid．Concrete[M]．NewJersey：PrenticeHall，2002．[5]ACI．Vision2030：avisionfortheUSconcreteindustry[J]．ACIMagazineConcreteInternational，2005，23：25—34．[6]GartnerEM，YoungEM，DamidotDA，eta1．HydrationofPort