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混凝土材料研究和发展趋势的分析与探讨

信息来源:hunningtu.biz  时间:2010-09-29  浏览次数:114

  1.前言
  混凝土以其良好的抗水性、优越的可塑性、优良的耐火性以及最具竞争力的经济性而成为目前全世界用量最大(110亿吨/年)和使用范围最广(土木、水利、交通、石油、航运、国防、军工等等)的材料[1].其对全世界人文和自然环境都产生了深刻和持久的影响。这种对人类社会具有如此影响力的传统材料也必然要受到21世纪新科技革命的冲击和影响,具体体现在新材料技术中结构材料复合化和绿色技术的影响[2],从而使混凝土材料朝着高性能化、智能化和绿色化的方向发展。
  2.混凝土材料研究和发展的趋势
  2.1新材料技术的发展促使混凝土通过复合走向高性能和智能化
  道路复合就是在基体材料中添加一种或多种材料通过某种手段实现其有效结合从而提高基体材料性能的技术手段,其目的是实现混凝土的高性能化和智能化。
  (1)高性能化
  混凝土的高性能,主要体现在:高的工作性、高强度和高的耐久性(如:水工混凝土的抗渗、寒冷地区的抗冻、机场和公路混凝土路面的抗冲耐磨、海工或化工混凝土工程的抗酸性侵蚀、大体积混凝土的抗裂等)。高的工作性可通过复合超塑化剂来实现,使得混凝土能够无需振捣靠自重流平模板的每一个角落,即自流平混凝土[3].高强可以通过复合各种纤维来实现。法国研究人员通过特殊工业通复合直径0.15mm长度13mm、最大体积掺量为2.5%的钢纤维,在400℃的养护条件下,制备出的超高强混凝土其抗压强度达到800Mpa[1].这种混凝土在韩国得到了商业应用,如图1(Cheong人行桥),跨度120m,拱高130m,其细长比创造了世界纪录。高的耐久性,根据具体要求不同而复合不同的材料,如:复合化学纤维、超细矿物掺合料或引气剂等可提高混凝土抗渗性抗冻性,复合钢纤维和硅灰可以提高路面的抗冲耐磨性能,复合高炉矿渣和粉煤灰可以有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力,复合大掺量粉煤(]如图2)和相变材料(如冰)可以减少大体积混凝土内部温升从而控制其开裂等。
  (2)智能化
  所谓智能化,就是在混凝土原有的组分的基础上复合智能型组分,使混凝土材料具有自感知和记忆、自调节、自修复特性的多功能材料。自感知混凝土就是在混凝土基材加入导电相可使混凝土具备本征自感应功能。比如在混凝土中加入具有温敏性的碳纤维,使得混凝土具有热电效应和电热效应。
  日本学者研制的自动调节环境湿度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测,并根据需求对其进行调控。这种为混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为:沸石中的硅钙酸盐含有3×10-10~9×10-10m的孔隙,这些孔隙可以对水分、NOx和SOx气体选择性吸附。通过对沸石种类进行选择(天然的沸石有40多种),可以制备符合实际需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料,它具有如下特点:优先吸附水分;水蒸气压低的地方,其吸湿容量大;吸放湿与温度相关,温度上升时放湿,温度下降时吸湿。这种材料已成功用于多家美术馆的室内墙壁,取得非常好的效果[4].自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理,采用粘接材料和基材相复合的方法,对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能,恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。日本学者将内含粘接剂的空心胶囊掺入混凝土材料中,一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂,空心胶囊就会破裂而释放粘结剂,粘结剂流向开裂处,使之重新粘结起来,起到愈伤的效果。
  2.2绿色技术的发展引导混凝土向节能减排、循环使用的方向发展
  混凝土虽然拥有众多优势,但其对环境的影响却不能忽视。混凝土每年大约消耗15亿吨的水泥和近90亿吨的天然砂石料,可以说是世界上最大的天然资源用户[1],其生产和应用必将给生态环境带来许多不利的影响。所以混凝土就必然面临这一问题所带来的冲击,可持续经济、循环经济、节能减排等一系列国家政策要求混凝土必须走绿色之路。自然就要从水泥和砂石料这两方面着手解决了。
  2.2.1以工业废料代替水泥以实现节能减排
  许多工业废料如煤热电厂排放的粉煤灰、炼钢厂排放的粒化高炉矿渣(磨细)、工业燃煤后留下的未能充分燃烧的煤矸石(磨细),生产硅金属的排放的硅灰等都可以用来部分代替水泥,而不降低混凝土的性能。事实上,这些工业废料等量代替水泥后,如果配料得当,往往能够提高甚至大幅度混凝土的各种性能,如强度和耐久性能。我国的三峡大坝,使用量2800万m3,约合6720万吨,其中的粉煤灰替代水泥的量为40%,既减少了成本,又成功解决了三峡大坝大体积混凝土温升的问题。硅灰已成为现代高强高性能混凝土必不可少的矿物掺合料之一。文献[5],利用56%的矿渣和和30%煤矸石制备无孰料水泥,也就是说用矿渣和煤矸石经过一定处理完全代替水泥,配制低等级的混凝土混凝土,已经成为可能。
  2.2.2循环利用工业和建筑垃圾来提高混凝土的绿色度
  如果将占混凝土重量80%左右的天然骨料(即砂石料)全部用工业和建筑垃圾代替,将具有重要意义。将工业废料(如高炉矿渣和煤矸石)和建筑垃圾(如拆迁的废砖和废旧混凝土)破碎后,经过分级、清洗和配比都可以制成再生骨料(即再生砂石),再用其部分或全部代替天然骨料制成混凝土(即再生混凝土),这种再生骨料的替代率越高,混凝土的绿色度自然就越高。香港理工大学的S.C.Kou等人[4]将废旧混凝土破碎后制成再生粗细骨料,100%代替天然砂石,制成出28天强度为64.2Mpa的高性能再生自密实混凝土。
  3.结语
  现代科技革命给混凝土的研究和发展带来巨大的冲击和挑战,同时也带来了机遇和促进。可以断定,随着混凝土朝着高性能、智能和绿色化的方向不断发展,随着人类社会经济的高速发展对基础设施建设的不断加快,随着人民生活水平的提高而对住房需求的日益增大,混凝土材料必将以其经济、耐久、智能、绿色而持续的为人类的发展浇筑最为坚实的物质基础。  1.前言
  混凝土以其良好的抗水性、优越的可塑性、优良的耐火性以及最具竞争力的经济性而成为目前全世界用量最大(110亿吨/年)和使用范围最广(土木、水利、交通、石油、航运、国防、军工等等)的材料[1].其对全世界人文和自然环境都产生了深刻和持久的影响。这种对人类社会具有如此影响力的传统材料也必然要受到21世纪新科技革命的冲击和影响,具体体现在新材料技术中结构材料复合化和绿色技术的影响[2],从而使混凝土材料朝着高性能化、智能化和绿色化的方向发展。
  2.混凝土材料研究和发展的趋势
  2.1新材料技术的发展促使混凝土通过复合走向高性能和智能化
  道路复合就是在基体材料中添加一种或多种材料通过某种手段实现其有效结合从而提高基体材料性能的技术手段,其目的是实现混凝土的高性能化和智能化。
  (1)高性能化
  混凝土的高性能,主要体现在:高的工作性、高强度和高的耐久性(如:水工混凝土的抗渗、寒冷地区的抗冻、机场和公路混凝土路面的抗冲耐磨、海工或化工混凝土工程的抗酸性侵蚀、大体积混凝土的抗裂等)。高的工作性可通过复合超塑化剂来实现,使得混凝土能够无需振捣靠自重流平模板的每一个角落,即自流平混凝土[3].高强可以通过复合各种纤维来实现。法国研究人员通过特殊工业通复合直径0.15mm长度13mm、最大体积掺量为2.5%的钢纤维,在400℃的养护条件下,制备出的超高强混凝土其抗压强度达到800Mpa[1].这种混凝土在韩国得到了商业应用,如图1(Cheong人行桥),跨度120m,拱高130m,其细长比创造了世界纪录。高的耐久性,根据具体要求不同而复合不同的材料,如:复合化学纤维、超细矿物掺合料或引气剂等可提高混凝土抗渗性抗冻性,复合钢纤维和硅灰可以提高路面的抗冲耐磨性能,复合高炉矿渣和粉煤灰可以有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力,复合大掺量粉煤(]如图2)和相变材料(如冰)可以减少大体积混凝土内部温升从而控制其开裂等。
  (2)智能化
  所谓智能化,就是在混凝土原有的组分的基础上复合智能型组分,使混凝土材料具有自感知和记忆、自调节、自修复特性的多功能材料。自感知混凝土就是在混凝土基材加入导电相可使混凝土具备本征自感应功能。比如在混凝土中加入具有温敏性的碳纤维,使得混凝土具有热电效应和电热效应。
  日本学者研制的自动调节环境湿度的混凝土材料自身即可完成对室内环境湿度的探测,并根据需求对其进行调控。这种为混凝土材料带来自动调节环境湿度功能的关键组分是沸石粉。其机理为:沸石中的硅钙酸盐含有3×10-10~9×10-10m的孔隙,这些孔隙可以对水分、NOx和SOx气体选择性吸附。通过对沸石种类进行选择(天然的沸石有40多种),可以制备符合实际需要的自动调节环境湿度的混凝土复合材料,它具有如下特点:优先吸附水分;水蒸气压低的地方,其吸湿容量大;吸放湿与温度相关,温度上升时放湿,温度下降时吸湿。这种材料已成功用于多家美术馆的室内墙壁,取得非常好的效果[4].自修复混凝土是模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理,采用粘接材料和基材相复合的方法,对材料损伤破坏具有自行愈合和再生功能,恢复甚至提高材料性能的新型复合材料。日本学者将内含粘接剂的空心胶囊掺入混凝土材料中,一旦混凝土材料在外力作用下发生开裂,空心胶囊就会破裂而释放粘结剂,粘结剂流向开裂处,使之重新粘结起来,起到愈伤的效果。
  2.2绿色技术的发展引导混凝土向节能减排、循环使用的方向发展
  混凝土虽然拥有众多优势,但其对环境的影响却不能忽视。混凝土每年大约消耗15亿吨的水泥和近90亿吨的天然砂石料,可以说是世界上最大的天然资源用户[1],其生产和应用必将给生态环境带来许多不利的影响。所以混凝土就必然面临这一问题所带来的冲击,可持续经济、循环经济、节能减排等一系列国家政策要求混凝土必须走绿色之路。自然就要从水泥和砂石料这两方面着手解决了。
  2.2.1以工业废料代替水泥以实现节能减排
  许多工业废料如煤热电厂排放的粉煤灰、炼钢厂排放的粒化高炉矿渣(磨细)、工业燃煤后留下的未能充分燃烧的煤矸石(磨细),生产硅金属的排放的硅灰等都可以用来部分代替水泥,而不降低混凝土的性能。事实上,这些工业废料等量代替水泥后,如果配料得当,往往能够提高甚至大幅度混凝土的各种性能,如强度和耐久性能。我国的三峡大坝,使用量2800万m3,约合6720万吨,其中的粉煤灰替代水泥的量为40%,既减少了成本,又成功解决了三峡大坝大体积混凝土温升的问题。硅灰已成为现代高强高性能混凝土必不可少的矿物掺合料之一。文献[5],利用56%的矿渣和和30%煤矸石制备无孰料水泥,也就是说用矿渣和煤矸石经过一定处理完全代替水泥,配制低等级的混凝土混凝土,已经成为可能。
  2.2.2循环利用工业和建筑垃圾来提高混凝土的绿色度
  如果将占混凝土重量80%左右的天然骨料(即砂石料)全部用工业和建筑垃圾代替,将具有重要意义。将工业废料(如高炉矿渣和煤矸石)和建筑垃圾(如拆迁的废砖和废旧混凝土)破碎后,经过分级、清洗和配比都可以制成再生骨料(即再生砂石),再用其部分或全部代替天然骨料制成混凝土(即再生混凝土),这种再生骨料的替代率越高,混凝土的绿色度自然就越高。香港理工大学的S.C.Kou等人[4]将废旧混凝土破碎后制成再生粗细骨料,100%代替天然砂石,制成出28天强度为64.2Mpa的高性能再生自密实混凝土。
  3.结语
  现代科技革命给混凝土的研究和发展带来巨大的冲击和挑战,同时也带来了机遇和促进。可以断定,随着混凝土朝着高性能、智能和绿色化的方向不断发展,随着人类社会经济的高速发展对基础设施建设的不断加快,随着人民生活水平的提高而对住房需求的日益增大,混凝土材料必将以其经济、耐久、智能、绿色而持续的为人类的发展浇筑最为坚实的物质基础。

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