混凝土材料的发展与创新

□常建锋(许昌市颍汝灌溉管理局)

□李 炯(许昌勘测设计研究院)

20世纪初期，有人发表了水灰比学说，初步奠定了混凝土强度的理论基础。以后，相继出现了轻集料混凝土、加气混凝土及其他混凝土，各种混凝土外加剂也开始使用。到20世纪40年代出现了预应力混凝土。20世纪60年代以来，广泛应用减水剂，并出现了高效减水剂和相应的流态混凝土；高分子材料进入混凝土材料领域，出现了聚合物混凝土；多种纤维被用于分散配筋的纤维混凝土。随着科学技术的进步，混凝土的技术也有了突飞猛进的发展，混凝土材料已逐渐成为房屋建筑、高速公路、立交桥、大型水利枢纽工程、大坝等建筑中用量最大、使用最广泛的材料。

混凝土是现代工程结构的主要材料，我国每年混凝土用量约10多亿t，规模之大，耗资之巨，居世界前列。混凝土材料在为人类构筑美好生活空间的同时，也给人类的生活环境带来了许多问题。可以预见，混凝土仍将是我国在今后相当长时期内一种重要的工程结构材料。物质是基础，材料的发展，必将对混凝土结构的设计方法、施工技术、试验技术以至维护管理起着决定性的作用。

一、混凝土的组成材料

混凝土是由胶凝材料、水、粗骨料、细骨料按适当比例配合拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。

普通混凝土（简称为混凝土）是由水泥、砂、石和水所组成，另外还常加入适量的掺合料和外加剂。在混凝土中，砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，便于施工；水泥浆硬化后，则将骨料胶结为一个坚实的整体。混凝土具有很多优点，可根据不同的需求加入不同的材料，配制出各种不同性质的混凝土。因为混凝土在凝结前具有良好的塑性，因此可以浇铸成各种形状和大小的构件或结构物；它与钢筋有牢固的粘结力，能制作钢筋混凝土结构和构件；经硬化后具有抗压强度高与耐久性良好的特性。因此，无论是在工业与民用建筑、给水与排水工程、水利工程、地下工程以及国防建设等都广泛地应用着混凝土，它在我国的基本建设中占有重要的地位。

二、混凝土原材料的生产对资源和环境带来的不良影响

我国混凝土年用量10多亿t。混凝土材料的生产需要消耗大量的资源，开采、破碎和运输集料要耗能，生产与加工混凝土也要耗电，矿物资源也非用之不竭、取之不尽，消耗完了是不能再生的，需要人们珍惜使用。例如有的地区大量采砂不加以节制，造成了砂资源日益减少，由粗砂逐渐变成细砂，而且含泥量也逐渐增大，优质砂越来越少。水泥是混凝土的主要原材料之一，水泥在生产过程中消耗大量的煤炭和电能。每生产1t水泥孰料，原料释放CO2为0.55t，孰料煅烧燃料释放的CO2约0.4t，二者相加为0.95t。我国年产15多亿t水泥，将排出13多亿tCO2，约占全球年排出量的13%。水泥的生产和混凝土的配置需要开采粘土、石灰石和砂石集料，极大的破坏绿色植被，毁坏了自然景观，引起水土流失，严重地破坏了生态环境，影响人类的生存质量。排放的CO2不仅加剧温室效应，而且还与SO2和NO一起形成酸雨，危害农作物的收成和植被的生长；降低建筑物外部装饰的寿命，影响装饰效果。NO和粉尘造成空气的污染，使人类的居住环境恶化，影响身体健康。

在人口密集的城市兴建高层建筑，使人们对土建工程的质量和规模方面的要求越来越高，旧城改造速度越来越快，施工噪音造成的问题越来越严重，所引起的矛盾和纠纷也日益增多，这些噪音中混凝土搅拌、运输和振捣产生的噪音占主要部分。

建筑物的改建、翻新和拆除所产生的大量的废弃混凝土，混凝土的存放不仅要占用大量的空地，而且污染环境，浪费耕地，既带来环境污染，又造成资源浪费。搞好废旧混凝土的开发利用，具有明显的环境效益和经济效益。

三、混凝土的可持续发展之路

混凝土的产生到现在虽然只有160多年的历史，但是它的发展却相当的快，这是因为混凝土具有良好的可塑性、配置灵活性、适应性好、造价较低、抗压强度高与钢筋有牢固的粘结力、能组合成复合材料等。所以混凝土材料今后仍将是建筑工程的主要材料，具有其他材料不可代替的地位。

只有协调好混凝土对资源消耗、能源消耗、环境影响和社会经济效益的关系，走可持续发展之路，混凝土制品才能有更好的发展和使用渠道。可持续发展主要是通过保护和减少浪费来更有效地利用能源，循环利用材料，使之再生利用。因此，要利用现代的科学技术来增加混凝土的耐久性，尽量的减少拆除，以减少对环境的污染。

四、混凝土的发展创新

大量利用工业废渣、尾矿，发展高性能的混凝土。把粉煤灰、矿渣及其他工业废渣，作为混凝土的掺合料，不仅能改善混凝土的性质，减少水泥的需求，而且利用废渣本身也有利于环境保护。高性能的混凝土以耐久性为设计目的，这样又符合了可持续发展战略。粉煤灰掺到混凝土中能降低混凝土的初期水化热，减少干缩，改善新拌混凝土的和易性，增加混凝土的后期强度，显著提高混凝土的耐久性。在混凝土中加入其它不同的材料就可以制成不同性能的混凝土，可以用在不同的施工部位。这样也可节约资源和能源，减少二次污染，取得良好的经济效益和社会效益。

提高混凝土的耐久性设计，延长混凝土的使用年限；提高混凝土的耐久性，会相应减少混凝土的需要量，节约资源和能源，减轻生态环境的负荷。采用聚合物浸渍改良多孔材料性能的方法首先运用于木材，这种方法引伸到混凝土领域就是PIC。浸渍可以改变混凝土的力学性能，强度可提高200%～400%，据报道抗压强度为58.8MPa的φ7.5cm×45cm的试件经树脂浸渍后，抗压最大值可达到285MPa，其压弯弹性模量约提高50%～80%，表面硬度和耐磨性增强至1.7倍以上，吸水率降至10%以下，透水系数显著减小，而热传导性、热扩散率、比热等几乎不发生变化。PIC目前的用处还不广，只是在个别场合，它主要用于有耐酸和耐药品性要求的管道和排水沟，有强度和耐久性要求的预制板和道路道挡石。另外在隧道涵洞的表面覆盖层、住宅的墙板、轨枕、海水淡化装置、混凝土船、混凝土坝的表面抗冲刷层、海洋采挖平台等部位，都有一定使用价值。要使这种新材料真正发展，必须认真研究一切与PIC制造有关的问题，如改进能适应不同使用目的浸渍液以及极大地简化制造工艺等问题，还应当积极推广部分浸渍法并使PIC能在现场施工。在提高旧有构筑物的耐久性方面，部分浸渍现场施工方法将会发展成为一门必不可缺的分支技术。

建筑业消耗世界资源40%，要是将建筑物的寿命延长一倍，那么资源能源的消耗和环境污染也将近减轻一半。为此，不少科学家主张延长结构使用寿命，提高混凝土的耐久性。

近年来，国外陆续研制出了许多功能不同的特种混凝土，如能保持水中的生态平衡，净化江河、湖泊、海水的净化混凝土；适合建造抗震建筑，比普通混凝土强度高3～4倍的抗震混凝土；加入新的防盐害剂的，使用寿命可达500年之久的耐久防火混凝土；一种快速透水的防积水混凝土，它能及时的将混凝土路面的雨水渗透到地下；金属纤维混凝土、变色混凝土等等。

科学技术在改变和发展着混凝土，今后的混凝土将是集低能耗、高耐久、高强度、环保品种多样、可再生使用的新型的混凝土。

[1]陈建奎、王栋民.高性能混凝土(H PC)配合比设计新法－全计算法[J].硅酸盐学报,2000,28(2).

[2]陈建奎.混凝土外加剂的原理及应用[M].中国计划出版社,1997.