混凝土新技术在水运工程中的运用

□ 程 旸

混凝土为用量最大和用途最广的建筑材料，各国从事混凝土科研和实践工作的人员数量很多，新技术、新成果也层出不穷。混凝土技术可分为两大部分：一是有关混凝土硬化后性能的技术；二是混凝土的施工技术。近年来，混凝土新技术的成果及发展可大致分为一下几个方面：绿色化、高耐久化、超高性能及自密实。

一、绿色混凝土

混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，其关键在于能否成为绿色材料。1997年3月的“高强与高性能混凝土”会议上，吴中伟院士首次提出“绿色高性能混凝土(CHPC)”的概念，并指出CHPC是混凝土的发展方向，更是混凝土的未来。提出CHP C的目的在于加深人们对绿色的重视，即加强绿色意识。提高混凝土的绿色度，可以节约更多的资源与能源，将对环境的破坏减到最小。

（一）绿色混凝土的含义。所谓绿色混凝土，是指既能减少对地球环境的负荷，又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适环境的混凝土材料。减少对地球环境的负荷，是指最大限度地综合利用自然资源和能源，在尽可能高的生产效率下降低能耗和各项物耗；消除或最低限度地产生“三废”（废渣、废气和废水）。与自然生态系统协调共生，是指努力保护自然环境，维护生态平衡，消除或尽量减少环境污染；组织无废生产，或使“三废”再资源化。从对自然环境影响的效果来看，绿色混凝土可分为两大类，即减轻环境负荷型混凝土和生态环境友好型混凝土。

（二）减轻环境负荷型混凝土。该类混凝土的组成与传统混凝土的最大区别在于：采取一定的技术措施，掺入大量的固体废弃物(工业废渣，废弃的砖石、混凝土以及固体垃圾等)和以工业废液为原料的外加剂，实现各类废弃物的再资源化，起到利废、减少环境污染的双重作用。

随着我国经济的持续快速发展，在工业发展、城市建设发展的过程中，同时也必然带来许多相关的问题，如工业废弃物的排放、城市建筑垃圾的增多和生活垃圾处理等。利用废弃的锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、火力发电厂的粉煤灰等工业废料作为轻骨料制备的轻质混凝土，不仅具有密度较小、相对强度高以及保温、抗冻性能好等优点，还降低了混凝土的生产成本，可变废为用，减少城市或厂区的污染，减少堆积废料占用的土地，对环境保护也是有利的。固体生活垃圾混凝土（SWC）是将生活垃圾作为原料，通过加入生物催化剂，加速生活垃圾的降解速度，将生活垃圾变为可用的资源。SWC处理后没有剩余垃圾，也不会产生新的垃圾，可以达到彻底处理生活垃圾并将其作为建筑材料试用。由于生活垃圾中存在塑料等物质，SWC内部存在相互加固作用，材料的抗压和抗折强度较高。目前SWC主要被用于港口、路桥等工程中。以旧建筑物或结构物为骨料的再生混凝土，可充分利用建筑垃圾。其中，以30%以下的再生骨料等量取代混凝土中的天然骨料时，可达到与天然骨料混凝土相近的强度和作用。目前，再生骨料混凝土主要用于桥梁下部工程、重力桥墩、海岸防波堤等。

（三）生态环境友好型混凝土。所谓生态环境友好型混凝土，是指既能满足人类生产、生活的需要，又不破坏生态平衡的混凝土。传统混凝土为满足高强度和高耐久性的要求，追求密实性。这种密实性的追求给生态环境带来了各种负面影响。如建筑物的透水透气性差，调节空气中的温度、湿度能力差，加剧了城市的热岛效应。

我国存在着严重的水土流失等生态环境问题，需要大量的固沙、固土及固堤岸材料，而开发生态友好型混凝土是最可行的解决措施。目前，我国已开发应用的混凝土有植被型混凝土和透水性混凝土。这类混凝土可改善居住环境，增加城市绿化空间，吸收噪声和粉尘，调节城市空气的温度和湿度，对城市的生态平衡起着积极的作用。

二、高耐久性混凝土

普通混凝土的使用寿命并没有人们当初期望的那么长久。在水工、港口及桥梁建筑中，许多混凝土结构在建成后不久即出现材质劣化，导致混凝土开裂、承载力降低甚至倒塌破坏，这与长期只强调强度而忽视耐久性有关。

提高混凝土耐久性行之有效的方法是添加外加剂。硅灰是生产铁合金时的副产物，其粉末粒径比烟灰还细。将这种粉末按水泥用量的10%加入混凝土中拌匀后，即会进入水泥颗粒间的空隙，使混凝土更为致密提高强度，并可减少碳化。但是，因为这种材料呈微粉末状态，施工时要特别注意。掺用时要增加单位用水量，故必须在使用的同时加入减水剂。添加硅酸盐外加剂的混凝土可在一定程度上提高混凝土的耐久性，且可减轻施工地的海水、河水浑浊，此类混凝土在我国安徽的一些港口城市已有运用。

近年来，国外研制出了以乙二醇醚衍生物为主体的混凝土外加剂，这种外加剂对提高混凝土的耐久性能具有良好的效果。它基本上不改变混凝土的强度；对混凝土的坍落度等工作性能影响不大；可以大幅度减少混凝土的干缩，提高混凝土的抗冻性能，同时，可使混凝土的渗水高度、碳化深度、氯离子渗人深度分别下降30%～40%。因此，利用这种外加剂可配制出高耐久性混凝土，应用于某些对耐久性能有特殊要求的构筑物中，尤其是在含有盐分的水运工程建筑物中，能够取得明显的经济效益。

提高混凝土耐久性的真正有效的措施还是减少拌和用水量和增加水泥用量。因此，为了确保混凝土耐久性有效地提高，还得采用有减水效果的外加剂。

三、超高性能混凝土（UHPC）

随着科学技术的发展，混凝土强度等级一直在不断地提高，高强和超高强混凝土(60MP-140MPa)已经成功地应用于工程中。

（一）UHPC的配制原理。UHPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥材料。它的基本配制原理是：通过提高组分的细度与活性，不使用粗骨料，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减到最少，以获得超高强度与高耐久性。

UHPC所用材料与普通混凝土有所不同，其组成材料主要包括：水泥；级配良好的细砂；磨细石英砂粉；硅灰等矿物掺合；高效减水剂。当对韧性有较高要求时，还需要掺人微细钢纤维。

（二）UHPC的超高性能。相对于普通混凝土和高强混凝土而言，UHPC材料表现出极好的力学性能，如表1所示。

UHPC具有优良的韧性。掺有微细钢纤维的UHPC的断裂能可达到20 000 ～ 40 000J/m2，与普通混凝土相比，抗折强度高一个数量级，断裂能高两个数量级以上。

表1 不同混凝土的强度表

UHPC具有优异的耐久性。UHPC的水胶比低，具有良好的孔结构和较低的孔隙率，使其具有极低的渗透性、很高的抗有害介质侵蚀能力和良好的耐磨性。表2为UHPC与其它几种混凝土的耐久性比较。

表2 普通混凝土、HSC和UHPC的耐久性比较表

UHPC具有良好的总体经济效益。与普通混凝土或高强混凝土相比较，UHPC的单价偏高，特别是掺钢纤维的UHPC，一次投资很大，目前只能用于一些不计较成本的结构。但是在实际工程中，UHPC的应用不仅可以减少构件混凝土用量近三分之二，且结构性能更好。UHPC的应用还可以减少结构构件中的配筋量，甚至可以完全取消钢筋。与具有相同承载力的钢结构比较，UHPC结构的成本也相对便宜。由于UHPC的耐久性好，使用寿命可以更长，从全寿命成本来分析，其价格是可以接受的。

UHPC的运用范围较广。根据UHPC的高强度、高韧性、高耐久性等特点，UHPC在工程中的应用主要集中在以下几个方面：

1.利用UHPC强度高的性质，可以减小结构构件尺寸，获得更多的使用空间。利用UHPC可以建造均变更长、净空更大的桥梁；可以减小高层建筑中底层柱子截面尺寸从而得到更多的使用面积。

2.利用UHPC高抗拉强度、耐腐蚀的性质可以制作输油、输气管道以替代造价较高的大口径厚壁钢管，显著提高管道的耐久性，降低成木。

3.利用UHPC的高抗渗性，可制造中低放射性核废料储存整体容器。

4.用于军事与安保领域，制造抗爆炸、抗冲击装置。

5.制作装饰部件、隔声屏障、锚锭等。

6.现场抢修、结构加固等。

UHPC水泥材料是一种超高强、高耐久性的特种工程材料，在国防工程、海洋工程、核工业、特种保安、防护工程以及市政工程领域均有良好的应用前景。目前批量化生产这种材料不成问题，阻碍其广泛应用的主要障碍是其高昂的价格，其次是缺乏相关的技术标准。

四、自密实混凝土

自密实混凝土是一种具有优异施工性能的混凝土，它保持了拌合物的高匀质性和高粘聚性，能够为复杂结构中的施工提供良好的技术解决途径，同时是一种具有高流动性和适当粘度的混凝土，它能够流过钢筋填满模板内的所有空隙，在重力作用下自行密实。

（一）自密实混凝土的性能。自密实混凝土是基于混凝土的施工性能来分类和命名的，其某些性能类似于大流动性混凝土和泵送混凝土，但又不完全相同。大流动性混凝土通过增加水泥用量和用水量而使坍落度达到20cm左右，但是大流动性混凝土的收缩裂缝较多，抗渗性、耐久性较差，钢筋也易于锈蚀，很容易被淘汰。用混凝土泵沿管道输送和浇筑的混凝土，称之为泵送混凝土。泵送混凝土一般只要求10cm以上的坍落度，但它要求混凝土具有较好的粘塑性、泌水性和不易分离性。自密实混凝土一方面要求在不增加水泥用量和用水量的前提下具有大流动性混凝土的施工性能，便于浇筑，成型时免于振捣，另一方面又要达到泵送混凝土的质量，保证浇筑时不离析，硬化后不开裂，而且耐久性要好，所以它是一种新型的混凝土材料。

它是一种特殊的高性能混凝土，在浇注过程中无需振捣，只靠自重便可自由流淌，通过稠密钢筋、填充复杂模型并保持自身均匀性和密实性，硬化后能满足力学和耐久性要求。它通过胶结材料、粗细骨料、外加剂的选择进行配合比的优化设计，使混凝土拌合物屈服值减小且又具有足够的塑性粘度，粗细骨料能够悬浮于水中不离析、不泌水，在不用或基本不用振捣的成型条件下，能充分填充所有空隙，形成密实而均匀的混凝土结构。

（二）自密实混凝土的研究现状。国内对自密实混凝土的研究与应用开始于上世纪90年代初期。1987年冯乃谦提出了流态混凝土概念，奠定了这一研究的基础。2003年广州西卡建筑材料公司天津分公司先后在天津和北京举办“高性能混凝土、自密实混凝土研讨会”，推动了津京地区自密实高性能混凝土的发展。此外，清化大学的廉慧珍教授、覃维祖教授、武汉工业大学的马保国教授、哈尔滨工业大学的巴恒静教授、福州大学的郑建岚教授、中南大学的谢友均教授、山东建工学院的李志明教授以及江苏建材研究院、天津市建筑科学研究院等对自密实混凝土都做了大量研究工作，促进了我国自密实混凝土的发展。

（三）自密实混凝土的应用。目前，自密实混凝土已广泛应用于各类工业民用建筑、道路、桥梁、隧道、水下工程及预制构件中。国内也已有自密实混凝土用于特殊结构施工报道，如大型爆炸洞、水工建筑物、窄径深孔井桩、钢管混凝土等。

自密实混凝土的出现很好地解决了普通混凝土发展过程中的各种问题，又因大量掺合各种工业废料有利于资源的综合利用和生态环境保护，做到了节能、环保、高效、经济。它不仅适应了当代混凝土工程超大规模化、复杂化的要求，而且为混凝土走向绿色化、高性能化提供了技术保障，是混凝土工艺的一次革命。

五、结语

混凝土材料是支持现代人生存、支持现代城市功能正常运转不可缺少的物质材料。综上所述，本文介绍的新技术及成果在实际工程应用中取得了良好的效果，为混凝土材料在各领域的应用开辟了新的发展空间，但有些方面发展还不成熟，有待更多的科研工作者及实践操作人员继续展开深入的研究探讨，共同推动混凝土材料的发展。