浅析新型混凝土制备及其特点

肖红庆 汤蕊瞳 王晓云

(山东科技大学,山东 青岛 266590)

1 概述

混凝土作为当代土木工程中应用最广泛的材料之一，影响着当代建筑和土木工程的发展进程和前进方向，现代建筑技术不断发展进步，制备和研发新型混凝土也成为了一个重要的发展方向。本文主要对常见的几种新型混凝土进行了简单的总结和概括。

2 新型混凝土的制备及特点

2.1 自密实混凝土

自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)最早由日本学者提出，最初设计用于解决混凝土缺乏振捣而带来的混凝土建筑物的结构问题和耐久性问题。因为在施工过程中无需振捣，仅依靠自身重力就可以均匀地填充到整个模具当中，具有很强的流动性和变形性，因而被称为自密实混凝土。根据流变力学的观点，自密实混凝土属于典型的宾汉姆流体，应满足如下的流变方程：

τ=τ0+ηγ。

其中，τ为剪切应力；τ0为屈服剪切应力；η为塑性粘度；γ为剪切速度。

普通混凝土是通过振捣方式来减小τ0使混凝土发生流动，而自密实混凝土则是通过将水灰比控制在较低水平，同时，添加高强外加剂和掺合料来使τ0减小到足够小的范围内来实现混凝土的高流动性。与传统高流态混凝土的不同之处在于，自密实混凝土不仅具有高流动性，而且完全不需振捣，还同时具备抗分离性，填充性和间隙通过性等优良性能[1]。在很多情况下，由于体内配筋的要求和模具的限制，施工时很难对混凝土进行有效的振捣，并且振捣过程中产生的大量噪声远不能满足绿色施工的要求。自密实混凝土可以在很大程度上改善以上的问题，在浇筑过程中无需振捣，无需专门的人工和振捣设备，既不会产生噪声，也节省了费用。而且还能加快施工速度，提高工程质量[2]。

现阶段，自密实混凝土主要应用于水利，桥梁，隧道等重大工程中，在构件的修补加固和预制构件的制作中也有部分应用，我国的《自密实混凝土应用技术规程》也对自密实混凝土的施工做了相应的规范。但由于成本较高，施工技术人员未完全掌握施工方法等原因，自密实混凝土在我国应用并不广泛。

2.2 活性微粉混凝土

活性微粉混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)最早是由法国Bouygues研制成功的一种高强度混凝土。自问世以来即被广泛关注和应用。活性微粉混凝土效仿“高致密水泥基均匀体系”模型，根据最密堆积原理，用直径0.4 mm～0.6 mm的细骨料代替原有的粗骨料。通过掺加钢纤维和硅灰等活性矿物来提高混凝土的韧性和延性。实验表明[3]，活性微粉混凝土的抗折性能有显著提升，强度可达50 MPa～60 MPa，远大于普通混凝土。同时，韧性和断裂能也有所上升，断裂能提高至3×104J/m2，而且，硅灰具有很强的活性，可与Ca(OH)2发生化学反应，使Ca(OH)2含量减少，并生成密实的凝胶性水化产物，改善孔隙状况，抑制碱骨料反应。活性微粉混凝土大致可分为两类，RPC200和RPC800。RPC200的制备条件没有特殊要求，抗压强度可达200 MPa。RPC800则需要在高温环境下生产，其抗压强度可达800 MPa。

活性微粉混凝土强度高且综合性能好，因而广泛应用在桥梁工程中。制作桥梁构件时，无需配置钢筋即可满足构件的功能要求。由于密度小，可以降低自重，使构件向薄壁，大跨，细长等形态发展，构件更加灵活，施工过程更方便。此外，活性微粉混凝土在高层建筑，石油工程及军工等方面多有应用，且取得了较好的效果。

2.3 泡沫混凝土

泡沫混凝土是将泡沫加入到水、波特兰水泥、粗细集料、外加剂和掺合料组成的混凝土料浆中去，经过搅拌，浇筑硬化，最终得到的具有许多微小气泡的混凝土。普通加气混凝土的主要原料是粉煤灰或矿渣，采用蒸汽养护成型，泡沫混凝土与之有着本质的区别，以水泥为主要的胶结材料，且采用自然养护。泡沫混凝土的发泡方式有两种，分别为物理发泡和化学发泡。物理发泡是把预先生产的泡沫添加到混凝土浆体中，混合均匀，待混凝土硬化成型后，泡沫以孔洞的形式留在混凝土体内。物理发泡产生的孔洞孔径较小，一般小于2 mm。化学发泡是将化学发泡剂加入到预先制备好的混凝土料浆中，并混合均匀，由温差效应或催化作用使发泡剂发生水化反应并生成气体，随着混凝土的硬化，最终形成气泡并固定在混凝土内部。常用的发泡剂为过氧化氢，以MnO2或KMnO4为催化剂。化学发泡产生的孔隙较大，直径一般为2 mm～4 mm。

根据实验结果[4]，泡沫混凝土的各项指标在原有混凝土基础上发生了较大改变。泡沫混凝土密度较小，普通泡沫混凝土密度等级一般为300 kg/m3～1 200 kg/m3，超轻泡沫混凝土密度可低至160 kg/m3，可使构件重量降低25%～40%。热工性能有较大提升，由于体内含有大量微小且封闭的气泡，保温隔热能力显著增强，普通的泡沫混凝土的导热系数一般为0.08 W/(m·K)～0.3 W/(m·K)。同时，体内的封闭气泡增强了混凝土的隔声能力，有效减少了噪声污染。现阶段，泡沫混凝土主要用于建筑物的保温隔热，在墙体，屋面及地基等构件中有较多应用。此外，泡沫混凝土在岩土和道桥中也有应用，泡沫混凝土本身是一种软材料，满足补偿地基材料的要求，且密度小，产生的附加应力小，保温性能好，能有效解决温差引起的变形问题。

2.4 纤维混凝土

普通混凝土的固有特性是能承受较大压力，但抗拉和抗弯能力很弱，随着现代土木工程的发展，增强混凝土的抗拉、抗弯和抗折能力也成为一项重要课题。为了满足以上要求，研制出了纤维混凝土。为了提高混凝土的性能，在普通混凝土中添加纤维材料，生产改性混凝土，是混凝土研究和发展的一个重要方向。纤维混凝土是在原有混凝土的基础上，加入纤维材料，以此来改变混凝土的性能。加入纤维材料，相当于在混凝土中添加了微钢筋，起到了和钢筋相同的作用，在混凝土受拉时分担拉力，从而提高抗拉和抗弯的能力。纤维混凝土性能的提升主要取决于添加的纤维材料，按照纤维材料的来源可分为人造纤维和天然纤维两类。目前，使用比较广泛的建筑纤维材料主要包括钢纤维、玻璃纤维和碳纤维等几种材料。理论上凡是具有高强度和高弹性模量的纤维均可作为纤维材料添加到混凝土中，但在实际应用中，对纤维材料有较高的要求。除了要具备较高的强度和弹性模量，还应具备化学稳定性。混凝土本身是碱性材料，pH值可达10～12，纤维材料应具备在强碱性环境中不发生化学反应的性质。其次，在水泥水化过程中会产生大量的水化热，有时温度可达80 ℃以上，部分混凝土采用高温养护，体内温度可达200 ℃。纤维材料必须具有良好的热稳定性才能保证性质和结构不发生改变。此外，纤维材料应与混凝土浆料充分混合，并且与混凝土有较强的粘结力，才能保证纤维的性能得到完全施展。

纤维混凝土的主要特点是[5]施工性能良好，由于在混凝土中加入了纤维材料，提高了粘聚性和流动性，施工效率有所提高。抗拉和抗弯性能显著提高，普通建筑用纤维抗拉强度即可达几百兆帕，远高于混凝土抗拉强度。纤维材料的高弹性模量使得混凝土的变形性能明显提升，韧性可提高十几倍，极限拉应变也显著提高。纤维还能阻止裂缝的开展，提高混凝土的抗侵蚀能力和耐久性。除此之外，某些特殊纤维制作的混凝土还具有其他的优良性能，如石棉纤维混凝土绝热性和耐久性良好，尼龙纤维混凝土抗渗和抗冻能力有很大提升，杜拉纤维等新兴的材料也展现出了不同的新特性。现阶段，纤维混凝土的研究和发展已比较完善，在工程中应用也较广泛，公路，隧道，码头等对耐久性和抗腐蚀性要求较高的工程对纤维混凝土的需求比较大。

2.5 再生混凝土

再生混凝土，又称再生骨料混凝土，是将废弃的混凝土材料经过加工处理后，生产出再生粗骨料和再生细骨料，全部或部分代替天然骨料，制成的一种新型环保混凝土。现代工程中，混凝土作为使用最广泛的建筑材料，随之产生了很多的建筑垃圾，为了解决这一问题，研制出了再生混凝土。废弃混凝土一般通过多次破碎并筛选的方法制成再生骨料，再生骨料存在一定缺陷，通常需经过强化处理来改善再生骨料的性能。强化处理的方法有物理强化，化学强化。化学强化是用强化材料，如水泥外掺Kim粉、硅灰和粉煤灰等，对制得的骨料浸泡和冲洗，对内部的空隙进行填充，对裂缝进行修补，从而达到强化目的。化学强化法浸泡后，混凝土抗压强度有明显提升，其他性能则改变很小。物理强化是通过摩擦切削的方法，除去表面杂质，磨平棱角，减少骨料的缺陷，从而达到强化目的。

与原生骨料相比，再生骨料强度较低、吸水性强、孔隙率大，导致再生混凝土抗压强度比普通混凝土要低[6]。国内外实验表明[7,8]，全部由再生骨料组成的混凝土抗压强度较普通混凝土降低30%以上，再生混凝土受压时的破坏主要发生在新老界面交界处，并沿着新老界面发展。由于再生骨料材料分布不均匀，也会发生再生骨料破坏的现象。目前，提高再生混凝土强度的方法主要是调整水灰比和颗粒级配，添加外加剂和掺合料等。现阶段生产出的再生混凝土的性能已有部分可达到甚至超过普通混凝土。再生混凝土在国外应用广泛，欧美、苏联、日本等对再生混凝土的研究较多，也取得了很大进展。日本的再生混凝土技术发展迅速，走在世界前列，对废弃混凝土的利用率超过98%，几乎完全实现了建筑垃圾的完全再利用。我国的再生混凝土技术起步较晚，又因为成本较高，难以实现商业化，再生混凝土在我国的使用并不广泛，仍需进行进一步的研究和探索。

3 结语

新型混凝土种类繁多，本文所述只是其中一部分。新型混凝土因为优良的性能被广泛使用，在各种建筑结构中也会更加常见。值得强调的一点是，不应过分夸大新型混凝土性能和作用。建筑工程中还是以普通混凝土为主，切不可滥用新型混凝土，需要时可根据工程实际合理使用。