混凝土材料研究和發(fā)展趨勢的分析與探討
2011-02-22 00:00
1. 前言
混凝土以其良好的抗水性、優(yōu)越的可塑性、優(yōu)良的耐火性以及最具競爭力的經濟性而成為目前全世界用量最大（110億噸/年）和使用范圍最廣的材料。其對全世界人文和自然環(huán)境都產生了深刻和持久的影響。這種對人類社會具有如此影響力的傳統(tǒng)材料也必然要受到21世紀新科技革命的沖擊和影響，具體體現(xiàn)在新材料技術中結構材料復合化和綠色技術的影響，從而使混凝土材料朝著高性能化、智能化和綠色化的方向發(fā)展。
2. 混凝土材料研究和發(fā)展的趨勢
2.1 新材料技術的發(fā)展促使混凝土通過復合走向高性能和智能化
道路復合就是在基體材料中添加一種或多種材料通過某種手段實現(xiàn)其有效結合從而提高基體材料性能的技術手段，其目的是實現(xiàn)混凝土的高性能化和智能化。
（1） 高性能化
混凝土的高性能，主要體現(xiàn)在：高的工作性、高強度和高的耐久性（如：水工混凝土的抗?jié)B、寒冷地區(qū)的抗凍、機場和公路混凝土路面的抗沖耐磨、海工或化工混凝土工程的抗酸性侵蝕、大體積混凝土的抗裂等）。高的工作性可通過復合超塑化劑來實現(xiàn)，使得混凝土能夠無需振搗靠自重流平模板的每一個角落，即自流平混凝土。高強可以通過復合各種纖維來實現(xiàn)。法國研究人員通過特殊工業(yè)通復合直徑0.15mm長度13mm、最大體積摻量為2.5%的鋼纖維，在400℃的養(yǎng)護條件下，制備出的超高強混凝土其抗壓強度達到800Mpa。這種混凝土在韓國得到了商業(yè)應用，如圖1（Cheong人行橋），跨度120m,拱高130m,其細長比創(chuàng)造了世界紀錄。高的耐久性，根據(jù)具體要求不同而復合不同的材料。如：復合化學纖維、超細礦物摻合料或引氣劑等可提高混凝土抗?jié)B性抗凍性，復合鋼纖維和硅灰可以提高路面的抗沖耐磨性能，復合高爐礦渣和粉煤灰可以有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，復合大摻量粉煤（如圖2）和相變材料（如冰）可以減少大體積混凝土內部溫升從而控制其開裂等。
（2）智能化
所謂智能化，就是在混凝土原有的組分的基礎上復合智能型組分，使混凝土材料具有自感知和記憶、自調節(jié)、自修復特性的多功能材料。自感知混凝土就是在混凝土基材加入導電相可使混凝土具備本征自感應功能。比如在混凝土中加入具有溫敏性的碳纖維，使得混凝土具有熱電效應和電熱效應。
日本學者研制的自動調節(jié)環(huán)境濕度的混凝土材料自身即可完成對室內環(huán)境濕度的探測，并根據(jù)需求對其進行調控。這種為混凝土材料帶來自動調節(jié)環(huán)境濕度功能的關鍵組分是沸石粉。機理為：沸石中的硅鈣酸鹽含有3×10-10~9×10-10m的孔隙，這些孔隙可以對水分、NOx和SOx氣體選擇性吸附。通過對沸石種類進行選擇（天然的沸石有40多種），可以制備符合實際需要的自動調節(jié)環(huán)境濕度的混凝土復合材料。
它具有如下特點：優(yōu)先吸附水分；水蒸氣壓低的地方，其吸濕容量大；吸放濕與溫度相關，溫度上升時放濕，溫度下降時吸濕。這種材料已成功用于多家美術館的室內墻壁，取得非常好的效果。自修復混凝土是模仿動物的骨組織結構和受創(chuàng)傷后的再生、恢復機理，采用粘接材料和基材相復合的方法，對材料損傷破壞具有自行愈合和再生功能，恢復甚至提高材料性能的新型復合材料。日本學者將內含粘接劑的空心膠囊摻入混凝土材料中，一旦混凝土材料在外力作用下發(fā)生開裂，空心膠囊就會破裂而釋放粘結劑，粘結劑流向開裂處，使之重新粘結起來，起到愈傷的效果。
2.2 綠色技術的發(fā)展引導混凝土向節(jié)能減排、循環(huán)使用的方向發(fā)展
混凝土雖然擁有眾多優(yōu)勢，但其對環(huán)境的影響卻不能忽視?；炷撩磕甏蠹s消耗15億噸的水泥和近90億噸的天然砂石料，可以說是世界上最大的天然資源用戶,其生產和應用必將給生態(tài)環(huán)境帶來許多不利的影響。所以混凝土就必然面臨這一問題所帶來的沖擊，可持續(xù)經濟、循環(huán)經濟、節(jié)能減排等一系列國家政策要求混凝土必須走綠色之路。自然就要從水泥和砂石料這兩方面著手解決了。
2.2.1 以工業(yè)廢料代替水泥以實現(xiàn)節(jié)能減排
許多工業(yè)廢料如煤熱電廠排放的粉煤灰、煉鋼廠排放的?；郀t礦渣（磨細）、工業(yè)燃煤后留下的未能充分燃燒的煤矸石（磨細），生產硅金屬的排放的硅灰等都可以用來部分代替水泥，而不降低混凝土的性能。事實上，這些工業(yè)廢料等量代替水泥后，如果配料得當，往往能夠提高甚至大幅度混凝土的各種性能，如強度和耐久性能。我國的三峽大壩，使用量2800萬m3,約合6720萬噸，其中的粉煤灰替代水泥的量為40%,既減少了成本，又成功解決了三峽大壩大體積混凝土溫升的問題。硅灰已成為現(xiàn)代高強高性能混凝土必不可少的礦物摻合料之一。文獻,利用56%的礦渣和和30%煤矸石制備無孰料水泥，也就是說用礦渣和煤矸石經過一定處理完全代替水泥，配制低等級的混凝土混凝土，已經成為可能。
2.2.2 循環(huán)利用工業(yè)和建筑垃圾來提高混凝土的綠色度
如果將占混凝土重量80%左右的天然骨料（即砂石料）全部用工業(yè)和建筑垃圾代替，將具有重要意義。將工業(yè)廢料（如高爐礦渣和煤矸石）和建筑垃圾（如拆遷的廢磚和廢舊混凝土）破碎后，經過分級、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），這種再生骨料的替代率越高，混凝土的綠色度自然就越高。香港理工大學的S.C.Kou等人將廢舊混凝土破碎后制成再生粗細骨料，100%代替天然砂石，制成出28天強度為64.2Mpa的高性能再生自密實混凝土。
3. 結語
現(xiàn)代科技革命給混凝土的研究和發(fā)展帶來巨大的沖擊和挑戰(zhàn)，同時也帶來了機遇和促進?？梢詳喽?，隨著混凝土朝著高性能、智能和綠色化的方向不斷發(fā)展，隨著人類社會經濟的高速發(fā)展對基礎設施建設的不斷加快，隨著人民生活水平的提高而對住房需求的日益增大，混凝土材料必將以其經濟、耐久、智能、綠色而持續(xù)的為人類的發(fā)展?jié)仓顬閳詫嵉奈镔|基礎。
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