混凝土材料的現(xiàn)狀及研究進展

-.z.混凝土材料的現(xiàn)狀及研究進展**工程學院戴嶸摘要：首先回憶了混凝土的開展歷史，然后系統(tǒng)地介紹和總結(jié)了混凝土材料的研究與應用現(xiàn)狀。重點介紹了近期混凝土材料水化機理探索方面的進展以及新型混凝土的開發(fā)成果。最后根據(jù)社會開展需求，展望了混凝土材料開展趨勢和應用前景。關(guān)鍵詞：混凝土；高性能混凝土；自密實混凝土ThePresentSituationandResearchProgressofConcreteMaterialsDairongNanJingInstituteTechnologyAbstract：Thehistoryofthedevelopmentofcontemporaryconcreteisreviewedfirst．Thenthecurrentdevelopmentandapplicationsofconcretehavebeensystematicallyintroducedandsummarized,emphasizingonnewdiscoveriesine*ploringthehydrationmechanismandnewdevelopmentofcontemporaryconcrete．Finally，thedevelopmenttrendsandfutureapplicationsofconcretematerialshavebeenpresentedbasedonthedemandsofthedevelopinghumansociety.KeyWords：concrete;highperformanceconcrete;Self-pactingconcrete引言混凝土是一種由填充料與膠凝材料組成的復合材料。實際上，混凝土是一種人造石材。從其字面上理解，要形成這種材料，首先要將各組成局部混在一起，然后經(jīng)過膠凝材料的凝結(jié)作用，形成統(tǒng)一的材料，即人造石材。在混凝土中，填充料起骨架作用，稱為骨料；膠凝材料與水形成漿體，稱為膠凝漿體。膠凝漿體包裹在骨料外表并填充骨料之間的空隙。在硬化前，膠凝漿體起潤滑作用，使得拌合物具有一定的和易性，便于施工。膠凝漿體硬化后，將骨料膠結(jié)為一個堅實的整體[7]。人類已經(jīng)進入21世紀，隨著科學技術(shù)的快速開展，一種又一種新型混凝土涌現(xiàn)出來，如高性能混凝土、纖維混凝土、自密實混凝土、再生混凝土、活性細粉混凝土以及透光混凝土等相繼出現(xiàn)。混凝土能否長期作為最主要的建筑構(gòu)造材料，除其本身必須具有高強度、高工作性、高耐久性等性能外，還在于其能否成為綠色材料。因此綠色高性能混凝土是現(xiàn)代混凝土技術(shù)開展的必然結(jié)果，是混凝土的開展方向。2．現(xiàn)代混凝土的研究與應用現(xiàn)狀2.1水化與微構(gòu)造形成機理的研究進展從混凝土開展歷史來看，混凝土是一種應用先行、實用導向的材料，歷來缺乏系統(tǒng)的科學的研究。事實上，混凝土是一種極其復雜的多尺度構(gòu)造材料，其微構(gòu)造跨越了從納米、微米、毫米多個尺度。對混凝土粘結(jié)強度奉獻最大的水化產(chǎn)物，c—s—H凝膠，其微構(gòu)造即在納米尺度?；炷了且粋€很復雜的物理化學過程，通過水化過程膠凝凈漿從流態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫坠虘B(tài)。對于水泥水化過程的研究，主要采用傳統(tǒng)水化熱分析法，通過不同階段水泥水化熱的測量來分析水泥水化機理[6]。但是，水泥水化所釋放的熱量既不與水泥水化程度成正比，也不與水泥塊體的物理特性成一定比例關(guān)系，很難定量去描述水泥水化過程和機理。當水泥和水按照一定比例混合后，水泥中的局部離子就會在水中溶解，并游離在凈漿孔隙水中。在特定的電場作用下，孔隙水中的離子具有導電性，并產(chǎn)生一定的電流。水泥漿體的導電性主要取決于漿體中離子濃度和其微構(gòu)造，特別是水泥凈漿的孑L構(gòu)造及其連通性[1]?；谶@樣的原理，可以通過水泥漿體的導電率或者電阻率的測定來分析水泥的水化過程。許多學者通過對水泥漿體的交流阻抗譜來分析水泥漿體的水化過程。但是，在試驗過程中電極與水泥凈漿之間的接觸很難保證，對試驗結(jié)果的精度和一致性造成很大的影響。2.2新型混凝土的開展與應用高性能混凝土高性能混凝土(Highperformanceconcrete，簡稱HPC)是在高強混凝土(Highstrengthconcrete，簡稱HSC)的根底上開展而起來的。高性能混凝土有多種定義，不同國家，甚至是同一個國家的不同應用部門，對高性能混凝土的定義都有差異。，我們通常所謂的高性能混凝土是指混凝土具有高強度、高耐久性、高流動性等多方面的優(yōu)越性能。高強度、高工作性、高耐久性這三項指標，構(gòu)成了"高性能混凝土〞所具備"三高(即3H)〞的性能指標。但是，高性能混凝土并不一定強調(diào)高強，也就是說高性能混凝土除了包含以前的概念外，還包括另一個方面，就是普通混凝土的高性能化[3]。普通混凝土的高性能化的應用：目前我國標準劃分的混凝土最高強度等級為C60，而實際工程中應用的混凝土強度等級一般都在C50以下，C30左右的混凝土最為普遍，由于國內(nèi)大多使用萘系復合型的減水劑，混凝土坍落度損失沒有得到根本解決，再加上各地的技術(shù)水平差異和原材料變化較大，往往達不到技術(shù)要求。因此高強高性能混凝土尚未在全國完全普及推廣使用。通過對原材料的優(yōu)選和質(zhì)量控制、配合比優(yōu)化、生產(chǎn)過程的有效控制，使用高效減水劑、摻入礦物超細粉料、尤其是復合礦物超細粉料改善混凝土的微觀構(gòu)造，可以提高普通混凝土的施工性能和耐久性，使普通混凝土高性能化。高強高性能混凝土的應用：提高混凝土強度是開展高層構(gòu)造、高聳構(gòu)造、大跨度構(gòu)造的重要措施。采用高強高性能混凝土可以減小截面尺寸，減輕自重，獲得較大的經(jīng)濟效益。高強高性能混凝土近年來在高層建筑、大跨橋梁、海上建筑、公路等建立中采用愈來愈多。C50以上的高強及C80以上超高強高性能混凝土僅在經(jīng)濟興旺的城市或地區(qū)的推廣應用較為普及。自密實混凝土自密實混凝土是一種高流動性混凝土。一般來講，自密實混凝土可以靠白重及慣性力填充滿模板空間，無需振搗。施工中既減少了噪音污染，又節(jié)約了勞動力。自密實混凝土組分的特點有：膠凝材料量大，細骨料量大，粗骨料量少，高效減水劑量大。這些特點是為了使混凝土在能保持其高抗壓強度的同時，增加其流動性[2]。在大大提高流動性的同時，自密實混凝土還必須保證各組分空間分布的均勻性，尤其是粗骨料。為此，自密實混凝土必須具備良好、適中的流變性。提高自密實混凝土流變性主要有兩種方法，粉末法與增稠劑法。粉末法是通過加添具有一定細度的礦物粉末或工業(yè)廢渣以提高膠凝材料總量，在保持小水灰比的前提下，增加混凝土的粘稠度。增稠劑法是通過在混凝土中加添大分子質(zhì)量的水溶性聚合物，由其與水反響所產(chǎn)生的粘聚力來增加膠凝槳體的粘稠度。在歐洲和日本，自密實混凝土已經(jīng)被廣泛用來進展水下構(gòu)造和高配筋構(gòu)造的混凝土澆注，并取得許多成功的范例。據(jù)報道，在北美自密實混凝土主要在質(zhì)量控制要求較高的混凝土預制構(gòu)件工廠中得到大量應用。在我國、**、**等城市也開場使用自密實混凝土，從1995年開場，澆筑量已超過4萬立方米。主要用于密筋、形狀復雜等無法澆筑或澆筑困難的部位、解決擾民問題、縮短工期等[7]。但是，由于其較高的本錢和質(zhì)量控制所需的條件較高，許多現(xiàn)場澆注的場合不愿意使用自密實混凝土。自密實混凝土的進一步推廣還需要進展深入的研究，一方面開發(fā)本錢相對低廉的外加劑，另外進一步完善其質(zhì)量控制程序，便于混凝土現(xiàn)場施工。3.混凝土的開展趨勢3.1混凝土微構(gòu)造的深入研究在現(xiàn)代混凝土的組分中，水泥基膠凝材料起著將其它組分固結(jié)在一起的重要作用。膠凝材料在水化過程中形成的微構(gòu)造是現(xiàn)代混凝土的細胞，其分布與組合影響著現(xiàn)代混凝土的各項宏觀性能。因此。探討現(xiàn)代混凝土復雜的硬化漿體微觀構(gòu)造形成機理并提煉其微構(gòu)造模型是當前本研究領域中至關(guān)重要的課題。同時，針對現(xiàn)代混凝土組分復雜的特點，有必要研究各組分對微構(gòu)造形成的影響，組分之間的交互作用，水化速率與水化度對微構(gòu)造的影響，以提煉現(xiàn)代混凝土的微構(gòu)造模型。3.2高韌性、高抗拉強度混凝土的研發(fā)波特蘭水泥通常主要有CS，CS，CAF和cA4大礦物組成，水化后產(chǎn)生c—s—H凝膠及其結(jié)晶相。其中，C—s—H和結(jié)晶CH，鈣礬石等的多少與形態(tài)決定了其膠結(jié)能力。由于這些礦物均為水化礦物，它們之問的作用力來源既有離子鍵、共價鍵的成分，又有相當一局部分子鍵力。離子鍵、共價鍵幾乎沒有塑性變形，分子鍵塑性變形能力也很小，這就從根本上決定了其低韌性和低抗拉強度。為解決現(xiàn)代混凝土的脆性大的問題，迫切需要研發(fā)新型高韌性、高抗拉強度的現(xiàn)代混凝土?？煽紤]在此類混凝土的薄弱環(huán)節(jié)進展增韌。如在c—s—H的層間的硅氧鍵上接上陽性半聚合物，然后由其自行聚合，形成纖維狀或膠膜狀有機聚合物，填充空隙，提高韌性及抗拉強度[4]。3.3耐久性混凝土的研發(fā)當前所有的設計標準，往往只考慮構(gòu)造的承載能力，并以靜止的觀點對待構(gòu)造的抗力。近期推出的耐久性設計標準，往往只提出一些構(gòu)造措施，缺乏科學的理論工具與計算公式，不能滿足現(xiàn)實的需求。為此，研究并建立嶄新的服役壽命設計理論是混凝土科研人員必須面對的責任。實現(xiàn)環(huán)境影響因素向力學效能的轉(zhuǎn)換與探明構(gòu)造性能的時變規(guī)律是建立新的服役壽命設計理論的兩個關(guān)鍵問題。前者可提供在設計中考慮環(huán)境因素的科學依據(jù)，從而把耐久性因素以力或應力的形式引入設計標準。這一工作以多孔介質(zhì)力學與熱動力學為平臺，以虛功計算為工具，將混凝土耐久性問題統(tǒng)一到力學的框架下。后者將提供材料與構(gòu)造性能隨時間的變化規(guī)律，以動態(tài)的觀點及多尺度理論為根據(jù)，在設計過程中將其劣化過程，維修加固等統(tǒng)一考慮在內(nèi)。真正實現(xiàn)混凝土構(gòu)造服役壽命設計口[5]。4.總結(jié)簡單回憶了混凝土的開展歷史。然后，系統(tǒng)地介紹和總結(jié)了混凝土材料的研究與應用現(xiàn)狀，并重點介紹了近期混凝土材料水化機理探索方面的主要進展和成果。還以自密實混凝土和超高強混凝土為例系統(tǒng)闡述了高性能混凝土的開展和應用，并指出了各自存在的缺乏之處。最后，圍繞水泥水化機理、高韌性、高抗拉強度混凝土的研發(fā)以及荷載承載力與耐久性科學統(tǒng)一的服役壽命設計理論為主論述了現(xiàn)代混凝土開展的趨勢和應用前景。5.參考文獻[1]陳彩藝，水泥水化及其微構(gòu)造開展的計算機模擬[D].**大學土木工程學院，2021：11[2]李宗律，孫偉，潘金龍.現(xiàn)代混凝土的研究進展[J].中國材料進展，2021〔11〕:1-7[3]杜婷，郭太平，林杯立，等.混凝土材料的研究現(xiàn)狀和開展應用[D].理論研究，2006〔5〕：5-9[4]MindessSidney，You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