□ 程 旸

混凝土為用量最大和用途最廣的建筑材料，各國(guó)從事混凝土科研和實(shí)踐工作的人員數(shù)量很多，新技術(shù)、新成果也層出不窮。混凝土技術(shù)可分為兩大部分：一是有關(guān)混凝土硬化后性能的技術(shù)；二是混凝土的施工技術(shù)。近年來(lái)，混凝土新技術(shù)的成果及發(fā)展可大致分為一下幾個(gè)方面：綠色化、高耐久化、超高性能及自密實(shí)。

一、綠色混凝土

混凝土能否長(zhǎng)期作為最主要的建筑結(jié)構(gòu)材料，其關(guān)鍵在于能否成為綠色材料。1997年3月的“高強(qiáng)與高性能混凝土”會(huì)議上，吳中偉院士首次提出“綠色高性能混凝土(CHPC)”的概念，并指出CHPC是混凝土的發(fā)展方向，更是混凝土的未來(lái)。提出CHP C的目的在于加深人們對(duì)綠色的重視，即加強(qiáng)綠色意識(shí)。提高混凝土的綠色度，可以節(jié)約更多的資源與能源，將對(duì)環(huán)境的破壞減到最小。

（一）綠色混凝土的含義。所謂綠色混凝土，是指既能減少對(duì)地球環(huán)境的負(fù)荷，又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生，為人類構(gòu)造舒適環(huán)境的混凝土材料。減少對(duì)地球環(huán)境的負(fù)荷，是指最大限度地綜合利用自然資源和能源，在盡可能高的生產(chǎn)效率下降低能耗和各項(xiàng)物耗；消除或最低限度地產(chǎn)生“三廢”（廢渣、廢氣和廢水）。與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生，是指努力保護(hù)自然環(huán)境，維護(hù)生態(tài)平衡，消除或盡量減少環(huán)境污染；組織無(wú)廢生產(chǎn)，或使“三廢”再資源化。從對(duì)自然環(huán)境影響的效果來(lái)看，綠色混凝土可分為兩大類，即減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土和生態(tài)環(huán)境友好型混凝土。

（二）減輕環(huán)境負(fù)荷型混凝土。該類混凝土的組成與傳統(tǒng)混凝土的最大區(qū)別在于：采取一定的技術(shù)措施，摻入大量的固體廢棄物(工業(yè)廢渣，廢棄的磚石、混凝土以及固體垃圾等)和以工業(yè)廢液為原料的外加劑，實(shí)現(xiàn)各類廢棄物的再資源化，起到利廢、減少環(huán)境污染的雙重作用。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)展、城市建設(shè)發(fā)展的過(guò)程中，同時(shí)也必然帶來(lái)許多相關(guān)的問(wèn)題，如工業(yè)廢棄物的排放、城市建筑垃圾的增多和生活垃圾處理等。利用廢棄的鍋爐煤渣、煤礦的煤矸石、火力發(fā)電廠的粉煤灰等工業(yè)廢料作為輕骨料制備的輕質(zhì)混凝土，不僅具有密度較小、相對(duì)強(qiáng)度高以及保溫、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)，還降低了混凝土的生產(chǎn)成本，可變廢為用，減少城市或廠區(qū)的污染，減少堆積廢料占用的土地，對(duì)環(huán)境保護(hù)也是有利的。固體生活垃圾混凝土（SWC）是將生活垃圾作為原料，通過(guò)加入生物催化劑，加速生活垃圾的降解速度，將生活垃圾變?yōu)榭捎玫馁Y源。SWC處理后沒(méi)有剩余垃圾，也不會(huì)產(chǎn)生新的垃圾，可以達(dá)到徹底處理生活垃圾并將其作為建筑材料試用。由于生活垃圾中存在塑料等物質(zhì)，SWC內(nèi)部存在相互加固作用，材料的抗壓和抗折強(qiáng)度較高。目前SWC主要被用于港口、路橋等工程中。以舊建筑物或結(jié)構(gòu)物為骨料的再生混凝土，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時(shí)，可達(dá)到與天然骨料混凝土相近的強(qiáng)度和作用。目前，再生骨料混凝土主要用于橋梁下部工程、重力橋墩、海岸防波堤等。

（三）生態(tài)環(huán)境友好型混凝土。所謂生態(tài)環(huán)境友好型混凝土，是指既能滿足人類生產(chǎn)、生活的需要，又不破壞生態(tài)平衡的混凝土。傳統(tǒng)混凝土為滿足高強(qiáng)度和高耐久性的要求，追求密實(shí)性。這種密實(shí)性的追求給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了各種負(fù)面影響。如建筑物的透水透氣性差，調(diào)節(jié)空氣中的溫度、濕度能力差，加劇了城市的熱島效應(yīng)。

我國(guó)存在著嚴(yán)重的水土流失等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，需要大量的固沙、固土及固堤岸材料，而開發(fā)生態(tài)友好型混凝土是最可行的解決措施。目前，我國(guó)已開發(fā)應(yīng)用的混凝土有植被型混凝土和透水性混凝土。這類混凝土可改善居住環(huán)境，增加城市綠化空間，吸收噪聲和粉塵，調(diào)節(jié)城市空氣的溫度和濕度，對(duì)城市的生態(tài)平衡起著積極的作用。

二、高耐久性混凝土

普通混凝土的使用壽命并沒(méi)有人們當(dāng)初期望的那么長(zhǎng)久。在水工、港口及橋梁建筑中，許多混凝土結(jié)構(gòu)在建成后不久即出現(xiàn)材質(zhì)劣化，導(dǎo)致混凝土開裂、承載力降低甚至倒塌破壞，這與長(zhǎng)期只強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度而忽視耐久性有關(guān)。

提高混凝土耐久性行之有效的方法是添加外加劑。硅灰是生產(chǎn)鐵合金時(shí)的副產(chǎn)物，其粉末粒徑比煙灰還細(xì)。將這種粉末按水泥用量的10%加入混凝土中拌勻后，即會(huì)進(jìn)入水泥顆粒間的空隙，使混凝土更為致密提高強(qiáng)度，并可減少碳化。但是，因?yàn)檫@種材料呈微粉末狀態(tài)，施工時(shí)要特別注意。摻用時(shí)要增加單位用水量，故必須在使用的同時(shí)加入減水劑。添加硅酸鹽外加劑的混凝土可在一定程度上提高混凝土的耐久性，且可減輕施工地的海水、河水渾濁，此類混凝土在我國(guó)安徽的一些港口城市已有運(yùn)用。

近年來(lái)，國(guó)外研制出了以乙二醇醚衍生物為主體的混凝土外加劑，這種外加劑對(duì)提高混凝土的耐久性能具有良好的效果。它基本上不改變混凝土的強(qiáng)度；對(duì)混凝土的坍落度等工作性能影響不大；可以大幅度減少混凝土的干縮，提高混凝土的抗凍性能，同時(shí)，可使混凝土的滲水高度、碳化深度、氯離子滲人深度分別下降30%～40%。因此，利用這種外加劑可配制出高耐久性混凝土，應(yīng)用于某些對(duì)耐久性能有特殊要求的構(gòu)筑物中，尤其是在含有鹽分的水運(yùn)工程建筑物中，能夠取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

提高混凝土耐久性的真正有效的措施還是減少拌和用水量和增加水泥用量。因此，為了確?；炷聊途眯杂行У靥岣?，還得采用有減水效果的外加劑。

三、超高性能混凝土（UHPC）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土強(qiáng)度等級(jí)一直在不斷地提高，高強(qiáng)和超高強(qiáng)混凝土(60MP-140MPa)已經(jīng)成功地應(yīng)用于工程中。

（一）UHPC的配制原理。UHPC是一種高強(qiáng)度、高韌性、低孔隙率的超高強(qiáng)水泥材料。它的基本配制原理是：通過(guò)提高組分的細(xì)度與活性，不使用粗骨料，使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減到最少，以獲得超高強(qiáng)度與高耐久性。

UHPC所用材料與普通混凝土有所不同，其組成材料主要包括：水泥；級(jí)配良好的細(xì)砂；磨細(xì)石英砂粉；硅灰等礦物摻合；高效減水劑。當(dāng)對(duì)韌性有較高要求時(shí)，還需要摻人微細(xì)鋼纖維。

（二）UHPC的超高性能。相對(duì)于普通混凝土和高強(qiáng)混凝土而言，UHPC材料表現(xiàn)出極好的力學(xué)性能，如表1所示。

UHPC具有優(yōu)良的韌性。摻有微細(xì)鋼纖維的UHPC的斷裂能可達(dá)到20 000 ～ 40 000J/m2，與普通混凝土相比，抗折強(qiáng)度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，斷裂能高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

表1 不同混凝土的強(qiáng)度表

UHPC具有優(yōu)異的耐久性。UHPC的水膠比低，具有良好的孔結(jié)構(gòu)和較低的孔隙率，使其具有極低的滲透性、很高的抗有害介質(zhì)侵蝕能力和良好的耐磨性。表2為UHPC與其它幾種混凝土的耐久性比較。

表2 普通混凝土、HSC和UHPC的耐久性比較表

UHPC具有良好的總體經(jīng)濟(jì)效益。與普通混凝土或高強(qiáng)混凝土相比較，UHPC的單價(jià)偏高，特別是摻鋼纖維的UHPC，一次投資很大，目前只能用于一些不計(jì)較成本的結(jié)構(gòu)。但是在實(shí)際工程中，UHPC的應(yīng)用不僅可以減少構(gòu)件混凝土用量近三分之二，且結(jié)構(gòu)性能更好。UHPC的應(yīng)用還可以減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的配筋量，甚至可以完全取消鋼筋。與具有相同承載力的鋼結(jié)構(gòu)比較，UHPC結(jié)構(gòu)的成本也相對(duì)便宜。由于UHPC的耐久性好，使用壽命可以更長(zhǎng)，從全壽命成本來(lái)分析，其價(jià)格是可以接受的。

UHPC的運(yùn)用范圍較廣。根據(jù)UHPC的高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性等特點(diǎn)，UHPC在工程中的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

1.利用UHPC強(qiáng)度高的性質(zhì)，可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，獲得更多的使用空間。利用UHPC可以建造均變更長(zhǎng)、凈空更大的橋梁；可以減小高層建筑中底層柱子截面尺寸從而得到更多的使用面積。

2.利用UHPC高抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕的性質(zhì)可以制作輸油、輸氣管道以替代造價(jià)較高的大口徑厚壁鋼管，顯著提高管道的耐久性，降低成木。

3.利用UHPC的高抗?jié)B性，可制造中低放射性核廢料儲(chǔ)存整體容器。

4.用于軍事與安保領(lǐng)域，制造抗爆炸、抗沖擊裝置。

5.制作裝飾部件、隔聲屏障、錨錠等。

6.現(xiàn)場(chǎng)搶修、結(jié)構(gòu)加固等。

UHPC水泥材料是一種超高強(qiáng)、高耐久性的特種工程材料，在國(guó)防工程、海洋工程、核工業(yè)、特種保安、防護(hù)工程以及市政工程領(lǐng)域均有良好的應(yīng)用前景。目前批量化生產(chǎn)這種材料不成問(wèn)題，阻礙其廣泛應(yīng)用的主要障礙是其高昂的價(jià)格，其次是缺乏相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

四、自密實(shí)混凝土

自密實(shí)混凝土是一種具有優(yōu)異施工性能的混凝土，它保持了拌合物的高勻質(zhì)性和高粘聚性，能夠?yàn)閺?fù)雜結(jié)構(gòu)中的施工提供良好的技術(shù)解決途徑，同時(shí)是一種具有高流動(dòng)性和適當(dāng)粘度的混凝土，它能夠流過(guò)鋼筋填滿模板內(nèi)的所有空隙，在重力作用下自行密實(shí)。

（一）自密實(shí)混凝土的性能。自密實(shí)混凝土是基于混凝土的施工性能來(lái)分類和命名的，其某些性能類似于大流動(dòng)性混凝土和泵送混凝土，但又不完全相同。大流動(dòng)性混凝土通過(guò)增加水泥用量和用水量而使坍落度達(dá)到20cm左右，但是大流動(dòng)性混凝土的收縮裂縫較多，抗?jié)B性、耐久性較差，鋼筋也易于銹蝕，很容易被淘汰。用混凝土泵沿管道輸送和澆筑的混凝土，稱之為泵送混凝土。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較好的粘塑性、泌水性和不易分離性。自密實(shí)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動(dòng)性混凝土的施工性能，便于澆筑，成型時(shí)免于振搗，另一方面又要達(dá)到泵送混凝土的質(zhì)量，保證澆筑時(shí)不離析，硬化后不開裂，而且耐久性要好，所以它是一種新型的混凝土材料。

它是一種特殊的高性能混凝土，在澆注過(guò)程中無(wú)需振搗，只靠自重便可自由流淌，通過(guò)稠密鋼筋、填充復(fù)雜模型并保持自身均勻性和密實(shí)性，硬化后能滿足力學(xué)和耐久性要求。它通過(guò)膠結(jié)材料、粗細(xì)骨料、外加劑的選擇進(jìn)行配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使混凝土拌合物屈服值減小且又具有足夠的塑性粘度，粗細(xì)骨料能夠懸浮于水中不離析、不泌水，在不用或基本不用振搗的成型條件下，能充分填充所有空隙，形成密實(shí)而均勻的混凝土結(jié)構(gòu)。

（二）自密實(shí)混凝土的研究現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)對(duì)自密實(shí)混凝土的研究與應(yīng)用開始于上世紀(jì)90年代初期。1987年馮乃謙提出了流態(tài)混凝土概念，奠定了這一研究的基礎(chǔ)。2003年廣州西卡建筑材料公司天津分公司先后在天津和北京舉辦“高性能混凝土、自密實(shí)混凝土研討會(huì)”，推動(dòng)了津京地區(qū)自密實(shí)高性能混凝土的發(fā)展。此外，清化大學(xué)的廉慧珍教授、覃維祖教授、武漢工業(yè)大學(xué)的馬保國(guó)教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的巴恒靜教授、福州大學(xué)的鄭建嵐教授、中南大學(xué)的謝友均教授、山東建工學(xué)院的李志明教授以及江蘇建材研究院、天津市建筑科學(xué)研究院等對(duì)自密實(shí)混凝土都做了大量研究工作，促進(jìn)了我國(guó)自密實(shí)混凝土的發(fā)展。

（三）自密實(shí)混凝土的應(yīng)用。目前，自密實(shí)混凝土已廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)民用建筑、道路、橋梁、隧道、水下工程及預(yù)制構(gòu)件中。國(guó)內(nèi)也已有自密實(shí)混凝土用于特殊結(jié)構(gòu)施工報(bào)道，如大型爆炸洞、水工建筑物、窄徑深孔井樁、鋼管混凝土等。

自密實(shí)混凝土的出現(xiàn)很好地解決了普通混凝土發(fā)展過(guò)程中的各種問(wèn)題，又因大量摻合各種工業(yè)廢料有利于資源的綜合利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，做到了節(jié)能、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)。它不僅適應(yīng)了當(dāng)代混凝土工程超大規(guī)?；?fù)雜化的要求，而且為混凝土走向綠色化、高性能化提供了技術(shù)保障，是混凝土工藝的一次革命。

五、結(jié)語(yǔ)

混凝土材料是支持現(xiàn)代人生存、支持現(xiàn)代城市功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可缺少的物質(zhì)材料。綜上所述，本文介紹的新技術(shù)及成果在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果，為混凝土材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的發(fā)展空間，但有些方面發(fā)展還不成熟，有待更多的科研工作者及實(shí)踐操作人員繼續(xù)展開深入的研究探討，共同推動(dòng)混凝土材料的發(fā)展。