1 何謂高特設(shè)混凝土
混凝土材料自從l 9世紀(jì)30年代問世以來，盡管它的發(fā)展極其緩慢，但技術(shù)性能的改進亦有過三次重大的飛躍，第一次是上世紀(jì)中葉鋼筋混凝土的出現(xiàn)；第二次是本世紀(jì)30年代預(yù)應(yīng)刀混凝土的發(fā)明；‘第三次是本世紀(jì)60年代混凝土高效減水劑的使用；現(xiàn)在正面臨著第四次飛躍，即開展高特性混凝土研究。根據(jù)國外文獻報導(dǎo)：它是在一些發(fā)達國家推廣應(yīng)用高強混凝土?xí)r遇到施工問題或引起混凝土結(jié)構(gòu)損壞的環(huán)境條件下而提出來的。例如：在挪威。開發(fā)北海油田所采用的鉆探平臺，盡管使用了高強輕骨料混凝土，但仍遇到海水中含有腐蝕性介質(zhì)的侵蝕破壞，為此，在國際上首次將硅鐵合金冶煉過程中排出的粉塵——硅灰摻入到混凝土中，從而改善了高強輕骨料混凝土的耐腐蝕性能。由于高特性混凝土是在推廣應(yīng)用高強混凝土基礎(chǔ)上而提出來的，以往高強混凝土就是高特性混凝土一說，觀已為國外工程3技術(shù)界所否定。到底高特性混凝土的準(zhǔn)確涵義是什么，它具有那些性能？一些工業(yè)發(fā)達國家仍在探討之中。下面列舉出二個實例加以說明。美國聯(lián)邦公路管理局制定的戰(zhàn)略性公路研究計劃對高特性混凝土作出如下描述：混凝土最大的水灰比為9．35；按照ASTMC666方法A測定的最小耐久性系數(shù)為80％；最小的強度準(zhǔn)則2澆注后四小時為2lMPa，二十四小時為34MPa，二十八于為69MFa。表1列出了四個耐久性和四個強度參數(shù)指標(biāo)來衡量高特性混凝土長期特性準(zhǔn)則和試驗方法以及有害的現(xiàn)場條件下使用所推薦的相關(guān)性能。
美國混凝土協(xié)會對高特性混凝土給出的定義是2使用傳統(tǒng)的組份，正常的攪拌程序和典型的養(yǎng)護實踐一般不能取得符合特殊性能和統(tǒng)一要求的混凝土o這些要求包括2不影響強度的情況下容易澆注和固結(jié)；長期力學(xué)性能；高早期強度；韌性；體積穩(wěn)定性；在惡劣的環(huán)境下使用有較長的壽命。按照上述要求，下面列出了具體性能指標(biāo)：二十八天或五十六天齡期砼的抗壓強度為42一70 MPa，五十六天以上齡期砼的抗壓強度為70 一l 26MPa，18—24小時齡期砼抗壓強度為l 7．5—28MFa；大于45。5×103MPa的彈性 模量；能防護鋼材不被腐蝕，在其它惡劣的環(huán)境下使用具有防護能力；高工作度，可泵性和可修整性，中等范圍的流動度，其坍落度為l 5．2—29．3cm，流態(tài)砼其坍落度大于20．3cm而不離析，可降低泵送壓力，容易修整，冷天澆注具有正常的凝結(jié)時間，加速強度增長，低溫下不冰凍，熱天澆注能保持正常的坍落度并可控制水化；按照工程施工要求可延長凝結(jié)時間。
盡管上述二個機構(gòu)提出的定義和性能指標(biāo)有所差異，但歸納起來大體上可分為三類。第一類是材料本身的特性，如早期、后期強度，彈性模量等；第三類是不影響質(zhì)量情況下的施工性能，如流動性、可澆、可泵性等；第三類是在惡劣環(huán)境下的使用性能，如抗凍觸循環(huán)，耐剝落等。筆者認為；混凝土材料能預(yù)期達到三者兼得的良好性能，才是當(dāng)今工程技術(shù)界所追求的全新概念，亦是的年代末期許多工業(yè)發(fā)達．國家，如英國、日本、加拿大等國開展高特性混凝土研究的根本所在。
2 粗骨料在配制高特性混凝土中的作用及其檢測方法
一般來說，由于粗骨料占混凝土的體積為30—70％，它的特性對硬化混凝土將起到重要作用。然而，在配制普通混凝土?xí)r，人們?yōu)榱藵M足施工需要，采用超過水泥水化所需的理論水灰比，其結(jié)果混凝土內(nèi)部的游離水份在毛細管孔的作用—廠蒸發(fā)，從而在骨料之間形成薄弱的過渡界面區(qū)，加之骨料的強度遠遠大十水泥砂漿，在外力作用下，容易在此薄弱的過渡界面區(qū)破壞，因此，對于粗骨料的強度很少檢測。從一些工業(yè)發(fā)達國家所走的技術(shù)路線分析，在配制高特性混凝土?xí)r，無一不加入俗稱為第五組份的高效化學(xué)外加劑和活性sio 2含量(98％)很高的礦物附加劑。例如：冶煉硅鐵合金或金屬硅排出的粉塵，或磨細粉煤灰，．粒狀高爐礦渣。前者可將拌制混凝土的用水量降到接近或低于水泥水化理論水灰比范圍，后者由于其活性Si9。含量很高，在堿性激發(fā)條件下，能與水泥水化析出的Ca(oH)2起反應(yīng)，生成具有水硬1性質(zhì)的硅酸鹽膠體，降低了骨料顆粒鄰接界面的氫氧化鈣晶體的原度和空間排列，加之其顆粒粒徑非常細(o．1一o．5LLm)，比水泥顆粒小1—2個數(shù)量，它的加入填充了水泥顆粒之間的間隙，起到填充致密作用，改善了水泥石的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土材料的宏觀物理——力學(xué)性能(強度、彈性模量、抗?jié)B性、耐久性等)o由于骨料之間界面性能的改善并能與粗骨科強度相匹配，當(dāng)混凝上棱柱體抗壓強度高于C80時，粗骨料強度將起到控制混凝土強度的關(guān)鍵作用，這已為國外不少試驗研究工作所證實。為此，一方面人們仿效人造輕骨料配制輕混凝土的技術(shù)路線，用人造方法生嚴(yán)高強骨料取代天然骨料配制高特性混凝土；另一方面探索粗骨料強度檢測方法。從理論上說，粗骨料的抗壓強度可直接從整塊巖石切取的立方體或圓柱體試件進行檢測。因為送到預(yù)拌混凝土工廠的粗骨料是堆聚粒狀顆粒，未必能獲取特定的立方體或圓柱體試件。此外，大多數(shù)巖石均具有本身的特征J而且由單一或多種礦物組成，知道了某種巖石的強度未必能很好地評定骨料強度。從國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，目前采用的均屬定性檢測方法。例如：采用比重、吸水率、硬度、磨損率等，如果骨料的吸水率很高或比重很低，表明此種骨料有很高的滲透性空洞，因而其抗壓強度很差。定性方法只說明總的趨勢，未必能反映出這些物理量與骨料的強度之間有很好的相關(guān)性。另一種方法是由臺灣學(xué)者張?zhí)?T a—Pe．ng Cha．ng)提出的定量簡單評估法。此種方法是建立在顆粒力學(xué)理論基礎(chǔ)上并通過平均應(yīng)力矢量推導(dǎo)出適用于粗骨料強度計算的通用公式：
ð22=PH/V
F——作用在垂直方向上的集中荷載
k一一作用力二點之間的距離
V——顆粒的體積
如果顆粒是不規(guī)則的形狀或箱形棱柱體、圓桂體，上式可改寫成下式，如果顆粒是不規(guī)則的外形，只要定出荷載作用平面的距離(可用金剛鋸切取)，用阿基米德原理(Archi medef s Prin ciple)測出顆粒的體積，即可通過上式計算出抗壓強度值。為了驗證上述公式的可靠性，他還選擇了四種不問礦場的骨料TA(破碎礫石)，TB(破碎礫石)，TC(破碎礫石)，TD(破碎建筑磚)進行定性分析和混凝土強度檢測，其結(jié)果見表2—4。
表2列出的四種骨科抗壓強度值是通過公式計算所得(二個相對加荷點之間的高度定為16mm，體積用阿基米德原理測出，全部骨料在5噸的壓力機上完成抗壓強度試驗)。這一結(jié)果說明：TA和TB是質(zhì)量等級最好的粗骨科。從混凝土抗壓強度試驗結(jié)果亦說明；用質(zhì)量等級最好的粗骨科TA和TB配制的混凝土，其抗壓強度也越高，相比之下，骨科強度提高大約55％，混凝土強度也相應(yīng)提高47％。張氏所提出的顆粒平均應(yīng)力概念能定量地評定任意多角型骨料，包括尖角棱邊的破碎碎石抗壓強度，這將為今后發(fā)展高強或高特性混凝土提供了直觀、省時有效的方法。
3 在我國發(fā)展高特性混凝土的初淺分析
正如前述，高特性混凝十是在高強混凝土推廣應(yīng)用基礎(chǔ)上提出來的，因此，高強混凝土是發(fā)展商特性混凝土不可逾越的階段。改革開放l 0多年來，我國土建工程中所使用的混凝土抗壓強度已有大幅度提高，由以往C20—C25普遍提高到C 35一C459C69混凝土已成功地實際應(yīng)用于沈陽、廣州、深圳等一些高層建筑中。為此，國家建設(shè)部已將高強混凝土列入九．五期間十大重點推廣應(yīng)用項目之一，國家建樹局也把高特性混凝土列入“九．五”科技攻關(guān)計劃中。然而，不容否的事實是，由于我國經(jīng)濟落后，基礎(chǔ)差，認目前砼年用量仍然低于80年代初期世界年·人平均水平，與一些工業(yè)發(fā)達國家相比，總體水平還存在不少差距，為有利于這一計劃和目標(biāo)的實現(xiàn)，筆者提出幾點粗淺分析意見；
3．1推動商品混凝土工業(yè)發(fā)展，為加速高持性混凝土研究開發(fā)進程奠定工業(yè)基礎(chǔ)
任何新嚴(yán)品的問世，均離不開當(dāng)時的工業(yè)基礎(chǔ)和條件。在我國混凝土生產(chǎn)長期處于分散落后的現(xiàn)場拌制方式，這將制約混凝土配制技術(shù)水平的提高，非但浪費了原材料，而且?guī)憝h(huán)境污染問題。始于70年代前期，在首都北京建起了一批混凝土預(yù)拌站，從而結(jié)束了我國落后的生嚴(yán)力式，并在此推動下，80年代中期，沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)如天津、上海、常州、廣州等地相繼建成了—批規(guī)模不一的混凝土預(yù)拌站，目前已在40多個城巿推廣應(yīng)用o 1985年年設(shè)計、生產(chǎn)能力達3000多萬立方米，而實際年產(chǎn)量只達到設(shè)計生產(chǎn)能力的50％。新近在我省佛山、江門和重慶市城區(qū)制定出相應(yīng)限制現(xiàn)場攪拌的技術(shù)法規(guī)，很難想像如果沒有這些雛形的混凝土預(yù)拌站的話，混凝土強度怎能不斷地得到提高，進而達到監(jiān)控混凝土具有多種功能的目的呢？因此，國家成地方建設(shè)主管部門對我國商品混凝土工業(yè)的發(fā)展應(yīng)作出規(guī)劃，明確目標(biāo)，逐步推進，才能跟上工業(yè)發(fā)達國家的步伐，使這種多功能的結(jié)構(gòu)材料真正在我國土建工程中發(fā)揮它的作用。
3.2綜合各種因素，多渠道開辟高活性硅質(zhì)材料來源，為它的發(fā)展奠定物質(zhì)基礎(chǔ)
縱觀一些工業(yè)發(fā)達國家所走過的歷程，無論是高強混凝土或高特性混凝土的研制與應(yīng)用，均是嚴(yán)格地選擇原材料而不是通過施工技術(shù)的變革實現(xiàn)的。其中高效化學(xué)外加劑和活性sio 2含量很高的礦物附加劑使用是必不可少的。就以后者而言，目前國際上普遍采用金屬硅或硅鐵合金冶煉過程中排出的粉塵(簡稱：硅灰或硅粉)，有些國家如澳大利亞因資源缺乏不惜高代價從挪威輸入硅粉開展試驗研究工作。加之此種粉狀材料細度小，重量輕，給運輸、操作和使用帶來困難，可從二個方面著手解決這一問題。一方面將松散密度大約200kg／m3的原狀硅粉經(jīng)處理后成致密粒狀(密度50 O一600k6／m3)、或用水調(diào)成懸浮漿液(水：硅粉＝1：1重量比)，或用水預(yù)濕、成球，然后與水泥熟料一起粉磨成為硅粉水泥；另一方面，尋找其它代用材料如美國芝加哥混凝土材料服務(wù)公司研制出高活性亞高嶺土，它可代替硅粉配制出高強混凝土，其效果可與硅粉相媲美。但高嶺土需除去雜質(zhì)，高溫煅燒，細磨成小于2Pm的粉末才可使用。我國不．是盛產(chǎn)硅粉的國家，我省雖有二間較具規(guī)模的鐵合金廠，均因資金短缺無法改變收塵方式而將它排放到大氣中。個別單位開展這方試驗工作只能從山西、青海等地購買硅粉，但材料長距離運輸是劃不來的。更何況我國幅員遼闊，資源分布各界，因此，應(yīng)綜合考慮資源、運輸、成本等多種因素，開辟多渠道高活性硅質(zhì)材料來源，才能達到預(yù)期的目的和效果。
3.3政策上應(yīng)給予必要的扶持，才能使它健康、穩(wěn)妥地向前發(fā)展
高特性混凝土在國外已進入到，實際應(yīng)用階段，根據(jù)國外情況，無論是高強或高特性混凝土，普遍摻入占水泥用量l0％左右的硅粉。如按目前我國硅粉的最低售價為l 500元／t，每立方米高強混凝土的水泥用量為550kg計，僅此一項每立方米混凝土的成本就增加82。5元。如果考慮預(yù)拌混凝土設(shè)備投入折舊、管理以及化學(xué)外加劑的使用，其費用增加則更為可觀?，F(xiàn)階段我國仍然是一個經(jīng)濟落后、工業(yè)基礎(chǔ)并不雄厚的發(fā)展中國家，就像其它新型材料推廣應(yīng)用的情況一樣，必然受到經(jīng)濟因素的制約。尤其是我國正處于由計劃經(jīng)濟逐步轉(zhuǎn)入市場經(jīng)濟過程中，人們往往采用直觀的材料價格進行對比，而不考慮使用新型材料后給工程帶來的效果。因此，在我國目前經(jīng)濟條件下，無論推廣應(yīng)用高溫混凝土或研制高特性混凝土，均應(yīng)在經(jīng)濟政策上給予積極扶持相鼓勵，才能使這種新型結(jié)構(gòu)材料——高特性混凝土沿著正確軌道穩(wěn)步地向前發(fā)展。
