在現代混凝土技術中已經形成了一支以不同的目的被發(fā)展的獨特的混凝土行列——特種混凝土。在這些不同的目的要求下導致了混凝土的加工方式、建筑方法以及達到強度后凝固混凝土的特性發(fā)生了變化。對于特種混凝土一般被分為以下八大類別：
高強度混凝土；纖維混凝土；輕型混凝土；自密實式混凝土；外觀混凝土；防輻射混凝土（重混凝土）；濕地混凝土；水下混凝土。由于篇幅有限在這里將著重介紹高強度混凝土（high-strength concrete）、纖維混凝土（fiber concrete）和輕型混凝土（lightweight concrete），其他特種混凝土作簡略介紹。
1.高強度混凝土由來
1.1按照德國工業(yè)規(guī)范的定義（DIN1045）強度等級在C60/75至C100/115的混凝土被視為高強度混凝土，（對于輕型混凝土強度等級在LC55/60至LC80/88的輕型混凝土也視為高強度輕型混凝土。）高強度混凝土首先被采用由于那些經濟性的考慮，比如可以節(jié)省在高強度要求下的壓應力分布鋼筋等。隨著時間的發(fā)展混凝土強度的發(fā)展得到了長足的進步。在德國高強度混凝度1990年被首次應用在高層建筑上。高強度混凝土的應用首先是為了滿足高標準要求下的壓力分布，像高層建筑的支撐和墻或者是大門的轉接部位，其他應用的高強度混凝土在橋梁中也有涉及。
1.2 組成成分
高強度混凝土的強度從60N/mm²到100 N/mm²被標記，為了能達到這樣的強度必須使水灰比（W/Z）保持在0.4以下并且加入火山灰附加物、飛灰、二氧化硅微粒以及流動介質。所有符合要求的水泥應優(yōu)先考慮強度等級在C42.5至C52.5的水泥，具體要求可參看（DIN EN 197）歐洲工業(yè)標準 197款執(zhí)行。
1.2.1二氧化硅粉末
二氧化硅粉末的加入保證了混凝土強度等級高于C70/85.然而卻加大了加工的難度并提高了混凝土的收縮范圍。二氧化硅作為懸浮物被加入，其質量占水泥含量最大不超過的11%。微粒的大小大約在0.05-0.5μm,其大小比水泥顆粒精細50到100倍。二氧化硅粉末不僅提高了混凝土的密度而且也提高了混凝土的極終強度。高精的二氧化硅微粒降低了可滲透性，但對于它的大表面積也提高了水的需求量。
1.2.2飛灰
飛灰的顆粒大小是與水泥大小相當（1-100μm）。與水泥相比飛灰有理想的顆粒級配分布，顆粒大多是圓球形。它的存在改善了和易性并且降低了水化熱的發(fā)展。雖然它的加入對于混凝土極終強度的提高不如二氧化硅微粒那樣明顯。
1.2.3骨料
相關骨料應該選用哪些圓形的、有很高顆粒強度的、吸水性低的，有粘性的最精細的成分來應用，其中沙子的選擇應該選用顆粒直徑低于0.25mm的品種，
1.2.4流動介質
流動介質。一般流動介質的原材料成分有主要四種，磺化木漿、磺化萘、磺化三聚氰胺和聚合羧酸鹽。它的主要作用是：
——降低水需求量
——在相同水含量下改善和易性
——減少了稠度下降的影響
——降低了拌和水量
——改善了混凝土的內聚力
高性能的流動介質在高強度混凝土生產中是不可或缺的。其投入數量被限制在70g/kg水泥。為了延長其較好的和易性，流動介質在添加時必須被準確計量并且在投入的時間點上也分為在成品混合時馬上添加和現場工地預制時后添加兩種情況。除了在高強度混凝土用流動介質外，在制造流動混凝土和自密實式混凝土時也會用到流動介質。它的投入使混凝土的水灰比（W/Z）下降，并且增加了高強度混凝土的所追求的強度等級。
1.2.5 塑料纖維
塑料纖維的使用原則上不會增加混凝土的強度但是會降低在火災中高強度混凝土的破損風險，從而降低其防火等級。目前在實驗中被確認的塑料纖維物質中主要有聚丙烯（PP）。加入占體積0.1%—0.3%的聚丙烯。聚丙烯的作用方式是當溫度從87攝氏度開始聚丙烯體積收縮至原來的42%。通過體積的縮小在混凝土縫隙中就形成了中空的空間，進而使保證了蒸發(fā)的水在火災中有足夠的空間膨脹，從而在火災中降低了孔隙水壓力并避免了大面積的混凝土錯位。
然而纖維的投入改變了混凝土的稠度，降低了混凝土的稠度等級。不但如此纖維還使強度等級下降了5%。因此它也要在實際應用中提前計算出來。
1.3高強度混凝土特性的變化
除了強度有別于普通混凝土，高強度混凝土在下列特性下也有所區(qū)別：
高強度混凝土： 和易性減弱、水化熱發(fā)展降低、收縮度減小、密度增強、抗化學腐蝕能力增強、防腐蝕性加強、抵抗霜露增強、抗磨損性減弱。
高強混凝土的承載能力顯著區(qū)別于普通混凝土，通過加入二氧化硅粉末和流動介質使它產生了很高的包裝密度，它主要通過二氧化硅的反應展示出很高的強度。它的斷裂主要來自骨料的斷裂并且突然發(fā)生。高強度混凝土是沒有斷裂征兆的近脆性物質，當然在追求高強度的同時也犧牲了混凝土的韌性。
1.4 高強度混凝土的成本
建筑設施的經濟性和可持續(xù)性在今天扮演者十分重要的角色。在高強度混凝土中材料成本占去了總成本的30%-60%。與普通混凝土相比高強度混凝土提高了本身價格。因為在高強度混凝土生產中高標準的水泥以及二氧化硅粉末和流動介質的添加甚至到纖維和特殊骨料的投入都是必不可少的。其他提高高強度混凝土成本的因素還有復雜的現場加工和為保證質量的加強措施等。盡管提高了成本但是依靠出色性能高強混凝土還是有很強的可替代性，在工業(yè)建筑和基礎設施中正扮演者越來越多的角色。
2. 纖維混凝土
2.1纖維混凝土的歷史
在混凝土和砂漿中加入纖維的這種想法不是從最近20年才開始的。早在古埃及時就使用一種纖維筋，在這里面被絞碎的秸稈被放入到被風干的粘土中，以致于易脆的粘土具有了一定的拉力強度。中世紀在建筑煙囪時砂漿放入了動物毛發(fā)，目的是用以防止溫度起伏時而產生相應的裂縫。在20世紀初很多抹灰中被加入了小牛毛發(fā)用以防止收縮裂縫。在1918年通過摻入長鋼纖維用以改善混凝土拉應力強度的方法被申報了專利。自從九十年代開始纖維混凝土在所有領域廣泛得到應用。
纖維混凝土應該服務于影響和改善以加筋或不加筋的混凝土為目標的混凝土技術特性的增強，他的任務不是取代鋼筋混凝土，纖維混凝土的技術特性主要依賴于以下因素：
--纖維的拉應力強度
--纖維的長度和形式
--纖維的定向和相同的分布
--混凝土的組成成分
--纖維的含量
2.2纖維分類和特性
纖維基本上被分為有機纖維和無機纖維，對于無機纖維主要有鋼、玻璃、碳、碳化硅、和硅酸鋁。對于有機纖維的生產主要涉及多種塑料比如像聚丙烯（PP）、聚乙烯醇、聚酯、聚芳酰胺和天然纖維比如大麻、劍麻和羊毛等。脆性纖維在裂縫的連續(xù)發(fā)展上易帶來缺陷，特別是在彎矩不能夠畫出完整的應力分布的區(qū)域。因此盡量避免使用。在表格2.2中不同纖維混凝土類型的各種特性值被詳細介紹。
Tab 2.2不同纖維混凝土類型的各種特性值
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纖維類型 |
密度 （g/mm²） |
拉力強度 （N/mm²） |
彈性模量 （N/mm²） |
斷裂膨脹 （‰） |
抗堿性 |
最大溫度 （℃） |
截面尺寸 （mm） |
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鋼纖維 |
7.8 |
500-2600 |
200000 |
5-35 |
明顯改善 |
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100-500 |
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一般玻璃纖維 |
2．6 |
2000-4000 |
75000 |
20-35 |
|
800 |
8-15 |
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碳纖維 |
1.6 |
550-750 |
30000-32000 |
20 |
明顯改善 |
3000 |
15 |
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高強碳纖維 |
1.9 |
2600 |
230000 |
10 |
明顯改善 |
3000 |
9 |
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聚丙烯 |
0.98 |
450-700 |
7500-12000 |
60-90 |
明顯改善 |
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|
聚芳酰胺 |
1.4 |
2700-3600 |
70000-130000 |
21-40 |
無改變 |
400-600 |
12 |
2.3纖維混凝土的組分
纖維混凝土區(qū)別于素混凝土原因在于加入了相對短小的纖維物質。由于纖維的摻入而使混凝土的力學性質發(fā)生改變。通過應用合適的纖維種類可以達到如下效果：
--提升抗拉和抗彎強度
--提升延展性
--避免裂縫產生
--提升打擊強度
--提高斷裂膨脹度
--增強耐久性
--提升抵抗動力荷載的能力
經試驗測定。在纖維混凝土應用上含量在總體積中0.5-2.5%的（最少質量在20kg/m³）鋼纖維與水灰比（W/Z）在0.4-0.5還有同大顆粒在16mm的一般混凝土以及顆粒在8mm的噴射混凝土一起在工程中得到使用。玻璃纖維混凝土的含量被控制在總體積的2-5%與水灰比（W/Z）在0.35-0.5以及與4mm骨料一起使用可以很好的提高抗拉和抗拉強度。對于塑料纖維混凝土可以按照追求的某一特性要求改善纖維的含量。碳纖維混凝土含量在0.1-1.0%可以有效的降低收縮裂縫傾向，在含量1.0-3.5%可以提高抗拉和抗彎強度，含量在1.0-2.0%可以提高抗沖擊能力，含量在0.5-3.5%可以改善基本強度。
2.4硬化后混凝土的基本屬性
表格2.4列舉了經試驗測試的鋼纖維、玻璃纖維和塑料纖維混凝土的特性改變
Tab.2.4 由于投入纖維而發(fā)生改變的混凝土特性
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纖維混凝土 的力學特性 |
鋼纖維混凝土 |
玻璃纖維混凝土 |
塑料纖維混凝土 |
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生混凝土密度 |
無變化 |
變小 |
無變化 |
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空氣孔隙含量 |
輕微提高 |
提高 |
提高 |
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稠度 |
變硬 |
變硬 |
變稠 |
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壓力強度 |
無變化 |
無變化 |
無變化 |
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抗拉強度 |
無變化 |
提高 |
無變化 |
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分裂拉力強度 |
提高 |
提高 |
提高 |
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后期裂縫拉力強度 |
提高 |
提高 |
提高 |
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抗沖擊能力 |
提高 |
提高 |
提高 |
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裂縫形成 |
提高 |
提高 |
提高 |
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收縮和徐變 |
無變化 |
無變化 |
無變化 |
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抗霜凍能力 |
無變化 |
提高 |
提高 |
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耐久性 |
提高 |
提高 |
提高 |
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火災抑制 |
無變化 |
提高 |
提高 |
3．輕混凝土
3.1 何為輕型混凝土
一般來說，當它的干燥密度低于2000 kg/m³時就被叫做輕混凝土了。輕混凝土的問世彌補了一般混凝度的缺點，具有較低的密度和較好的隔熱性。與一般混凝土相比顯著減少的密度通過有目的地在混凝土中帶入了很多的空隙作用的結果。這要么是加入了多孔性輕輔料的結果要么就是通過在水泥排列矩陣中使其產生中空的結果。
3.2結構
一般輕型混凝土有三種空隙結構，分別是：
（1）顆?？障督Y構—一般混凝土的閉合縫隙被保留致使大密度顆粒被多空的輕型附加顆粒代替。
（2）矩陣排列空隙結構——矩陣型粘合物被吹泡或吹漲。
?。?）蜂窩狀空隙結構——閉合的縫隙通過降低精細顆粒并加入多空性的結合物。
多孔性直接影響著混凝土的密度和熱傳導性，孔隙度越高，混凝土就越輕并且熱傳導性就越低。
3.3分類應用
輕型混凝土從承載的材料到有微小強度的輕型元素在建筑領域可以看到不同的應用。原則上輕型混凝土按照其密度被分為結構型輕混凝土、隔熱結構型輕混凝土、超輕型混凝土。見圖表3.3給出了這三種輕質混凝土及其簡單特性的概況表
Tab.3.3三種輕型混凝土的分類及概況
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輕混凝土類型 |
應用舉例 |
添加形式 |
粗密度 kg/m³ |
抗壓強度 （N/mm²） |
熱傳導系數 （W/mK） |
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結構型輕混凝 土 |
鋼筋混凝土和 應力混凝土 |
膨脹陶土 膨脹石板 |
1300-2000 |
15-55 |
0.50-1.30 |
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隔熱結構型 輕混凝土 |
高層建筑的 墻和屋頂 |
多孔隙混凝 土 |
800-1300 |
2-15 |
0.20-0.50 |
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超輕型混凝土 |
平屋頂的隔熱 隔絕混凝土 |
膨脹云母 木屑、泡沫 |
200-800 |
0.2-2 |
0.05-0.20 |
4.自密實式混凝土（self-compacting concrete）
4.1自密實式混凝土興起
自密實式混凝土大概在20年前在日本首次得到應用。它是鑒于其混凝土生料具有高性能的一種混凝土。它是一種沒有外來密封能量作用的只依靠自身重力流動的一般混凝土。這種混凝土可以自行排出空氣并自行密實。由于它很強的流動能力此種混凝土可以完全填滿模板并且制造出很光滑的表面。其后期特性與一般混凝土相當，只是混合過程的設計較為復雜。
4.2組成成分
自密實式混凝土的特色是利用它很重要的流變屬性和粘滯性。對于此種流體必須使流動界限變小，也就是說必須使骨料的離析傾向、沉淀以及懸浮量達到最小。由此一種可達到的高標準措施對于粘滯性必須得到體現。此種要求通過以下三種方法被達到：
——增加粉末顆粒含量
——加入穩(wěn)定劑附加物
——均勻協調此二者
4.2.1流動介質
在高強度混凝土中曾經談到流動介質，在這里一種合適的介質對于自密實式混凝土也是必不可少的，這里他的主要成分以聚合羧酸鹽（Polycarboxylate）為主。它的應用可以降低表面應力，增強電離排斥力從而保證了懸浮物的散凝作用。
4.2.2穩(wěn)定劑
為了防止自密實式混凝土發(fā)生離析，可以放入一種俗稱的穩(wěn)定物質。它可以保持混凝土比較低的流動性并保持其粘滯性達到一種穩(wěn)定區(qū)間。一般的穩(wěn)定劑分有機和無機。有機材料有甲基纖維素（methylcellulose）、多糖（polysaccharide）。無機物主要有熔渣和飛灰。
4.3優(yōu)缺點
自密實式混凝土如下所示：
優(yōu)點： 缺點：
——全部填充模板 ——十分敏感
——相同同質性 ——較高的材料成本
——有很好的加固度 ——較高的模板壓力
——表面無空隙和縮孔 ——流變屬性十分依賴于溫度
——較好地表觀質量 ——持久性還有待研究
——無需密封工作 ——尚未標準化
自密實式混凝土于傳統(tǒng)混凝土相比具備很多優(yōu)點。但是目前還只存在在一些小型建筑中，究其原因主要是由于其變形和耐久度還有待進一步研究以及傳統(tǒng)經驗的局限。自行密封式混凝土在各國發(fā)展不一，在日本和德國被部分采用但是在荷蘭自密實混凝土被廣泛應用，在荷蘭從一般建筑物到建筑構件場都普遍采用了自密實混凝土。可以預見隨著其變形持久性研究的進一步揭開自密實混凝土會得到廣泛的認同和大規(guī)模標準化應用。
5．外觀混凝土
顧名思義外觀混凝土是表面可保留事先設定的表觀的一種混凝土。其主要目標是產生出光滑明麗的表面效果。對于外觀混凝土精確地表面質量的評價是比較困難的。因為每個建筑商所要求的美學效果不甚相同。一般外觀混凝土按照不同的形式結合成三類：
——表面無加工的只顯示模板結構的混凝土
——經機械加工的混凝土表面（通過沖刷或噴砂）
——加刷薄涂層的混凝土表面
需要指出的是在外觀混凝土的制作中有時要加入一些特制水泥、骨料和涂料，在它們被投入、密封和后期養(yǎng)護時尤其要格外注意。
6.防輻射混凝土
在核技術設施的建造方面為了屏蔽放射性照射或者增強建筑抵抗照射的能力時，防輻射混凝土派上了用場。大多數情況下防輻射混凝土是添加了重附加物的重混凝土，所以也稱重混凝土。它提高了混凝土的粗密度和顯著加大了含水量。只有如此它才能在溫度從400℃通過水化產品的排水作用降到室溫.從而在高溫下通過顯著的烘干效應在核原子周圍的混凝土才能實現遮蔽效果。因此防輻射混凝土中必定要加入具有結晶水成分的添加物比如（褐鐵礦石、含硼物質）。此外混凝土添加物的遮擋元素也按照等級被分類，具體的標準可以參看德國工業(yè)規(guī)范（DIN）第25413款。因此只有掌握了遮擋元素的選擇和控制住高含水量防輻射混凝土才能被準確的計算并設計出來。
7.水下混凝土，濕地混凝土
表格7.1簡單介紹其它特種混凝土的應用和特性
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分類 |
應用領域 |
特性 |
目標 |
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水下混凝土 |
水中礦坑、橋墩、在地下水力 的大孔樁、港口路面 |
高抗?jié)B性，流動稠度、高抗 化學腐蝕性 |
反離析裝配、自行密實、防水 的 |
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濕地混凝土 |
混凝土管、走道板、混凝土 瓦片 |
低水灰比，具有基礎強度 |
很高的抗霜露能力、早期脫模 |
Tab7.1 簡介水下混凝土和濕地混凝土
除了以上淺析的八種特種混凝土外，還有在隧道工程中應用的噴射混凝土和隔音環(huán)境下的特殊混凝土以及高防火等級要求的高性能混凝土也被研發(fā)出來并得到了應用。目前特種混凝土的發(fā)展也是方興未艾。但是由于缺乏統(tǒng)一的標準，特種混凝土的發(fā)展也受到了限制，盡管在某些國家內和行業(yè)間就某些特種混凝土的標準也達成了共識，但距離共同的技術推廣還有待時日，相信隨著國際化和行業(yè)交流的深入發(fā)展特種混凝土必會迎來美好的明天。
