浅析国外特种混凝土的发展应用.doc

浅析国外特种混凝土的发展应用随着现代技术工业化的迅猛发展，混凝土的种类得到了不断细化在建筑成品技术的不断扩展前提下，我国及国外逐渐发展出了适应不同环境和目的要求的特种混凝土，笔者以在德国建筑材料研究所（IBMB）工作的亲身经历争取以较短的篇幅向广大读者介绍国外特种混凝土的主要分类、组成结构、力学特征、优缺点以及主要应用前景在现代混凝土技术中已经形成了一支以不同的目的被发展的独特的混凝土行列 ——特种混凝土在这些不同的目的要求下导致了混凝土的加工方式、建筑方法以及达到强度后凝固混凝土的特性发生了变化对于特种混凝土一般被分为以下八大类别：高强度混凝土；纤维混凝土；轻型混凝土；自密实式混凝土；外观混凝土；防辐射混凝土（重混凝土）；湿地混凝土；水下混凝土由于篇幅有限在这里将着重介绍高强度混凝土（high-strength concrete）、纤维混凝土（fiber concrete）和轻型混凝土（lightweight concrete），其他特种混凝土作简略介绍1.高强度混凝土由来1.1 按照德国工业规范的定义（DIN1045）强度等级在 C60/75 至 C100/115 的混凝土被视为高强度混凝土，（对于轻型混凝土强度等级在 LC55/60 至 LC80/88 的轻型混凝土也视为高强度轻型混凝土。

高强度混凝土首先被采用由于那些经济性的考虑，比如可以节省在高强度要求下的压应力分布钢筋等随着时间的发展混凝土强度的发展得到了长足的进步在德国高强度混凝度 1990 年被首次应用在高层建筑上高强度混凝土的应用首先是为了满足高标准要求下的压力分布，像高层建筑的支撑和墙或者是大门的转接部位，其他应用的高强度混凝土在桥梁中也有涉及1.2 组成成分高强度混凝土的强度从 60N/mm²到 100 N/mm²被标记，为了能达到这样的强度必须使水灰比（W/Z）保持在 0.4 以下并且加入火山灰附加物、飞灰、二氧化硅微粒以及流动介质所有符合要求的水泥应优先考虑强度等级在 C42.5 至 C52.5 的水泥，具体要求可参看（DIN EN 197）欧洲工业标准 197 款执行1.2.1 二氧化硅粉末二氧化硅粉末的加入保证了混凝土强度等级高于 C70/85.然而却加大了加工的难度并提高了混凝土的收缩范围二氧化硅作为悬浮物被加入，其质量占水泥含量最大不超过的11%微粒的大小大约在 0.05-0.5μm,其大小比水泥颗粒精细 50 到 100 倍二氧化硅粉末不仅提高了混凝土的密度而且也提高了混凝土的极终强度高精的二氧化硅微粒降低了可渗透性，但对于它的大表面积也提高了水的需求量。

1.2.2 飞灰飞灰的颗粒大小是与水泥大小相当（1-100μm）与水泥相比飞灰有理想的颗粒级配分布，颗粒大多是圆球形它的存在改善了和易性并且降低了水化热的发展虽然它的加入对于混凝土极终强度的提高不如二氧化硅微粒那样明显1.2.3 骨料相关骨料应该选用哪些圆形的、有很高颗粒强度的、吸水性低的，有粘性的最精细的成分来应用，其中沙子的选择应该选用颗粒直径低于 0.25mm 的品种，1.2.4 流动介质流动介质一般流动介质的原材料成分有主要四种，磺化木浆、磺化萘、磺化三聚氰胺和聚合羧酸盐它的主要作用是：——降低水需求量——在相同水含量下改善和易性——减少了稠度下降的影响——降低了拌和水量——改善了混凝土的内聚力高性能的流动介质在高强度混凝土生产中是不可或缺的其投入数量被限制在 70g/kg水泥为了延长其较好的和易性，流动介质在添加时必须被准确计量并且在投入的时间点上也分为在成品混合时马上添加和现场工地预制时后添加两种情况除了在高强度混凝土用流动介质外，在制造流动混凝土和自密实式混凝土时也会用到流动介质它的投入使混凝土的水灰比（W/Z）下降，并且增加了高强度混凝土的所追求的强度等级1.2.5 塑料纤维塑料纤维的使用原则上不会增加混凝土的强度但是会降低在火灾中高强度混凝土的破损风险，从而降低其防火等级。

目前在实验中被确认的塑料纤维物质中主要有聚丙烯（PP）加入占体积 0.1%—0.3%的聚丙烯聚丙烯的作用方式是当温度从 87 摄氏度开始聚丙烯体积收缩至原来的 42%通过体积的缩小在混凝土缝隙中就形成了中空的空间，进而使保证了蒸发的水在火灾中有足够的空间膨胀，从而在火灾中降低了孔隙水压力并避免了大面积的混凝土错位然而纤维的投入改变了混凝土的稠度，降低了混凝土的稠度等级不但如此纤维还使强度等级下降了 5%因此它也要在实际应用中提前计算出来　　1.3 高强度混凝土特性的变化除了强度有别于普通混凝土，高强度混凝土在下列特性下也有所区别：高强度混凝土： 和易性减弱、水化热发展降低、收缩度减小、密度增强、抗化学腐蚀能力增强、防腐蚀性加强、抵抗霜露增强、抗磨损性减弱高强混凝土的承载能力显著区别于普通混凝土，通过加入二氧化硅粉末和流动介质使它产生了很高的包装密度，它主要通过二氧化硅的反应展示出很高的强度它的断裂主要来自骨料的断裂并且突然发生高强度混凝土是没有断裂征兆的近脆性物质，当然在追求高强度的同时也牺牲了混凝土的韧性1.4 高强度混凝土的成本建筑设施的经济性和可持续性在今天扮演者十分重要的角色在高强度混凝土中材料成本占去了总成本的 30%-60%。

与普通混凝土相比高强度混凝土提高了本身价格因为在高强度混凝土生产中高标准的水泥以及二氧化硅粉末和流动介质的添加甚至到纤维和特殊骨料的投入都是必不可少的其他提高高强度混凝土成本的因素还有复杂的现场加工和为保证质量的加强措施等尽管提高了成本但是依靠出色性能高强混凝土还是有很强的可替代性，在工业建筑和基础设施中正扮演者越来越多的角色2. 纤维混凝土2.1 纤维混凝土的历史在混凝土和砂浆中加入纤维的这种想法不是从最近 20 年才开始的早在古埃及时就使用一种纤维筋，在这里面被绞碎的秸秆被放入到被风干的粘土中，以致于易脆的粘土具有了一定的拉力强度中世纪在建筑烟囱时砂浆放入了动物毛发，目的是用以防止温度起伏时而产生相应的裂缝在 20 世纪初很多抹灰中被加入了小牛毛发用以防止收缩裂缝在1918 年通过掺入长钢纤维用以改善混凝土拉应力强度的方法被申报了专利自从九十年代开始纤维混凝土在所有领域广泛得到应用纤维混凝土应该服务于影响和改善以加筋或不加筋的混凝土为目标的混凝土技术特性的增强，他的任务不是取代钢筋混凝土，纤维混凝土的技术特性主要依赖于以下因素： --纤维的拉应力强度--纤维的长度和形式--纤维的定向和相同的分布--混凝土的组成成分　　--纤维的含量2.2 纤维分类和特性纤维基本上被分为有机纤维和无机纤维，对于无机纤维主要有钢、玻璃、碳、碳化硅、和硅酸铝。

对于有机纤维的生产主要涉及多种塑料比如像聚丙烯（PP）、聚乙烯醇、聚酯、聚芳酰胺和天然纤维比如大麻、剑麻和羊毛等脆性纤维在裂缝的连续发展上易带来缺陷，特别是在弯矩不能够画出完整的应力分布的区域因此尽量避免使用在表格 2.2 中不同纤维混凝土类型的各种特性值被详细介绍Tab 2.2 不同纤维混凝土类型的各种特性值纤维类型密度（g/mm²）拉力强度（N/mm²）弹性模量（ N/mm²）断裂膨胀（‰）抗碱性最大温度（℃）截面尺寸（mm ）钢纤维 7.8 500-2600 200000 5-35明显改善100-500一般玻璃纤维2．6 2000-4000 75000 20-35 800 8-15碳纤维 1.6 550-750 30000-32000 20明显改善3000 15高强碳纤维1.9 2600 230000 10明显改善3000 9聚丙烯 0.98 450-700 7500-12000 60-90明显改善聚芳酰胺1.4 2700-3600 70000-130000 21-40无改变400-600 122.3 纤维混凝土的组分纤维混凝土区别于素混凝土原因在于加入了相对短小的纤维物质由于纤维的掺入而使混凝土的力学性质发生改变。

通过应用合适的纤维种类可以达到如下效果：　　--提升抗拉和抗弯强度--提升延展性--避免裂缝产生--提升打击强度--提高断裂膨胀度--增强耐久性--提升抵抗动力荷载的能力经试验测定在纤维混凝土应用上含量在总体积中 0.5-2.5%的（最少质量在20kg/m³）钢纤维与水灰比（W/Z）在 0.4-0.5 还有同大颗粒在 16mm 的一般混凝土以及颗粒在 8mm 的喷射混凝土一起在工程中得到使用玻璃纤维混凝土的含量被控制在总体积的 2-5%与水灰比（W/Z）在 0.35-0.5 以及与 4mm 骨料一起使用可以很好的提高抗拉和抗拉强度对于塑料纤维混凝土可以按照追求的某一特性要求改善纤维的含量碳纤维混凝土含量在0.1-1.0%可以有效的降低收缩裂缝倾向，在含量 1.0-3.5%可以提高抗拉和抗弯强度，含量在 1.0-2.0%可以提高抗冲击能力，含量在 0.5-3.5%可以改善基本强度2.4 硬化后混凝土的基本属性表格 2.4 列举了经试验测试的钢纤维、玻璃纤维和塑料纤维混凝土的特性改变Tab.2.4 由于投入纤维而发生改变的混凝土特性纤维混凝土的力学特性钢纤维混凝土玻璃纤维混凝土塑料纤维混凝土生混凝土密度 无变化 变小 无变化空气孔隙含量 轻微提高 提高 提高稠度 变硬 变硬 变稠压力强度 无变化 无变化 无变化抗拉强度 无变化 提高 无变化分裂拉力强度 提高 提高 提高后期裂缝拉力强度提高 提高 提高抗冲击能力 提高 提高 提高裂缝形成 提高 提高 提高收缩和徐变 无变化 无变化 无变化抗霜冻能力 无变化 提高 提高耐久性 提高 提高 提高火灾抑制 无变化 提高 提高3．轻混凝土3.1 何为轻型混凝土一般来说，当它的干燥密度低于 2000 kg/m³时就被叫做轻混凝土了。

轻混凝土的问世弥补了一般混凝度的缺点，具有较低的密度和较好的隔热性与一般混凝土相比显著减少的密度通过有目的地在混凝土中带入了很多的空隙作用的结果这要么是加入了多孔性轻辅料的结果要么就是通过在水泥排列矩阵中使其产生中空的结果3.2 结构一般轻型混凝土有三种空隙结构，分别是：（1）颗粒空隙结构—一般混凝土的闭合缝隙被保留致使大密度颗粒被多空的轻型附加颗粒代替2）矩阵排列空隙结构——矩阵型粘合物被吹泡或吹涨3）蜂窝状空隙结构——闭合的缝隙通过降低精细颗粒并加入多空性的结合物多孔性直接影响着混凝土的密度和热传导性，孔隙度越高，混凝土就越轻并且热传导性就越低3.3 分类应用轻型混凝土从承载的材料到有微小强度的轻型元素在建筑领域可以看到不同的应用原则上轻型混凝土按照其密度被分为结构型轻混凝土、隔热结构型轻混凝土、超轻型混凝土见图表 3.3 给出了这三种轻质混凝土及其简单特性的概况表Tab.3.3 三种轻型混凝土的分类及概况轻混凝土类型应用举例添加形式粗密度kg/m³抗压强度（N/mm²）热传导系数（W/mK ）结构型轻混凝土钢筋混凝土和应力混凝土膨胀陶土膨胀石板1300-2000 15-55 0.50-1.30隔热结构型轻混凝土高层建筑的墙和屋顶多孔隙混凝土800-1300 2-15 0.20-0.50超轻型混凝土平屋顶的隔热隔绝混凝土膨胀云母木屑、泡沫200-800 0.2-2 0.05-0.204.自密实式混凝土（self-compacting concrete）4.1 自密实式混凝土兴起自密实式混凝土大概在 20 年前在日本首次得到应用。

它是鉴于其混凝土生料具有高性能的一种混凝土它是一种没有外来密封能量作用的只依靠自身重力流动的一般混凝土这种混凝土可以自行排出空气并自行密实由于它很强的流动能力此种混凝土可以完全填满模板并且制造出很光滑的表面其后期特性与一般混凝土相当，只是混合过程的设计较为复杂　　4.2 组成成分自密实式混凝土的特色是利用它很重要的流变属性和粘滞性对于此种流体必须使流动界限变小，也就是说必须使骨料的离析倾向、沉淀以及。