我国混凝土技术进展及工程应用
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摘要：我国每年用于房屋、公路、铁路、桥梁和港口等工程和基础建设的混凝土用量逐年增加，混凝土的研究生产和应用取得了长足的进步，但仍存在着诸多待改进的问题。其中，比较突出的难题是原材料生产过程中的资源及能源消耗高、污染严重、能效低。解决的出路是提高水泥性能，科学地增加固体废弃物用量，有效使用外加剂，理性地设计混凝土材料。
关键词：混凝土技术；进展；应用
混凝土是当今世界上应用最广泛的建筑材料，其生产不仅耗能大，而且排放大量的温室气体C02。普通混凝土要用约12％水泥、8％拌合水和80％的骨料。这意味着全世界混凝土除了每年要用16亿t水泥以外，还要消耗近100亿t的砂石和10亿t水，即每年消耗126t原材料，是世界上最大的自然资源用户。除每年30亿t生产水泥的原材料外，巨大数量骨料的开采、加工和运输消耗相当可观的能源，并对地球的生态产生负面影响。
一、我国混凝土技术的主要进展
1、混凝土的生态化
工业发达国家关于城市废弃物的利用技术的投入明显高于我国，其最显著的优势是在各种废渣处理和利用成套技术的基础上建立了严格、完善的规章、规范，强制各种城市垃圾、建筑废弃物等收归专业的企业进行处理和利用，不仅从法律角度限定所有废渣必须经过处理，而且制订相应的经济政策保障处理和利用废渣的企业正常运行。日、德等国已基本上做到零污染、零排放，各类废弃物的最大利用途径就是生产水泥和混凝土。发达国家利用废弃物生产生态水泥已有成熟的经验，日本40多家水泥企业，其中50％以上工厂处理各种废弃物，日本麻省水泥公司用下水道污泥及城市其他废弃物生产出高强度水泥；在欧洲水泥生产者联合会所属的水泥厂中每年焚烧处理100万吨有害废物。美国的大部分水泥厂都利用废料煅烧水泥，技术成熟、应用普遍。人们已经认识到，水泥回转窑在处理有毒危险废弃物方面比焚煤炉更有优越性，主要是利用可燃性有毒废弃物(包括固态、液态、气态)代替部分或大部分燃煤和燃油煅烧水泥，既处理了废料，又节约了能源。日本等国已有将城市垃圾焚烧处理与水泥熟料生产一体化的工业化试验研究。
在国家自然科学基金委和国家863计划委员会的大力支持下，我国的生态材料的研究取得了长足的进步和发展，在典型材料的环境协调性评价(MLCA)、LCA的方法学、冶金渣的回收利用等方面作了大量工作。在城市垃圾焚烧飞灰、废石膏等固体废弃物的处置利用及生态水泥方面做了一些研究。
2、混凝土结构、功能一体化
从20世纪90年代末国内开展了混凝土结构一功能一体化的研究。混凝土结构-功能一体化是指集混凝土的结构性能与多种功能于一身，即混凝土材料在增强、增韧等力学性能的同时，又拥有多种良好的功能特性，如混凝土性能的自感知和自调节、混凝土损伤的自诊断和自修复。国内已研制开发了激光三角量测装置，可以对任意断裂面进行数字化三维重构，建立了表征断裂面特性的若干参数，揭示了材料组成、宏观力学性能与断裂面参数的内在联系。在此基础上并利用材料层次模型，提出用混杂纤维增强增韧混凝土的理念，实现了混凝土的低成本高韧性。同时提出了融自然愈合、基体增强和有机物释放等机制为一体的混凝土裂缝自愈合的技术路线：通过在混凝土传统组分中复合活性无机掺合料、微细低弹模纤维和有机化合物，在混凝土内部形成自增强、白愈合网络，有效减少早期微裂纹和细化削弱后期裂缝尖端的应力集中，实现对混凝土材料微裂缝的自愈合。混凝土结构一功能一体化的研究具有多学科综合性和涉及课题前瞻性等特点，不仅从整体上提升了混凝土材料的研究水平，拓宽了混凝土材料创新思路和理念。国家自然科学基金委员会也在这一领域设立了重点项目，开展机敏水泥基材料及其结构行为的研究。
在目前的太阳能建筑中利用以水泥基材料的显热方式储存热能为主的储能材料，虽然显热储能的储能密度不高、体积较大，但具有成本低和储能性能长期稳定的优点。有人将自密实混凝土(self-compacting concrete)、内养护混凝土和承受高温的高强混凝土纳入机敏混凝土的范畴。
3、水泥基材料的耐久性
除了追求材料的高强度以外，人们对耐久性和环境问题也日益重视。国内外对碱．集料反应、钢筋锈蚀、冻融破坏、硫酸盐侵蚀、碳化等进行过大量研究。毫无疑问，高强度、长寿命、低环境负荷是当代水泥材料发展的主要方向。水泥基材料的界面结构、环境行为、失效机理和寿命预测问题，是当今水泥和水泥混凝土材料科学面临的重大课题。水泥混凝土的耐久性，主要是指水泥混凝土构筑物在服役期间抵御环境介质侵蚀的能力。由于环境介质不同，其失效机理也不同。从材料学的观点看，水泥混凝土的耐久性主要是由水泥石的结构和水泥石与集料的界面结构所决定的。提高水泥石耐久性的主要途径，一是提高抵御侵蚀性介质进人水泥石内部的能力；二是提高水泥石诸组分在侵蚀介质作用下的稳定性。
人们越来越重视恶劣环境条件下混凝土耐久性和受灾混凝土构筑物安全性评估的研究。在材料损伤学和传热学理论基础上提出了混凝土材料损伤热学分析方法和理论，建立了火灾混凝土损伤缺陷红外热像一电化学综合模型。在混凝土构筑物抗冻(抗盐冻)成套技术应用基础理论方面，提出了混凝土盐冻破坏的饱水度、盐结晶压和化学侵蚀综合作用机理，采用现代计算机技术和神经网络技术，实现了用计算机自动进行混凝土抗冻性设计、诊断和评估。但这些研究还是初步的、零星的，还没有得到能应对所有环境的设计、诊断和评估模型。
二、国内混凝土技术主要工程应用
1、高性能混凝土
近20年以来，上海推广使用c50～c60级混凝土，杨浦大桥、南浦大桥的塔身均采用c50级混凝土。我国部分使用高强混凝土的工程见表1。目前，高强混凝土已经得到广泛应用，但是我国的高强高性能混凝土技术多在c50一c60的水平，c60以上的高强高性能混凝土虽有不少应用实例，但其应用技术尚不成熟。对100MPa以上的超高强高性能混凝土的研究甚少，有关这种混凝土的原材料标准、配制方法、应用规程等尚未制订。
2、轻集料混凝土
20世纪90年代后期，上海、宜昌等地研制成功高强轻集料并开始在桥梁工程中应用：2000年在天津，用强度等级为LC40的轻集料混凝土建成预应力多跨连续箱形桥梁――永定新河大桥引桥，全长1500m，每跨最大跨径为35m，是我国轻集料混凝土用量最大、强度等级最高的桥；2001年，北京的健翔桥扩建、新卢沟桥的改造工程和湖北武汉蔡甸汉江大桥桥面铺装工程也采用了高强轻集料混凝土，取得了很好的技术经济效果； 2004年，北京新保利大厦采用了泵送轻集料混凝土。该工程地上结构最高高度105．2m，轻集料混凝土泵送垂直高度为85．1m(地上21层)，设计泵送LC30页岩陶粒混凝土。
3、聚合物水泥混凝土
2000年10月，在沈砖公路王家塘桥坡的修补中，采用了钢纤维混凝土材料，修补了800m，也获得成功，并且已经通过技术鉴定。由于钢纤维混凝土比普通混凝土强度高，耐久性好，可适当减薄路面厚度，且延长使用寿命。经造价分析比较，每1000m降低成本1．3万元，经济、社会效益显著。
总之，随着混凝土应用技术的飞跃发展，我们还需要进一步在水泥和混凝土性能分析与评价、水泥基材料改性、固体废弃物资源循环利用及混凝土的耐久与评价等方面作出新的探索，开展有效的科学研究，攻克关键技术难题。
参考文献
1、马晓滨，我国混凝土技术进展及工程应用，黑龙江科技信息，2009(11)
2、覃维祖，混凝土技术进展现状与可持续发展前景，施工技术，2006,35(4)
3、王险峰，对现今混凝土技术发展的思考，科学之友，2005(18)
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