现代混凝土材料的研究和进展
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2009 年第 1 期
商品混凝土 Beton Chinese Edition ——Ready-mixed Concrete
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专家论坛
现代混凝土材料的研究和进展
孙 伟 ( 东南大学材料学院,南京 211189) 1 发展高与超高性能水泥基复合材料
年份 电力工程 核电工程 风电
表2
能源工程
2020 10-11 亿千瓦 4000 万千瓦 加速发展
1.1 发展高与超高性能水泥基复合材料的实质 (1)新材料技术,信息技术,生物技术是高新技术的三 大支柱,是产业进步的重要推动力,其中材料技术是基础, 前提,核心. (2)新型高性能混凝土结构材料的发展,改革与创新, 发明与创造是重大土木建筑工程和基础设施建筑发展的关键 和依托 ; (3)发展高性能结构材料必须具有抵御各种复杂环境条 件的能力,提高其耐久性和服役寿命是重中之重. 1.2 发展高与超高性能水泥基复合材料的内涵 (1)改革开放不断深入,大于 100 万人口的大城市逐年 增加,大于 1000 万人口的超大城市年有增长 ; (2)城市高速膨胀导致地价如金,建筑物向高与超高层 化发展已是必然趋势 ; (3)为适应高速发展,公路和高速公路已大规模兴建 ; (4)跨越大江,大河,深谷,海峡的大跨与超大跨桥梁 的兴建与日俱增 ; (5)大量开采平台正在和将在浅海和深海建造 ; (6)大型水利工程也在各省市快速兴建 ; (7)因环境和服役条件的变异和苛刻对土木工程材料的 要求越来越高.
2005 5 亿千瓦 906.8 万千瓦 稳步发展
特别值得注意的是 : (1)2006 ～ 2010 年 国 家 投 资 12500 亿 元 新 建 17000 公 里客运专线,车速达 300 ～ 350 公里 / 小时以上. (2)核电占全部装机容的比重从不到 2% 提高到 4%,预 计 15 年投资总额将达到 4500 亿元人民币. 2.2 基础工程与发达国家差距依然很大 (1)我国基础工程大规模兴建时期比发达国家推迟了 30 年; (2)2005 年美国铁路为 22.8 万公里,是我国的 3 倍(我 国是 7.5 万公里) ; 2005 年美国机场数为 14875 个, (3) 是我国的 31.5 倍 ( 我 国现有 472 个 ) ; (4) 要 建 立 创 新 型 国 家,2020 年 我 国 的 GDP 要 达 到 4×1012 美元 (我国的大规模基础建设高潮必将持续 20 ～ 30 年) . 2.2.1 水电工程 三峡工程 : 全工程共用 2800 万 m3 高耐久混凝土,主坝 用 1650 万 m3 粉煤灰混凝土 , 为控制温升 , 主坝用混凝土中掺 加 100 万吨粉煤灰. 小湾工程 : 高度达 292m; 粉煤灰取代 30% 水泥,对混凝 土的 5 大要求: 高强 (C40), 高延, 低温度梯度, 微膨胀, 低弹. 2.2.2 正建和即将建造的大坝 (1)锦平拱坝高 305m,是世界上最高拱坝 ; (2)龙滩碾压混凝土重力坝高度为 192m, 是世界最高重 力坝 ; (3)在不久
还要相继建造更多的大坝(表 3) . 表3
公伯峡水电站 小峡水电站 四川溪洛渡拱坝
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重大典型的基础工程介绍
2.1 重大混凝土基础工程建设迅猛发展 见图 1 和表 1,表 2.
拟建工程
广西乐滩水利工程 湖北水布垭面板坝 广西龙滩水电站 陕西蔺河口水电站 贵州构皮滩水电站
贵州构皮滩混凝土拱坝 四川瀑布沟水电工程 青海拉西瓦水电站 广西大化碾压混凝土坝 云南金安桥水电站
图1
基础工程大规模兴建 表1 交通工程
2010 230 万公里 6.5 万公里 14 万公里 清江水布垭水电站 云南糯扎渡水电站
年份 公路工程 高速公路 铁路工程
2005 92 万公里 4.1 万公里 7.5 万公里
2.2.3 桥梁工程 (1)在中国 180 万公里的大陆上已有 32 万座桥梁 ;
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(2)长度超千米的特大型桥梁有 717 座 ; (3)重大桥梁的设计寿命均为 100 年或 100 年以上 ; (4) 每座桥的服役条件十分不同, 对材料的要求越来越高; (5)在 3000 多公里的长江上拟每 30 公里建一座桥,总 计要达到 120 座.一大批重大桥梁正在全国各地兴建,如 : 舟山连岛工程(西侯门大桥,金塘大桥) 山东省青黄大桥, ; 蓬莱-长岛大桥,烟台-大连大桥(渤海湾通道) 江苏省泰 ; 州大桥,崇明-启东启大桥,苏通大桥,南京第四长江大桥 ; 台湾-厦门大桥(投资上千亿) (表 4 和图 2,图 3) . 表4
桥梁名称
重大桥梁主要特点
主要特点 工程全长 35.66 公里,为当时中国第一, 世界第三.首次采用复合因素作用下耐 久性评价和寿命预测.该桥的建桥技术 经专家鉴定是"整体先进,某些部分为 国际领先水平" 4 个世界第一 ; 桥梁特点 : 主跨 1088m; 拉索长 577m 群 桩 长 113.75m, 宽 48.1m ;主 塔 高 306m 总长是 36km, 是世界上最长的跨海大桥; 服役条件严酷,海水中有害离子含量高 主 线 全 长 约 26.707km, 跨 海 全 长 25.881km ; 服役条件严酷,氯盐腐蚀和冻融作用 位于浙江省长江中段,北接泰州市,南 接镇江和常州市,总投资 88 亿元,预 计 2011 年底建成.大桥主桥为三塔两 跨悬索桥,是世界上第一座连续双主跨 超千米的悬索桥
图3 2.3
近年来我国桥梁总通车里程及发展趋势
润扬长江公路大桥
城市化建 2.3.1 我国城市化建设迅猛推进 (1)发达国家城市化建设基本完成,城市人口占 80% ; (2)我国城市化建设刚起步,仅有 40%左右 ; (3)2050 年,我国城市化程度将达到 80% ; (4)巨量人口搬迁,导致生活,娱乐,交通,通讯等建 筑迅猛增加 ; (5)基础工程大规模兴建和城市化高度推进无一不与发 展新型高性能土木工程结构材料密切相关. 2.3.2 地下铁道,城市隧道,高层建筑,城市道路 (
1) 地下铁道工程.苏州地铁,南京地铁. (2)城市隧道工程.武汉过江隧道, 特点: 长江第一隧道, 3.63 公里. 全长 (3)厦门翔安海底隧道.特点 :全长 8.65 公里,海底隧 道长 5.95 公里. (4)近几年南京兴建的隧道: 南京长江隧道, 新模范马路, 玄武湖隧道,九华山隧道,龙蟠路隧道. (5) 青黄海底隧道.特点: 全长 6.17 公里, 海底隧道长 3.3 公里. (6)其他 5 大隧道正在建造 : 广州钟南山隧道工程,湖 南雪峰山隧道工程,西安秦岭隧道群工程,上海崇明岛隧道工 程, 南京过江隧道工程. (7)高层建筑 :深圳地王大厦,江苏广电大厦,上海金 贸大厦,上海东方明珠塔,澳门观光塔. (8) 城市道路: 双桥门立交, 中央门立交, 国宾馆道路工程. 2.4 我国是世界著名的水泥大国 世界各国水泥产量排名及全球水泥总产量见表 5. 表5
名 次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
苏通长江公路大桥
杭州湾大桥
青岛海湾大桥
泰州长江公路大桥
图2
近年来我国桥梁总量及发展趋势
世界各国水泥产量排名及全球水泥总产量
国 家 中 国 印 度 美 国 日 本 韩 国 西班牙 俄罗斯 泰国 巴西 意大利 全球 2004(亿吨) 9.34 1.25 0.99 0.67 0.54 0.47 0.43 0.36 0.38 0.38 21.30 2005(亿吨) 10.60 1.30 0.99 0.66 0.50 0.48 0.45 0.40 0.39 0.38 22.80
2.2.4 铁路建设 高速铁路客运专线 : 十一五期间,总长 1.98 万公里. 2.2.5 核电工程 江苏田湾核电站,广东岭澳核电站,大连红沿河核电站, 福建宁德核电站. 2.2.6 其他典型工程 中央电视台新址,青藏铁路,南水北调工程,西气东输 工程,中国国家大剧院,采油平台,广州天然气(LNG)工 程项目 ,风力发电站 ,上海天然气(LNG)工程项目.
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2007 年,我国的水泥产量为 13.2 亿吨!!!,混凝土产量 备注 : 达 70 亿吨.
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土木工程材料向"八高"与"八化"的方向发展
高强度 高韧性 高阻裂 高体积稳定性 高抵抗灾变的能力 高耐久 高服役寿命 高性能价格比
生利用是社会可持续发展的必由之路. 5.1 水泥生产带来的危害 (1) 生产 1 吨水泥排放 1 吨 CO2 等有害气体,2007 年我 国生产 13.2 亿吨水泥 ; 放出 13.2 亿吨 CO2,对环境造成严重 污染 ; (2) 资源大量消耗,石灰石,煤大量使用造成资源短缺. 5.2 废渣堆放造成的危害 (1)钢渣,磷渣,铜渣,镍渣,金渣累积堆放 65 亿吨, 占地 5 ～ 6 万顷 ; (2)水淬矿渣 0.8 ～ 1 亿吨 / 年 ; (3)2002 年, 粉 煤 灰 产 量 1.8 亿 吨, 煤 干 石 1.8 亿 吨, 预计粉煤灰产量将达到 2.6 亿吨 ; (4)每年固体废渣排放量已达 6 ～ 7 亿吨. 5.3 国际水泥基材料发展正在走生态化之路 (1) 世界上主要国家(美,英,德,加,荷,日等)均在 走生态化之路,如加拿大的矿物与
能源技术中心,他们在水 泥混凝土中掺加 50% 粉煤灰,达到了节能,节资,保护生态 环境,大幅度提高混凝土性能的目的 ; (2) 国际公认工业废渣是制备高与超高性能水泥基材料必 不可少的组分,废渣多元复合是发挥其功效和潜能的关键技 术: a. 降低大体积混凝土水化热 ; b. 降低混凝土收缩,徐变值,提高抵抗变形的能力 ; c. 抑制混凝土由于碱 - 集料反应而导致构件破坏 ; d. 提高混凝土抗渗性,抗有害离子腐蚀,抑制多重因素 作用下混凝土损伤 ; e. 延长混凝土工程的服役年限和寿命.
3.1 "八 高"
汶川地震混凝土结构破坏形态及突出倒塌的根本原因 : (1) 结构与构造问题 ; (2) 施工技术问题 ; (3) 混凝土性脆易裂问题—要研究高性价比的增韧技术 (增韧—抗裂—抗灾变—长寿命) . 3.2 "八 化" 绿色化 多功能化 生态化 高科技化 智能化 微粒细丝复合化 高与超高性能化 商品化 图 4 显示了 RPC 与普通混凝土的对比.
6 当今研究水泥基复合材料的关键和重大科学技术 问题是高耐久和长寿命
6.1 混凝土耐久性和寿命问题已引起国际混凝土科学界的密切 关注 引起混凝土损伤失效的因素 : 冻融循环,干湿交替,碳 化,钢筋锈蚀,碱集料反应,化学腐蚀,海水侵蚀,淡水溶蚀, 高温爆裂,磨蚀,应力腐蚀等. 6.2 国外混凝土结构过早失效的后果 (1) 美国 : 年代混凝土总价值 60000 亿美元,维修和 90 1987 年美国有 253000 座混凝土桥 重修费 3000 亿美元 / 年 ; 1992 年报导,在美 梁中,桥面板的使用不到 20 年就破坏了 ; 国因撒除冰盐引起钢筋锈蚀破坏的公路桥占 1/4(52 万座中有 13 万座) ,不能通车的有 5000 座 ; (2) 英国 : 英格兰岛的中环线快车道上有 11 座高架桥(全 长 21km) ,总造价是 2800 万英镑,因撒除冰盐引起腐蚀破坏, 修补费 4500 万英镑(为造价的 1.6 倍) ,预计今后 15 年(到 2004 年)维修费还要用 1.2 亿英镑(接近造价的 6 倍) ; (3) 亚洲 : 因混凝土耐久性不良,过早产生破坏和失效的 混凝土工程每年重建与维修费用已达 19000 亿美元. 6.3 中国混凝土结构过早失效的情况 中国基本建设比发达国家推迟 30 年, 现正处于建设高潮, 已暴露出大量耐久性问题,使用寿命远低于设计寿命,有的 3 ～ 5 年就出现裂缝,有的建成了尚未使用裂缝已超过允许裂 宽.
图4
RPC 与普通混凝土的对比
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高与超高性能水泥基复合材料的分类及进展
水泥基复合材料的进展 : (1)普通,高性能,超高性能水泥基材料的绿色化和生 态化 ; (2)轻集料混凝土(轻集料与重基体复合材料) ; (3)纤维增强混凝土(纤维型与颗粒型复合材料) ; (4)聚合物混凝土(有机与无机组分复合材料) ; (5)碾压混凝土与自流平混凝土(前者干硬靠碾压工艺,
后者大流动性靠自流平密实) ; (6)功能材料(满足工程特种性能要求的材料 , 如相变 储能材料) ; (7)智能混凝土具有 S 特性 , 即自诊断 (self-diagnosis) ,自 调整 (self-tuning), 自适应 (self-adaptive), 自恢复 (self-recovery) 和自修复 (self-repairing) 等.
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发展生态型水泥基材料大有可为
人类生存发展离不开大自然赋予的宝贵资源,资源的再
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我国西部盐湖地区结构混凝土与混凝土结构过早失效情 况: OPC 在盐湖卤水干湿交替条件下, (1)混凝土腐蚀破坏 : 2 ～ 3 年即发生严重腐蚀,破坏位置主要在地面上 30cm 区域 (图 5,图 6) . (2)钢筋混凝土结构破坏 :在盐湖大气环境下 1 年多, 混凝土电杆开裂 ;长期暴露后部分保护层脱落,钢筋外露, 环筋锈断(图 7) . 6.4 当今国际上对混凝土耐久性和寿命评估的研究状况 (1) 高性能混凝土的由来和基础 : HPC 要求高强度,高耐
久,大流动性,其中高耐久是核心 ; (2) 长期来国内外对混凝土耐久的研究主要为单一破坏因 素作用下混凝土损伤失效过程,并建立了相应的抗冻融寿命, 碳化寿命,腐蚀寿命和钢筋锈蚀的预测模型 ; (3) 对加载情况下,与各物理,化学损伤条件的双重,多 重破坏因素共同作用下,混凝土材料的损伤劣化,损伤叠加, 损伤因素间交互作用的耐久性研究才刚刚起步 ; (4) 在复杂而又严酷条件下,如西部地区,加速混凝土劣 化过程的研究及耐久性评估体系和寿命预测方法的研究国外 报导极少,我国已重视该问题,国家自然科学基金会在 2001
年开始列项研究 ; (5) 现有的混凝土耐久性评估体系和方法有的不符合客观 实际,也不符合 1+1>2,1+2>3 或 1+1
100 年的寿命? 归根结底是 : 至今还没有科学的耐久性评估体系和寿命 预测方
法. 6.7 我国对重大混凝土工程耐久性和服役寿命的高度重视 (1)"九五"攻关:攻关混凝土安全性; (2)" 十五 "973 项目(2800 万元) 提高混凝土耐久性和 : 寿命的理论研究 ; (3) 国家自然科学基金重点项目 : 高性能水泥基材料的 " 性能和失效机理的研究 " ; (4) 对重大工程项目(三峡大坝混凝土工程,南京第二长 江大桥,润扬长江公路大桥,南京地下铁道工程,玄武湖隧 道工程,苏通大桥工程)均有耐久性要求. 在这些项目中主要研究的问题: (1) 高与超高性能绿色混凝土材料制备方面 a. 绿色高性能混凝土材料 ; b. 绿色高性能纤维增强水泥基复合材料 ; c. 绿色超高性能水泥基复合材料(RPC) ; d. 不用水泥熟料的高性能聚合物(Geopolymer)材料.
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(2) 在耐久性和寿命评估方面 a. 加载与非加载,单一,双重和多重破坏因素作用下, 不同强度等级混凝土损伤失效过程与规律 ; b. 盐湖氯离子条件下混凝土耐久性评估体系与寿命预测 模型 ; c. 建立了多重破坏因素下混凝土寿命评估模型. (3) 机理方面 研究了结构形成和损伤失效的过程及细观与微观机理. 6.8 我们要回答的问题 (1) 如何保证结构混凝土的服役寿命(提出新材料)? (2) 如何预测混凝土的服役寿命(提出新方法)? (3) 如何提高混凝土结构耐久性评估与寿命预测的可靠性
和科学性模型(图 8)? 6.9 结构混凝土与混凝土结构的服役寿命 (1)现代混凝土与结构的服役寿命取决于以下两个方面 : a. 承载力 ( 静载和动载 ) ; b. 耐久性 ( 环境因素的耦合作用 ). (2) 材料特性 ( 尤其是韧性 ) 对现代混凝土结构的耐久性, 服役寿命和抵抗突发灾害的能力而言是至关重要的) 图 9 ). ( (3)荷载与环境因素耦合作用下混凝土微结构演变过程 弄清水泥基混凝土劣化机理的根本在于透彻了解水泥基 材料, 砂浆-骨料界面 (ITZ) 的关系 Hamlin M. Jennings ) 见 ( ( 图 10). a. 结合现代微观测试技术与分子结构模拟方法,建立现
图8
提高混凝土结构耐久性评估与寿命预测的可靠性和科学性模型 c. 在多孔介质理论与热力学的平台上,将现代混凝土的 化学反应引入到力学的宏观层面 ; d. 基于材料和结构的时变规律与模型,建立现代混凝土 服役寿命设计理论框架 ; e. 通过原位增韧新技术,从源头上提高混凝土结构抗灾 变能力.
Ⅲ荷载与环境因素耦合作用
Ⅱ环境因素耦合作用
Ⅰ单一环境因素
混凝土材料与结构的损伤程度
7 国防工程材料的生态化与高科技化
图9 结构混凝土与混凝土结构的服役寿命 7.1 近代战争要求国防工程材料应具有 (1) 高防护能力 : 高抗侵彻,高抗爆炸性能 ; (2)
弹体与工程接触 : 难侵彻,弹体要偏转方向 ; (3) 在爆炸时 : 结构要保持完整,微裂而不分散 ; (4) 纤维增强水泥基复合材料已使当今国防工程材料占有 绝对优势 ; (5) 常 用 的 材 料 主 要 有 : SFRC,SIFCON,SIMCON, RPC,UHPFRCC. 7.2 结果与分析 (1) 钢纤维增强水泥基复合材料因纤维对水泥基具有优异 和独特的增强,增韧与阻裂效应,大大提高抗爆炸与抗侵彻 能力,已引起海,陆,空高度重视,并在国防工程中大量应用; (2) 今后要大力优选与优化材料组成,进一步提高防护能 力,为国防工程建设提供科技含量更高,防护能力更强的新 型防护材料. 7.3 防护材料的新进展 超 高 性 能 生 态 型 活 性 粉 末 混 凝 土 ECO - RPC 材 料 (Ecological Reactive Powder Concrete) :
图 10
荷载与环境因素耦合作用下混凝土微结构演变过程
代混凝土微结构模型 ; b. 运用多尺度过渡方法,将微结构特征引入到宏观性能 中;
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(1)ECO-RPC 原材料及组成材料的优选与优化 a. 粉末材料的优选 水 泥 : 金宁羊 42.5 PII 水泥 ; 超细混合材 : B1 比表面积 22000m2/kg B2 比表面积 719m2/kg B3 比表面积 804m2/kg 超细混合材(颗粒)形貌见图 11.
弹性模量(GPa) 抗冻性 抗腐蚀 抗渗透
50 ～ 60 好 好 好
52 ～ 56 更好 更好 更好
(2)ECO-RPC 动态特性与分析 a.Hopkinson 杆(SHPB)试验装置(图 13)
图 11
超细混合材(颗粒)形貌
b. 集料,减水剂和纤维材料的优选 Dmax = 3mm ; 天然细集料 : 高效减水剂 : 减水率> 35%. 纤维材料的性能与外形见表 6 和图 12. 表6
品种 进口 F1 国产 F2 国产 F3 df(mm) 0.175 0.185 ～ 0.2 0.3 ～ 0.35
(a)
微细钢纤维
lf(mm) 13 14 ～ 15 15 lf /df 75 75 50~42 抗拉强度 (MPa) 1800 1800 980
(b) 图 13 霍普金森杆实验
b. 冲击压缩应力-应变全曲线及分析 应变率对 ECO-RPC 材料应力 — 应变全曲线的影响(见 图 14) . c. 配合比优化 见表 7 和表 8. 表7
基体 M1 M2 M3 水泥 (% ) 50 50 40
3 种 ECO-RPC 材料基体优化配合比
B1 (% ) 0 10 10 B2 (% ) 25 0 25 B3 (% ) 25 40 25 减水剂 水胶比 灰集比 (% ) 1.7 1.7 1.7 0.15 0.15 0.15 1:1.2 1:1.2 1:1.2
表8
性能
ECO-RPC200 与 RPC200 的性能对比
RPC200 170 ～ 230 30 ～ 60 20000 ～ 30000 ECO-RPC200 171 ～ 228 38 ～ 65 27000 ～ 34000
抗压强度(MPa) 抗弯强度(MPa) 断裂能(J/m )
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龄期(天)
图 8 自密实混凝土在室温 26℃,RH60% 下 约束收缩应力的发展 (1) 自密实混凝土由于矿粉和高效减水剂的使用,干燥收 缩量比普通混凝土有明显的减少. (2) 环境温
度越高,自密实混凝土收缩越大,温度 26℃和 20℃相比,28 天干燥收缩值增大 20%左右 ; 开始干燥的龄期 的影响更为重要,湿养护 3 天和湿养护 1 天相比,可以减小 最终收缩值达 50%. (3) 自密实混凝土在标准环境下早期约束收缩应力明显小 于普通混凝土的应力. (上接第6页)
(4) 自密实混凝土在温度较高时,早期强度和刚度都会发 展很快,早期收缩应力也会较大,应力发展时间会加长.但 是与普通混凝土相比较,最终收缩应力相差不大.在温度较 高时,因为有较高的早期强度,自密实混凝土会有较小的徐 变变形. 参考文献 [1]柳献,袁勇 . 自密实混凝土塑性性能研究,水泥与混凝土 制品,2002 (10) [2]侯景鹏 , 袁勇 . 混凝土早期约束收缩试验方法评价 . 混凝土 与水泥制品 , 2003, 133 (5):1-4 [3]袁勇著 . 混凝土结构早期裂缝控制 [M]. 北京 : 科学出版社, 2004 [4]赵桂祥 . 自密实混凝土早期性能的研究 [D]. 上海 : 同济大 学,2005 [5]侯景鹏 . 钢筋混凝土早龄期约束收缩性能研究 [D]. 上海 : 同济大学,2006
约束应力(MPa)
[ 作者简介 ] 姜伟,同济大学 地下建筑与工程系. [ 单位地址 ] 同济大学 地下建筑与工程系 上海 200092 [ 电子邮箱 ] [email protected]
图 14
应变率对 ECO-RPC 材料应力 - 应变全曲线的影响 的光明大道,必须增强创造与创新意识和能力 ; (3)要加强对现代混凝土结构在形成过程,在耦合因素 作用下损伤劣化过程微结构演变机理的研究 ; (4)建立新的服役寿命设计和预测的理论和方法,确保 基础和建筑工程安全服役,最大限度减少修补的费用和降低 修补的几率 ; (5)要赶超世界先进水平,必须加强与处于世界先进水 平的国家开展国际合作与交流,及时掌握新动向,新信息 ; (6)经过我们大家的努力,使我国能及早进入创新型国 家的行列! 注: 本文系根据孙伟院士在"2008'中国商品混凝土可 持续发展论坛"上所做的报告整理而成.
3)ECO-RPC 破坏形态的比较(图 15)
ECO-RPC M2 图 15
C40 SFRC
C100 SFRC
ECO-RPC 与 SFRC 破坏后形态的对比(Vf 均为 3%)
8 结语
(1)重大土木工程和国防防护工程的发明与创造,改革 与创新,新型高性能材料是基础,是先导 ; (2)土木工程与国防防护工程必须走生态化和高科技化
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