高强混凝土在建筑工程中的发展与应用

高强混凝土在建筑工程中的发展与应用1高强混凝土发展原因随着建筑材料和建筑技术的发展，以及商品混凝土技术的发展和推广，高强混凝土日益受到重视并应用于实际工程结构中，这主要是由以下因素所决定的：(1)工程结构构件受力考虑和经济需要：随着高层、超高层和大跨度结构工程的出现，对高强度、高性能混凝土提出了更高的要求。在建筑物的梁、柱结构中采用高强度混凝土优越性非常明显。在同等条件下，混凝土强度越高，其结构构件的尺寸、体积就会相对减少，混凝土用量也将成比例地减少。同时由于结构断面的减少，不但使建筑物在观感上给人以舒适的感觉，而且增加了建筑物的实际使用面积，经济效益明显。(2)混凝土结构构件提高耐久性和寿命的要求。混凝土结构相对于钢结构而言，耐久性较好，寿命较长。但是，在三、四、五类环境下，如地下工程、海洋采油平台、桥梁工程等结构所处环境恶劣，对耐久性和寿命要求较高，单纯依靠增加保护层厚度无法解决问题，根本出路在于提高混凝土的密实性和强度，高强度混凝土的概念提供了很好的解决思路。(3)商品混凝土技术、外加剂材料的发展和高标号水泥生产技术的进步，为高强混凝土的发展提供了保证。随着材料科学的发展和生产技术的进步，使得高强混凝土的生产和施工具备了技术条件和价廉而简便易行的方法。通过添加微硅粉等材料，可以有效提高混凝土的强度和密实性，使得混凝土标号逐步提高。2国内外建筑工程中高强混凝土应用简况高强混凝土在发达国家中已较普遍应用，主要用于高层建筑的柱子、大跨度梁、桥梁、道路及海洋工程中，使用较多的是强度介于C50~-C70的高强混凝土。日本在40年代就用强度高达100MPa的混凝土建造混凝土塔。美国在70年代已广泛应用高强混凝土，如美国1975年建造的79层、高262m的水塔公寓大厦，采用62MPa的高强混凝土。1982年建造的4O层芝加哥贸易交易所，混凝土强度62MPa，内含两根混凝土强度达100MPa的试验柱。1989年西雅图建造的太平洋第一中心,混凝土强度高达124MPa。我国在60年代也开始了对高强混凝土的研制工作。但由于当时配制的高强混凝土水灰比小，干硬度大，给施工带来困难，推广应用受到限制。近年来，由于高标号水泥和高效减水剂的研制和生产，为普通条件下配制高强度混凝土提供了有利条件，促进了高强混凝土的研究和在实际工程中的应用。深圳市安托山混凝土有限公司2005年完成的《高强高性能混凝土在工程实践中的应用》项目第一次不用硅灰，采用粉煤灰和聚羧酸等外加剂等材料，在常规工艺条件下，配置出了强度高、工作性能优异，体积稳定性和耐久性良好的C80高性能混凝土，并成功地应用于直接外露的结构构件中。这些科研探索为高强混凝土的实际应用奠定了很好的基础。目前，我国高强混凝土在多数地区应用还较少，在较发达地区的高层建筑、桥梁工程等应用较多。从总体上说，远远落后于发达国家实际应用的混凝土平均强度等级低于发达国家，结构安全度总体上比国际水平低，但是材料用量并不少，其根本原因在于国际上较高的安全度是靠高强度的混凝土和钢筋实现的。因此，推广应用高强混凝土，带动混凝土平均标号的提高，对于发展和提高混凝土工程的质量和技术水平是十分重要和有意义的。3高强混凝土的主要特点根据我国《混凝土结构设计规范》(2002版本)，强度等级超过C50的混凝土其在实际结构计算中的等区别于一般混凝土，为高强度混凝土。其特点是强度高，密实性好，但是缺点是脆性也较高。高强混凝土之所以有这些特点与其微观构造密切相关。从微观分析，混凝土是一种多相复合介质，由于各种内外原因，在水泥水化时不可避免地会在内部形成细微的毛细孔，导致内部总是存在一些细微裂隙和缺陷。这些细微裂隙本质上是不连续的，是随机偶然发生的。在外界环境改变(如温度、湿度、荷载、动力等)及基础沉降等作用下，就会发展、扩大、贯通，直到产生宏观断裂失稳。混凝土的破坏过程，实际上就是这些内部裂隙的萌生、发展、扩张、贯通直至失稳的过程，是一种局部应力现象。而高强混凝土就是加入微米级径增密处理的超细活性颗粒，使其在水泥浆微细空隙中水化，减少和填充毛细孔，达到增强和增密作用。为减少混凝土中可能出现的初始微裂缝高强混凝土要求低水灰比；为施工泵送等方便，要求具备较高的坍落度，因此，需要掺入高性能的外加剂。由于高强混凝土具有强度高、耐久性好的主要优点，在满足结构受力和结构功能的前提下，应用高强混凝土可以减小构件断面尺寸，减轻自重，降低用钢量，增加建筑空间，总造价较低，并且符合建筑科学可持续发展的要求。据统计计算，混凝土强度由30MPa提高到60MPa，结构体积可减小l／3，相应自重亦可减轻l／3，在受压构件中可节约混凝土30---40％，在受弯构件中为节约混凝土15～20％。美国的高层建筑工程中采用50---60Mpa混凝土柱，比普通混凝土柱子断面减小约25％，节约钢材约10％。实体梁由35MPa提高到50MPa，在不增加梁高的情况下，可增加跨度约15％。根据深圳的一份统计资料，2004年，深圳全市使用混凝土约1500万立方米，其中20％使用在墙、柱上。如果这些墙、柱使用混凝土的等级提高20Mpa，深圳一年可节约混凝土100多万立方米，节约钢材7O多万吨，节省资金25亿。经济效益明显。此外由于高强混凝土具有良好的耐久性，因此可以延长建筑工程的使用寿命。这带来的经济和社会效益无疑是巨大的。高强混凝土主要缺点是脆性较大，应力应变曲线的下降段很陡，结构的延性较差，不利于结构抗震。为此，应考虑混凝土脆性折减系数，设计中可以采用密集的箍筋来约束混凝土，一方面可以提高混凝土的约束受压强度，另外提高钢筋混凝土结构、构件的延性，改善其抗震性能。4高强混凝土应用于高层建筑分析石家庄市某大酒店。该酒店1997年开工，1999年1O月竣工落成，该建筑地上15层，地下一层，建筑面积14300m，总高度73m。主体为框剪结构。混凝土采用C35，部分柱子采用C40混凝土。如果将C35部分改为采用C50混凝土，柱截面尺寸及配筋，对比数据见表1：表l柱截面尺寸及配筋由表1可知：(1)减小柱子断面，节省了混凝土用量。柱断面尺寸由原750X750mm减小为650X650mm，小柱断面25％：节省混凝土约170t。(2)降低了用钢量。由于高层建筑中柱断面往往是由轴压比控制和按最小配筋率配置纵向钢。纵筋和箍筋用量也随柱断面的增减而增减。该建筑物由于柱断面减小后，纵筋和箍筋共节省筋约7t。(3)增大使用面积约17m,减小建筑面积约5Om5总结1.1从以上分析知，高强混凝土在高层建筑工程中应用，具有良好的经济效益。(1)节约了钢材和水泥，减4,T构件截面尺寸，因而减轻了结构自重，并使使用面积增加，使总的造价有所降低。(2)加快了施工进度，由于减少了混凝土和钢筋用量，使模板等一系列施工工作量相应地减少，同时由于高强混凝土早期强度高，可加快施工周转，因而建设周期缩短。(3)满足了高层建筑及特殊结构的使用要求。在高层建筑中底层柱子受力过大，采用高强混凝土能满足受力和建筑使用要求，使得采用钢筋混凝土结构能建造较高的建筑物。(4)改善了混凝土的质量，提高了混凝土结构的耐久性，建筑物的使用年限得到延长。1．2从工程质量控制角度而言，由于高强混凝土是依靠添加微硅粉和外加剂提高其强度的，这些较普通混凝土的性能有所区别，应严格质量控制：(1)严格水灰比控制，在任何情况下都应严格控制添加水量；合理安排工艺和工序，计算各阶段所需时间，合理缩短砼从搅拌到浇捣完毕的时间；(2)虽然高强混凝土根据全国统计调查结果，以及估计判断，变异系数较普通混凝土小，但是由于其强度数值受多种因素的影响，故高强混凝土抗压试件的采样频数应高于普通混凝土。综合以上考虑，在建筑工程中尤其在高层建筑工程中采用高强混凝土，其直接的经济效益是很明显的。对于建筑业可持续发展以及提高建筑工程技术水平，缩小与发达国家差距而言，无疑是很有意义的。在国内发达地区和大中城市已逐渐接受高强混凝土的情况下，逐步在技术水平、观念相对滞后的落后地区和中小城市，也应逐步推广高强混凝土，从整体上提高我国总体混凝土技术的发展和进步，提高我国整体建筑结构设计、施工、生产等技术水平。