国内外新型混凝土发展现状与未来(混凝土第一节)

胶凝材料学水泥混凝土发展现状与未来王发洲博士副教授Email:[e-mail];Tel:[phone]绪论国内外混凝土发展现状与未来一、绪论Email:[e-mail];Tel:[phone]王发洲博士副教授1.引言混凝土，当今世界上应用最广泛的建筑材料水泥混凝土的由来古罗马（B.C.2000y）石灰和凝灰岩、火山灰混凝土英国（1824）硅酸盐水泥混凝土20世纪全世界的水泥产量：1900年约0.1亿吨1998年约16亿吨以250kg水泥生产1m3混凝土计:1900年仅4000万方1997年达到64亿方(1M3or2.5t/人）（仅次于水的耗量）(CEMBUREAU统计)年世界水泥年产量（百万吨）1增长原因：1）二次大战后欧洲和日本重建2）世界人口增长和生活水准提高，以及工业化、城市化对基础设施需求增大收入（1000美元）人均水泥用量（千克）原因：1)城市化进程达到饱和2)大部分需要的基础设施已经建成3)技术进展使混凝土及其它材料获得更好地利用，因此可以用越来越少的材料满足社会的需求当今，一些工业国各种材料都面临市场饱和，只有维修、更新以及自然增长的市场是应用材料的驱动力。水泥仍然是制备混凝土的一种基本原材料，但是在现代混凝土这种复合材料中，它已经不再是最重要的组分了。现代混凝土不再是一种简单的水泥、水和骨料的混合物，而通常含有越来越多使混凝土具备特定品质的矿物组分，以及使其具有特定功能的化学外加剂。Cementsofyesterdayandtoday；ConcreteoftomorrowP.-C.Aïtcin明天的混凝土将含有较少的熟料，因此水泥业将成为水硬性胶凝材料业，一种向市场提供与水拌和时能硬化的微细粉末的工业。这种使矿物组分，而不是细磨熟料用量增大的做法，将有助于水泥业向更加符合各国政府提出的可持续发展的目标迈进。今天的水泥业沿着这个方向努力已经是非常必要了。Cementsofyesterdayandtoday；ConcreteoftomorrowP.-C.AïtcinIntroductionIncreaseofcementoutputinChina:2002:700milliontons.2003:825milliontons.2004:960milliontons.2007：1040milliontons.≥halfofthecementoutputoftheworld.二、巨大的进展——混凝土强度与工作度混凝土强度发展长期以来，混凝土业和设计人员都只面对可以适用于任何环境的万能混凝土，其抗压强度通常在15~25MPa。有些国家一些年来用于结构的混凝土抗压强度要稍高，为25~35MPa。美国直到20世纪70年代末，广泛用于建筑的混凝土强度仍在5000psi（35MPa)以下。20世纪混凝土技术的进展多年来混凝土技术只有少数几次重要的突破。40年代开发的引气作用是其中之一，它改变了北美混凝土技术的面貌；高效减水剂是另一次重大突破，它在今后许多年里将对混凝土的生产与应用带来巨大的影响。V.M.Malhotra.Superplasticizer:theireffectonfreshandhardenedconcrete(1981)14000psiin24hoursByTheodorA.BürgeCONCRETEINTERNATIONAL.SEPTEMBER1983高强混凝土世界上最高的建筑物是1998年用混凝土建造的马来西亚Petronas双塔楼；世界上最深的钻井平台是1998年建成比著名的埃菲尔铁塔还高的挪威Troll混凝土平台；1998年能制备出比普通结构钢抗压强度还高的活性粉末混凝土。但是必须指出：混凝土领域这些令人吃惊的进展，主要都是通过外加剂，而不是水泥生产领域的进展所带来的结果。Cementsofyesterdayandtoday；ConcreteoftomorrowP.-C.AïtcinTROLLA,platformjustbeforetowingouttotheNorthSeagasfield224000m3ofconcreteC-75MPaanddensity2200kg/m3Standsonwaterdepthof303meterRaise150abovesealevelBiggestobjectevermovedbymankindTherearenoleakingcracks!BurjAlArabHotel,Dubai.World’stallest(321metre)andmostluxurioushotel(7stars)BurjDubai/DubaiTower活性粉末混凝土（RPC）20世纪90年代在法国问世我的学生们每天都在以适用而简单的机械和热处理工艺制备400MPa的混凝土；而Richard则已经能用金属粉末为骨料制备800MPa的混凝土；1000MPa的活性粉末混凝土已不再是空想。这种抗压能力3倍于钢材的混凝土未来如何？没有人知道。但我毫不怀疑在本世纪它能制造出来，很可能还用得上。P.-C.Aïtcin,CementsofyesterdayandtodayConcreteoftomorrow.CementandConcreteResearch.Sept2000.UHSFC(SakataCity,Japan)UHSFC(SunyodoBridge,Seoul,Korea)Veryhigh-strengthfiberconcrete跨高比非常大的桥梁Prof.J.C.Walraven.NewDevelopmentsinConcreteTechnology.2004.Bridgedeck非常薄的桥面板Veryhigh-strengthfiberconcrete抵抗海浪冲刷的海闸Prof.J.C.Walraven.NewDevelopmentsinConcreteTechnology.2004.Veryhigh-strengthfiberconcreteProf.J.C.Walraven.NewDevelopmentsinConcreteTechnology.2004.混凝土工作度的变化30年代干硬、插捣0cm50年代干硬、振捣0-2cm70年代塑性、高频振捣5-12cm80年代泵送、流态8-20cm90年代泵送、自密实10-25cmSCCinTunnelConstructionProf.J.C.Walraven.NewDevelopmentsinConcreteTechnology.2004.SCCArchesProf.J.C.Walraven.NewDevelopmentsinConcreteTechnology.2004.SCCBridgeBeamsProf.J.C.Walraven.NewDevelopmentsinConcreteTechnology.2004.Durableandmarble-likeskinMarioCollepardi.,SCCINTHEPRESENCEOFFLY-ASHFORMASSIVESTRUCTURES.SCC:CompositionofconcretemixturesMixC*FA*GL**TotalBinderAggregate(MaxSize18mm)kg/m2Water(kg/m3)Admixture(%bytotalbinder)W/CWC+FAWC+FA+GL(kg/m3)VMASuper-plasticizerA152—38153317881530.0381.141.011.010.29B1535131952317921540.0391.301.010.760.30C15110125450617771520.0401.661.010.610.30D15115119249417781520.0412.041.010.510.31*C=PortlandCement;FA=FlyAsh;GL=GroundLimestone;TotalBinder=C+FA+GLMarioCollepardi.,SCCInThePresenceofFly-AshforMassiveStructures.CompressivestrengthasafunctionoftimeofSCCwithdifferentmineraladditionsMarioCollepardi,SELF-CONSOLIDATINGCONCRETEINTHEPRESENCEOFFLY-ASHFORMASSIVESTRUCTURES.March2005.India.三、严峻的挑战——混凝土结构的耐久性混凝土耐久性危机1980年，我国混凝土与预应力混凝土学会在苏州成立。吴中伟先生到巴西参加第八届国际水泥化学会议预备会回来，带到会议一个消息：混凝土面临耐久性的危机！混凝土耐久性一些屹立了2000年之久的无筋混凝土结构，例如用缓慢硬化的火山灰-石灰水泥建造的古罗马万神殿和欧洲的几条输水故道仍然完好；同时20世纪用波特兰水泥建造的钢筋混凝土结构则迅速地劣化。当暴露在侵蚀环境，例如除冰盐和海水中，桥面板、停车场、海底隧道和其他海工结构在不到20年时间就出现严重的耐久性问题。P.K.Mehta.,BuildingDurableStructuresinThe21stCentury.CI.March,2001.在20世纪30年代，刚开始大力兴建混凝土结构时，人们普遍认为它的设计使用寿命是40~50年，而且基本无须维护，还绰绰有余。直到70年代，混凝土过早劣化的现象，仍被看作是例外，是由于规范存在问题，或者材料与施工不当所引起。P.K.Mehta.Durability—CriticalIssuesfortheFuture.ConcreteInternationalJuly1997.混凝土结构的耐久性问题在美国引起轰动，是由1987年国家材料顾问委员会提交的报告所导致。该报告报道:大约25.3万座混凝土桥梁的桥面板，其中部分仅使用不到20年，就已经不同程度地破坏，而且每年还将增加3.5万座。P.K.Mehta.Durability—CriticalIssuesfortheFuture.ConcreteInternationalJuly1997.同年，Litvan和Bickley发表了对于加拿大停车场的检测报告，他们发现大量停车场在远比预计的服务寿命提前出现破坏的现象。Gerwick等人分别报道了一些国家的海底隧道、海洋桩基和铁路轨枕过早出现严重劣化的现象。而研究表明：这些结构物的设计、材料和施工都是符合现代技术发展水平的。P.K.Mehta.Durability—CriticalIssuesfortheFuture.ConcreteInternational.July1997.由于美国混凝土桥面板普遍出现开裂，因此转向使用高强度的混凝土，但是看来这无济于事。根据国家公路合作研究计划1995年的检查结果表明：上10万座混凝土桥面板在混凝土浇筑后一个月内就出现间隔1~3米的贯穿性裂缝。1996年，美国联邦公路局启动了高性能混凝土(HPC)桥面板的项目，结合该项目工作选择了四个气候环境各异的州铺筑了HPC桥面板，但是到2000年为止，它们无一例外地都出现了明显地开裂。混凝土耐久性从对未来世界及其需求的预测，以及对今天混凝土业现状的了解，可以确定它继续作为最受欢迎的普通建筑材料必须迅速解决的一系列关键问题。似乎最重要、迫切需要引起注意的问题，是普通混凝土的耐久性，和日益增长的公众对该材料长期使用寿命缺乏信心。长期以来，人们一直认为混凝土的强度与耐久性直接相关，这种观念主宰着耐久混凝土的配合比设计。20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材料科学的基本规律，即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设可持续发展的混凝土结构这个目标，有必要更新一些观