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混凝土材料的现状及研究进展
南京工程学院 戴嵘
摘要：首先回顾了混凝土的发展历史，然后系统地介绍和总结了混凝土材料的研究与应用现状。重点介绍了近期混凝土材料水化机理探索方面的进展以及新型混凝土的开发成果。最后根据社会发展需求，展望了混凝土材料发展趋势和应用前景。
关键词：混凝土；高性能混凝土；自密实混凝土
The Present Situation and Research Progress of Concrete Materials
Dairong NanJing Institute Technology
Abstract：The history of the development of contemporary concrete is reviewed first．Then the current development and applications of concrete have been systematically introduced and summarized ,emphasizing on new discoveries in exploring the hydration mechanism and new development of contemporary concrete． Finally，the development trends and future applications of concrete materials have been presented based on the demands of the developing human society.
Key Words：concrete; high performance concrete; Self-Compacting concrete
1. 引言
混凝土是一种由填充料与胶凝材料组成的复合材料。实际上，混凝土是一种人造石材。从其字面上理解，要形成这种材料，首先要将各组成部分混在一起，然后经过胶凝材料的凝结作用，形成统一的材料，即人造石材。在混凝土中，填充料起骨架作用，称为骨料；胶凝材料与水形成浆体，称为胶凝浆体。胶凝浆体包裹在骨料表面并填充骨料之间的空隙。在硬化前，胶凝浆体起润滑作用，使得拌合物具有一定的和易性，便于施工。胶凝浆体硬化后，将骨料胶结为一个坚实的整体[7]。
人类已经进入21世纪，随着科学技术的快速发展，一种又一种新型混凝土涌现出来，如高性能混凝土、纤维混凝土、自密实混凝土、再生混凝土、活性细粉混凝土以及透光混凝土等相继出现。混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，除其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性等性能外，还在于其能否成为绿色材料。因此绿色高性能混凝土是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的发展方向。
2．现代混凝土的研究与应用现状
2.1 水化与微结构形成机理的研究进展
从混凝土发展历史来看，混凝土是一种应用先行、实用导向的材料，历来缺乏系统的科学的研究。事实上，混凝土是一种极其复杂的多尺度结构材料，其微结构跨越了从纳米、微米、毫米多个尺度。对混凝土粘结强度贡献最大的水化产物，c—s—H凝胶，其微结构即在纳米尺度。混凝土水化是一个很复杂的物理化学过程，通过水化过程胶凝净浆从流态逐渐转变为多孔固态。对于水泥水化过程的研究，主要采用传统水化热分析法，通过不同阶段水泥水化热的测量来分析水泥水化机理[6]。但是，水泥水化所释放的热量既不与水泥水化程度成正比，也不与水泥块体的物理特性成一定比例关系，很难定量去描述水泥水化过程和机理 。当水泥和水按照一定比例混合后，水泥中的部分离子就会在水中溶解，并游离在净浆孔隙水中。在特定的电场作用下，孔隙水中的离子具有导电性，并产生一定的电流。水泥浆体的导电性主要取决于浆体中离子浓度和其微结构，特别是水泥净浆的孑L结构及其连通性[1]。基于这样的原理，可以通过水泥浆体的导电率或者电阻率的测定来分析水泥的水化过程。许多学者 通过对水泥浆体的交流阻抗谱来分析水泥浆体的水化过程。但是，在试验过程中电极与水泥净浆之间的接触很难保证，对试验结果的精度和一致性造成很大的影响。
2.2 新型混凝土的发展与应用
2.2.1 高性能混凝土
高性能混凝土(High performance concrete，简称HPC)是在高强混凝土(High strength concrete，简称HSC)的基础上发展而起来的。高性能混凝土有多种定义，不同国家，甚至是同一个国家的不同应用部门，对高性能混凝土的定义都有差别。，我们通常所谓的高性能混凝土是指混凝土具有高强度、高耐久性、高流动性等多方面的优越性能。高强度、高工作性、高耐久性这三项指标，构成了“高性能混凝土”所具备“三高(即3H)”的性能指标。但是，高性能混凝土并不一定强调高强，也就是说高性能混凝土除了包含以前的概念外，还包括另一个方面，就是普通混凝土的高性能化[3]。
普通混凝土的高性能化的应用：目前我国规范划分的混凝土最高强度等级为C60，而实际工程中应用的混凝土强度等级一般都在C50以下，C30左右的混凝土最为普遍，由于国内大多使用萘系复合型的减水剂，混凝土坍落度损失没有得到根本解决，再加上各地的技术水平差异和原材料变化较大，往往达不到技术要求。因此高强高性能混凝土尚未在全国完全普及推广使用。通过对原材料的优选和质量控制、配合比优化、生产过程的有效控制，使用高效减水剂、掺入矿物超细粉料、尤其是复合矿物超细粉料改善混凝土的微观结构，可以提高普通混凝土的施工性能和耐久性，使普通混凝土高性能化。
高强高性能混凝土的应用：提高混凝土强度是发展高层结构、高耸结构、大跨度结构的重要措施。采用高强高性能混凝土可以减小截面尺寸，减轻自重，获得较大的经济效益。高强高性能混凝土近年来在高层建筑、大跨桥梁、海上建筑、公路等建设中采用愈来愈多。C50以上的高强及C80以上超高强高性能混凝土仅在经济发达的城市或地区的推广应用较为普及。
2.2.2 自密实混凝土
自密实混凝土是一种高流动性混凝土。一般来讲，自密实混凝土可以靠白重及惯性力填充满模板空间，无需振捣。施工中既减少了噪音污染，又节约了劳动力。自密实混凝土组分的特点有：胶凝材料量大，细骨料量大，粗骨料量少，高效减水剂量大。这些特点是为了使混凝土在能保持其高抗压强度的同时，增加其流动性[2]。
在大大提高流动性的同时，自密实混凝土还必须保证各组分空间分布的均匀性，尤其是粗骨料。为此，自密实混凝土必须具备良好、适中的流变性。提高自密实混凝土流变性主要有两种方法，粉末法与增稠剂法。粉末法是通过加添具有一定细度的矿物粉末或工业废渣以提高胶凝材料总量，在保持小水灰比的前提下，增加混凝土的粘稠度。增稠剂法是通过在混凝土中加添大分子质量的水溶性聚合物，由其与水反应所产生的粘聚力来增加胶凝桨体的粘稠度。
在欧洲和日本， 自密实混凝土已经被广泛用来进行水下结构和高配筋结构的混凝土浇注，并取得许多成功的范例。据报道 ，在北美自密实混凝土主要在质量控制要求较高的混凝土预制构件工厂中得到大量应用。在我国北京、深圳、济南等城市也开始使用自密实混凝土，从1995年开始，浇筑量已超过4万立方米。主要用于密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑困难的部位、解决扰民问题、缩短工期等[7]。但是，由于其较高的成本和质量控制所需的条件较高，许多现场浇注的场合不愿意使用自密实混凝土。自密实混凝土的进一步推广还需要进行深入的研究，一方面开发成本相对低廉的外加剂，另外进一步完善其质量控制程序，便于混凝土现场施工。
3.混凝土的发展趋势
3.1混凝土微结构的深入研究
在现代混凝土的组分中，水泥基胶凝材料起着将其它组分固结在一起的重要作用。胶凝材料在水化过程中形成的微结构是现代混凝土的细胞，其分布与组合影响着现代混凝土的各项宏观性能。因此。探讨现代混凝土复杂的硬化浆体微观结构形成机理并提炼其微结构模型是当前本研究领域中至关重要的课题。同时，针对现代混凝土组分复杂的特点，有必要研究各组分对微结构形成的影响，组分之间的交互作用，水化速率与水化度对微结构的影响，以提炼现代混凝土的微结构模型。
3.2高韧性、高抗拉强度混凝土的研发
波特兰水泥通常主要有C S，C S，C AF和c A 4大矿物组成，水化后产生c—s—H凝胶及其结晶相。其中，C—s—H和结晶CH，钙矾石等的多少与形态决定了其胶结能力。由于这些矿物均为水化矿物，它们之问的作用力来源既有离子键、共价键的成分，又有相当一部分分子键力。离子键、共价键几乎没有塑性变形，分子键塑性变形能力也很小，这就从根本上决定了其低韧性和低抗拉强度。为解决现代混凝土的脆性大的问题，迫切需要研发新型高韧性、高抗拉强度的现代混凝土。可考虑在此类混凝土的薄弱环节进行增韧。如在c—s—H的层间的硅氧键上接上阳性半聚合物，然后由其自行聚合，形成纤维状或胶膜状有机聚合物，填充空隙，提高韧性及抗拉强度[4]。
3.3耐久性混凝土的研发
当前所有的设计规范，往往只考虑结构的承载能力，并以静止的观点看待结构的抗力。近期推出的耐久性设计规范，往往只提出一些构造措施，缺乏科学的理论工具与计算公式，不能满足现实的需求。为此，研究并建立崭新的服役寿命设计理论是混凝土科研人员必须面对的责任。实现环境影响因素向力学效能的转换与探明结构性能的时变规律是建立新的服役寿命设计理论的两个关键问题。前者可提供在设计中考虑环境因素的科学依据，从而把耐久性因素以力或应力的形
式引入设计规范。这一工作以多孔介质力学与热动力学为平台，以虚功计算为工具，将混凝土耐久性问题统一到力学的框架下。后者将提供材料与结构性能随时间的变化规律，以动态的观点及多尺度理论为根据，在设计过程中将其劣化过程，维修加固等统一考虑在内。真正实现混凝土结构服役寿命设计口[5]。
4.总结
简单回顾了混凝土的发展历史。然后，系统地介绍和总结了混凝土材料的研究与应用现状，并重点介绍了近期混凝土材料水化机理探索方面的主要进展和成果。还以自密实混凝土和超高强混凝土为例系统阐述了高性能混凝土的发展和应用，并指出了各自存在的不足之处。最后， 围绕水泥水化机理、高韧性、高抗拉强度混凝土的研发以及荷载承载力与耐久性科学统一的服役寿命设计理论为主论述了现代混凝土发展的趋势和应用前景。
5.参考文献
[1] 陈彩艺，水泥水化及其微结构发展的计算机模拟[D].福州大学土木工程学院，2010：11
[2] 李宗律，孙伟，潘金龙.现代混凝土的研究进展[J].中国材料进展，2008（11）:1-7
[3] 杜婷，郭太平，林杯立，等.混凝土材料的研究现状和发展应用[D].理论研究，2006（5）：5-9
[4] Mindess Sidney， Young J Francis， Darwin David． Concrete[M]．New Jersey：Prentice Hall，2002．
[5] ACI．Vision 2030：a vision for the US concrete industry[J]．ACI Magazine Concrete International， 2005，23： 25—34．
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Canada：ACI，2003：322．