数字混凝土--混凝土技术发展的新方向.pdf

2 0 1 0年 第 3 期 (总 第 2 4 5 期 ) N u mb e r 3 in 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE ORE1 1 CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 0 4 数字混凝土 混凝土技术发展的新方向 王栋民 。张守祺 ( 中国矿业 大学 ( 北京 )混凝土与环境材料研究所 ，北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘要： 从数字化技术发展出发， 论述了现代混凝土的技术进展 ， 提出并探讨了数字混凝土的概念、 实质、 任务， 从几个典型方面分析了 数字混凝土建设中已经取得的重要进展， 如高性能混凝土配合比设计方法、 复合超塑化剂配方设计方法、 预拌混凝土搅拌运输车的 G P S 系统的实时在线监测， 论述了数字混凝土技术在混凝土质量控制和标准化建设中的作用， 说明了数字混凝土建设的必要性和战略意义。 关键词： 数字混凝土；现代混凝土；高性能混凝土配合比设计；复合超塑化剂配方设计；质量控制 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 1 3 0 6 Di gi t a l c on c r e t e 一 nB w dev e l o pm e n t di r e c t i on o f c onc r e t e t e c hnol og y WANGDo n g - mi n， ZHANG S h o u - q i ( I n s t it u t e o f C o n c mm a n d E c o ma t e r a l s ， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， B e O i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e c o n c e p t ， e s s e n c e， t a s k o f d i g i t a l c o n c r e t e a n d i t s a c t ion s o n q u a l i t y c o n t r o l a n d s t a nd a r d iz a t i o n c o n s t r u c t i o n a l e p r e s e n t e d and d i s c u s s e d A n d t h e d e v e l o p me n t s ， p e rf o r ma n c e r e q u i r e me fi t s a n d t e c h n o l o g y o f mo d e m c o n c r e t e a r e ana l y z e d Th e n the d i g i t a l d e v e l o p me n t o f h i g h p e r f o rm an c e c o n c r e t e mi x r a t i o d e s i g n an d c o mp l e x s u p e r p l a s t i c i z e r s d e s i gn a l e i n t r o d u c e d Di g i tal c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n s n e c e s s i ty and s t r a t e g i c i mp o r t a n c e ale e x p l a i n e d a t l a s t K e ywo r d s ： d i git a l c o n c r e t e ； mo d e m c o n c r e t e ； h i g hp e rf o rm a n c e c o n c r e t emi x r a t i o d e s i gn ； c o mp l e x s u p e r p i a s t i c i z e rsd e s i g n ； q u a l ityc o n t r o l 0 引言 人类已经进入数字化时代。人类对于世界的认识， 不管是 宏观世界还是微观世界， 乃至人类自身都已经进入到数字化、 定 量化、 信息化和现代化的新阶段 ， 从过去模糊的、 粗浅的认识到 现在精确的、 深刻的认识。 现在地球已经成为“ 数字地球” 1 ， 对于“ 数字地球” 的研究和 建设已经有十年的历史， 每两年召开一次国际学术会议 ， 2 0 0 9年 9月第六届国际数字地球会议成功地在北京召开。 所谓“ 数字地 球” ， 可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和 认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和 社会活动诸方面的问题 ， 最大限度地利用资源， 并使普通百姓 能够通过一定方式方便地获得他们所想了解的有关地球的信 息， 其特点是嵌入海量地理数据， 实现多分辨率、 三维对地球的 描述， 即“ 虚拟地球” 。通俗地讲， 就是用数字的方法将地球、 地球 上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中， 实现在网络 上的流通 ， 并使之最大限度地为人类的生存 、 可持续发展和日 常的工作、 学习、 生活、 娱乐服务。 严格地讲 ， 数字地球是以计算机技术、 多媒体技术和大规 模存储技术为基础， 以宽带网络为纽带， 运用海量地球信息对 地球进行多分辨率、 多尺度、 多时空和多种类的三维描述， 并利 用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。 在我国水利行业 ， 先后提出“ 数字黄河” 、 “ 数字长江” 建设 的目标和规划， 使我国的大江大河进入人类可以量化描述、 把握 和引导利用的范围； 在我国的矿山行业 ， 也提出了“ 数字矿山” 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 0 1 1 的概念； 我国首都北京也提出“ 数字北京” 、 “ 数字首都” 的概念， 我们大学的校园也在进行“ 数字校园” 建设。信息化和数字化已 经成为一种发展的必然趋势和走向， 必将渗透到人类生存和发 展的各个方面。 2 0 0 7年在长沙召开的第五届全国商品混凝土技术交流大 会上 ， 作者以“ 纳米科技和现代水泥混凝土材料” 为题进行了大 会发言。在这次会议上 ， 作者首次正式提出“ 数字混凝土” 的概 念 ， 引起与会代表和国内同行的兴趣和关注。近两年混凝土技 术又取得了新的进展 ， 为数字混凝土的发展提供了更多有力的 支持。 1 现代 混凝土 的发展 已经渐进 到数 字混凝 土 阶段 1 1 现代混凝土的技术进展 混凝土技术的发展先后经历了塑性混凝土、 干硬性混凝土、 流态混凝土、 高性能混凝土等阶段。涉及的概念还包括泵送混 凝土、 预拌混凝土、 超塑化混凝土、 自密实混凝土、 现代混凝土、 千年混凝土、 数字混凝土等。 混凝土技术发展已有 1 7 0多年的历史， 混凝土材料是现今 以及可以预计的未来使用量最大的人造材料。在混凝土材料的 发展历史上曾出现过见几次大的变革， 那就是 1 9 1 9 年发现了“ 水 灰比定理” ， 1 9 3 8年发现了引气剂， 2 O世纪 6 0年代出现了高效 减水剂， 其中以联邦德国开发的三聚氰氨盐系高效减水剂和日 本开发的萘磺酸盐系高效减水剂为代表， 这些变革均极大地推 动了混凝土材料和施工的技术以展。 l 3 高性能混凝土是 1 9 9 0年以来发展起来的一种新型的高技 术混凝土， 新型混凝土高效减水剂( 超塑化剂) 和优质超细矿物 掺合料( 辅助胶凝材料) 的使用使得既有良好的工作性、 又有优 异的力学性能和耐久性的混凝土的生产成为可能。这种新型混 凝土称为高性能混凝土( Hi g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ) ， 简称H P C 。 H P C的广泛应用对混凝土建筑施工技术和混凝土结构性能起 到显著的推动作用。 高性能混凝土是对传统混凝土的重大突破， 在节能、 节料、 工程经济性 、 劳动保护以及环境等方面都具有重要意义 ， 是一 种环保型、 集约型的新型材料， 可称为“ 绿色混凝土” ， 它为建筑 工程自动化准备了条件。 高性能混凝土的应用标志着传统混凝土进入现代混凝土 时代。HP C不仅是混凝土品种， 而且是现代混凝土的一种“ 概 念” ， 对于所有混凝土都应满足“ 高工作性、 高早强和高耐久性” 的基本要求。因此， 近年来国内外出现了各种各样的高性能混 凝土， 如高性能流态混凝土、 高性能自密实混凝土、 高性能膨胀 混凝土、 高性能喷射混凝土等。 1 2 现代 混凝 土的性 能 1 2 1 工作性 近年来， 新拌混凝土的工作性受到越来越多的重视。这是 由于混凝土施工工艺的发展要求新拌混凝土具有大流动性、 可 泵性、 自流平、 自密实等特点。同时， 对施工速度、 经济性、 均匀 性和安全使用均至关重要。工作性的好坏决定混凝土能否进行 有效施工。新拌混凝土工作性不好会产生原始缺陷， 这将导致 硬化混凝土产生质量问题。 现代混凝土的工作性应包括： 流动性、 黏聚性、 保水性、 填 充型和振实性。影响工作性的因素包括 ： 用水量、 浆体和集料的 用量及比例、 浆体的塑性、 集料的最大尺寸及其形状和表面特 性、 外加剂的种类和掺量。为使新拌混凝土达到高的工作性必须 解决以下矛盾： ( 1 ) 大坍落度与坍落度损失的矛盾 ； ( 2 ) 变形能力与抗离析性的矛盾； ( 3 ) 流动性与黏聚性的矛盾； ( 4 ) 坍落度保持能力与凝结时间的矛盾。 因此， 只有运用科学的混凝土配合比设计和性能优异超塑 化剂才能够合理解决上述矛盾， 使新拌混凝土达到高工作性。 1 2 2 早强高强 早强高强是现代混凝土的基本性能之一。高的早期强度必 然加快混凝土施工设备在周转速度 ， 加快施工速度， 缩短工期， 节约资源。而随着我国的基本建设已进入到高速发展阶段， 大 型基础工程和重点工程规模空前， 城镇化高速推进 ， 高强混凝 土、 超高强混凝土的使用量也必将逐渐增大。 1 2 3 耐久性 混凝土的耐久性过去不受重视， 至少重视不够。高性能混 凝土最突出的特点是要求混凝土在严酷环境 中安全使用期有 保证。 耐久性问题十分复杂， 有多种破坏作用以及作用的叠加， 而建筑物的安全使用期是最重要的， 或者说是最大的经济。 从材料的观点来看， 高性能混凝土与普通混凝土类似 ， 有着 相同的退化机理。因此 ， 普通混凝土获得耐久的基本原理也同 样适用于高性能混凝土。但是由于高性能混凝土的渗透性低， 如何保证高性能混凝土的耐久的问题存在着争论。 高性能混凝土比普通混凝土要耐久的多， 这是因为在设计 1 4 配合比时就考虑到耐久性问题。特别是早期下沉和硬化收缩 小、 干缩小、 水化放热低， 因而提高了混凝土抗裂缝能力， 无初 始结构缺陷。 而硬化后的混凝土密实、 渗透性低。 这些都混凝土 抵抗外部因素的能力得到提高， 最终得到耐久性好的混凝土。 1 3 现代 混凝 土 工艺 现代混凝土工艺是根据混凝土材料特性和施工过程制定 的。随着混凝土材料科学和施工方法的发展， 其工艺过程是变 化的。如集中搅拌 、 流态化( 泵送 ) 、 大体积、 快速、 早强、 无宏观 裂缝等。图 1 是现代混凝土工艺过程。 目前， 我国混凝土建筑物的平均使用寿命不到 3 O年， 远低 于 5 0 - 1 0 0 年的水平。其中主要原因是采用了传统混凝土或传 统施工工艺。因此很难保证工程质量和耐久性。现代混凝土工 艺的特点是 ： ( 1 ) 从材料科学的观点优化混凝土的组成和结构。 ( 2 ) 根据过程设计要求 ， 通过科学的混凝土配合比设计和复 合超塑化剂配方设计， 实现混凝土工作性、 强度和耐久性设计。 ( 3 ) 为防止因混凝土拌合物工作性不好而产生的缺陷， 以 及初期结构形成过程中表面失水和干缩裂缝的产生， 在混凝土 浇筑后应即时用塑料布覆盖， 在初凝前后实施二次抹浆， 除掉表 面干缩裂缝和破坏表面开放毛细孔结构。 ( 4 ) 加强早期( 7 1 4 d ) 养护， 可采取浇水覆盖或蓄水养护。 只有严格按照现代混凝土工艺施工， 才能够保证工程质量， 包括力学性能和耐久性， 以及混凝土无宏观裂缝施工。 I水泥 I 掺合料 一I 细集料 组成材料H粗集料 一I 水 I空气 I 外加剂 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 r。 。 。 - 1 l 防止水分损失破 l I 坏表面开放毛细结卜 l构除掉干缩裂缝 I 磊 黼 塑 望 些 型 墼 堡 I l 斋 柱 蕞 一I 振捣 l 匿 I 图 1 现代混凝土工艺过程 1 4 数 字混 凝 土的概念 1 4 1 数字混凝土的定义、 实质、 任务 当前 ， 数字化技术尚处于发展阶段， 但越来越多的领域正 将自身行业特点与数字化技术相结合， 进行着历史生的变革。数 字混凝土是一个全新的概念， 不同研究领域的专家、 学者对其 定义的理解可能有所不同。作者认为数字混凝土既是对于混凝 土材料科学深入、 定量化和科学化的研究和把握 ， 也是对于混 凝土的生产、 制造、 运营等各个环节的信息化控制。 对于它的理 解与研究应结合数字地球、 数字中国的意义 ， 从一个更高、 更广、 更深入的角度进行理解。 数字混凝土不仅包括 “ 数字混凝土配合比设计” 、 “ 数字复 合超塑化剂配方设计” 、 “ 数字混凝土结构设计” “ 数字混凝土施 工技术” ， 还应包括“ 数字混凝土生产控制” 、 “ 数字混凝土质量 控制” 、 “ 原材料的数字化控制” 、 “ 混凝土数字化经营和销售” 、 “ 预拌混凝土的数字化运输” ， 甚至“ 混凝土工程事故的数字化 处理” ， 是 内涵更为广泛的概念 ， 是对整个混凝 土工业所有 的混 凝土信息( 包括上游过程， 又包括下游过程) 进行获取、 传输、 处 理和应用的全过程， 是一个综合的信息系统。 数字混凝土的实质是对真实的混凝土工业整体及其相关 现象的统一认识与数字化再现， 是个信息化的产业。它是科学、 合理地组织各类混凝土相关信息， 将海量混凝土设计 、 生产、 施 工、 质量控制和检测 、 事故的处理 、 经营、 管理等信息资源进行 全面、 高效、 有序的管理与整合。 数字混凝土的任务是在高速企业网的网络环境中， 在混凝 土信息数据库或数据银行的基础上， 充分利用现代空间分析、 数 据采集 、 知识挖掘、 虚拟现实、 可视化、 网络、 多媒体和科学计算 等技术 ， 为混凝土配合比设计、 复合超塑化剂配方设计 、 混凝土 结构设计 、 混凝土耐久性设计、 施工技术、 安全生产、 质量控制、 事故处理 、 决策、 经营 、 管理等混凝土行业相关环节提供新的技 术平台和强大工具。 1 4 2 数字混凝土对企业信息化的意义 随着我国加入 WT O以及集团企业的境外相继成功上市 ， 标志着我国混凝土行业已成功地进入了国际市场。面对新的国 际化环境， 既有着极好的发展机遇， 也面临着巨大的挑战。为了 能应对这种挑战， 信息化是企业重要和必要的发展过程之一。 我国是一个发展中的大国， 基本建设已进入到高速发展阶 段， 重大基础工程规模空前 ， 城镇化高速推进。然而与国外相 比， 混凝土行业信息化程度普遍较低。为了加快信息化进程， 必 须利用数字地球这个信息时代的制高点带来的机遇 ， 抓好数字 混凝土建设 ， 加大对数字混凝土建设的投入。数字混凝土的建 设可以借助数字地球的理论 、 思想和方法， 构造合理的数字混 凝土平台， 提高企业的信息化程度， 加快企业的信息化进程 ， 提 高企业的国际竞争力。数字混凝土建设的一个重要内容就是统 一 数据标准模型的研究。统一标准数据模型， 可以使各个企业 的信息化建设在全局上有了统筹规划， 避免了各个企业各自为 战， 企业与企业之间因系统的差异和数据格式的不同而不能有 效共享信息的不利局面， 使混凝土行业的整体信息化水平得到 大 的提升。 2 数字混凝土建设 中已经取得 的几个重要进展 “ 数字混凝土” 是混凝土行业发展的一个重要方向， 无疑它将 在混凝土配合比设计、 复合超塑化剂配方设计、 分子结构设计 、 混 凝土结构设计、 混凝土耐久生 设计、 施工技术、 安全生产、 质量控 制、 事故处理、 决策、 经营、 管理等方面起到巨大的作用。“ 数字混 凝土” 的建设将是一项巨大的工程， 需要多方面的有力支持， 投入 相当的人力、 物力和财力才能够完善的工程。但是通过科技工作 者多年的努力， “ 数字混凝土” 已经得到了一些重要进展， 典型的 成果包括： 现代混凝土配合比设计的全计算法； 混凝土复合 超塑化剂( C S P ) 配方设计方法； 聚羧酸盐混凝土高性能减水剂 的分子结构设计方法； 现代混凝土耐久性设计方法； 预拌混 凝土搅拌运输车的G P S系统的实时在线监测等。其中高性能混 凝土配合比全计算法的发明使混凝土配合比设计从半定量走向 定量， 从经验走向科学， “ 现代混凝土配合比全计算法软件” 的开 发使混凝土配合比设计走向了数字化的道路。而复合超塑化剂 ( C S P )配方设汁的发明使复合超塑化剂配方设计与调试的复杂 程序变为精确、 简单、 快捷的过程， “ 复合超塑化剂( C S P ) 配方设计 软件” 的应用则实现了复合超塑化剂配方设计的数字化。以下将 这些成果做一简介， 以证明数字混凝土技术的发展。 2 1 现代混凝土配合比设计的全计算法l3 无论是传统的四组分塑性和干硬性混凝土， 还是现代的六 组分混凝土， 其性能均取决于其内部组分的配比及应用结果， 配 合比设计一直是混凝土技术中最基本、 最重要的部分。混凝土 配合比设计的理念和方法， 体现着不同时期混凝土科学的发展 成就。在传统组分混凝土时期 ， 混凝土配合比设计的理念和方 法， 充分体现在先行的行业标准 普通混凝土配合比设计规程 中。 普通混凝土配合比设计规程 在我国已应用了几十年， 几 经修订， 扩展了一些应用范围， 至今仍在广泛的应用， 其中包括 绝大多数的预拌混凝土生产厂家。虽然其中补充了一些新内 容， 并在 有特殊要求的混凝土配合比设计 一章中纳入了若干 现代高性能混凝土的生产配制技术， 却仍未脱离传统混凝土配 合比设计的基本理念及应用模式。 现代高性能混凝土体现了对混凝土工作性 、强度和耐久性 的综合优化， 并根据不同用途对其中一些性能进行重点优化， 因 而形成了多种不同性能的混凝土， 如高强混凝土、 泵送混凝土、 免振捣 自密实混凝土、 纤维增强混凝土、 轻集料混凝土等， 配制 这些混凝土均需正确地选用原材料， 并按当前混凝土原材料、 颗 粒级配、 混凝土结构杼陛以及其它各种性能之间内在联系的规律 性进行配合比设计， 设计过程需要科学、 合理； 高度重视外加剂与 掺合料的作用和效能， 并使其能够得到最大程度的发挥， 以实现 配制的混凝土具有最佳的性能和技术经济效果。 过去单靠调整水 泥用量和用水量来调节混凝土性能的传统做法都须被更改。 现代高性能混凝土品种多样 ， 六种原材料组分的选择和 配制较繁杂， 迄今仍没有一个公认的简便的配合比设计方法。 笔者与陈建奎教授通过对混凝土配合比设计的绝对体积法重新 审视， 建立了普遍适用的混凝土体积模型。观点和模型如下： ( 1 ) 混凝土各组成材料( 包括固、 液、 气三相) 具有体积加和性； ( 2 ) 石子的空隙由干砂浆来填充； ( 3 ) 干砂浆的空隙由水来填充 ； ( 4 ) 干砂浆由水泥、 细掺料、 砂和空气所组成。 在普遍适用的混凝土体积模型的基础上， 经科学推导求得了高 性能混凝土每立方米用水量 计算公式和砂率 P 算公式： 每立方米用水量公式： Ve - V a H 南 【 麓坩J 砂率公式： 一 ， 、 1 0 0 J p - ( 2 ) ( e + ) p s + ( 1 0 0 0 一 一 式中 ，口 _一 混凝土的配制强度， 1 V I P a ； 一 水泥的实测强度， UP a ； 体体积 ， L ； 一 干砂浆体积， L； -一甩水量， L或k g m3 ； 一 水泥体积用量， L； 。 一 空气体积用量， L； 一 砂子体积用量， L； 一 石子体积用量， L ； p 一 水泥密度， k g m ； p 广细掺料密度 ， k g m3 ； P 表观密度， k g m3 ； P d 一石表观密度， k g m3 。 这 2个公式揭示了混凝土组成材料内在的客观规律和内 1 5 在联系， 通过结合传统的水灰( 胶) 比定则， 即可定量确定混凝 土各组成材料用量， 实现 HP C混凝土全计算配合比设计。 由于模型的普遍适用性， 这两个基本关系式及全计算配合 比设计方法不仅适用于高性能混凝土， 也适用于普通混凝土、 高 强混凝土、 流态混凝土及其它特种混凝土， 不再一一赘述。这项 研究成果使得现代高性能混凝土配合比设计从半定量走向定 量、 从经验走向科学 ， 是混凝土配合比设计上的重大发展。 2 2 复合超塑化剂( CS P) i , 方设计方法嘲 由于对现代混凝土高性能化的要求， 配制各种类型的混凝 土时均必须采用复合超塑化剂( C S P ) 。 其中包括： 缓凝减水剂和 高效缓凝减水剂、 泵送剂和高效泵送剂、 缓凝引气减水剂和高 效缓凝引气减水剂 、 多功能复合防水剂、 复合防冻剂和超缓凝 减水剂等。为了满足现代混凝土性能和施工工艺的要求 ， C S P 必须具备以下功能： ( 1 ) 减水率应满足初始坍落度 1 8 2 4 c m 的要求， 减水率变 化范围 1 5 D 扣3 5 ； ( 2 ) 能有效控控制坍落度损失， 满足运输 、 泵送、 浇筑和自 密实自平工艺要求； ( 3 ) 新评混凝土的工作性好： 泌水小、 抗离析、 稳定性好、 保 持流动性和黏聚性平衡 ； ( 4 ) 有效控制水泥水化过程 ， 降低水泥水化初期放热， 防止 温度应力裂缝的产生； ( 5 ) 早强增强 ， 提前折模、 提前张拉、 加快施工速度； ( 6 ) 提高混凝土耐久性， 满足特殊性能的要求； ( 7 ) 液体产品， 浓度 2 0 - - 4 0 ， 对环境和混凝土本身不产 生有害影响。 现代混凝土选用外加剂的准则是根据工程设计的混凝土 类型、 强度等级、 抗渗等级、 运输距离 、 泵送高度、 浇筑条件和环 境温度等因素。因此， 正确选用外加剂是决定混凝土性能和施 工质量的关键问题。 通常， 外加剂的配方是经过一定的试验确定的， 然后将此 固定配方用于生产 ； 而用户是根据工程要求 ， 从生产厂家的产 品说明书中挑选所需的外加剂， 或同类外加剂挑选几个厂家的 产品， 经试验确定最终要使用的产品。这种传统方法试验周期 长、 工作量大、 效率低。 C S P对水泥适应性问题与水泥的矿物组成 、 含碱量、 可溶 性 S O 含量、 比表面积 、 颗粒组成和形貌， 矿物细掺量的品种和 掺量 以及混凝土的原材料和配合比有关。解决水泥适应性问 题必须针对不同水泥混凝土建立相应的 C S P配方体系。 C S P配方设计， 不同于传统的选择法 ， 它是根据工程要求 的混凝土配比和施工工艺条件， 确定若干参数 ， 通过严格的计 算得到 C S P配方， 然后经试验验证， 并组织生产。 C S P配方设计 以满足混凝土的工作性 、 强度和耐久性要求为前提 ， 因此配方 精确， 适应性好， 试验量少。C S P配方参数为减水率、 等效减水 系数、 等效缓凝系数和凝结时间差。“ 复合超塑化剂( C S P ) 配方 设计软件” 以 C S P配方设计法为基础， 包含了4个不同体系的 C S P配方计算器， 能够提供解决 CS P对水泥适应性的全套技术 方案， 使 C S P配方设计从以经验为主导的半定量化走向科学的 计算法 、 数字化。 2 3 聚羧酸超塑化剂的分子结构设计方法 在混凝土技术的发展进程中， 超塑化剂扮演着极其重要的 角色， 其发明和应用被公认是继钢筋混凝土和预应力钢筋混凝 】 6 土技术之后混凝土技术领域的第三次飞跃。在欧洲、 澳大利亚 以及加拿大等地区和国家高效减水剂又被习惯性地称之为超 塑化剂。近年来， 高性能混凝土和建筑施工技术的迅速发展主 要得益于新型混凝土外加剂的发展及广泛使用。混凝土外加剂已 经无可争辩地成为了现代混凝土的重要组成部分和关键技术。 随着预拌混凝土在国内的迅速发展 ， 混凝土超塑化剂已经 经历了木质素磺酸盐、 萘磺酸甲醛缩合物 三聚氰胺甲醛缩合物 以及聚羧酸梳型共聚物三个发展阶段。特别是近年来， 聚羧酸 超塑化剂在国内外的研究和应用， 极大地推动了自密实混凝土、 超高强混凝土以及各种特种混凝土技术的进步和发展。 通过分子设计的方法， 目前在全世界范围内人们已经制备 了各种具有独特性能的聚羧酸梳型共聚物， 并详细研究了聚合 物的分子结构对其相关性能的影响。通过选择陛能各异、 反应活 性不同的聚合反应单体以及侧链的长度， 并通过一些功能性基 团或链段对其进行修饰， 成功制备了低黏型、 早强型、 缓释型以 及超保坍型等一系列新型的聚羧酸梳型共聚物。 并研究了该类 减水剂在水泥熟料矿物组成上的吸附分散情况， 以及不同化学 结构对掺有聚羧酸减水剂的水泥、 砂浆以及混凝土流变学性能 的影响。同时德国的科学家还具体研究了聚羧酸超塑化剂对水 泥水化产物结构的影响。相关研究进展如下： 传统的聚羧酸系超塑化剂是一类含羧基( CO 0H) 的高分 子表面活性剂， 其分子结构呈梳形， 主链系由含双键的活性单 体聚合而成， 侧链则通过含功能性官能团的活性单体与主链接 枝共聚得到。根据主链上设计的大单体( 在分子结构中摩尔分数 大于 5 0 ) 结构单元的不同， 一般将聚羧酸系超塑化剂分为聚 丙烯酸盐( 或酯) 类 、 聚马来酸( 酐) 类、 聚( 甲基) 丙烯酸( 酯 ) 和 马来酸共聚物类等。早期的聚羧酸体系是纯丙烯酸的聚合物。 但纯聚羧酸减水剂的起始 Z e t a电位较高、 经时变化较大、 难以 控制坍落度损失 ， 后改用烯烃与不饱和羧酸进行共聚， 但这种 改进的工艺条件较难控制， 且产物的分子量较低， 单独使用效 果不好。 为了解决上述问题， 研究者们尝试改变聚合单体。 经过 大量研究发现， 以聚氧乙烯为主链或在侧链上引入聚氧乙烯 ， 可 起到保持 Z e t a电位、 控制坍落度损失等效果， 同时聚氧乙烯链 还可起到消泡的作用。S h o n a k a 等研究了一系列具有不同大小 主链及不同长度侧链的聚羧酸系超塑化剂， 结果发现， 带有短 的羧酸酯主链和长的聚氧乙烯侧链的超塑化剂的性能比具有较 长主链和较短侧链的相似聚合物有更好的性能。但 Y a ma s h i t a t 等认为具有端羟基的聚合物易引起凝胶化， 给T业化生产带来 困难， 故需要加入大量的链转移剂如巯基乙醇或异丙醇等， 以夺 取单体中活性较大的原子如氢、 氯等。链转移的结果是使 自由 基终止， 聚合度因而减小， 从而达到防止凝胶化的作用。为防止 产品中含有游离的链转移剂， 从而影响减水效果 ， Y a ma s h 目 采 用不同长度的无端羟基的醚基聚乙氧基不饱和酸酐及其盐和 丙烯酸类不饱和单体共聚， 并适当添加第三单体以利于改进减 水性能。鉴于木质素系和萘系超塑化剂中磺酸基在分子结构中 的重要作用f9 _ “ J ， Y a ma s h i t a v 又在分子中引入脂肪族磺酸基团 阴离子并作为链转移剂。 Ya ma d a t 埘 曾研究了聚羧酸系超塑化剂 聚氧乙烯的链长度、 分子聚合度、 羧基和磺酸基所占的摩尔百分 数等对水泥浆体分散性的影响， 结果表明聚氧乙烯侧链越长， 聚 合度越小， 磺酸基团含量越多， 减水剂对水泥的分散作用越好。 Ma t s u n a g e 等采用马来酸酐、 氨基羧酸、 甲氧基二缩三乙 二醇共聚合成了聚马来酸酐类超塑化剂。 试验证实具有很好的 分散作用。同时， Ho n d a S u s u mu等旧对聚氧乙烯与马来酸酐或 其衍生物共聚合成的聚羧酸超塑化剂作了有效的改进 ， 并加入 双烯烃聚环氧乙烷等其它单体。结果表明， 用这种混合物与马 来酸酐共聚合成的减水剂具有更好的使用效果。 为了实现高性能化， A k i mo t 等 6 1 采用聚氧乙烯与马来酸酐 或其衍生物进行共聚， 以烷氧基为主链 ， 羧酸为侧链合成减水 剂， 合成过程中发现长侧链聚氧烷基中的端羟基在聚合过程中 极易凝胶。Hi r a m等研究了马来酸封端的乙二醇 3 一 甲基一 3 一 异 丁烯醚以及含有聚氧烷基侧链的聚羧酸超塑化剂 ， 克服了凝胶 化问题。进一步的试验表明， 若在不同的聚马来酸酐类超塑化 剂主链上引入适量含有磺酸基团的不饱和单体， 可使减水剂在 保持低掺量高分散的同时， 产生良好的保塑性能。如 T a k a h a s h i 等【t 7 1 采用聚氧烷基衍生物、 不饱和羧酸单体及含有一s 0 3 l 的单 体等共聚合成聚羧酸系超塑化剂， 取得了较好的效果。其应用 于水泥黏度低， 减水效果好 ， 减水率达 2 5 以上， 且强度及耐久 性 良好 。 T a n a k a 等 I 捌 研究了 C L AP型超塑化剂( 交联丙烯酸共聚 物) 对混凝土拌合物坍落度损失的影响。 这类超塑化剂是由丙烯 酸和聚乙烯醇单烷基酯部分交联制备的。 T a n a k a 等人的研究结 果表明这类交联共聚物在水泥浆体的碱性溶液中可以发生水 解反应， 从而转化为聚羧酸超塑化剂。而由水解反应产生的羧 酸根离子可以吸附到水泥颗粒表面起到分散水泥颗粒的作用。 这一特殊的分子结构可以很好地解决由于水泥水化而导致的 坍落度损失太快的问题 ， 起到一种缓慢释放的效果。 H a m a da 等i t 采用更长侧链的聚氧乙烯基( E O) ： 1 3 0 mo l 的 E O代替传统 1 0 ,- ,2 5 mo l 的聚羧酸超塑化剂； 通过这种改变 ， 聚 羧酸超塑化剂分子主链上的羧酸根离子( c O( ) _ 一) 数 目会降 低 ， 其在水泥颗粒上的吸附速度也会降低 ， 从而明显降低由于 早期吸附而产生的典型的缓凝效应。 S u g i y a ma等【2 0 】还合成了一系列带有功能性减缩基团的称 之为 E P B E新型超塑化剂， 这类超塑化剂可以明显降低表面张 力， 提高混凝土的抗干缩性能。 目前国内在聚羧酸系超塑化剂合成工艺研究方面也得到一 定程度上的重视与关注， 并取得了初步的研究成果。如复旦大学 2 0 0 1 年3月 2 8日公开的中国发明专利 C N1 2 8 8 8 7 0涉及包括含 羧基、 经基 、 磺酸基多官能团共聚物和含聚乙氧基侧链的聚羧 酸系减水剂。前者在氧化一 还原体系中以含有侧基的不饱和烯类 单体聚合而得， 后者是聚氧乙烯与马来酸酐酯化反应后再与丙烯 酸酯类单体聚合而得。产品性能良好， 原料易得， 具有良好的产 业化前景。北京市建筑材料科学研究院 2 0 0 1 年 1 0月 1 0日公开 的发明专利C NI 3 1 6 3 9 8 公开了一种聚羧酸系引气高效混凝土减 水剂的制备方法。 该混凝土减水剂是以甲基聚氧乙烯醚、 甲基丙烯 酸甲酯、 甲基丙烯酸等为原料， 经化学反应制备的合成方法简单、 反应条件易于控制的引气高效混凝土减水剂。当该减水剂掺加 量为水泥重量的 1 5 时， 配制的混凝土含气量一般在 4 一 7 ， 减水率可达 3 0 ， 2 8 d抗压强度为空白样的 1 1 0 1 2 6 。清华 大学的李祟智、 李永德等进行的聚乙二醇、 丙烯酸、 烯丙基磺酸 盐系列减水剂的研制2 1】 。 复旦大学的胡建华等 嗨聚乙二醇、 马 来酸、 丙烯酸等合成含有羧基、 羟基 、 磺酸基多官能团的共聚 物， 山东省建筑科学研究院的郑国峰等 进行了乙烯基磺酸盐、 丙烯酸、 甲基丙烯酸甲酯系列减水剂的研制， 南京化工大学的 赵石林等利用马来酸的研制 ， 该校的钱晓琳还进行了马来酸 酞胺类单体二元共聚物的合成【蠲， 山东建材学院的王正祥等陶 进行的羟基羧酸盐、 丙烯酞胺系列减水剂的研制， 四川大学的 李虎军等 进行了丙烯酸胺系列水溶性减水剂的合成研究， 向 建南等进行了马来酸酐单酯型共聚型 A E减水剂的研究。中国 建筑材料科学研究院的王红霞、 张文生等人研究了掺杂聚羧酸 超塑化剂等大分子化合物对水化硅酸钙结构的影响 等。中国 矿业大学( 北京) 至 2 0 0 3年以来对于聚羧酸分子结构设计与 工业化制备技术进行了深入、 系统地研究聚羧酸梳型共聚物的分 子设计， 结构与性能关系， 吸附分散机理方法， 以及超支化聚合物 的反应单体类型、 分子排列方式、 支化度、 分子量与分子量分布、 几 何异构现象和聚集态结构对水泥水化速度 、 吸附分散方式及水 泥水化产物结构的影响 。 项目成果通过教育部科研成果鉴定， 以在全国8 家工厂生产， 产品大量服务于我国高速铁路建设中。 2 4现代 混凝 土 的耐久性 设计 方 法 混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的 工作环境及材料内部因素的作用下， 在预期的使用年限内抵抗 大气影响、 化学侵蚀和其他劣化过程 ， 而不需要花费大量资金 维修， 也能保持其安全性和适用性的功能。 目前混凝土结构耐久性设计方法基本可分成两大类。第 一 类首先源于欧洲( C E a耐久混凝土结构设计指南 ， 如国内 的 J r J 2 7 5 2 0 0 0 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 、 C C E S 0 1 ： 2 0 0 4 ( 混凝土结构耐久性设计与施工指南 等。 这类方 法首先按业主的意愿和经济实力确定结构的设计使用年限； 再 按结构的工作环境确定腐蚀等级； 进而建立在设计使用年限内 结构抵抗环境作用能力大于环境对结构作用效应的耐久性极 限方程 ( 如 日本土木工程学会提出的指数评分法、 I S O因子法、 验算法等) ； 最后利用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。 耐久性设计的极限状态主要按适用性的要求确定，