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浅析未来混凝土 or 混凝土未来

文章来源:xcyhnt 添加时间:2017-01-13

在21世纪中,水泥和混凝土必须按环境要求,按可持续发展的途径进行开发。混凝土既可以是一种商品,也可以是一种用在特种市场上的特种材料。我们可以采用多种途径来生产满足上述要求的混凝土。但是,无论采用那种途径,都必须确保从每一颗水泥颗粒中获得最佳的技术--社会--经济效益,从而使所形成的混凝土结构具有更长的使用寿命周期。如果我们能实现这一目标,那么波特兰水泥和混凝土显然仍将成为21世纪的建筑材料。

目前,混凝土基本上仍属一种商品,其基本特性的改善和提高仍相当缓慢。但是,已出现了若干种符合特种市场小批量需求的特种混凝土。当然,要预测这些新型混凝土在市场上的发展速度和市场份额,还尚有困难。

通常,对未来进行预测,都存在一定的风险性,特别又是一个与人类行为紧密相连的未来。首先,我们不可能预测到未来的偶然性发现。其次,由于现代社会的行为日益复杂,很难对最聪慧的人脑和最强大的电脑进行分析。因此,要对现代人类社会的行为进行精确的预测,是相当困难的。

但是,我们可以采用一种谨慎的方法,即通过对当今混凝土技术中的最新发现,进行一番基本的研究,看一下还有那些潜力尚未被充分利用,就能很自信地对未来若干年,混凝土技术中的几个最强劲的发展趋势进行预测。我们将对早已开发研究的,或已进展到开发研究高级阶段的若干种特种混凝土的成功机会进行分析研究,进行多种选择,但是,我们的选择必须建立在对这些开发研究的结果有充分了解的基础上。

1尚待进行的选择

(1)普通商品或高性能产品

长期以来,混凝土行业所生产的混凝土,以及设计人员根据规范所设计的混凝土,都是一种能适用于任何场合下的通用型混凝土。其抗压强度一般在15Mpa-25Mpa。近年来,在有些国家中,混凝土的抗压强度可能略有提高。目前,在一些发达国家中,使用在结构上的混凝土抗压强度在25-35Mpa之间。 当然这并不是说20Mpa强度的混凝土已不再使用。仍有许多应用场合(基脚,基础等),设计人员不需要采用抗压强度大于20Mpa的混凝土,但是,越来越多的结构,已采用抗压强度更高的混凝土。

到上世纪的七十年代,已开始制定了相应的技术规范,把强度更高的混凝土(40-50Mpa)用于高层建筑的立柱。随后,这些最初所谓的高强混凝土,逐步转变为高性能混凝土,其原因是:这些混凝土具有比高强度更多的性能。这些混凝土开始被用在室外,而且,面对更为恶劣的环境条件,诸如近海平台、桥梁、和道路等。这类混凝土的市场,已逐渐不仅限于高强混凝土市场,而且已更多地用于耐久性混凝土市场。目前,耐久性混凝土市场已占混凝土总市场的三分之一。

最近,在现有的工艺技术水平下,使用更少的水泥,在某些情况下,只需使用三分之一的集料,就可配置出能承受所需结构荷载的普通强度混凝土,。这是一种比普通混凝土更具生态友好型的混凝土。此外,高性能混凝土预计的使用寿命周期要比普通混凝土长2-3倍,而且,这种高性能混凝土可以在其结构使用寿命周期结束时,可再生循环使用2-3次,最后用作路基混凝土的集料。

简单采用低水/灰比的高性能混凝土是一种原始成本很低的经济型混凝土。其原因是:建造同样数量的结构,使用的模板较少,浇筑的混凝土较少,使用的钢筋也较少。加拿大魁北克运输部已算出,采用强度为50-6-Mpa的混凝土桥梁,其最初造价比采用强度为30Mpa的省8%,其中还没有把所增加的桥梁使用寿命考虑进去。

接受使用高性能混凝土的过程很缓慢,但是,进展是持续不断的。而且,这个进展过程仍将在21世纪初持续下去,因为设计人员和业主都将意识到高性能混凝土的价值及其耐久性能。

当然,高性能混凝土并非灵丹妙药,也不会限制所有其他种类混凝土的发展。而且,高性能混凝土也有其自身的局限性。但是,高性能混凝土是一种可以使设计人员和建筑师超越现有混凝土局限性的耐久性混凝土

(2)特种混凝土

最近已可以看到,与高性能混凝土开发研究领域并行的,应用于某些特种市场中的高技术或特种混凝土,诸如纤维增强混凝土、自密实混凝土、滚压高性能混凝土、以及活性细粉混凝土。所有这些混凝土都是为用量较小,但赢利能力很强的市场而专门设计的。这些市场的竞争性不大,而且,只有那些很严肃认真的公司才会参与这些市场。因为他们都处于这些技术的领先地位,有能力提高这些高技术混凝土的应用范围。当然,这些公司也有能力提供大量在进行房屋或基础设施建设时所必须采用的普通混凝土。这些特种混凝土虽然用量还不大,然而,随着时间的推移,一定会很快出现一系列特种混凝土。因为,向承包商提供的新型混凝土方案,与强度为20-30Mpa的混凝土方案相比,其性能更优,耐久性更好,经济效益更大,因此,其价值也越大。采用BOOT方式开发的工程项目,无疑将加速形成新型混凝土的应用趋势。而更为有趣的是,有些特种混凝土可获得当初未曾想到的意外应用市场。我们可以以自密实混凝土为例。当初在日本所进行的开发研究,只是为了在钢筋很密集的结构构件中,方便地浇筑混凝土。而现在,我们已开始将其用作静音混凝土,或无噪音混凝土。由于自密实混凝土不需要振捣,因此,可用于夜间或白昼任何时间的浇筑作业,又不干扰临近居民。当自密实混凝土用于预制厂时,其噪音要比一家迪斯科舞厅还小。

(3)超高强混凝土

在用于环境功能的结构中,混凝土最重要的性能已不是强度,而是耐久性。但我们必须承认,这两种性能是紧密关联的。显然,抗压强度仍将支配技术规范(程)。在混凝土领域中,增加抗压强度仍是一个永恒的目标。

研究人员常常声称,他们已成功配置了强度达数百Mpa的混凝土试块。但是,至今为止,我们必须承认,所有这些研究工作都没有达到工业应用的程度。

集料构架堆积(填实)和热养护的重要性,以及气密封的益处已广为人知。当我们对活性细粉混凝土进行初步设计时,具有真正创造性的是要把这种技术诀窍融入到一个简易的工业理念,即在混凝土技术的开发研究中,可将这一理念付诸实施。

目前,活性细粉混凝土的成本是750美元/m3。。在不久的将来,其成本可降到650美元/m3。当大规模生产时,其单价可进一步降到500美元/m3。

在某些应用领域,即使活性细粉混凝土的单价在1000美元/m3,或400美元/T,它仍能与钢材相媲美。结构钢材在某些以耐久性和强度为重要考虑因素的应用场合,其成本在800-1000美元/T。

对活性细粉混凝土所作出的预测是令人吃惊的,在某些应用领域中,它不仅可以与钢材相媲美,而且还可以与铸铁、铝、甚至木材相媲美。

(4)环境问题

另一个有利于这些新型混凝土发展的哲学或政治问题,是不断增长的,并融入到21世纪所有人类活动的可持续发展的重要性。我们不能再继续无休止地污染和浪费我们的自然资源,不能让我们的下一代继承一个他们不能生活或呼吸的地球。在21世纪中,任何一项人类活动都不能仅仅是为了使股东更快乐,而必须以最小的环境为代价的情况下,获取最高的技术--社会--经济效益。

在很长的一段时期内,工业世界一直轻视"绿色"理念。"绿色"行动一直受到干扰,一直被视为是减少公司利润的行动。 但是近年来,世界各国的政治家们已对可持续发展倍加关注。这无疑对我们未来的生活质量是一个好消息。

水泥和混凝土行业必须迅速适应这一新的哲学理念,即最终的目的是要可持续发展。从环境的角度来看,就是要使自然资源的利用率最高,而所产生的污染最小,。我们已从最高度地获取利润这一哲学理念中解放出来,并跨出了一大步。大多数国家已实施的ISO14000标准,其目的就在于使所有工业企业,在环境问题上都处在同一起跑线上。

(5)教育

要做好任何一件事,教育是必不可少的。但是,教育是一项长期的投资。必须使人们认识到,不但可以通过教育学到知识,而且必定会在学习中得益。因为知识可以方便地使各项工作做好,并进而转化成利润的增长。

通常,对任何传统方式的改革,在开始阶段都会产生某种费用的支出,这就是金融和技术上很难对其进行评估的风险投资。 我们有必要将教育的费用与任何一个国家的国民总产值相联系,从中可以看出,教育和财富对于一个国家来说是相辅相成的。对于混凝土行业来说,难道不也是相辅相成的吗?

2未来的混凝土

水泥和混凝土工业应与所有其他工业一样,努力减少对环境的污染。根据唯一的从每一颗水泥颗粒中获得最佳的技术--社会--经济效益的原则,归纳起来,取决于以下各方面的工作。

(1)21世纪的水泥

21世纪的水泥将是一种生态水泥。水泥熟料中将含有比现在更多的硅酸二钙。这些水泥熟料将使用一种更高量的代用燃料进行烧制,并且与各种含量的矿物组分混合而成。但是,生产波特兰水泥熟料仍将遵循相同的物理、化学和热动力法则,任何波特兰水泥熟料的化学成分,仍不会离开CaO-SiO2-AlO3的基本相位。

通过使用矿物化手段,早已能用非常具体的离子来改变波特兰水泥的不同相位,使水泥熟料在1250-1300。C温度下烧制,从而比现在的烧制温度低150-200。C。在实验室内效果很好,但是,它在工业生产规模上的应用,至今尚未被掌握。采用这种技术,将使释放到大气中的CO2更少,因此很有发展前途。

21世纪水泥仍将采用石灰石和粘土,或页岩,或不纯净的石灰石来制造。但是,水泥中的C3S和C3A的含量将更少,因为已不必采用高含量的C3S来获得初期的高抗压强度。21世纪的水泥不需要磨得象现在的水泥一样细,其原因也是不必采用细度非常细的水泥来获得早期高抗压强度,所需做到的仅仅是使水泥颗粒相互更紧密,而这是通过使用诸如超塑化剂这种强大的分散剂,通过降低水/胶比来获得早期高抗压强度的。

总之,21世纪波特兰水泥将是一种矿物化的贝利特(硅酸二钙)水泥,而不是现在我们所使用的阿利特(硅酸三钙)水泥。在生产一种更生态化的波特兰水泥方面将有更多的进展,但是,仍必须采用一定量的石灰石,并通过加热来生产波特兰水泥熟料。另一个水泥工业对生态环境令人感兴趣贡献是一种能对含有丰富硫磺(碳、焦碳和石油焦碳)的燃料进行燃烧。事实上,在烧制熟料过程中,挥发性的碱与硫作用,形成硫化碱,并留在熟料中,这就可用来解释为什么现在的熟料中,含更多的硫,通常含1-2%的SO3。而在二、三十年代之前,SO3在熟料中的含量仅0.5%。熟料中S03含量的增加,在某些水泥和超塑化剂的兼容性无法控制时,会产生一些问题。

水泥工业对生态环境的第二个贡献是:通过在燃烧窑中的燃烧,有助于消除一定数量的危险产物。这些危险产物可能含有氯化二苯酚醛(BPC),或甚至会导致疯牛病。事实上,燃烧窑的温度很高,几乎所有有机物质都将被分解烧尽。水泥工业对生态环境的第三个贡献是有助于消除大量有机废料,甚至矿物副产品,包括家庭废料、清漆溶剂、各种涂料和油漆,甚至轮胎。有些水泥厂似乎在出售水泥前,就通过在其窑中燃烧这些废料而获利。

但是,水泥工业最重要的贡献不能仅此而已。水泥工业还必须将其贡献扩大到混凝土领域。因为水泥是用于生产混凝土的基本材料。在混凝土领域中,水泥工业对生态环境的贡献将具有更为深远的意义,它可以促进: 广泛使用矿物组分; 开发使用外加剂;配置、浇筑耐久性混凝土,使混凝土结构和基础设施的使用寿命更长。

换言之,必须学会如何配置耐久性更强的混凝土。事实上,认为全球水泥消耗量至少在21世纪上半叶将下降是错误的。因为第三世界国家仍将城市化,仍将提高其生活水准,这意味着这些国家将使用更多的混凝土。

(2)21世纪的混凝土

21世纪的混凝土将是一种生态混凝土。混凝土中将含有比现在更多的外加剂,其水/灰比,或水/胶比将更低,强度将更高,更重要的是耐久性更强,而且还含有一定数量的再生混凝土。

21世纪,将专门为特殊应用领域,开发研究一系列特种混凝土。重点提高混凝土的某种性能,业主和承包商也应准备为此支付更高的单价。因为,使用这些特种混凝土,可以节省最初的结构造价和今后的维修费。而且,还可以大大提高混凝土结构的整个使用年限。当然,这并非意味着强度20-30Mpa的混凝土不再使用。在许多工业应用领域中,这类混凝土仍是社会经济效益和生态成本最低的。但是,随着各种特种混凝土的应用,目前我们所采用的独一无二的,能应用于任何场合的通用型混凝土的市场占有率将会下降。

(3)现已应用的特种混凝土

目前我们已能预言:某些特种混凝土,诸如,高性能混凝土、自密实混凝土、滚压高性能混凝土、纤维增强混凝土、活性细粉混凝土等,都将非常迅速地开发出它们自己的市场。高性能混凝土将以其耐久性,以其长久的结构和基础设施使用年限,以其更强的再生性应用潜力,以其节省集料,节省浇筑时的人工费,以及能给混凝土结构带来的审美理念,而得到更广泛的应用。

自密实混凝土的应用将使浇筑更方便,施工作业更迅速。这类混凝土将用于浇筑深度更深的现浇构件,不会有产生任何离析的危险,同时又不需要振捣密实。自密实混凝土可以用作一种无噪声混凝土,可以在任何一个城市中的24小时内,进行混凝土浇筑作业,又不会受到周围住户对噪声的抱怨,而且可以使生产率提高20%。城市中进行夜间混凝土浇筑作业也代表了一种有经济效益的生产方式。在美国和加拿大的魁北克地区,自密实混凝土已在一些非常特殊的工程中得到了应用。这种混凝土在夜间运输很方便,很有规律,先后顺序容易控制,交货也方便,又可以避开交通高峰时间,因此,可以满足紧迫的施工进度计划。

滚压高性能混凝土早已得到应用,并且已打开了新的应用市场。其浇筑技术很简单,在道路施工中的现代化应用工艺是具有革命性意义的,特别是能在如此干硬性的混凝土中引气。在混凝土中使用钢纤维能克服混凝土固有的弱点,即韧性差。目前,由于纤维用量不大,使其价格太贵,而且技术规程也没有使混凝土能充分利用高质量的纤维制品。但是,这种混凝土的应用是一定会取得进展的。此外,只使用一种纤维的纤维混凝土,一定会被使用多种混合纤维增强的混凝土所取代。诸如Ross 所建议的那样,可把长纤维和短纤维混合使用。

就超高强混凝土而言,诸如各种活性细粉混凝土,它们代表了一种巨大的潜力。随着进一步的开发研究,已有可能与钢铁相媲美,甚至在某些应用领域,已能与木材相媲美。目前,由于纤维和硅粉的价格相当昂贵,活性细粉混凝土的成本就成为其应用的主要障碍。但是,现已开发研制成功更为经济的方法,通过降低用量,达到降低成本的目的,从而大大提高活性细粉混凝土的竞争力。可以肯定的是:上述这些特种混凝土,只是若干种在21世纪将要进一步进行开发研究的范例而已。

当前,很少有人意识到外加剂对生态环境的贡献,但这恰恰是不容忽视的。事实上,每使用一种减水剂,或一种超塑化剂时,就能减少一定数量的水和水泥用量。某些外加剂公司甚至可通过利用人类对可持续发展的新一轮关注,把众所周知的外加剂—减水剂,更名为减水泥剂。

引气剂、抗腐剂和抗收缩剂也将以不同的方式,对改善混凝土的耐久性作出贡献,从而直接节省水泥。在这一领域中,相信会有很大的进展。因为外加剂是一门新兴的学科。

混凝土的耐久性将成为设计中的基本要素,其重要性甚至会超过抗压强度。当然这两个要素是紧密相连的。高性能混凝土的使用不是其高强度,而是其高耐久性。目前,虽然对混凝土耐久性进行估算或预测还相当困难,但是,越来越多所设计的混凝土结构,其耐久性担保期已达到100年之久。为了达到如此长的使用寿命,混凝土的浇筑和养护将比现在更为谨慎小心。而且,还必须详细说明所要求的混凝土的具体质量要求,并为此支付合理的价格。

我们不应对混凝土在地质等级的耐久性问题过分乐观。 因为即使是罗马的万神庙,也总有其归宿的一天,变成一堆石灰石、粘土或砂子的混合物。而这些正是用来建造罗马万神庙的基本材料。因为这些形式的钙、硅、铝、和铁,是地球上最稳定的组成形式。

(月球上的混凝土,未必是这种形式)。

3混凝土有未来吗

在J.E. Gordon 所著的《结构和材料科学》一书中,他曾问自己,钢铁这种在19世纪中,靠技术发展而成的材料,是否是一种罪恶之源的材料。它既易于冶炼,又易于焊接,然而它也易于生锈。因为在地球上潮湿和富氧的环境中,铁的稳定形式不是氧化铁,就是氢氧化铁。此外,从技术的角度看, E / p 和 E /p 这两个比例式,(E代表弹性模量,p 代表密度)可用来表示一个已知物质(材料)的力学性能特征,从中可以看出,在立柱和薄壳结构中,普通混凝土的力学性能特征并非很差。此外,从生态的角度看,钢的性能并非最佳。Gordon 的预测似乎将被言中。因为每年都有若干钢厂倒闭,原因就是全球的钢铁耗用量不断下降。

我们也可以用同样的问题问一下,已成为20世纪结构材料的混凝土情况又是如何呢?如果我们象现在一样继续浪费它,那么答案或许也将是肯定的,即耗用量也将不断下降。

但是,如果我们在学会如何增加其技术-社会-经济含量的同时,又降低其对环境的影响,那么答案或许将是否定的,即耗用量将不会下降。

混凝土科学和技术的进步是充分的,展望其未来是乐观的。混凝土的未来将取决与混凝土科学和技术是否能在全球得到迅速的实施。这与其说是一个与技术和经济休戚相关的问题,更不如说是一个显而易见的教育问题。

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