混凝土的发展

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1、混凝土的发展高性能混凝土和智能混凝土。混凝土发展历史1、1824年英I.Aspdin获得波特兰水泥专利，水泥混凝土得到了广泛的应用。2、1962年日本服部健一首先将萘磺酸甲醛缩合物（nR10）用于混凝土分散剂，1964 年日本花王石碱公司作为产品销售。3、1963年联邦德国研制面功三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物，同时出现了多环芳烃磺酸盐 甲醛缩合的。4、1966年日本首先应用高强混凝土，开始生产预应力混凝土桩柱。5、19711973年，德国首选将超塑化剂研制成功流态混凝土，混凝土垂直泵送高度达 到 310m。6、20世纪90年代初美国首选提出高性能混凝土（HPC）概念，是新型超塑化剂与混 凝土材料科

2、学相结合的成功范例。7、目前的发展方向是HPC及使用复合超塑化剂（CSP）的研究，实现HPC配合比全 计算法设计和CSP配方设计。首先：高性能混凝土 （High Performance Concrete， HPC）是20世纪80年代末90年代 初，一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土，它以耐久性为 首要设计指标，这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命。区别于传统 混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特 性，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特别是 在桥梁、高层建筑、海港建筑

3、等工程中显示出其独特的优越性，在工程安全使用期、经济合 理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益，因此被各国学者所接受，被认为是今后 混凝土技术的发展方向。传统的混凝土虽然已有近200年的历史，也经历了几次大的飞跃，但今天却面临着前所 未有的严峻挑战：（1）随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构 筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上 采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。这些混凝土工程施 工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇筑时不 产生缺陷，更要耐久性好，使用寿

4、命长。（2）进入20世纪70年代以来，不少工业发达国家 正面临一些钢筋混凝土结构，特别是早年修建的桥梁等基础设施老化问题，需要投入巨资进 行维修或更新。（3）混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影 响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用1t水泥，大概需要0. 6t以上的洁净水， 2t砂、3t以上的石子；每生产1t硅酸盐水泥约需1. 5t石灰石和大量燃煤与电能，并排 放1t CO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、 塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝 土本身也是一种洁净材料，但由于它的

5、用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方 造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。有些大城市现已难以获得质量合格的砂石。另一 方面，由于混凝土过早劣化，如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。因 此，未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量，必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料； 必须充分考虑废弃混凝土的再生利用，未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的，耐久 和高强都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。然高性能混凝土是个很相对的说法，而是我们所要求的性能较好的混凝土：有要求较大 的强度的高墙混凝土，有要求浇筑时流动性好的自密实混凝土，有要求混凝土很快达到强度

6、 值的速凝混凝土，有要求较好的耐久性的耐久性混凝土，有要求混凝土自重小的轻质混凝土。 并且高性能混凝土在发展中也面临着诸多问题如：（1）高性能混凝土是否一定要高工作性， 高的工作性一般是在提高混凝土浆体含量的情况下产生的，浆体含量的提高也就意味着混凝 土开裂的可能性增加，同时，高的流动性也将使混凝土浇筑时容易振捣离析。因此，不能把 流动性作为混凝土拌合物“高性能”的指标，而应当根据不同工程特点，注重拌合物的施工 性能。坍落度的大小应服从于混凝土的匀质性和体积稳定性。（2）高性能混凝土的开裂问 题，近年来在国内外发生较多“高性能混凝土”结构开裂，特别是早期开裂的问题。由于高 性能混凝土一般具有高

7、胶凝材料用量、低水胶比与掺人大量活性掺合料等配制特点，致使高 性能混凝土的硬化特点与内部结构，同传统的普通混凝土相比具有很大的差异，随之带来了 它的早期体积稳定性差、容易开裂等问题。而混凝土的裂缝正是在使用阶段环境侵蚀性介质 侵入的通道，进而削弱其耐久性。高性能混凝土在国内外的应用实践表明，早期开裂问题已 成为制约其在工程中应用的重要因素。因此，改善高性能混凝土的抗裂性是高性能混凝土研 究中急需解决的问题。其次：混凝土结构在使用过程中由于受环境荷载作用，疲惫效应、腐蚀效应和材料老化 等不利因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故。为了 有效地避免突发事故的发生，延长

8、结构的使用寿命，必须对此类结构进行实时的“健康”监 测，并及时进行修复。现有的无损检测方法，如声波检测X射线及C扫描等，只能定性检测， 而不能定量、数据化处理，更主要的是不能实现实时监测。因而对结构内部状态的监测和损 伤估计还比较困难，甚至是不可能的。传统的混凝土结构的维修方式主要是在损伤部位进行 外部的加固，而对损伤的原结构进行维修比较困难，尤其是对结构内部的损伤修复更是非常 困难。随着现代社会向智能化的发展，这种停留在被动和计划模式的检测与修复方式已不能 适应现代多功能和智能建筑对混凝土材料提出的要求。因此，研究和开发具有主动、自动地 对结构进行自诊断、自调节、自修复、恢复的智能混凝土已成

9、为结构一功能（智能）一体化 的发展趋势。智能混凝土是在混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使混凝土具有自感知和记忆， 自适应，自修复特性的多功能材料。根据这些特性可以有效地预告混凝土材料内部的损伤， 满足结构自我安全检测需要，防止混凝土结构潜在脆性破坏，并能根据检测结果自动进行修 复，显著提高混凝土结构的安全性和耐久性。智能混凝士是自感知和记忆、自适应。自修复 等多种功能的综合，缺一不可，以目前的科技水平制备完善的智能混凝土材料还相当困难。 但近年来损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土。仿生自愈合混凝土等一系列智能混凝土的 相继出现；为智能混凝土的研究打下了坚实的基础。（1）损伤自诊断混凝土：自

10、诊断混凝 土具有压敏性和温敏性等自感应功能。普通的混凝土材料本身不具有自感应功能，但在混凝 土基材中复合部分其它材料组分使混凝土本身具备本征自感应功能。目前常用有碳纤维智能 混凝土：碳纤维是一种高强度、高弹性且导电性能良好的材料。在水泥基材料中掺入适量碳 纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能，尤其是电学性能也有明显的改善，可 以作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。另有光纤传感智 能混凝土：光纤传感智能混凝土，即在混凝土结构的关键部位埋人入纤维传感器或其阵列， 探测混凝土在碳化以及受载过程中内部应力、应变变化，并对由于外力、疲惫等产生的变形、 裂纹及扩展等损

11、伤进行实时监测。光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温 度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。因此 人们发现，假如能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等 物理量的大小。于是，出现了光纤传感技术。光纤在传感器中的应用，提供了对土建结构智 能及内部状态进行实时、在线无损检测手段，有利于结构的安全监测和整体评价和维护。（2） 自调节智能混凝土：自调节智能混凝土具有电力效应和电热效应等性能。混凝土结构除了正 常负荷外，人们还希望它在受台风、地震等自然灾难期间，能够调整承载能力和减缓结构振 动，但因混凝土本身是惰性材料，要达到

12、自调节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料， 如：外形记忆合金（SMA）和电流变体（ER）等。外形记忆合金具有外形记忆效应（SME）， 若在室温下给以超过弹性范围的拉伸塑性变形，当加热至少许超过相变温度，即可使原先出 现的残余变形消失，并恢复到原来的尺寸。在混凝土中埋入外形记忆合金，利用外形记忆合 金对温度的敏感性和不同温度下恢复相应外形的功能，在混凝土结构受到异常荷载于扰时， 通过记忆合金外形的变化，使混凝土结构内部应力重分布并产生一定的预应力，从而提高混 凝土结构的承载力。电流变体（ER）是一种可通过外界电场作用来控制其粘性、弹性等流变 性能双向变化的悬胶液。在外界电场的作用下，电流变体

13、可于0.1ms级时间内组合成链状或 网状结构的固凝胶，其初度随电场增加而变调到完全固化，当外界电场拆除时，仍可恢复其 流变状态。在混凝土中复合电流变体，利用电流变体的这种流变作用，当混凝土结构受到台 风，地震袭击时调整其内部的流变特性，改变结构的自振频率、阻尼特性以达到减缓结构振 动的目的。（3）自修复智能混凝土：混凝土结构在使用过程中，大多数结构是带缝工作的。 混凝土产生裂缝，不仅强度降低，而且空气中的CO2、酸雨和氯化物等极易通过裂缝侵人混 凝土内部，使混凝土发生碳化，并腐蚀混凝土内的钢筋，这对地下结构物或盛有危险品的处 理设施尤为不利，一旦混凝土发生裂缝，要想检查和维修都很困难。自修复混

14、凝土就是应这 方面的需要而产生的。在人类现实生活中可以见到人的皮肤划破后，经一段时间皮肤会自然 长好，而且修补得天衣无缝；骨头折断后，只要接好骨缝，断骨就会自动愈合。自愈合混凝 土就是模拟生物组织，对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在 混凝土传统组分中复合特性组分（如含有粘结剂的液芯纤维或胶囊）在混凝土内部形成智能 型仿生自愈合神经网络系统，模拟动物的这种骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理。采 用粘结材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后，具有自行愈合和再生功能，恢复甚至 提高材料性能的新型复合材料。例如在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内 含粘结剂的胶

15、囊或空心玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部 分胶囊或空心玻璃纤维破裂，粘结液流出并深人裂缝。粘结液可使混凝土裂缝重新愈合。智能混凝土是智能化时代的产物，它在对重大土木基础设施应变的实量监测、损伤的无 损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有很大的潜力，对确保建筑物的安 全和长期的耐久性都具有重要性。而且在现代建筑向智能化发展的背景下，对传统的建筑材 料的研究、制造、缺陷预防和修复等都提出了强烈的挑战。智能混凝土材料作为建筑材料领 域的高新技术，为传统建材的未来发展注入了新的内容和活力，也提供了全新的机遇。其发 展必将使混凝土材料的应用具有更广阔的前景和产生巨大的社会经济效益。