第一章　概述

第一節　我國混凝土發展歷程

混凝土是應用最廣、用量最大的工程結構材料,是支撐我國建設發展的關鍵性材料之一。目前我國混凝土年產量已超過40億立方米,是名副其實的混凝土生產和應用大國。

經過多年的發展,尤其是改革開放以來,隨著城市和基礎設施的大規模開發和建設,我國混凝土技術有了長足的進步,在制備技術和施工領域等很多方面已走在了世界前列,如三峽大壩混凝土工程總量超過2500萬立方米,其工程量之大、混凝土要求之嚴、施工難度之高,堪稱世界之最;又如廣州西塔、杭州灣跨海大橋、上海中心、北京中國尊和奧運工程、沈陽的多個高強混凝土高層建筑、青藏鐵路橋隧工程、高速鐵路、城市軌道交通等混凝土工程技術都已居世界領先水平。

1.我國混凝土發展的第一階段——預制混凝土階段

回顧舊中國及新中國建國初期,我國混凝土技術相當落后,施工現場多是沿襲1∶2∶4的體積比配料,人工大鏟翻拌,較好的現場也只是自落式滾筒攪拌機,用水量憑攪拌工經驗而定,技術落后,產量低,施工進度慢,質量不穩定。

第一個五年計劃時期,在建筑工程方面學習引進前蘇聯的預制混凝土構件技術,在幾所著名高等學校開辦了“混凝土制品工藝專業”,1956年建立了我國第一個預制混凝土構件廠——北京第一混凝土構件廠。之后,上海、西安等多地也相繼建設了預制混凝土構件廠,生產梁板等建筑用構件、鐵路軌枕、涵管等。這十多年間,幾乎所有建筑工程都采用預制混凝土構件,連農村都有預制混凝土板生產,有學者稱這一時期可謂預制工藝一統天下。就混凝土本身來說,預制構件采用的技術路線是干硬性(或半干硬性)混凝土并加強振搗密實。在當時的技術條件下這是減少水泥用量、降低成本的唯一途徑。從工藝上來說,也要生產構件的混凝土稠度越小越好,這樣可保證混凝土成型時不至于塌陷(如空心板),并盡量縮短構件加熱養護前的靜停時間。

2.我國混凝土發展的第二階段——預拌混凝土的崛起

進入20世紀70年代,隨著社會經濟的發展,預制混凝土構件的某些缺點或局限性難以適應建筑業發展的需要和混凝土結構建筑體系的變革,混凝土的現澆工藝逐漸成為建筑工程占主導地位的混凝土施工方法,這期間預拌混凝土得到了快速發展。

70年代末,改革開放,工業發達國家早已廣泛應用的泵送施工等混凝土新技術逐漸被引進。預拌混凝土最早在上海、常州興起,上海寶鋼引進了第一套預拌混凝土成套設備與技術。隨著我國經濟建設迅速發展及應用預拌混凝土等先進技術體現出來的巨大優越性,預拌混凝土在各大中城市迅速得到推廣,在中小城市也有所興起,到2000年預拌混凝土廠站近3000家,產量近6.5億立方米,預拌混凝土的發展也助推了混凝土施工技術的發展。例如,上海金茂大廈工程,混凝土一次泵送高度382.5m;廣州西塔工程,C100級混凝土一次泵送高度440.75m;上海世界貿易商城工程,36h連續澆筑2.4萬立方米深基礎混凝土;北京電視中心工程,69h連續澆筑3.6萬立方米底板混凝土;沈陽的多個高層建筑,較早采用了C80~C100混凝土技術施工;上海中心,C100混凝土平均強度超過120MPa,一次泵送高度超過600m;這些工程實例表明我國混凝土工程技術已邁入世界先進行列。

我國混凝土工程技術的發展還體現在材料組成與混凝土性能的提升上。早在20世紀70~80年代,混凝土中除水泥、砂、石、水之外,已開始采用多種外加劑和礦物摻合料。外加劑品種除最先采用的普通減水劑、早強劑、引氣劑外,目前已研發、生產、應用了高性能減水劑、泵送劑、高效減水劑、緩凝劑、防水劑、防凍劑、阻銹劑、膨脹劑等各種外加劑。礦物摻合料的應用最初是作為水泥生產中的混合材,之后在混凝土中摻用也只是為了節約水泥和降低成本。而今,通過研發應用,既擴大了摻合料品種,諸如粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、硅灰、鋼渣粉、磷渣粉、沸石粉、復合摻合料等,更認識到活性摻合料是改善混凝土某些性能不可或缺的功能性組分。由于外加劑和礦物摻合料的合理應用,既助推了混凝土工程施工工藝的發展,又大大促進了混凝土強度的提升和性能的改善,為發展高強高性能混凝土技術創造了條件。

我國預拌混凝土取得巨大發展的主要原因有三:

其一是市場的巨大需求。這一方面是改革開放后大規模經濟建設需要巨大的混凝土量;另一方面預拌混凝土(包括其技術內容)適應了市場發展的特點,并很快為市場接受,后來又成為建筑市場離不開的一個產品。另外,預拌混凝土上馬快,利潤尚稱豐裕,一般投資三四千萬元的混凝土廠5~6年即可回收成本,原來擔心的資金來源在發展過程中根本不是問題。相反,大量資金涌入這一行業,促使預拌混凝土取得了巨大發展。

其二是各級政府的大力支持,其中包括建設部和建材總局一直把預拌混凝土作為重點推廣的新技術之一,在各個方面都予以鼓勵和推動。尤其是各大中城市從環保出發,明令禁止在市區分散進行混凝土生產作業,使得預拌混凝土在大中城市成為唯一合法的混凝土生產方式。

其三是預拌混凝土發展的基礎和保障條件得到了充裕的發展,其中包括預拌混凝土的攪拌、運輸和泵送設備在我國已經完全可以自行生產,再加上高效減水劑的研發和供應以及一大批生產和管理人才的形成,使混凝土成本逐年下降,而且質量完全能保證建筑工程的需要。

混凝土工程技術的發展,不僅使混凝土生產施工工藝、設備、材料組成以及強度大幅提高、性能大為改善等,而且還建立起完整的混凝土工程質量保證體系。

20世紀50~60年代間,在引進消化國外技術標準的基礎上,逐步制定了有關混凝土工程設計、施工、材料等技術標準。70年代中,配合建筑結構可靠度的研究和結構設計等規范標準的制訂和修訂,建設部組織了多位專家用了近十年的時間,進行有關混凝土工程質量控制方面的課題研究和有關混凝土工程質量控制系列標準、規范的制訂。在此基礎上,為檢驗、控制、評定提供統一的標準尺度,統一了混凝土各種性能的標準試驗方法,制訂了混凝土各組成材料的質量標準;為能及時進行控制提供手段,制訂了《早期推定混凝土強度試驗方法標準》;為進行合格控制(驗收),制訂了包含混凝土強度等級定義、取樣方法、驗收界限、評定準則等的《混凝土強度檢驗評定標準》;為保證混凝土、混凝土工程質量及進行質量控制,制訂了《普通混凝土配合比設計規程》、《預拌混凝土》、《混凝土質量控制標準》及《混凝土與混凝土構件質量控制規程》等標準。系列標準、規范的制訂與實施,既體現了混凝土工程技術的發展情況,又保證了混凝土、混凝土工程質量的穩步提升。

3.我國混凝土發展的第三階段——為節能減排和環保再做新貢獻

混凝土的主要原材料是水泥、砂石骨料和水,一般占混凝土體積的75%~85%左右。這些水泥生產過程中要消耗大量的煤炭,排放大量的CO2溫室氣體,而我國鋼鐵、電力、地礦產業每年排放的各類工業廢渣、廢料多達5億噸,占地4萬畝,而在混凝土中的平均利用率卻不足10%;混凝土生產還要消耗大量的砂石資源和水資源。我國水泥工業和混凝土行業在快速發展的同時,也在能源、資源和環境方面給地球生物圈帶來了與日俱增的危害,給國民經濟可持續發展帶來了嚴峻的挑戰。因此,在混凝土生產中推廣和使用節能減排技術就成為我們面臨的一項新任務,混凝土業的發展由此進入一個以減少自然資源和能源的消耗、保護環境、提高混凝土結構使用壽命、減少維護修補費用為特征的可持續發展的新階段。這一階段發展的特點是:

(1)大量利用工業廢料節約資源消耗。

(2)提高混凝土的強度和耐久性,推廣應用高強高性能混凝土。

(3)在全行業加強環保意識,使混凝土廠(站)以一個全新的面貌出現在公眾面前。

混凝土的節能減排,首先應該體現在減少水泥用量上,也即盡量利用我國每年排放出來的各類廢渣廢料來代替在生產過程中高耗能、高排放的水泥,這一效益是直接的,也是最顯著的。用工業廢料來代替部分水泥在我國雖然已經有了比較長的歷史,但取代量一直比較低,要提高取代量不僅要有可靠的科學試驗依據,而且還要有嚴格的生產和管理水平,預拌混凝土也正是提供了這樣發展的一個平臺。近幾年來,在嚴格的科學試驗基礎上,我國的礦物摻合料取代量有了很大的提高。以常用的C30混凝土來說,以前混凝土水泥用量大約為350kg/m3,現在管理比較好的預拌混凝土廠普遍可以降到200kg/m3左右,礦物摻合料摻量達到40%左右。如果以美國評定混凝土對環境影響的方法來評估,按我國年產預拌混凝土25億立方米計,礦物摻合料取代量達到40%這一指標,每年可以節約水泥3.5億噸,水泥中混合材摻量以20%核算,生產每噸水泥熟料消耗標煤0.23t,生產使用每噸水泥熟料排放CO2溫室氣體0.8~1.0t,則每年可節約標煤6440萬噸,減少溫室氣體CO2排放2.52億噸。

除了水泥以外混凝土中大量運用的砂石也是不可再生的自然資源,而且已顯現出日趨枯竭的征兆。現在有的廠(站)已經開始用部分廢料、尾料來取代天然砂石,新的資源(如海砂)的開發和應用也在積極進行中。

合理地應用礦物摻合料不僅在節能減排上取得直接的效果,而且還對高強高性能混凝土的發展起到很大的推動作用。高強高性能混凝土再加上大量摻用礦物摻合料泥這一技術特征正是我國近年來提出的綠色混凝土的發展方向。

礦物摻合料可以填充混凝土中水泥石空隙,改善混凝土的微孔結構和膠材與骨料的界面條件,在相同的水膠比下,提高混凝土的體積穩定性,使混凝土的強度、抗滲性能、抗腐蝕能力等耐久性指標都有顯著提高,起著從根本上改變常規混凝土性能的作用,這也正是配制高強高性能混凝土的主要途徑。

耐久性好是高性能混凝土的一個突出優越性,按照目前的混凝土技術,使用高性能混凝土的結構在適當條件下可滿足100年耐久壽命,由此節省的材料費、施工費、養護費等是巨大的,再加上結構使用期延長所創造的經濟效益和社會效益也極為顯著,這些優勢在諸如三峽工程、杭州灣大橋等工程中得到較好的體現。

除了采用礦物摻合料和發展高強高性能混凝土外,預拌混凝土廠本身的環境條件近幾年來也得到了很大的改進。隨著全社會、全民環保意識的日益加強,促使預拌混凝土行業提高了對生產過程污染排放的重視。以前,由于生產工藝的落后,粉塵、噪聲、廢水、遺灑等成為混凝土生產過程中的弊端。混凝土商品化以后,這一現象有了很大改變,特別是推行混凝土綠色生產技術后,混凝土企業的環境保護工作邁上了一個新臺階。

混凝土工程技術發展的標志之一是工程中應用的混凝土平均強度等級逐漸增高,C50、C60混凝土在工程中應用量和應用范圍不斷擴大。高層、超高層建筑的發展,在預應力管樁構件、鋼管混凝土結構等應用C80、C100混凝土,取得了良好的經濟效益和社會效益。

混凝土工程技術發展的另一標志是注重強度的同時更加關注混凝土的耐久性和功能性,研究、開發、應用這種具有高工作性、優良物理力學性能和高耐久性的高強高性能混凝土,既能保證施工質量,保證具有設計要求的各種良好的物理力學性能和耐久性,從而延長工程的使用壽命,又因配制時合理選用骨料、外加劑、礦物摻合料,減少了水泥和混凝土用量,節約了資源、能源,改善了環境,符合節能減排、保護環境、可持續發展的技術路線。

4.我國混凝土發展的第四階段——預拌和裝配協調并舉發展的新局面

2008年后,全新的裝配式建筑(與過去的預制構件不同)技術開始大力推廣,并首先在北京、上海、廣州等大城市進行試點。裝配式構件具有提高建筑質量、加快工程進度、提升文明施工和安全管理、促進環境保護和節約資源等特點和優勢,今后有可能形成預拌和預制(裝配式構件)協調發展的新局面。