ganggouren
材料是结构设计中不可缺少的一个着眼点，近现代建筑的选材主要依靠钢铁、混凝土及玻璃这三种工业制品。在近现代工业中立脚已稳的钢铁和玻璃及混凝土，渐渐被认为是国际性的结构材料。
其中钢筋混凝土可以称得上是人类历史上最伟大的材料，小到各种住宅楼商铺，大到超高层地标建筑、大跨度桥梁，无不是钢筋混凝土在充当着主要的建筑材料。而混凝土作为一种以水泥为胶结剂，结合各种集料、外加剂等而形成的水硬性胶凝材料，它的发展历史也可以说是伴随着人类文明的。
No.1
混凝土的发展
早在5000年前，当时的凌家滩人在简单的搭建屋舍的基础上，已经懂得了“挖槽填烧土，木骨撑泥墙”的建筑工艺，这和如今的钢筋混凝土非常相似。通过专家研究发现，原始先民要用经过火烧过土作为房基槽与墙体的填充材料，在基槽内用木棍作为墙体的支撑柱，然后填埋红烧的土块，并在墙体两侧表面敷上较厚的粘泥，甚至一部分还可能用芦苇杆加固。
奥古斯都时期的罗马帝国城市极速扩张，奥古斯都对罗马城进行了史无前例的重建工作，这之中混凝土已经成为了建造活动中的常见材料。其中公元120年建成的万神庙可谓是其集大成者，而促成这一成功的重要因素就是砂浆的强度，这使得其穹顶在一定程度上为一个整体。罗马的混凝土技艺从最开始的用作传统砌体内芯或背后的填料，已经发展成为一种单独的建筑用材，通过块状骨料在灰泥中混合搅拌，形成高质量的灰浆，被用于填料或者依靠自身强度用作建筑材料。可惜随着罗马帝国的逐渐落寞，这一技艺也淡出了人们视线消失在了历史中。
罗马万神庙
而现代混凝土的产生，这与社会高速发展下的急切的需求是密不可分的。在进入工业革命后，质量好的建筑石材供不应求，这就促使人们采用工业制造的人工材料来替代石筑材料。1756年，约翰·斯密顿首先使用水硬性水泥与骨料、水的混合物，这成为了现代混凝土的开端，此后混凝土开始蓬勃发展。1867年，老花匠约瑟夫·莫尼埃进行了著名的铁丝网混凝土花盆实验，随后他在1877年为结构用的混凝土申请了专利，其带来的立筋和水平横筋形成框架，表面浇筑混凝土的做法沿用至今。1890年，弗朗索瓦·埃纳比克获得钢筋混凝土建造方法的垄断权，可以利用木模板来进行现场浇筑。
约瑟夫·莫尼埃铁丝网混凝土花盆实验
No.2
混凝土存在的问题
但是新事物产生于旧事物，它总是吸取、保留和改造旧事物中积极的因素作为自己存在和发展的基础。工业大发展时期的巨大需求所促使产生的钢筋混凝土在经历一个多世纪后，也开始逐渐显得不是那么“万能”了。随着建筑物高度越来越高，对于混凝土强度的要求也越来越大。而为了提高混凝土强度，就要少加水，少加水又会造成混凝土搅拌不开的局面，在这窘境之下加入减水剂的方法就被提出了，减水剂加入的最显而易见的好处就是可以减少混凝土的用水，让混凝土的内部结构更加致密，不仅强度大幅提高，而且孔隙少了，提高了耐久性。可是钢筋锈蚀与混凝土的冻融循环等问题仍会对混凝土的结构造成损伤；此外在高温下，混凝土中的氢氧化钙会分化，其中的水分会快速蒸发，这对建筑物本身而言可以说是毁灭性的破坏。
钢筋混凝土锈蚀
钢筋混凝土冻融破坏
No.3
新型混凝土的应用
混凝土材料的改良一直都是建筑材料学家热切关心的问题，其中对于超高性能混凝土（UPHC）的研究应用，可以说是当今水泥基材料发展的主要方向之一。UPHC是指抗压强度在150MPa以上，具有超高韧性、超长耐久性的纤维增强水泥基复合材料的统称。UHPC材料组分内不包含粗骨料，颗粒粒径一般小于1mm。UHPC中分散的钢纤维可大大减缓材料内部微裂缝的扩展，从而使材料表现出超高的韧性和延性。UHPC具有致密的微观结构，几乎是不渗透性的，具有很强的抗渗透、抗碳化、抗腐蚀和抗冻融循环能力，其材料的耐久性根据研究表明可达200年，从而大幅度地提高了混凝土的使用寿命。可以说它已经成为当今国际上最具创新性和实用性的水泥基复合材料，国内外学者对它展开了深入的研究。目前UHPC已经在桥梁工程中得到了广阔的应用，众多的桥梁工程将UHPC应用于主梁、拱圈、华夫板、桥梁接缝和旧桥加固等多个方面。
|
|
普通混凝土NSC |
高性能混凝土HPC |
超高性能混凝土UHPC |
|
抗压强度(MPa) |
20-40 |
40-96 |
120-180 |
|
水胶比 |
0.40-0.70 |
0.24-0.35 |
0.14-0.27 |
|
圆柱劈裂抗拉强度(MPa) |
2.5-2.8 |
— |
4.5-24 |
|
最大骨料粒径(mm) |
19-25 |
9.5-13 |
0.4-0.6 |
|
孔隙率 |
20-25% |
10-15% |
2-6% |
|
孔尺寸(mm) |
— |
— |
0.000015 |
|
韧性 |
— |
— |
比NSC大250倍 |
|
断裂能(kN·m/m) |
0.1-15 |
— |
10-40 |
|
弹性模量(GPa) |
14-41 |
31-55 |
37-55 |
|
断裂模量(第一条裂缝)(MPa) |
2.8-4.1 |
5.5-8.3 |
7.5-15 |
|
极限抗弯强度(MPa) |
— |
— |
18-35 |
|
透气性k(24小时40C)(mm) |
3×10 |
0 |
0 |
|
吸水率 |
<10% |
<6% |
<5% |
|
氯离子扩散系数(稳定状态扩散)(mm2/s) |
— |
— |
<2x10e-12 |
|
二氧化碳/硫酸盐渗透 |
— |
— |
— |
|
抗冻融性能 |
10%耐久 |
90%耐久 |
100%耐久 |
|
抗表面剥蚀性能 |
表面剥蚀量>1 |
表面剥蚀量0.08 |
表面剥蚀量0.01 |
|
泊松比 |
0.11-0.21 |
— |
0.19-0.24 |
|
徐变系数Cu |
2.35 |
1.6-1.9 |
0.2-1.2 |
|
收缩 |
— |
— |
— |
|
流动性(工作性)(mm) |
测量坍落度 |
测量坍落度 |
测量坍落度 |
|
含气量 |
4-8% |
2-4% |
2-4% |
普通混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土材料性能对比
世界上第一座UHPC桥——加拿大Sherbrooke桥
除了UHPC以外，笔者就再介绍一下几种重要的新型混凝土吧。
再生混凝土
再生混凝土是将工地上或者施工过程中一些不用的废弃混凝土块经过破碎、清洗等步骤之后，再按照一定的比例与级配合，部分甚至全部代替砂石等天然骨料，再加入水泥、水等就可以配制成新混凝土了。这种新型混凝土的出现不仅仅解决了废弃混凝土如何安置的难题，更能让资源回收充分利用，节约成本，是节能环保的好材料。
再生混凝土公共座椅
透水混凝土
透水混凝土以其特殊的构造及组成材料轻松解决城市排水难题，其以骨料、水泥、增强剂和水拌制作而成。它还具备透气、透水及重量轻等特点，使得它在城市雨水管理和水污染治理方面功不可没。除了排水透气等特点，透水混凝土还具有减缓径流、再利用雨水等功能。
透水混凝土构造
清水混凝土
即装饰混凝土，它所带来的厚重感和清雅感使得他被越来越多的建筑大师在设计中所大量使用。绿色建筑理念深入人心，清水混凝土的应用随之广泛，它散发出的独特魅力也让更多的人被吸引。
清水混凝土清雅画室
自愈混凝土
自愈混凝土就是拥有和人类类似的特性的一种新型混凝土，即拥有破碎之后能够自行“修复愈合”的功能。而混凝土作为当今社会中使用最广泛的建筑材料之一，其不足之处就是很容易出现裂缝。它包含有可生产石灰石的休眠的细菌孢子和细菌生长所需要的养分，通过作用于结构的腐蚀性雨水渗入加以激活，以期对混凝土开裂部分进行局部填充。混凝土结构失效的主要原因是微裂缝的扩展，自愈混凝土的主要性能便是能够在混凝土产生裂缝后做出反应自行愈合，这种新材料不仅可以提高混凝土的使用寿命，更能有效降低节约混凝土结构中的维护成本。
自愈混凝土材料
结语
随着中国经济的蓬勃发展，中国的基建工程尤其是超高层建筑可以说是需求量很大的，高性能混凝土的研究以及相应的施工手段的改良的重担很大程度上落在了中国工程师们的头上。相信在不久的未来，混凝土一定能够被更加深入地研究，从而能够更好地服务于人类的生活中。
参考文献
[1] 渡边邦夫，结构设计的新理念·新方法
[2] 孙菲，基于清水混凝土建筑设计的关键问题研究
[3] 赵建树，混凝土结构的应用与发展
[4] 缪昌文、穆松，混凝土技术的发展与展望
[5] 荆涛、梁晓翀，超高性能混凝土及其在建筑与交通工程的应用
[6] 邵旭东、邱明红、晏班夫、罗军，超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展
[7] 网络图片
