第一章　概述

第一节　我国混凝土发展历程

混凝土是应用最广、用量最大的工程结构材料,是支撑我国建设发展的关键性材料之一。目前我国混凝土年产量已超过40亿立方米,是名副其实的混凝土生产和应用大国。

经过多年的发展,尤其是改革开放以来,随着城市和基础设施的大规模开发和建设,我国混凝土技术有了长足的进步,在制备技术和施工领域等很多方面已走在了世界前列,如三峡大坝混凝土工程总量超过2500万立方米,其工程量之大、混凝土要求之严、施工难度之高,堪称世界之最;又如广州西塔、杭州湾跨海大桥、上海中心、北京中国尊和奥运工程、沈阳的多个高强混凝土高层建筑、青藏铁路桥隧工程、高速铁路、城市轨道交通等混凝土工程技术都已居世界领先水平。

1.我国混凝土发展的第一阶段——预制混凝土阶段

回顾旧中国及新中国建国初期,我国混凝土技术相当落后,施工现场多是沿袭1∶2∶4的体积比配料,人工大铲翻拌,较好的现场也只是自落式滚筒搅拌机,用水量凭搅拌工经验而定,技术落后,产量低,施工进度慢,质量不稳定。

第一个五年计划时期,在建筑工程方面学习引进前苏联的预制混凝土构件技术,在几所著名高等学校开办了“混凝土制品工艺专业”,1956年建立了我国第一个预制混凝土构件厂——北京第一混凝土构件厂。之后,上海、西安等多地也相继建设了预制混凝土构件厂,生产梁板等建筑用构件、铁路轨枕、涵管等。这十多年间,几乎所有建筑工程都采用预制混凝土构件,连农村都有预制混凝土板生产,有学者称这一时期可谓预制工艺一统天下。就混凝土本身来说,预制构件采用的技术路线是干硬性(或半干硬性)混凝土并加强振捣密实。在当时的技术条件下这是减少水泥用量、降低成本的唯一途径。从工艺上来说,也要生产构件的混凝土稠度越小越好,这样可保证混凝土成型时不至于塌陷(如空心板),并尽量缩短构件加热养护前的静停时间。

2.我国混凝土发展的第二阶段——预拌混凝土的崛起

进入20世纪70年代,随着社会经济的发展,预制混凝土构件的某些缺点或局限性难以适应建筑业发展的需要和混凝土结构建筑体系的变革,混凝土的现浇工艺逐渐成为建筑工程占主导地位的混凝土施工方法,这期间预拌混凝土得到了快速发展。

70年代末,改革开放,工业发达国家早已广泛应用的泵送施工等混凝土新技术逐渐被引进。预拌混凝土最早在上海、常州兴起,上海宝钢引进了第一套预拌混凝土成套设备与技术。随着我国经济建设迅速发展及应用预拌混凝土等先进技术体现出来的巨大优越性,预拌混凝土在各大中城市迅速得到推广,在中小城市也有所兴起,到2000年预拌混凝土厂站近3000家,产量近6.5亿立方米,预拌混凝土的发展也助推了混凝土施工技术的发展。例如,上海金茂大厦工程,混凝土一次泵送高度382.5m;广州西塔工程,C100级混凝土一次泵送高度440.75m;上海世界贸易商城工程,36h连续浇筑2.4万立方米深基础混凝土;北京电视中心工程,69h连续浇筑3.6万立方米底板混凝土;沈阳的多个高层建筑,较早采用了C80~C100混凝土技术施工;上海中心,C100混凝土平均强度超过120MPa,一次泵送高度超过600m;这些工程实例表明我国混凝土工程技术已迈入世界先进行列。

我国混凝土工程技术的发展还体现在材料组成与混凝土性能的提升上。早在20世纪70~80年代,混凝土中除水泥、砂、石、水之外,已开始采用多种外加剂和矿物掺合料。外加剂品种除最先采用的普通减水剂、早强剂、引气剂外,目前已研发、生产、应用了高性能减水剂、泵送剂、高效减水剂、缓凝剂、防水剂、防冻剂、阻锈剂、膨胀剂等各种外加剂。矿物掺合料的应用最初是作为水泥生产中的混合材,之后在混凝土中掺用也只是为了节约水泥和降低成本。而今,通过研发应用,既扩大了掺合料品种,诸如粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、硅灰、钢渣粉、磷渣粉、沸石粉、复合掺合料等,更认识到活性掺合料是改善混凝土某些性能不可或缺的功能性组分。由于外加剂和矿物掺合料的合理应用,既助推了混凝土工程施工工艺的发展,又大大促进了混凝土强度的提升和性能的改善,为发展高强高性能混凝土技术创造了条件。

我国预拌混凝土取得巨大发展的主要原因有三:

其一是市场的巨大需求。这一方面是改革开放后大规模经济建设需要巨大的混凝土量;另一方面预拌混凝土(包括其技术内容)适应了市场发展的特点,并很快为市场接受,后来又成为建筑市场离不开的一个产品。另外,预拌混凝土上马快,利润尚称丰裕,一般投资三四千万元的混凝土厂5~6年即可回收成本,原来担心的资金来源在发展过程中根本不是问题。相反,大量资金涌入这一行业,促使预拌混凝土取得了巨大发展。

其二是各级政府的大力支持,其中包括建设部和建材总局一直把预拌混凝土作为重点推广的新技术之一,在各个方面都予以鼓励和推动。尤其是各大中城市从环保出发,明令禁止在市区分散进行混凝土生产作业,使得预拌混凝土在大中城市成为唯一合法的混凝土生产方式。

其三是预拌混凝土发展的基础和保障条件得到了充裕的发展,其中包括预拌混凝土的搅拌、运输和泵送设备在我国已经完全可以自行生产,再加上高效减水剂的研发和供应以及一大批生产和管理人才的形成,使混凝土成本逐年下降,而且质量完全能保证建筑工程的需要。

混凝土工程技术的发展,不仅使混凝土生产施工工艺、设备、材料组成以及强度大幅提高、性能大为改善等,而且还建立起完整的混凝土工程质量保证体系。

20世纪50~60年代间,在引进消化国外技术标准的基础上,逐步制定了有关混凝土工程设计、施工、材料等技术标准。70年代中,配合建筑结构可靠度的研究和结构设计等规范标准的制订和修订,建设部组织了多位专家用了近十年的时间,进行有关混凝土工程质量控制方面的课题研究和有关混凝土工程质量控制系列标准、规范的制订。在此基础上,为检验、控制、评定提供统一的标准尺度,统一了混凝土各种性能的标准试验方法,制订了混凝土各组成材料的质量标准;为能及时进行控制提供手段,制订了《早期推定混凝土强度试验方法标准》;为进行合格控制(验收),制订了包含混凝土强度等级定义、取样方法、验收界限、评定准则等的《混凝土强度检验评定标准》;为保证混凝土、混凝土工程质量及进行质量控制,制订了《普通混凝土配合比设计规程》、《预拌混凝土》、《混凝土质量控制标准》及《混凝土与混凝土构件质量控制规程》等标准。系列标准、规范的制订与实施,既体现了混凝土工程技术的发展情况,又保证了混凝土、混凝土工程质量的稳步提升。

3.我国混凝土发展的第三阶段——为节能减排和环保再做新贡献

混凝土的主要原材料是水泥、砂石骨料和水,一般占混凝土体积的75%~85%左右。这些水泥生产过程中要消耗大量的煤炭,排放大量的CO2温室气体,而我国钢铁、电力、地矿产业每年排放的各类工业废渣、废料多达5亿吨,占地4万亩,而在混凝土中的平均利用率却不足10%;混凝土生产还要消耗大量的砂石资源和水资源。我国水泥工业和混凝土行业在快速发展的同时,也在能源、资源和环境方面给地球生物圈带来了与日俱增的危害,给国民经济可持续发展带来了严峻的挑战。因此,在混凝土生产中推广和使用节能减排技术就成为我们面临的一项新任务,混凝土业的发展由此进入一个以减少自然资源和能源的消耗、保护环境、提高混凝土结构使用寿命、减少维护修补费用为特征的可持续发展的新阶段。这一阶段发展的特点是:

(1)大量利用工业废料节约资源消耗。

(2)提高混凝土的强度和耐久性,推广应用高强高性能混凝土。

(3)在全行业加强环保意识,使混凝土厂(站)以一个全新的面貌出现在公众面前。

混凝土的节能减排,首先应该体现在减少水泥用量上,也即尽量利用我国每年排放出来的各类废渣废料来代替在生产过程中高耗能、高排放的水泥,这一效益是直接的,也是最显著的。用工业废料来代替部分水泥在我国虽然已经有了比较长的历史,但取代量一直比较低,要提高取代量不仅要有可靠的科学试验依据,而且还要有严格的生产和管理水平,预拌混凝土也正是提供了这样发展的一个平台。近几年来,在严格的科学试验基础上,我国的矿物掺合料取代量有了很大的提高。以常用的C30混凝土来说,以前混凝土水泥用量大约为350kg/m3,现在管理比较好的预拌混凝土厂普遍可以降到200kg/m3左右,矿物掺合料掺量达到40%左右。如果以美国评定混凝土对环境影响的方法来评估,按我国年产预拌混凝土25亿立方米计,矿物掺合料取代量达到40%这一指标,每年可以节约水泥3.5亿吨,水泥中混合材掺量以20%核算,生产每吨水泥熟料消耗标煤0.23t,生产使用每吨水泥熟料排放CO2温室气体0.8~1.0t,则每年可节约标煤6440万吨,减少温室气体CO2排放2.52亿吨。

除了水泥以外混凝土中大量运用的砂石也是不可再生的自然资源,而且已显现出日趋枯竭的征兆。现在有的厂(站)已经开始用部分废料、尾料来取代天然砂石,新的资源(如海砂)的开发和应用也在积极进行中。

合理地应用矿物掺合料不仅在节能减排上取得直接的效果,而且还对高强高性能混凝土的发展起到很大的推动作用。高强高性能混凝土再加上大量掺用矿物掺合料泥这一技术特征正是我国近年来提出的绿色混凝土的发展方向。

矿物掺合料可以填充混凝土中水泥石空隙,改善混凝土的微孔结构和胶材与骨料的界面条件,在相同的水胶比下,提高混凝土的体积稳定性,使混凝土的强度、抗渗性能、抗腐蚀能力等耐久性指标都有显著提高,起着从根本上改变常规混凝土性能的作用,这也正是配制高强高性能混凝土的主要途径。

耐久性好是高性能混凝土的一个突出优越性,按照目前的混凝土技术,使用高性能混凝土的结构在适当条件下可满足100年耐久寿命,由此节省的材料费、施工费、养护费等是巨大的,再加上结构使用期延长所创造的经济效益和社会效益也极为显著,这些优势在诸如三峡工程、杭州湾大桥等工程中得到较好的体现。

除了采用矿物掺合料和发展高强高性能混凝土外,预拌混凝土厂本身的环境条件近几年来也得到了很大的改进。随着全社会、全民环保意识的日益加强,促使预拌混凝土行业提高了对生产过程污染排放的重视。以前,由于生产工艺的落后,粉尘、噪声、废水、遗洒等成为混凝土生产过程中的弊端。混凝土商品化以后,这一现象有了很大改变,特别是推行混凝土绿色生产技术后,混凝土企业的环境保护工作迈上了一个新台阶。

混凝土工程技术发展的标志之一是工程中应用的混凝土平均强度等级逐渐增高,C50、C60混凝土在工程中应用量和应用范围不断扩大。高层、超高层建筑的发展,在预应力管桩构件、钢管混凝土结构等应用C80、C100混凝土,取得了良好的经济效益和社会效益。

混凝土工程技术发展的另一标志是注重强度的同时更加关注混凝土的耐久性和功能性,研究、开发、应用这种具有高工作性、优良物理力学性能和高耐久性的高强高性能混凝土,既能保证施工质量,保证具有设计要求的各种良好的物理力学性能和耐久性,从而延长工程的使用寿命,又因配制时合理选用骨料、外加剂、矿物掺合料,减少了水泥和混凝土用量,节约了资源、能源,改善了环境,符合节能减排、保护环境、可持续发展的技术路线。

4.我国混凝土发展的第四阶段——预拌和装配协调并举发展的新局面

2008年后,全新的装配式建筑(与过去的预制构件不同)技术开始大力推广,并首先在北京、上海、广州等大城市进行试点。装配式构件具有提高建筑质量、加快工程进度、提升文明施工和安全管理、促进环境保护和节约资源等特点和优势,今后有可能形成预拌和预制(装配式构件)协调发展的新局面。