第1章概述
1.1現(xiàn)代混凝土材料的定義
早在1959年，我國混凝土科學(xué)的奠基人吳中偉在其發(fā)表的“中心質(zhì)效應(yīng)假說”中，就對水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了分析。吳中偉認(rèn)為，水泥基復(fù)合材料的每一層次包容了下一個(gè)層次，各級(jí)中心質(zhì)是分散相，分散在介質(zhì)（連續(xù)相）中，形成上一級(jí)的介質(zhì)，各層次之間通過界面聯(lián)系成整體。各層次的行為是相互影響的，例如，混凝土的行為受水泥行為影響，但水泥的行為是在混凝土中產(chǎn)生的，因此應(yīng)當(dāng)把水泥放在混凝土中進(jìn)行研究，把混凝土放在鋼筋混凝土構(gòu)件中研究，鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)當(dāng)放在工程中研究。
水泥是混凝土的膠凝材料，盡管隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，水泥已不是當(dāng)今社會(huì)唯一可使用的膠凝材料，但無論如何，使用量最大的膠凝材料仍是水泥。為了滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，為了提高混凝土的抗裂能力和耐久性，在混凝土中摻加一些混合材料，改善混凝土性能，是很必要的。這些混合材料，有的是在水泥生產(chǎn)過程中就加進(jìn)去了，有的則是在混凝土生產(chǎn)過程中加進(jìn)去的。因此，除粗集料、細(xì)集料、水泥和水之外，凡含有礦物摻合料和化學(xué)外加劑的混凝土材料均稱為現(xiàn)代混凝土材料。
1.2混凝土材料的發(fā)展簡史
混凝土材料的發(fā)展可以追溯到水硬性石灰的誕生。希臘和羅馬人用煅燒含有泥土夾雜物（黏土質(zhì)）的石灰石生產(chǎn)出了水硬性石灰。經(jīng)過中世紀(jì)，煅燒石灰的技術(shù)幾乎失傳。到14世紀(jì)又恢復(fù)了火山灰的使用。直到18世紀(jì)，才有了波特蘭水泥。英國學(xué)者派克（Parker）在1796年提出一項(xiàng)關(guān)于天然水硬性膠凝材料（誤稱為羅馬水泥）的專利，該水泥用含有黏土的不純石灰石巖球煅燒制成。1824年，英國利茲的一個(gè)施工人員亞斯普�。ˋspdin）提出“波特蘭”水泥的一個(gè)專利，盡管按照這一專利技術(shù)未必能制造出真正的波特蘭水泥，但后來人們還是沿用了“波特蘭”水泥這一術(shù)語至今。
波特蘭水泥的應(yīng)用，很快在世界迅速傳播，尤其是在歐洲和北美。與此同時(shí)，一項(xiàng)項(xiàng)新的改進(jìn)技術(shù)誕生了。對于波特蘭水泥的研究，可以說自它問世后就沒有停止過。
波特蘭水泥的應(yīng)用，為人類進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)，因其具有凝結(jié)較快、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，而被工程界廣泛采用。當(dāng)今建筑，無論是高聳云天的摩天大樓，還是令人驚嘆不已的標(biāo)志性建筑，無論是核電工程還是水利大壩，無論是地上建筑還是地下工程，無處不顯波特蘭水泥的優(yōu)勢和重要性。
水泥產(chǎn)生的水化產(chǎn)物均是自然界中沒有的礦物組分，因此它存在耐蝕性差、水化熱大等缺陷。水泥的強(qiáng)度主要來自于水泥水化后的水化產(chǎn)物，同時(shí)水泥水化又會(huì)放出大量的熱量。由此引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂縫，給水泥混凝土帶來天生的缺陷。
為了降低水泥早期的水化熱，提高混凝土的抗裂性能，人們總是試圖通過在混凝土中摻礦物細(xì)摻料的辦法來減少水泥熟料的用量，改善水泥的水化熱性能。例如，在混凝土的制備過程中，摻磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰等，使混凝土的耐蝕性提高，水化熱性能也有了明顯改善，但隨之而來的早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢、易碳化、混凝土抗凍時(shí)表面易剝落等缺陷也給人們帶來憂慮。
為了提高混凝土的強(qiáng)度，高強(qiáng)度等級(jí)的水泥也應(yīng)運(yùn)而生了，它滿足了建筑施工中縮短工期、加快模板周轉(zhuǎn)、早期強(qiáng)度發(fā)展快的要求，但仍存在耐蝕性差、水化熱更大的缺陷。
20世紀(jì)90年代，以耐久性為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的高性能混凝土問世了�；炷�土要實(shí)現(xiàn)高性能化，發(fā)展高性能水泥基膠凝材料首當(dāng)其沖。由東南大學(xué)、江蘇省建筑科學(xué)研究院、南京大學(xué)等單位承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高性能水泥基建筑材料的性能及失效機(jī)理研究”，對高性能水泥基建筑材料的配制，關(guān)鍵技術(shù)性能及在使用過程中的損傷劣化失效機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了許多令人矚目的可喜成果，為現(xiàn)代混凝土材料理論與技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。
1.3現(xiàn)代混凝土材料的高性能化
一般混凝土建筑物的服役壽命都要求大于50年。一些重點(diǎn)工程（如橋梁、水利大壩等）則要求100年或100年以上的服役壽命。但在近半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)因材質(zhì)劣化造成過早失效或提前退出服役的事故常有發(fā)生。據(jù)英國1979年調(diào)查，全國混凝土結(jié)構(gòu)有36%需重建或改建；美國公路總局1969年用于公路橋梁路面修補(bǔ)的經(jīng)費(fèi)達(dá)26億美元，1979年達(dá)63億美元。美國1991年在提交國會(huì)的報(bào)告《國家公路和橋梁現(xiàn)狀》中指出，美國現(xiàn)存的全部混凝土工程價(jià)值約6萬億美元，而每年用于維修的費(fèi)用達(dá)300億美元。英國1980年的建筑維修費(fèi)用占建筑總費(fèi)用的2／3。在我國，由于正處于建設(shè)高峰期，工程維修的問題未引起人們重視。事實(shí)上，工程維修的壓力相當(dāng)巨大，有些工程使用不到10年就出現(xiàn)了各種各樣的病害。
延長混凝土的服役壽命是最有效的節(jié)能、節(jié)材、減少環(huán)境污染的途徑。近年來，我國水泥產(chǎn)量增長非常迅速。統(tǒng)計(jì)資料顯示，20世紀(jì)80年代我國水泥產(chǎn)量的年平均增長率為10.2%，90年代則已上升到17.5%。2000年我國共生產(chǎn)水泥5.97億t，2003年水泥產(chǎn)量高達(dá)8.63億t，2010年我國水泥產(chǎn)量已超過18億t，居世界首位，占世界總產(chǎn)量的50%。有人曾經(jīng)計(jì)算過，像現(xiàn)在這樣無限制地生產(chǎn)水泥，我國的水泥資源也只能滿足幾十年。眾所周知，水泥廠歷來就是污染源，現(xiàn)代水泥廠雖然采取了密閉和負(fù)壓等措施以減少粉塵的排放量，但有害氣體，如CO2、NOx和SO2，以及部分粉塵仍是通過高煙囪排放到大氣中。有關(guān)資料表明，每生產(chǎn)1t熟料將排放約1t的CO2。2003年我國生產(chǎn)的8.63億t水泥中，從低估計(jì)熟料約6億t，也就是說，2003年我國僅水泥生產(chǎn)就為大氣增加了超過6億t的CO2。另外，水泥生產(chǎn)中還要排放出大量的NOx、SO2等有害氣體，以及大量粉塵，也將嚴(yán)重污染我們的生存環(huán)境，破壞全球生態(tài)平衡，使人類的生存受到威脅。執(zhí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是21世紀(jì)世界各國的重要任務(wù)，我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展“九五”計(jì)劃，以及2010年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要在將建筑業(yè)和建材行業(yè)列為支柱產(chǎn)業(yè)的同時(shí)指出，“建材工業(yè)應(yīng)以調(diào)整結(jié)構(gòu)、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、減少污染為重點(diǎn)，大力增加優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，發(fā)展商品混凝土，積極利用工業(yè)廢渣，走可持續(xù)發(fā)展的道路”。顯然，如果我國的水泥按照現(xiàn)在的速度生產(chǎn)和發(fā)展下去，不僅會(huì)消耗大量的資源和能源，而且將給整個(gè)地球的環(huán)境增加不可想象的負(fù)擔(dān)，這與走可持續(xù)發(fā)展的道路是嚴(yán)重相悖的。因此，發(fā)展現(xiàn)代環(huán)保節(jié)能型混凝土材料勢在必行，迫在眉睫。
大力發(fā)展環(huán)保節(jié)能型高性能水泥基建筑材料，充分利用活性摻合料（工業(yè)廢渣），一方面可以減少水泥熟料的需求量，減少資源和能源的消耗，減少CO2等有害物質(zhì)的排放；另一方面，如果我們能夠充分利用活性摻合料優(yōu)化混凝土的膠結(jié)料化學(xué)組分，將混凝土的服役壽命從現(xiàn)在的50～60年延長至100～150年，乃至更長時(shí)間，不僅能化廢為寶，從根本上大幅度地減少水泥熟料的需求量，起到保護(hù)環(huán)境的作用，而且能夠因建筑物耐久性的提高、壽命的延長而帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
國際上，一些發(fā)達(dá)國家，如美國、日本、加拿大等對開發(fā)環(huán)保節(jié)能混凝土高度重視，主要采用以下技術(shù)：①采用環(huán)保型膠凝材料，在水泥中摻入的一種或幾種活性摻合料，替代水泥，節(jié)約熟料；②研發(fā)與使用各種化學(xué)外加劑。
用于配制環(huán)保型膠凝材料的礦物細(xì)摻料包括磨細(xì)礦渣、硅灰、石英砂粉、粉煤灰和石灰石粉等，目前用得比較多的是硅灰、磨細(xì)礦渣和粉煤灰。英國教授Swany用細(xì)度為453m2／kg、786m2／kg和1160m2／kg的礦渣取代水泥熟料，分別制得強(qiáng)度為60～100MPa的環(huán)保節(jié)能混凝土。俄羅斯水泥科學(xué)研究院用磨細(xì)礦渣、粉煤灰、石英砂粉等復(fù)合取代50%～70%的熟料制得環(huán)保型膠凝材料，用這種膠凝材料制成的混凝土具有良好的耐久性、優(yōu)異的工作性、水化熱低等優(yōu)點(diǎn)。日本配制環(huán)保節(jié)能混凝土?xí)r一般從礦渣、硅粉、石英砂粉、粉煤灰、石灰石粉等礦物細(xì)摻料中選擇1～3種，并加入高效減水劑，有時(shí)還加入增稠劑、膨脹劑等有機(jī)或無機(jī)添加劑，由于外加組分多，使用這種方法要求施工部門同時(shí)采購多種原材料，在施工現(xiàn)場或混凝土攪拌站多次計(jì)量和加料，工藝復(fù)雜，成本也較高。另外，為了避免計(jì)量和加料的差錯(cuò)，對施工人員的要求也較高。
我國清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、重慶大學(xué)等也對開發(fā)利用活性摻合料進(jìn)行了一些有益的工作。清華大學(xué)用摻比表面積400m2／kg的磨細(xì)礦渣配制的混凝土，3d、7d強(qiáng)度低于摻比混凝土，用比表面積800m2／kg的礦渣配制的混凝土早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均高于摻比混凝土，但碳化深度比同水膠比的摻比混凝土略大，抗氯離子滲透性，以及對堿-集料反應(yīng)的抑制能力較普通硅酸鹽水泥強(qiáng)。同濟(jì)大學(xué)用48%的P.O42.5硅酸鹽水泥熟料摻4%的石膏，與48%礦渣分別磨細(xì)后，混合配制成環(huán)保型膠凝材料，與同標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥相比，這種膠凝材料不僅水化熱低，而且抗化學(xué)侵蝕能力大大提高。天津市建筑材料科學(xué)研究所通過磨細(xì)技術(shù)與復(fù)合技術(shù)，生產(chǎn)出超細(xì)礦物摻合料，等量取代20%～50%的水泥，可提高混凝土強(qiáng)度10%～30%，用它可以配制出流動(dòng)性好、水化熱低的C50～C80的高強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能混凝土，但其早期收縮及自收縮較純水泥大。東南大學(xué)孫偉和江蘇省建筑科學(xué)研究院繆昌文等采用二元激發(fā)和多元復(fù)合技術(shù)，僅用15%～30%的水泥熟料，采用75%左右的工業(yè)廢渣，通過功能性改性劑配制出了性能指標(biāo)達(dá)到或超過目前常用的P.O32.5、P.O42.5、P.O52.5級(jí)水泥的低熟料、低能耗、低收縮、高耐久的現(xiàn)代混凝土材料，并解決了大摻量活性摻合料水泥基材料長期存在的早期強(qiáng)度低、泌水大、收縮大、易碳化和凍害時(shí)表面易剝落的技術(shù)難題，使我國現(xiàn)代高性能混凝土材料的研究與應(yīng)用向前邁進(jìn)了一大步。
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