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高性能混凝土———建设工程的千年大计

发布:2009-04-01 14:22:29作者: 中国建筑材料科学研究总院院长姚燕浏览量:2077

  人们都希望自己是长寿的,同时也希望自己居住的房屋、行走的道路、桥梁和看到的一切都是长久的。我们正在为此努力工作。

  人们也许没有感觉到,我们是生活在混凝土的世界里。观察一下周围,无论是道路、桥梁、大坝、港口,还是管道、房屋等,到处可以看到混凝土的身影,混凝土是用量最大的基本建筑材料之一,可以说混凝土无处不在。全世界有多少混凝土建筑物和构筑物?我国有多少?可能没有人说得清楚。然而,近年来我国新增的混凝土量是可以粗略统计的。我国每年投入两万亿元用于基本建设,其中大部分是基础设施建设。按照水泥产量推算,每年有约20亿立方米的混凝土用于工程建设,任何一个轰轰烈烈的建设工地,混凝土都是主角。

  看到如此多的混凝土建筑,人们也可能不会去想,这座建筑的寿命还有多少年?然而,作为混凝土工程技术研究人员,对与混凝土有关的信息反应是敏感的、迅速的,并且会深入思考、提出课题。特别是在承担国家“九五”、“十五”科技攻关项目期间,项目组的成员似乎生活在混凝土的世界里,看到墙上的裂缝就会问:“这是不是碱—骨料反应?”看到混凝土罐车开过,就会想,车里装的应该是高性能混凝土吧。三峡大坝高性能混凝土浇筑量一年就超过500万立方米,使我们感到振奋;而一些桥梁倒塌、建筑物的破坏也使我们担忧。听说有重要工程启动,我们马上积极联系,争取参与其中,把研究成果应用进去。能够联系到工程应用单位,是我们最高兴的事情,能到工地现场,是我们最开心的事情。我们的项目成果已在百余个工程中应用。

  建设的迫切需要 适时的正确引导

  国际上高性能混凝土的研究始于20世纪90年代初。那时,国外发现大量建(构)筑工程因混凝土耐久性问题而丧失使用功能,造成巨额经济损失,全世界每年用于工程修复和重建的费用高达数千亿美元。发达国家纷纷开始投巨资开展研究一种以“提高混凝土的耐久性能”为主要核心的高性能混凝土技术,即大幅度提高混凝土抵抗各种侵蚀性气体和液体腐蚀的能力。

  90年代后,国家有关部门通过调研,敏锐地觉察到,我国正处在高速发展时期,每年的混凝土用量不断增加,一批重点工程正在兴建和筹划,如长江三峡水利枢纽工程、跨海跨江的大型桥梁、迅猛发展的高等级公路、国家高速铁路网、大中型飞机场等,因此我国与发达国家一样存在着提高混凝土耐久性的重要性和迫切性,应该未雨绸缪,果断地投入资金,在国家层面上大力支持科研单位和高等院校在高性能混凝土领域进行研究工作和工程应用。

  今日再回首,我们深深感到,这些研究项目虽然支持经费有限,但对于引导高性能混凝土发展和应用具有重大和深远的意义。特别是在“九五”和“十五”连续的国家重大科技攻关项目中,由中国建筑材料科学研究总院牵头组织了国内几十个科研单位、高等院校的一大批专家进行联合攻关。经过10多年的艰苦努力,解决了许多技术难题,取得了大量具有国际先进水平的研究成果,形成具有我国自主知识产权的高性能混凝土技术,并在近百个工程中应用,至今仍在被大力推广。项目取得的科技成果,在国内外产生了较大影响,在指导我国重点和大型混凝土工程建设的同时,唤起了我国政府部门和工程界对混凝土耐久性问题的高度重视,统一了认识,使混凝土工程从“以强度设计”为主转变为“以耐久性和强度设计”为主,加快了混凝土耐久性设计规范化的进程。国家对这些科研项目的支持,也吸引和留住了一批科技人才致力于研究高性能混凝土技术,如今我国的高性能混凝土研究团队已经成为国际该领域中最为活跃和硕果累累的团队。

  艰苦的研究历程 丰硕的研究成果

  回想1996年,当得知“重点工程混凝土安全性的研究”被列为国家“九五”科技攻关项目时,整个水泥混凝土行业都轰动了。这是混凝土领域第一个国家攻关项目,多少老混凝土科技工作者为之感慨,国家重视混凝土材料的研究了!承担项目组织工作的中国建筑材料科学研究总院也感到了神圣的责任和压力。

  在随后的5年里,在国家有关部门的领导下,中国建筑材料科学研究总院牵头组织南京化工大学、中国水利水电科学研究院、武汉理工大学、北京科技大学、中国建筑科学研究院、同济大学、苏州混凝土水泥制品研究院、清华大学等国内相关科研院所和大学,开展跨部门、跨行业的联合攻关。围绕高性能混凝土技术进行了全面、系统、深入的研究,弥补我国在这方面的不足,解决了确保混凝土材料安全性的一系列关键科学技术问题,推动了我国水泥混凝土材料学科技术水平的发展。

  “十五”期间,混凝土耐久性的研究工作再次得到国家科技部的高度重视,设立了国家科技攻关项目“新型高性能混凝土及其耐久性的研究”,由中国建筑材料科学研究总院再次组织相关单位联合攻关,在完善已有成果的基础上,基于材料科学技术的最新发展和工程建设需要,针对新型高性能混凝土、高性能轻骨料混凝土集中力量开展研究。

  在10多年的时间里,有上百人参加了这两个项目的研究。项目的研究过程是艰难的。混凝土耐久性实验大都是在高温、高湿、化学腐蚀等特殊严酷实验条件下进行的,混凝土工程施工现场的生活条件和工作条件很艰苦。为了保证研究设计的混凝土配制技术路线在工程中得以正确应用,科研人员都深入到工程一线,确保了多个国家重点重大工程的质量。那时,由于高性能混凝土还没有普遍推广,有的课题组为找一个实施点要联系很多个工程,要做大量的说服工作。在困难面前大家没有气馁,而是坚韧不拔,团结合作,勇敢向前。

  一位工程师为寻找典型的活性骨料做对比实验,翻山越岭,走破了几双鞋;

  一位教授为了完成防止钢筋锈蚀的工程实施,在直不起腰的桥下连续工作几个小时;

  一位研究生去青藏铁路取样品,被风雪困在唐古拉山,当他在一个小站吃到一碗热面时,他说:“这是我吃过的最好吃的面!”;

  一位老教授不顾年长,带领自己的团队,冒着黑龙江深冬的冰雪严寒,在同三高等级公路上进行混凝土路面的盐冻实验;

  几位工程技术人员用研制的修补剂为损坏的军港码头做修补,险些被涨起的潮水困住,但当看到潮水退去,刚修补过的地方修补剂依然还在时,他们露出了笑容;

  ……

  一次次艰苦的实验,一场场激烈的研讨,一夜夜灯下奋笔,一个个大型工程的应用……至今都是大家难忘而美好的回忆。

  功夫不负有心人。经过10多年的辛勤积累,上百名科技工作者的汗水和智慧结晶出了我国自主知识产权的高性能混凝土技术,形成了大量高水平的技术和产品,我国在新型胶凝材料研制、中等强度等级高性能混凝土配制、新型混凝土外加剂生产技术、应力状态下混凝土耐久性能的研究等方面都居于国际先进水平。通过系统的科研工作,我们阐明了高性能混凝土原材料选择的依据,提出了许多新的实验方法,研发了系列新材料,还建立了一批科学实验的研究基地和稳定的原料基地,很好地满足了我国各行业对高性能混凝土的需要。项目研究成果使原来无从控制的混凝土耐久性有了明确的技术要求和控制措施,有力地推动了我国混凝土技术的进步。

  汗水耕耘,终有所获。2004年,“混凝土耐久性关键技术研究及工程应用”获得国家科技进步二等奖,高性能混凝土技术也成为原建设部建筑新技术促进应用办公室向全国建筑业推广的10项新技术之一。

  成果的迅速转化 大量的工程应用

  对高性能混凝土技术的系统研究,为我国重点工程提供了一批新理论、新技术、新成果,同时,还参考研究成果制定了多个标准、规范、方法和技术条件。在科研项目的研究过程中和项目完成后,我们坚持既重视理论研究,又重视加快成果转化的原则,在完成国家科技项目的基础上,为三峡工程、青藏铁路、南水北调、田湾核电站、首都机场新航站楼、向家坝水电站、三门核电工程、南京地下铁道工程、渝怀铁路重庆嘉陵大桥、武汉长江一桥、武汉长江二桥等100多个工程的建设提供了强有力的技术支持。项目的直接经济效益达两亿元,间接经济效益达数百亿元。仅举两例:

  1.高性能混凝土技术解决了青藏铁路工程混凝土碱—骨料反应安全性难题。

  青藏铁路工程在施工沿线选用砂、石,不可避免地使用了某些存在潜在碱活性的骨料,工程采取了一些抑制碱—骨料反应措施,如:限制混凝土的碱含量、掺加抑制碱—骨料反应作用的专用外加剂等。但是,如果该抑制措施无效,就可能发生混凝土“癌症”,引起整个混凝土结构的破坏。因此,准确鉴别已经使用的砂、石骨料的碱活性程度,并准确判断采取抑制措施的可靠程度成为整个工程验收前必须阐明的问题。

  这两个问题都是世界性难题,没有确定的实验方法和标准。受青藏铁路总指挥部的委托,中国建筑材料科学研究总院、南京工业大学的技术人员利用“九五”和“十五”攻关取得的碱—骨料反应方面丰硕的研究成果,为青藏铁路指挥部解决了这个难题。技术人员首先在高原缺氧、严寒和强烈紫外线的恶劣环境下,采集了从格尔木到拉萨青藏铁路建设使用的全部79个骨料样本,采用骨料碱活性综合判定法,经过大量试验和分析,准确完成了青藏铁路骨料碱活性普查工作,证实青藏铁路所用骨料中没有蛋白石等高活性成分,只有少量的次活性成分玉髓、微晶质至隐晶质石英、波状消光石英等组分。随后,又利用攻关项目取得的国际先进成果,完成了《青藏铁路混凝土掺合料抑制碱-硅酸反应效能评估方法》。该方法按实际工程配合比,进行小混凝土柱的快速实验。用这种方法评估后证实,青藏铁路工程采取的掺合料抑制碱—骨料反应的措施是有效的,工程发生高活性碱—骨料反应破坏的可能性基本没有,总体碱—骨料反应安全性是可以放心的。

  2.高早强抗裂高性能混凝土技术不断延伸特殊凿井的深度。

  冻结法是煤炭行业特殊凿井的一种主要施工技术,冻结深度是冻结法凿井难易程度的一个重要标志。根据冻结段井壁结构和施工特点,深井必须选用高强度等级混凝土,以减小井壁厚度,增强外层井壁抵抗冻结压力和井壁整体抵抗外力的能力。煤炭行业混凝土施工的传统方法水泥用量大,混凝土易收缩开裂,且价格较高,限制了煤矿建井深度。中国建筑材料科学研究总院通过大量实践,研发了J851早强减水剂(外层井壁用)和JQ防裂密实剂(内层井壁选用)两种新型混凝土外加剂,推出了深井井壁高性能混凝土技术。这种新技术降低了温度应力引起的开裂,提高了工程寿命;混凝土的流动性好,施工速度大大加快;混凝土的单方成本下降一半以上,这些优点使矿井的安全使用年限有了技术保证,得到了煤矿行业的认可。从2000年开始,采用高性能混凝土新技术建设了10口深井,最深的井达到了600米以上,混凝土强度达到C100。依靠我们团队的艰苦努力,不断刷新冻结法凿井井深的世界纪录,创造着世界建井史上的一个个奇迹。

  “九五”、“十五”科技攻关项目的完成,得到了行业的院士、老专家的指导和支持,我们的机遇也让他们羡慕。有位老混凝土专家感慨地说:“你们这批科技工作者生活在一个好的年代———国家大规模基本建设要持续20年,你们可以大有作为。20年后大量建筑物又要维修和重建,你们又可以大干20年。”前者,我们感到天地广阔,责任重大,但后者如果成为现实,我们会羞愧无比。我们要让我们亲手建设的工程寿命达到百年、千年,成为支撑国民经济发展的基础。

  今天,高性能混凝土已经在大城市的建筑领域广泛应用,这与我们在20世纪90年代率先开始进行的高性能混凝土理论研究和工程实践是密不可分的。目前,我们一方面密切关注高性能混凝土的发展和国家重大工程的需求,继续深入研究混凝土耐久性的新技术和新材料。另一方面,高性能混凝土的科研成果也在公路、铁路、水工和核电等行业大力推广,为工程的“长寿”提供了技术支持。一直关注高性能混凝土技术研究进展的中国工程院院士唐明述教授寄语我们:“我希望年轻一代的科技人员继续创新,带动高性能混凝土的深入研究和广泛应用,把我国重点工程寿命延长到百年以上,造福子孙后代。

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