基础工程中新型建筑材料的应用研究

摘要:近些年来,随着建设事业的迅猛发展,各类高、新重建筑物(或构筑物)与日俱增,建筑场地和地基条件却越来越复杂,从而促使新技术、新工艺、新材料和新设备在基础工程中得到广泛应用。本文重点介绍了在地基基础和基坑围护方面7种新型建材的特性和应用现状,并预测了新型建材在基础工程中的发展趋势。

关键词:新型建筑材料;基础工程;绿色建材;复合建材

1 前言

建材是建筑产业的基础,新型建材的发展对建筑技术产生着巨大的影响,并可能改变建筑物的形态或结构。本文将重点探讨在地基基础和基坑围护方面几种典型新型建材的应用现状和发展趋势。

2 新型建筑材料在基础工程中的应用现状

2.1 化学灌浆材料

化学灌浆是岩石工程补强加固手段之一。

常用的化学灌浆材料除传统类型外出现了诸如甲凝、甲氰凝和环氧-聚氨酯、丙烯酸酯-聚氨酯等互穿网络灌浆材料,其中甲基丙烯酸酯系列是我国独创。中国科学院广州化学研究所研制的中化-798浆材[1],冲破国际上认为k<10-6cm/s地层不能进行渗透灌浆的灌浆禁区,而且注入k=10-8cm/s的地层,为国内外处理低渗透性软弱岩土地层的化学灌浆技术开创了新局面。

2.2 高强混凝土

混凝土高强度化的研究,早在30年代初就已开始,其中高强预应力混凝土管桩(简称PHC管桩)就是高强混凝土在基础工程中的应用实例之一。PHC管桩生产采用掺高效减水剂、强制搅拌、高速离心和“蒸养-压蒸”二次养护方式,桩身混凝土强度等级超过C80,具有强度高,单桩承载力大,耐打性好,设计选用灵活方便,成桩质量可靠,对桩端持力层起伏变化较大的地质条件适应性强,施工速度快,检测时间短,监理方便,现场管理简单,综合经济效益指标好等优点,在许多工程中得到了成功应用。

2.3 混凝土膨胀剂

中国建材院研制的混凝土膨胀剂(简称UEA)是由硫铝酸钙熟料或硫酸铝熟料、天然明矾石和石膏共同磨细而成的一种特殊外加剂。它内掺(替换水泥率)6～12%于混凝土中拌制成的补偿收缩混凝土,具补偿收缩、强度、抗渗和抗冻性能良好的优点。中国建材院在UEA基础上研制成功的膨胀效能大、流动性能好的灌注桩膨胀剂(简称PEA),是由铝酸盐、硫酸铝盐、石膏和有机外加剂磨制而成的粉状物。PEA掺入水泥后,由于水化作用形成大量的膨胀性结晶水化物-钙矾石,使混凝土产生体积膨胀。通过混凝土桩径向膨胀作用,提高了桩与土层的摩擦阻力。而PEA桩的竖向膨胀作用,也提高了桩尖的极限强度。这一径向和竖向膨胀综合效应,使PEA桩垂直和水平承载能力都得到提高。水泥中掺入20～25%的PEA,单桩承载力提高25%～35%。天津中山商厦和湖北孝感人民银行营业楼等基础工程的实践证明采用PEA桩能节省投资,大大缩短桩基工工期,同时可节省工程用电、用水,具有显著的社会和经济效益。

2.4 粉煤灰拌合物

粉煤灰是由燃煤热电站烟囱收集的灰尘,其颗粒一般比水泥还细,含有大量的球状玻璃珠,同石灰、水泥、砂石、土等亲合性好,它们的拌合物是优良的地基与基础工程材料,已在水利、道路、建筑工程中得到广泛应用。

(1)二灰。粉煤灰、石灰拌到一起简称“二灰”。粉煤灰中的SiO2、Al2O3酸性氧化物与石灰消解后生成的Ca(OH)2发生反应,生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质,并逐渐硬化产生强度,用以加固地基和作基础垫层,在多个工程实践中得到成功应用。

(2)二灰砂桩

西安市用粉煤灰、石灰、砂和多种外加剂制成的灰土桩,处理新填土地基,提高了地基承载力,减少变形量,具有明显效果。

(3)二灰沥青混凝土

美国摩尔顿郡修建海布郎公路时,在拌制沥青混凝土时掺入3.5%的消石灰和8%的C级粉煤灰(高钙灰),使混凝土的强度提高60%～80%,若先拌合石灰,陈化24小时后再掺入粉煤灰,混凝土的强度可提高1倍以上。

(4)粉煤灰混凝土

研究表明掺有高效减水剂的混凝土,当拌合物的水灰比为0.3或者更低时,使用粉煤灰取代60%的水泥拌制的混凝土,不仅具有强度与耐久性优异的特性,同时混凝土的弹性模量、徐变、干缩和冻融性能亦均与普通混凝土相当。另外,这种高掺量粉煤灰混凝土抵抗氯离子渗透的能力较强。

(5)CFG桩

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称,这种桩的骨料仍为碎石,用掺入石屑来改善其颗粒级配,掺入粉煤灰来改善混合料的和易性,并利用其活性减少水泥用量。由于它与周围被挤压的土壤共同承受上部传来的荷载,故又称为CFG桩复合地基。

与碎石桩相比,CFG桩承载力提高幅度较大(与素混凝土桩相近),且具有可调性,并可有效减少变形。CFG桩处理费用比素混凝土桩节约20%～30%,且利用了“二废”(即粉煤灰和石屑),具有较好的经济效益和社会效益。

(6)CFS桩

水泥粉煤灰钢渣桩(简称CFS桩)在湿陷性黄土地区已被积极应用与推广,并在武汉某热轧厂板坯库车间人工填土地基中得到了成功应用。CFS桩的作用机理主要是通过挤密、桩体分担荷载作用来提高地基承载力及减小变形。

此外,粉煤灰、石灰和水泥掺合在一起的“三灰”基础,粉煤灰、石灰混合料中掺入土的“二灰土”垫层和“二灰土”桩,粉煤灰、石灰、碎石或硬质矿渣等拌合在一起的“二灰渣”等粉煤灰拌合物在地基基础中均得到了成功的应用。

2.5 粉煤灰砖

该产品以粉煤灰、胶凝材料(石灰、石膏、水泥等)为主要原料,掺加适量的外加剂、集料等,经坯料制备、振动压制成型,常压或高压蒸汽养护而制成的实心砖,是替代实心粘土砖较为理想的一种新型墙体材料。

2.6 喷射混凝土

喷射混凝土是将水泥、砂、石和外加剂(速凝剂、粘稠剂)按一定比例拌合后装入喷射机中,借助压缩空气吹至喷嘴处与水混合,然后喷向岩壁并在短时间内与岩壁粘结的一种混凝土支护结构。有文献表明长春市某高层建筑在大直径人工挖孔桩施工中应用喷射混凝土护壁获得成功。该实例表明采用喷射混凝土护壁由于不需支设模板,工艺简单,施工方便,工期短,经济效益显著。

2.7 纤维混凝土

纤维混凝土是一种新型的多相复合建筑材料,它通常根据工程结构不同及使用环境和条件在水泥基体中掺入钢纤维、玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、高密度聚乙烯纤维、尼龙纤维等材料,以改善并提高混凝土的抗裂、抗拉、抗弯强度和抗渗防水性能,增强其抗冲击及抗震能力,已受到工程界的极大关注并在不断的工程实践过程中得到越来越多的肯定。

3 新型建筑材料在基础工程中发展趋势

3.1 绿色建材将成为基础工程材料发展的一个主要目标

绿色建材在基础工程中的开发利用可概括成以下四种类型:一是节约资源型,如上文中提到的粉煤灰拌合物是尽量降低天然资源消耗,充分利用工业废料作为原材料的绿色建材。二是低能耗型,如用粉煤灰等工业废渣代替粘土砖,生产相当于1000亿块实心粘土砖的新型墙体材料,可消耗工业废渣7000万吨,节约耕地3万亩,节约生产能耗100万吨标煤,达到节能利废、节约资源、保护环境的目的。三是无公害型,如最近,有关防止对环境的污染成为了化学灌浆材料研究的重点,并在国内研制成功了T31,810,X89,CD等毒副作用较低的一批环氧浆材改性胺类固化剂,无溶剂型环氧浆材、LW、HW等水溶性聚氨酯浆材等低污染或无污染的新型建材。四是可回收利用型,环保泥浆是一种高分子聚合物所组成的高浓缩性乳液稳定液,用于地下连续墙或桩基施工,具有稳定沟槽的功能,可取代传统的膨润土。其“环保”的涵义可从两个方面理解:一是使用环保泥浆钻进时,不会与土砂颗粒混合,故泥浆中含砂量极低,可多次重复使用;二是若向欲废弃的泥浆中加入漂白粉(次氯酸钠),使其分解,24h即完全变成中性,可以直接排入下水道或沟渠,而不会污染环境。

3.2 复合建材是基础工程材料发展的必然趋势

复合建材是由两种或两种以上不同材料,通过一定的加工工艺合成一体的功能材料。现代建材大多数是复合建材,如PHC管桩、粉煤灰拌合物、纤维混凝土等都是复合建材。

复合建材吸取了单一质建材的材性优势和组合建材优势互补的优点,根据使用功能的要求,选择合适的材料,通过物理或化学的手段,使不同材料复合成一种新的整体材料,既能使材料的特性得到充分发挥,又能合理地做到优势互补。如纤维混凝土中纤维的掺入可以提高混凝土的抗拉及抗冲击性能,并能有效改善混凝土的脆性,使材料更能适应时代的要求。

3.3 新型建材品种的增加将进一步促进基础工程技术的发展

目前,新型建材的品种和产量正在以前所未有的速度发展,基础工程若能有效地利用性能优良的新型建材必将推动基础工程新技术、新工艺的发展。如化学灌浆材料的出现促使注浆技术的不断发展,湖南国际会展中心采用单管分喷和静压注浆相结合的综合灌浆法取代高压喷射注浆法对人工挖孔桩进行补强加固,取得了较好的加固效果。以水泥、粉煤灰、石屑等材料构成的低强度桩为“复合地基”技术的开发,为我国地基处理技术开辟了新领域,填补了天然地基与桩基之间的空白。

近年来,材料科学技术的发展,为新型建材工业增添了新的机会,注入了新的活力。许多研究已取得了突破性进展,如自密实混凝土,膨胀自密实混凝土,活性粉末混凝土(RPC)其性能比传统结构的钢筋混凝土更为优越。虽然要将这些性能优越的新型建材用于基础工程,尚有大量工作要做,但我们相信,它们必将会给基础工程带来革命性的变化。

4 结束语

总之,新型建材品种的不断涌现和产量的不断增长是新世纪建筑业发展的客观要求,它们正在推动着基础工程技术向前发展。当然由于许多新型建材的生产投入较大,原材料价格较高,加上配套技术标准和措施还很不健全,从而阻碍着它们的推广应用。然而,随着经济的发展和科技的进步,新型建材不断开发应用必将对基础工程技术的发展带来巨大的影响。

参考文献

[1]程鉴基等.化学灌浆在地基基础工程中的应用综述[J].勘察科学技术,1999(3):31～35

[2]游宝坤等.采用PEA提高灌注桩承载力的原理及工程应用[J].建筑技术,1995(3):166～167

[3]颜承越等.粉煤灰拌合物土工特性及应用实例[J].房材与应用,1999(3):41～42

[4]宋生平.CFG桩在工程中的应用[J].住宅科技,1999(4):47～48

[5]周曙春等.水泥粉煤灰钢渣桩(CFS桩)处理地基试验研究[J]土工基础,2002(3):9～11

[6]闫庆才.喷射混凝土护壁在人工挖孔桩施工中的应用[J].建筑技术,1997(5):343

[7]黄一丹.纤维混凝土在大面积混凝土底板中的应用[J].广东土木与建筑,2003(5):49～50

[8]刘粤湘等.综合注浆法在人工挖孔桩施工中的应用[J].土工基础,2003(9):33～36

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