【摘要】隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，混凝土施工領(lǐng)域見(jiàn)證了多種新材料和工藝創(chuàng)新的發(fā)展。文中主要探討了在現(xiàn)代混凝土施工中新材料的應(yīng)用，包括超高性能混凝土（UHPC）、輕質(zhì)混凝土和自密實(shí)混凝土（SCC），以及智能與可持續(xù)混凝土材料，如智能混凝土技術(shù)、綠色環(huán)保混凝土的應(yīng)用。此外，還介紹了工藝創(chuàng)新，特別是3D打印混凝土技術(shù)、施工現(xiàn)場(chǎng)管理與自動(dòng)化技術(shù)，以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在混凝土施工中的應(yīng)用。這些新材料與工藝創(chuàng)新不僅提高了結(jié)構(gòu)的性能和耐久性，還推動(dòng)了施工效率和環(huán)境可持續(xù)性的提升。綜述了這些創(chuàng)新的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及其在實(shí)際施工中的應(yīng)用情況，以期為混凝土施工的未來(lái)發(fā)展提供參考。

【關(guān)鍵詞】混凝土施工；新材料；工藝創(chuàng)新

【中圖分類號(hào)】TU528" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）03-0050-03

0 引言

混凝土作為建筑行業(yè)的核心材料，其生產(chǎn)和施工技術(shù)的革新對(duì)于工程質(zhì)量、成本控制以及環(huán)境影響具有深遠(yuǎn)意義。近年來(lái)，隨著對(duì)高效率和可持續(xù)發(fā)展的需求增加，新型混凝土材料與工藝創(chuàng)新成為研究熱點(diǎn)。超高性能混凝土（UHPC）具有卓越的強(qiáng)度和耐久性，輕質(zhì)混凝土以減輕結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)，自密實(shí)混凝土（SCC）提供了無(wú)需振搗的流動(dòng)性。智能混凝土和綠色環(huán)?；炷恋某霈F(xiàn)，則是對(duì)施工智能化和環(huán)境保護(hù)的回應(yīng)。與此同時(shí)，3D打印技術(shù)、施工現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化與數(shù)字化以及AR/VR技術(shù)的應(yīng)用，正在重新定義混凝土施工的邊界。本文旨在全面概述這些材料與工藝創(chuàng)新，并探討其對(duì)未來(lái)建筑施工的潛在影響。

1 新材料在混凝土施工中的應(yīng)用

1.1 高性能混凝土材料

1.1.1 超高性能混凝土（UHPC）

超高性能混凝土（UHPC）是混凝土技術(shù)中的一個(gè)里程碑，其引入實(shí)質(zhì)上提升了工程結(jié)構(gòu)的極限承載能力及耐久性，由細(xì)微水泥顆粒、細(xì)骨料、高效減水劑和纖維共同組成，這種材料展示了出色的抗壓強(qiáng)度與抗彎性能，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)混凝土。與常規(guī)混凝土相比，UHPC在極端環(huán)境下展現(xiàn)了更優(yōu)的耐久性，其減少的孔隙率極大地抵抗了侵蝕與凍融循環(huán)的破壞，從而保障了構(gòu)件長(zhǎng)期的功能性和穩(wěn)定性。此外，UHPC獨(dú)有的流動(dòng)性質(zhì)能夠允許它在不需要振搗的情況下填充模具，這對(duì)于擁有復(fù)雜形狀或緊密鋼筋配置的結(jié)構(gòu)尤為重要。因此，UHPC的使用不僅僅是對(duì)材料性質(zhì)的一種提升，更是對(duì)現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的一種挑戰(zhàn)與機(jī)遇，其推動(dòng)了設(shè)計(jì)界限的擴(kuò)展和施工方法的創(chuàng)新[1]。

1.1.2 輕質(zhì)混凝土

輕質(zhì)混凝土以其在結(jié)構(gòu)重量上的顯著優(yōu)勢(shì)而獲得建筑工程領(lǐng)域的青睞，其輕量化的特性源自使用輕質(zhì)骨料，如膨脹珍珠巖、膨脹頁(yè)巖或輕質(zhì)陶粒等。這類材料的密度較低，不僅減輕了整體結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，而且降低了建筑物對(duì)基礎(chǔ)的要求和地震力的影響，這對(duì)于高層建筑或地震多發(fā)地區(qū)尤其關(guān)鍵。輕質(zhì)混凝土不只是輕質(zhì)，它還擁有良好的隔熱和隔聲性能，提升了居住和使用的舒適性。其在施工過(guò)程中，由于重量減輕，可以簡(jiǎn)化吊裝和運(yùn)輸?shù)男枨?，進(jìn)一步降低勞動(dòng)強(qiáng)度和施工成本。在設(shè)計(jì)和施工的視角下，輕質(zhì)混凝土拓寬了建筑的設(shè)計(jì)范圍，給予了建筑師更大的自由度，同時(shí)為施工單位帶來(lái)了效率與經(jīng)濟(jì)上的雙重利益。

1.1.3 自密實(shí)混凝土（SCC）

自密實(shí)混凝土（SCC）的研發(fā)，主要解決了傳統(tǒng)混凝土在施工中需要振搗來(lái)消除氣孔的繁瑣過(guò)程。SCC獨(dú)特的流動(dòng)性使其能夠僅憑自重流動(dòng)并填充模板的所有角落，同時(shí)排出氣泡，無(wú)需額外振搗作業(yè)。這項(xiàng)技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和重鋼筋混凝土澆筑中尤為有益，因?yàn)槠淞鲃?dòng)性可以輕松通過(guò)鋼筋網(wǎng)，確?；炷猎谀０逯芯鶆蚍植迹瑥亩朔涓C和孔洞的可能，提升了構(gòu)件的整體質(zhì)量和外觀。在SCC的應(yīng)用中，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低了，施工環(huán)境得到了改善，而這一切的成就都?xì)w功于對(duì)混凝土配方的精細(xì)控制和現(xiàn)代化的添加劑技術(shù)。綜合來(lái)看，SCC的應(yīng)用不僅提高了施工效率和結(jié)構(gòu)完整性，也符合了現(xiàn)代建筑業(yè)對(duì)高質(zhì)量、環(huán)保和施工安全的要求。

1.2 智能與可持續(xù)混凝土材料

1.2.1 智能混凝土技術(shù)的探究與應(yīng)用

智能混凝土技術(shù)的探究與應(yīng)用正在重新定義結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和維護(hù)的領(lǐng)域，通過(guò)嵌入微型傳感器或利用導(dǎo)電材料，使混凝土能夠感知到內(nèi)部的變化和外界的作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身狀況的監(jiān)控。例如，通過(guò)導(dǎo)電碳纖維或鋼纖維的摻入，混凝土可以監(jiān)測(cè)和傳遞有關(guān)其壓力、濕度、溫度等信息，這在預(yù)測(cè)和預(yù)防結(jié)構(gòu)損傷方面提供了巨大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到超出設(shè)計(jì)范圍的負(fù)載時(shí)，嵌入的傳感器能夠?qū)崟r(shí)反饋數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，確保及時(shí)維護(hù)和修復(fù)，大幅提升了結(jié)構(gòu)的安全性和服務(wù)壽命。除了安全監(jiān)測(cè)，智能混凝土的自修復(fù)能力也被研究者所關(guān)注，通過(guò)添加特定的細(xì)菌或化學(xué)劑，可以在裂縫形成初期實(shí)現(xiàn)自我愈合，減少維護(hù)成本和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。在持續(xù)優(yōu)化的過(guò)程中，智能混凝土的發(fā)展預(yù)示著未來(lái)建筑將向著更加自動(dòng)化和智能化方向邁進(jìn)。

1.2.2 綠色環(huán)?；炷恋难邪l(fā)與實(shí)踐

在綠色環(huán)?；炷恋难邪l(fā)與實(shí)踐中，利用工業(yè)廢料如粉煤灰和爐渣替代部分水泥成為提高混凝土可持續(xù)性的關(guān)鍵途徑。這不僅緩解了工業(yè)廢棄物的處理問(wèn)題，還減少了水泥生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放，因?yàn)樗嗟纳a(chǎn)是溫室氣體排放的重要來(lái)源。粉煤灰和爐渣作為混凝土摻合料，其細(xì)小顆粒能夠填充水泥間的微孔，增加混凝土的致密性，從而提高其強(qiáng)度和耐久性。同時(shí)，這些材料的堿活性有助于防止混凝土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，例如堿骨料反應(yīng)，延長(zhǎng)了構(gòu)件的使用壽命。隨著工業(yè)廢料的廣泛使用，綠色環(huán)?；炷脸蔀闇p少建筑業(yè)環(huán)境影響的一個(gè)重要手段，而且這種材料的使用在經(jīng)濟(jì)上也具有吸引力，因?yàn)樗鼈兺ǔ１葌鹘y(tǒng)材料成本更低。如此一來(lái)，不僅推進(jìn)了建筑材料的環(huán)保轉(zhuǎn)型，也為混凝土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了新的思路和方法[2]。

1.2.3 碳捕集與封存技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用

碳捕集與封存技術(shù)（CCS）在混凝土中的應(yīng)用正成為減緩全球氣候變化的一項(xiàng)重要技術(shù)。混凝土產(chǎn)業(yè)作為全球二氧化碳排放的主要源頭之一，通過(guò)集成CCS技術(shù)，可以在生產(chǎn)階段就大幅度減少溫室氣體排放。具體來(lái)說(shuō)，CCS技術(shù)通過(guò)捕獲水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳，并將其封存入地下或利用化學(xué)方法轉(zhuǎn)化，避免了這些氣體進(jìn)入大氣層。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅僅局限于減排，在一些先進(jìn)的實(shí)踐中，被捕獲的二氧化碳還可以用于生產(chǎn)碳酸鹽骨料，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二氧化碳的利用和循環(huán)。雖然CCS技術(shù)的初期投入較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，其對(duì)環(huán)境的積極影響和對(duì)傳統(tǒng)混凝土行業(yè)的革新作用不容忽視。隨著技術(shù)的成熟和成本的下降，CCS在混凝土中的應(yīng)用有望成為常規(guī)做法，在對(duì)抗氣候變化中扮演重要角色。

2 工藝創(chuàng)新在混凝土施工中的實(shí)施

2.1 3D打印混凝土技術(shù)

2.1.1 3D打印混凝土技術(shù)的演變與實(shí)施

3D打印混凝土技術(shù)作為一種顛覆性的建筑制造方法，其演變與實(shí)施標(biāo)志著建筑行業(yè)步入了一個(gè)全新的數(shù)字化時(shí)代。該技術(shù)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件創(chuàng)建模型，并通過(guò)分層累積材料的方式逐漸構(gòu)建出三維結(jié)構(gòu)，從而極大地?cái)U(kuò)展了建筑設(shè)計(jì)的邊界。設(shè)備和工藝流程的核心在于精確控制材料的輸出以及層與層之間的結(jié)合，這需要精細(xì)的打印頭運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和對(duì)混凝土材料性能的深刻理解。隨著技術(shù)的成熟，3D打印在施工中的應(yīng)用逐漸從小型組件制作擴(kuò)展到整體結(jié)構(gòu)建造。其對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件的制造尤為適用，能夠直接按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行生產(chǎn)，減少了模板的使用，降低了材料浪費(fèi)，并縮短了施工周期。

此外，3D打印技術(shù)在應(yīng)急住房、難以到達(dá)地區(qū)建筑施工以及個(gè)性化設(shè)計(jì)構(gòu)件的制作中展現(xiàn)了巨大的潛力，被視為未來(lái)建筑行業(yè)的重要發(fā)展方向。

2.1.2 設(shè)計(jì)自由度與材料優(yōu)化在3D打印混凝土中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)自由度與材料優(yōu)化在3D打印混凝土應(yīng)用中展現(xiàn)了技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)，即打破傳統(tǒng)施工方法的限制，提供了更高的構(gòu)造復(fù)雜性和材料利用率。這項(xiàng)技術(shù)使得設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)之前難以構(gòu)建的幾何形狀，包括曲線、空腔和獨(dú)特的表面紋理。通過(guò)精確的計(jì)算機(jī)控制，材料只被添加到結(jié)構(gòu)所需之處，極大減少了資源的浪費(fèi)。這種精細(xì)的材料布局不僅優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的承重效能，也減輕了結(jié)構(gòu)的重量，從而在材料經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)性能之間找到了一個(gè)平衡點(diǎn)。例如，通過(guò)算法優(yōu)化的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)材料在結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)分布，這種算法驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法有助于實(shí)現(xiàn)在滿足結(jié)構(gòu)功能的同時(shí)，優(yōu)化材料消耗和成本。因此，3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域中的應(yīng)用，不僅提升了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和施工的靈活性，也為可持續(xù)建筑實(shí)踐提供了新的可能性[3]。

2.1.3 3D打印混凝土施工的效率與成本效益分析

3D打印混凝土在施工的效率與成本效益方面呈現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)了建筑制造過(guò)程的自動(dòng)化和精細(xì)化革命。相比傳統(tǒng)施工技術(shù)，3D打印直接成型過(guò)程大幅縮短了從設(shè)計(jì)到施工的時(shí)間周期，因?yàn)樗軌蜻B續(xù)不斷地打印，不需要人工搭建模板和拆除支撐。這種無(wú)需中斷的建造方式大幅提升了施工速度，減少了人力需求，在一定程度上降低了勞動(dòng)力成本。在材料成本方面，3D打印的準(zhǔn)確性確保了材料的精確使用，減少了過(guò)量浪費(fèi)和修剪成本。盡管初期設(shè)備投資較高，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于施工速度的提升和材料成本的節(jié)約，3D打印混凝土的整體經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。

2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)管理與自動(dòng)化技術(shù)

2.2.1 數(shù)字化施工現(xiàn)場(chǎng)

數(shù)字化施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)信息技術(shù)整合施工管理與現(xiàn)場(chǎng)操作，構(gòu)建高效率的施工管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息流與材料流的同步高效運(yùn)轉(zhuǎn)。這一轉(zhuǎn)型的核心在于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集與分析，它依賴于從BIM（建筑信息模型）到IoT（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備的廣泛技術(shù)應(yīng)用。BIM為施工項(xiàng)目提供了三維數(shù)字表示，改善了計(jì)劃的準(zhǔn)確性，優(yōu)化了資源分配，并增強(qiáng)了各個(gè)階段的溝通協(xié)作。IoT設(shè)備如傳感器和無(wú)人機(jī)則在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境條件、工人行為和設(shè)備狀況。通過(guò)這些技術(shù)的融合，項(xiàng)目經(jīng)理能夠即時(shí)獲得關(guān)鍵性能指標(biāo)的反饋，確保施工進(jìn)度、成本和質(zhì)量控制符合預(yù)定目標(biāo)。此外，問(wèn)題預(yù)警系統(tǒng)能夠幫助施工團(tuán)隊(duì)預(yù)防潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)和施工錯(cuò)誤。綜上所述，數(shù)字化施工現(xiàn)場(chǎng)不僅僅是技術(shù)的簡(jiǎn)單堆砌，而是一個(gè)全面提升施工效率、質(zhì)量和安全性的綜合管理平臺(tái)。

2.2.2 機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化施工

隨著自動(dòng)化與機(jī)器人技術(shù)在混凝土施工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工程建設(shè)的效率和精度有了顯著提升，推動(dòng)了混凝土施工效率的新潮流。機(jī)器人的引入，特別是在混凝土澆筑、成型和養(yǎng)護(hù)等關(guān)鍵步驟中，表現(xiàn)出了卓越的一致性和精確性。自動(dòng)化設(shè)備在無(wú)需人工干預(yù)的情況下操作，減少了人為因素導(dǎo)致的誤差，同時(shí)機(jī)器人在執(zhí)行重復(fù)任務(wù)時(shí)的穩(wěn)定性超過(guò)了傳統(tǒng)手工方法。例如，自動(dòng)噴射混凝土機(jī)器人能夠在隧道建設(shè)中快速且均勻地涂覆混凝土層，而自動(dòng)平整機(jī)器人則確?；炷帘砻娴钠秸确蠘?biāo)準(zhǔn)。此外，自動(dòng)化技術(shù)還改善了勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作環(huán)境，減少了勞動(dòng)力需求，降低了人力成本。然而，機(jī)器人技術(shù)的集成需要充分考慮與現(xiàn)有施工流程的兼容性，以及操作人員的培訓(xùn)和適應(yīng)過(guò)程。因此，推廣機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化施工還需要考慮其對(duì)于建筑行業(yè)勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響，確保技術(shù)進(jìn)步與人才發(fā)展同步[4]。

2.2.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在混凝土施工中的應(yīng)用，深化混凝土施工規(guī)劃與監(jiān)控管理，為項(xiàng)目規(guī)劃、培訓(xùn)和監(jiān)控提供了全新視角。這些技術(shù)的深化應(yīng)用，特別是在施工前的規(guī)劃階段，使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能夠在動(dòng)工前精確預(yù)覽施工結(jié)果。AR技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)能夠疊加數(shù)字信息于物理環(huán)境，提供更為直觀的數(shù)據(jù)解讀和指導(dǎo)，輔助施工人員對(duì)施工細(xì)節(jié)的理解和執(zhí)行。VR技術(shù)則通過(guò)模擬環(huán)境為工程師和施工人員提供一個(gè)沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)的培訓(xùn)平臺(tái)，尤其在復(fù)雜或高危的施工操作中，這種模擬訓(xùn)練極大提升了施工安全性。在施工監(jiān)控方面，AR/VR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看施工現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)督工程進(jìn)展，并及時(shí)調(diào)整策略。通過(guò)虛擬干預(yù)，項(xiàng)目經(jīng)理可以在問(wèn)題發(fā)生前預(yù)防或準(zhǔn)備解決方案，從而避免成本和時(shí)間的過(guò)度消耗。不可忽視的是，雖然AR/VR技術(shù)為施工帶來(lái)了前所未有的便利，其應(yīng)用仍然面臨著技術(shù)普及、設(shè)備成本和用戶適應(yīng)性等挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土施工領(lǐng)域的新材料與工藝創(chuàng)新為建筑行業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。從UHPC的出色性能到SCC的自壓實(shí)特點(diǎn)，再到輕質(zhì)混凝土的結(jié)構(gòu)重量?jī)?yōu)化，每一項(xiàng)創(chuàng)新都在提高結(jié)構(gòu)的性能和延長(zhǎng)其使用壽命。智能混凝土和綠色環(huán)?；炷恋难芯颗c應(yīng)用，以及CCS技術(shù)的整合，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)性目標(biāo)提供了實(shí)際的解決方案。另一方面，如3D打印、施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化管理和自動(dòng)化，以及AR/VR的應(yīng)用，不僅提高了施工效率和質(zhì)量，還為工程設(shè)計(jì)和監(jiān)理工作提供了新的工具。在未來(lái)，這些新材料與技術(shù)創(chuàng)新的廣泛應(yīng)用，將進(jìn)一步促進(jìn)施工過(guò)程的智能化、綠色化，推動(dòng)建筑行業(yè)向更高水平的發(fā)展。

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[作者簡(jiǎn)介]唐釗（1987—），男，河北灤南人，本科，助理工程師，研究方向：建筑工程、市政基建工程。