高性能混凝土绿色混凝土

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 3 高性能混凝土 ———绿色混凝土 吴中伟 (中国院资深院士) 提要 :21 世纪水泥混凝土面临两大问题 : (1)可持续发展问题 ; (2)可知性问题。本文以前者为主并论述高性能混凝土技术的要 点。 表 2 依靠科技进步减少水泥年产量后 2010 年水泥工业的消耗与环境负荷 标煤 (万吨) 电 (亿度) 石灰石 (亿吨) 粉尘 (万吨) CO 2 (亿吨) NO X (万吨) SO 2 (万吨) 1800 350 2. 16 25 1. 44 40 25 (1900 年)低强混凝土 LC 普通混凝土 NC 高强混凝土 HSC 超高强混凝土 SHSC 高性能砼 HPC 超高性能砼 UHPC (1990 年) ( < 15MPa) ( > 15MPa) ( > 50MPa) ( > 100MPa) ( > 50MPa) (如活性细料砼 RPC , > 180～200MPa) 表 1 2010 年水泥工业预计的消耗与环境负荷 (8 亿吨水泥) 标煤 (万吨) 电 (亿度) 石灰石 (亿吨) 粉尘 (万吨) CO 2 (亿吨) NO X (万吨) SO 2 (万吨) 8400 835 717 800 5125 150 70 1 可持续发展是人类最迫切的问题 水泥混凝土作为最大宗人造材料 , 其资源、能源 与环境问题十分突出 , 必须及早解决 , 否则将成为不 可持续发展的材料。尤其在中国 ,人口众多 ,水泥混凝 土的需量特大 , 而资源并不丰裕 , 环境问题也十分突 出。为解决这些问题 , 混凝土的生产及施工技术必须 从原始落后的 , 以消耗大量资源、能源为代价的粗放 生产经营方式 ,向大量节约资源、能源 ,减轻地球环境 负荷及维护生态平衡的具有最新、最高技术水平的生 产经营方式发展。 21 中国必须走绿色混凝土道路 211 水泥必须优质 1997 年以来我国水泥年产量已达 5 亿吨 , 占世界 1/ 3。其中小水泥达 80 % , 以 1 吨熟料排放的 CO 2 估 算 , 水泥工业排放 CO 2 量占工业、交通等排放总量的 1/ 10～1/ 7 ,加上粉尘与有害气体 ,对环境是一大害。到 2010 年水泥原产量接近 8 亿吨 (占 1/ 2) , 按较合 理的情况估计 ,其消耗与环境负荷如表 1。 经过很大努力 , 特别依靠混凝土与水泥生产方面 的科技进步 ,有可能将水泥年产量压低到 312 亿吨 (熟 料 116～118 亿吨 , 利用工业废料、矿物 114～116 亿 吨) ,则消耗与环境负荷将有可能减少 ,如表 2。 效益之大 ,对我国以至全人类都有重大意义。即使 达到上述效益的 50 % , 亦是十分可观的 , 可见我们混 凝土工作者能够发挥多大的作用 ! 212 混凝土必须高性能化 ,也就是绿色化 要达到上述目标 , 必须发展高性能砼 , 以节省熟 料 ,多用细掺料 (工业废料为主) 和少用水泥 ,从而减少 水泥与集料的耗量。以 1 吨水泥需 4 吨集料计 ,8 亿吨 水泥需 32 亿吨砂石 , 除开采运输的能耗与费用惊人 外 , 对环境 (河流、景观、树木、粉尘等) 的破坏十分严 重。 如以 2010 年 312 亿吨水泥计 , 砂石用量为 16 亿 m 3 , 同时利用工业废料 116 亿吨 , 对节省能源资源 , 改 善环境 ,意义重大 ,这对我们混凝土工作者是大机遇也 是大挑战 ! 213 高性能混凝土 ( HPC) ———绿色混凝土 ( GC) HPC在 1990 年由美国正式提出 , 立即受到全世界 注意 ,被称为“21 世纪混凝土”。我国 1992 年开始重视 , 现已在大城市商品混凝土和重要建筑中较普遍采用 , 形势很好。 90 年代以前 , 混凝土的发展只重视其强度的提 高 ,其过程如下图 : 各国根据要求不同 , 对 HPC认识还不大统一 , 但 2000 年第 1 期 混 凝 土 与 水 泥 制 品 2000 No1 2 月 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS February 混凝土与混凝土施工 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 4 重视耐久性是大势所趋。其中 : (1) 美国 NIST(美国与技术研究院) 与 ACI (美国混凝土学会) 认为 HPC是用优质水泥、集料、水 和活性细掺料与高效外加剂制成的 , 同时具有优良耐 久性、工作性和强度的匀质混凝土。 (2)欧洲 重视强度与耐久性 ,常与高强混凝土并 提 ( HSC/ HPC) ,法国与加拿大正研究开发超高性能混 凝土 (UHPC) ,北欧则在开发高强半轻高性能混凝土。 (3)日本 更重视工作性与耐久性 ,认为有足够强 度即可。 综合各种观点 ,HPC可否用下列定义 : HPC是一种新型高技术混凝土 , 是在大幅度提高 常规混凝土性能的基础上 , 采用现代混凝土技术 , 选 用优质原料 , 在妥善的质量管理条件下所制成的 , 除 水泥、集料、水以外 ,必须采用低水胶比 ,掺加足够的细 掺料与高效外加剂。HPC应同时保证下列诸性能 : 耐 久性、工作性、各种力学性能、适用性、体积稳定性与经 济合理性。 214 绿色高性能混凝土 ( GHPC) 从以上所述可知 ,高性能混凝土具有下列特征 : (1)更多地节约熟料水泥 ,降低能耗与环境污染 ; (2)更多地掺加工业废料为主的细掺料 ; (3)更大地发挥混凝土的高性能优势 ,减少水泥与 混凝土的用量。 因此 ,它本身就可成为绿色混凝土。 为了扩大 GHPC的应用范围 , 应将欧美对 HPC强 度的低限 50MPa 降低到 C30 左右 , 原则是不损及混凝 土的内部结构如孔结构、水化物结构与界面结构等 , 以保证耐久性与体积稳定性。例如水胶比不低于 0140～0142 , 胶凝材料总量不少于 250～300kg/ m3 ; 根 据工程性质 , 确定强度指标。许多工程如大体积水工 建筑、基础等对强度要求不高 ,但对耐久性、工作性、体 积稳定性、低水化热等有很高要求 ,都应采用 HPC。例 如日本跨海明石大桥基墩混凝土 (50 万 m3) 要求高耐 久性、高抗冲刷性与低升温 , 而强度只要求 20MPa , 是 掺加了复合外加剂与复合细掺料的 HPC。 绿色的涵义可概括为 : (1)节约资源、能源 ; (2)不破坏环境 ,更应有利于环境 ; (3) 可持续发展 , 既要满足当代人的需求 , 又不危 害后代人满足其需要的能力。 混凝土能否长期作为最大宗的建筑结构材料 , 关 键在于能否成为绿色材料。GHPC 是混凝土的发展方 向 ,以后砼都应成为 GHPC ,亦即都将是绿色混凝土。 215 耐久性的认识 因过去几十年大量建筑物破坏以至倒坍 , 混凝土 耐久性已引起重大关注 , 这与长期强调强度忽视耐久 性有关。耐久性研究工作虽已进行了很久 ,但只考虑单 一因素与不结合现场引起了不少的错误。耐久性决定 了结构的安全使用期 (寿命) , 它与材料的可持续发展 关系密切。 混凝土究竟能耐多久 ? 砼是当代最耐久的建筑结构材料 , 迄今出现的过 早破坏 (1～50 年) , 甚至因砼材质劣化而造成的建筑 物崩溃 ,都是由于人的无知、无能或明知故犯所致。从 已掌握的资料看 , 优质均匀砼亦即 HPC可保证下列的 安全使用期限 (以砼材质变化为主因) : (1) 重要建筑物在不利环境中 100 年 (如英国海 港、油田平台 ;日本明石大桥) (2)正常环境中 200 年 (3)特殊用途 300 年 (如法国核废料贮罐) 钢筋混凝土预期可能 500 年 (日本正研究中 ,预 期完全可能达到) 现行标准中一级建筑只 50 年 ,完全与 HPC的能力 不符 ,必须改变。至于超高性能混凝土 ,只能看作是远 景目标或发展限度。虽然法国、加拿大等已提出几种产 品 ,其中活性细粒混凝土 ( RPC200) 已建成人行桥 , 并 制得 RPC - 800。但因成本高 ,只适用特殊环境。采用它 可减少混凝土量 1/ 2～2/ 3 ,混凝土耐久性、抗冲性、耐 蚀性等提高若干倍 , 能对建筑设计与施工提出一个美 好的远景 ,将有可能使结构物的功能与面貌发生改观 , 表明材料革命将引起土建工程的革命。 3 绿色混凝土存在的问题 如前所述 , 由于人的无知、无能或明知故犯 , 曾经 造成许多重要混凝土工程结构的损坏或崩溃。但是 ,只 要我们能认真遵循辩证唯物主义认识论的正确规律 , 通过不断的试验研究及从客观实践中不断总结经验和 教训 , 就能逐步认识混凝土客观存在的各类性质及与 此有关的内部客观规律 , 从而不断提高混凝土科学技 术水平 , 使混凝土真正成为一种性能优异的可持续发 展的建筑材料。 311 造价问题 HPC 因所用原材料价格与生产管理水平的提高 , 混凝土造价将提高 50 %左右。 HPC对原材料要求 : ①水泥 425 #以上 ( ISO法 ,相 当于当前国内未改标准的 525 # ) ; ②集料 坚实洁净 , 最大粒径 < 25mm; ③超细掺料 矿渣 , 细度 4000cm2/ g 以上 ,或Ⅰ级粉煤灰 (至少Ⅱ级) ; ④超塑化剂等优质外 2000 年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 111 期 混凝土与混凝土施工 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 5 吉吉 加剂。由于产量及市场原因 , 细掺料与外加剂是增加 成本的主因 ,将来产量大 ,粉磨技术改进 ,细掺料价格 可能比水泥低 50 % ,则 HPC成本将增加不多。 外国开始推广 HPC时 ,有“高造价换来高性能”的 议论 ,现在综合考虑了多种优点 ,其观点已改变为“优 质工程必需要高性能”。混凝土在整个工程费用中占 的比重本来很小 ,考虑到工程质量 ,施工方便 ,耐久性 等 , HPC略增加成本 ,还是值得的 ,这一观点在我国还 需强调。又如采用复合细掺料与复合外加剂 , 对降低 成本提高性能有明显作用 (称作超叠加作用) , 应尽可 能采用。 312 早期开裂问题 混凝土收缩是引起开裂的主因 , 除降温引起收缩 (冷缩) 外 , 蒸发失去水分引起的干缩和水化失水引起 的自收缩是钢筋混凝土开裂的最常见的原因。HPC由 于水胶比远低于常规混凝土 , 又加入大量细掺料与超 塑化剂 , 据法国研究 : 以水胶比为 0148 的常规混凝土 (49MPa) 代号 BO与水胶比为 0126 的 HPC(10 %硅灰 , 118 %萘系超塑化剂 , 115MPa) 代号 BH对比 ,由于水化 失水引起的自身收缩率 , BH大于 BO很多 , 测得试体 内部相对湿度 ( %) 降低为 : BH 3 个月降低到 75 % , 6 个月到 72 % ,1 年到 69 % ,减量达 31 % ,而BO 6 个月降 到 95 % ,只减少 5 % , 1 年为 94 % ,减少 6 % ;但干缩率 BH却低于 BO 很多 , 主要由于 HPC 比 NC(普通混凝 土) 密实性与抗渗性高得多 , 因此 6 个月的总收缩率 HPC比 NC低 ,当掺加优质粉煤灰时更低。HPC水胶比 低 , 水化引起的很大的早期自身收缩会带来混凝土早 期开裂问题 , 所以 HPC必须加强早期养护 , 将来有可 能用含水多孔细集料或细掺料来补给水化用水的设 想 ,还待进一步研究。 清华大学安明 博士对 HPC 的自收缩进行了较 系统的研究 , 根据水胶比对毛细孔自由水含量、毛细 孔隙率与孔分布、弹性模量与徐变系数等的作用 , 提 出 : (1)自收缩主要发生在 3 天内 ,随龄期而减缓。 (2) 自收缩随水胶比减小而增大 ,尤以初凝到 1 天 差异最明显 , 1 天到 28 天基本相同 , 即水胶比愈小 , 1 天内自收缩愈大。 为了抑制自收缩 ,他提出 : (1) 必须重视早期养护 , 初凝后立即供水 , 采用内 衬塑料绒钢模或透水模板 ; (2) 用饱水轻质多孔集料或多孔活性细掺料进行 “自养护”; (3)粉煤灰掺量为 10～30 % ; (4) 掺入膨胀剂 , 尤其是选 用可控制膨胀速度的 膨胀剂 ; (5)掺入保水外加剂。 以上措施 ,还必须在现场实践验证 ,找出更好的易 于推广的。现在墙板早期裂缝较普遍 ,这是因为早 期养护不易作好 ; 对于水平成型的构件、制品 , 应尽早 喷水复覆和尽早洒水或蓄水来提前养护。 313 HPC的配合比设计问题 可采用与常规混凝土相同的绝对体积———试拌调 整的方法 ,在确定各种组成的配比后 ,通过试验证明能 满足性能要求。HPC由于原材料种类多和性能要求高 , 配合比设计难度应大于常规混凝土。各国学者采用不 同的方法 ,其方向是计算机专家系统。 与常规混凝土相比 , HPC配合比设计的几个参数 变幅较小 , 如水胶比小于 014～0142 , 石子最大粒径小 于 25mm(更高强度小于 20 甚至 15mm) , 砂细度模数 FM= 216～310 , 水泥标号大于 425( ISO法) , 因此也能 使配合比设计得到简化。 美国学者梅塔等根据经验 , 设定 HPC中水泥浆与 集料的体积比为 35 :65 ,并对不同强度设定用水量 ,使 选定开始试配的配合比大为简化。再不断调整配比 ,求 得最终配合比。 日本学者则有最高用水量的设定 : 试配强度 50～ 60MPa ,为 165～175 升/ m3 ;75MPa 为 150 升/ m3 ,以后强 度每增 15MPa ,水量减少 10 升/ m3。 早在 50 年代初 , 作者为了推广混凝土重量配合 比 ,曾研究混凝土配合比简易设计法 (中国土木工程学 报 1955 ,2 卷 4 期) ,在 HPC配合比设计中也能应用 (北 京市建材研究院作了验证补充) , 大大简化了 HPC 的 配合比设计。步骤为 : (1)确定工程要求的性能指标 ,选定各种原材料。 (2) 根据耐久性与强度要求 , 选定水胶比范围 ( < 014～0142) ,一般由耐久性要求确定。 (3) 选用下列初始配合比作为基准 (也可用更接近 工程要求的初始配合比) : 水胶比 014 , 坍落度 18～ 20cm ,强度 50MPa。 (4) 求测砂石混合空隙率α , 选用最低值或较低 值。 可从砂率 38～40 %开始 , 砂石拌匀分三次装入 15 升钢筒中 ,各捣 30 次 (或振动) ,括平筒面 ,称重 ,换算 成 1m3 重。砂、石子平均视密度可用 2165(或用水置换 法测定 ) 。改变砂率 , 求得最小混合 空 隙 率 α= 视密度 - 容重视密度 ,常在 20～22 %之间。 吴中伟 高性能混凝土 ———绿色混凝土 混凝土与混凝土施工 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 6 展望 21 世纪混凝土科学技术 蒋家奋 曹永康 (苏州混凝土水泥制品研究院 215004) (中国建筑材料科学研究院) 提要 : 本文从提高混凝土性能、扩大工程应用领域、改进生产工艺、提高质量控制水平及加强学科研究等方面对 21 世纪混凝 土科学发展的前景作出了展望 ,对发展的某些方向及具体目标提出了一些设想及建议 ,供大家讨论参考。 (5)设胶凝材浆量 = 最小混合空隙率α+ 富余值 富余值决定于原材料与工作性要求 , 如坍落度为 18～20cm ,此值常在 9～10 %。 例如α= 20 ,则胶凝材浆体积率为 20 + 9 = 29( %) 到 20 + 10 = 30( %) ,比美国学者 35 %为经济。 (6)求算各试配组分的重量 设细掺料矿渣 : 水泥 = 30 : 70 , 水泥密度 3115g/ cm 3 ,矿渣密度 215g/ cm3 ,水胶比 014 ,则 : 1 升 胶 凝 材 浆 体 中 胶 凝 材 重 量 为 1 0 . 3 2 . 5 + 0 . 7 3 . 15 + 0 . 4 1 = 1. 35(kg) , 1m3 HPC 中胶凝材重 量为 290 ×1135 = 39115(kg) (因加有富余量 ,混凝土体 积将超过 1m3 ,测得试拌容重后应校正) 则水泥配量 :39115 ×0. 7 = 274(kg) 矿渣 :39115 ×0. 3 = 11715(kg) 水 : :39115 ×0. 4 = 15616(kg)集料量 : (1000 - 290) ×2165 = 1882(kg)砂 :1882 ×40 % = 75218(kg)石子 :1882 ×60 % = 112912(kg)(7) 利用最小空隙率的砂石混合料 , 加上水泥、矿渣、水 (折算 15 升的配量 ,即以上各值乘 115 %)和预定的外加剂试拌 , 测定坍落度与观察工作性外观 , 如不合 , 可调整富余量与外加剂量 , 也可适当改变砂率 , 使混合空隙率略增。在符合要求后 ,再装入钢筒 ,测定混凝土容重和多余混凝土重 ,校正 1m3 配量。(8) 以初始配合比作基础 , 进行多次试拌调整 , 求得符合要求的经济合理的配合比。从上可知 , HPC与常规混凝土比 , 要求虽提高很多 ,但并不“神秘”,我们一定能够掌握好 ,我国必须走在世界前列 ! 0 前言 在 20 世纪 70 年代以后的二、三十年 ,世界各国和 我国的混凝土科学技术有了十分显著的发展 , 从混凝 土外加剂的广泛应用到工业废渣作为磨细掺合料的 开发应用 , 使混凝土技术向高强化、高性能化大大地 迈进了一步。混凝土的抗压强度已远远超过了水泥 ; 混凝土的工作性已完全能满足泵送工艺的要求而且 其流动性还可以满足不需振捣而自流平、自密实 ; 混 凝土的耐久性与体积稳定性也得到了很大的提高和 改善。这些技术成就为 21 世纪混凝土科学技术的进一 步发展奠定了十分良好的基础。 正是由于这些混凝土技术进步 , 一些国外学者预 言 , 在未来的 100～200 年内 , 混凝土将一直是最主要 的建筑材料 , 而且在工程上的应用领域也将不断扩 大。根据所见国外资料 , 并结合我国国情 , 进入 21 世 纪 , 混凝土科学技术应在进一步提高并改善混凝土性 能、扩大工程应用领域 ,改进生产工艺、提高质量控制、 加强学科理研究等方面开展深入细致的工作。 1 提高并改善混凝土性能 111 高强化 混凝土高强化的重要意义在于减轻工程建筑的自 重。目前 ,在我国的一些大城市中 ,预拌混凝土工厂已 比较成熟地掌握了 C50～C60 混凝土的配制与泵送技 术 ,进入 21 世纪应提高到 C80～C100。而 C50～C60 应 在全国大面积普及推广。 在配制高强混凝土的研究中 , 应致力于提高混凝 土的延性、抗裂性与抗拉强度。 112 高性能化 (上接第 5 页) 2000 年第 1 期 混 凝 土 与 水 泥 制 品 2000 No1 2 月 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS February 混凝土与混凝土施工