綠色高性能混凝土的技術(shù)支持

摘要：結(jié)合綠色高性能混凝土的特征，從水泥性能及生產(chǎn)過程、廢渣應(yīng)用技術(shù)、高性能混凝土生產(chǎn)、可完全循環(huán)利用混凝土的生產(chǎn)等角度，論述了在我國(guó)發(fā)展綠色高性能混凝土必須的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：綠色高性能混凝土；水泥；廢渣；完全循環(huán)混凝土；技術(shù)支持

1 綠色高性能混凝土的意義

    綠色高性能混凝土( Green High Performance Concrete ，簡(jiǎn)稱GHPC) 的概念是在強(qiáng)調(diào)高性能混凝土(High Performance Concrete ，簡(jiǎn)稱HPC) 的環(huán)境親和性的基礎(chǔ)上提出的。綠色高性能混凝土更進(jìn)一步把傳統(tǒng)混凝土設(shè)計(jì)和制備的每一個(gè)環(huán)節(jié)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略結(jié)合起來，以加強(qiáng)人們對(duì)綠色的重視，加強(qiáng)綠色意識(shí)，要求混凝土工作者更自覺地從每個(gè)環(huán)節(jié)入手提高HPC 的綠色含量，或加大其綠色度，更嚴(yán)格、更有計(jì)劃地利用資源和能源，加大對(duì)工業(yè)廢棄物和城市廢棄物的有效利用，提高HPC性能以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，將對(duì)環(huán)境的破壞減小到最低，使其更具有生態(tài)合理性。

2 綠色高性能混凝土的技術(shù)支持

    綠色高性能混凝土是未來混凝土工業(yè)的發(fā)展方向，它在我國(guó)的推廣應(yīng)用，需要建立在一定的技術(shù)基礎(chǔ)之上。這涉及到水泥、化工、機(jī)械等行業(yè)，需要相關(guān)行業(yè)的共同努力。

2. 1 大力發(fā)展以先進(jìn)生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)的高強(qiáng)度水泥

    提高水泥質(zhì)量是發(fā)展綠色高性能混凝土的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一。筆者認(rèn)為應(yīng)從重點(diǎn)支持發(fā)展先進(jìn)的煅燒工藝技術(shù)、支持設(shè)備大型化及加快水泥生產(chǎn)、控制新技術(shù)的推廣應(yīng)用等方面著手。

2. 2 加大低鈣水泥等水泥新品種的研究

    反應(yīng)機(jī)理表明，混凝土的耐久性與其堿性的強(qiáng)弱有明顯的關(guān)系，堿性高時(shí)，耐久性較差。而混凝土的堿性強(qiáng)弱和水泥中氧化鈣含量密切相關(guān)，低鈣水泥具有較好的耐久性。要大力開發(fā)低鈣水泥和其它品種水泥，以提高混凝土的耐久性。

2. 3 加大對(duì)超細(xì)水泥的研究

    通常所說的超細(xì)水泥，一般指的是勃氏比表面積為500～1000m²/kg的水泥，平均粒徑5μm左右。對(duì)普通水泥進(jìn)行超細(xì)粉磨，不僅可提高水泥強(qiáng)度，還使其具有優(yōu)良的水泥漿噴灌性能，可用于特殊工程的澆注和堵塞滲漏、噴涂等，這是一般水泥無法實(shí)現(xiàn)的。通過普通水泥的超細(xì)化，擴(kuò)大了水泥應(yīng)用范圍。

2. 4 走綠色水泥生產(chǎn)之路

    (1) 進(jìn)一步開拓原材料資源，保護(hù)不可再生的珍貴的礦產(chǎn)資源。

    (2) 采取一切措施，盡可能地節(jié)約生產(chǎn)中的能耗。

    (3) 加大對(duì)排放廢棄物的循環(huán)利用力度。

    (4) 更嚴(yán)格地限制粉塵和有害氣體的排放。

    (5) 大力推廣散裝水泥。

2. 5 擴(kuò)大廢渣和天然礦物材料的應(yīng)用

    具有潛在水硬性的工業(yè)廢渣和天然礦物在綠色高性能混凝土中的應(yīng)用，具有十分廣闊的前景，然而，必須以極大地提高其比表面積為前提。高細(xì)摻合料的加入，使普通混凝土的結(jié)構(gòu)更加致密，導(dǎo)致其性能有較大的變化:降低水泥反應(yīng)溫度的峰值，減少混凝土因發(fā)熱引起的裂縫；防止氯化物對(duì)混凝土的侵蝕，減少混凝土的空隙率；防止硫酸鹽的侵蝕；提高混凝土的后期強(qiáng)度；使水泥砂漿有較好的流動(dòng)度；可應(yīng)用于海水或地下工程。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須有如下技術(shù)支持:

2. 5. 1 高細(xì)粉磨技術(shù)

    研究證明，應(yīng)用于綠色高性能混凝土中的礦渣、粉煤灰等摻和料，比表面積必須在4000cm²/g 以上(最好為6000～8000 cm²/g) 。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看，工業(yè)廢渣和天然礦物在綠色高性能混凝土中的應(yīng)用都存在一個(gè)超細(xì)粉磨問題。由于細(xì)度不能達(dá)到一定的指標(biāo)，使得工業(yè)廢渣和天然礦物材料的潛在水硬性得不到充分的激發(fā)和發(fā)揮，阻礙了綠色高性能混凝土的發(fā)展。目前國(guó)外已經(jīng)成功開發(fā)出高效粉磨系統(tǒng)，例如德國(guó)生產(chǎn)礦渣波特蘭水泥，采用熟料和礦渣分別磨細(xì)技術(shù)，礦渣用輥壓磨終粉磨，熟料和石膏配比后用輥壓磨與球磨磨細(xì)，再以一定比例混合成為礦渣波特蘭水泥。輥壓磨產(chǎn)品比表面積可達(dá)5145cm²/g ，電耗比球磨機(jī)節(jié)省50%。

    我國(guó)目前大多是用球磨機(jī)對(duì)礦渣、粉煤灰等摻和料進(jìn)行粉磨，比表面積一般為4000 cm²/g 以下，達(dá)不到綠色高性能混凝土的要求，而且成本較高，效率較低。必須應(yīng)用先進(jìn)的粉磨工藝技術(shù)及設(shè)備，例如超細(xì)磨技術(shù)、輥壓磨技術(shù)、分級(jí)粉磨技術(shù)或者混合粉磨技術(shù)，制備合格的摻和料，提高綠色高性能混凝土的綠色度，為波特蘭水泥成為可持續(xù)發(fā)展材料開辟一條新路。

2. 5. 2 先進(jìn)的活性激發(fā)技術(shù)

    由于在混凝土中大量摻加工業(yè)廢渣和天然礦物材料，不可避免地給混凝土帶來負(fù)效應(yīng)，如早期強(qiáng)度偏低、收縮性、施工性等問題。因而，必須研究適合于高摻量活性混合材的綠色高性能混凝土的活性激發(fā)劑，通過超細(xì)粉活性混合材、高效活性激發(fā)劑、水泥礦物成分等的超疊加作用，彌補(bǔ)負(fù)效應(yīng)，保證綠色高性能混凝土的高性能。

    加強(qiáng)對(duì)造紙廢漿液提取有效激發(fā)成分的應(yīng)用研究，開發(fā)以造紙企業(yè)排放的廢液為主要原材料的各種外加劑，減少對(duì)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)和人類健康造成的危害。

2. 6 綠色高性能混凝土生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)化和性能的提高

2. 6. 1 嚴(yán)格原材料管理，使用優(yōu)質(zhì)原材料

    綠色高性能混凝土對(duì)原材料的選擇和使用要求非常嚴(yán)格，必須使用優(yōu)質(zhì)水泥、質(zhì)量和粒度合格的骨料和摻和料、飲用水以及優(yōu)質(zhì)添加劑。

2. 6. 2 配比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)化

    綠色高性能混凝土配比設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性的前提下，樹立可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，充分考慮綠色、節(jié)能。使用先進(jìn)和科學(xué)的配比方法和軟件，以保證配比的先進(jìn)性、合理性、精確性和可行性。采用先進(jìn)的計(jì)量方法和設(shè)備，保證計(jì)量精度。采用先進(jìn)的管理方法、操作和監(jiān)理制度，保證配比準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。

2. 6. 3 設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)、施工各環(huán)節(jié)密切配合

    綠色高性能混凝土與常規(guī)混凝土相比，各方面要求都比較高，試驗(yàn)工作必須面向生產(chǎn)與施工，必須隨時(shí)根據(jù)工程要求和生產(chǎn)施工的情況進(jìn)行必要的調(diào)整。其施工和養(yǎng)護(hù)與普通混凝土差別很大，特別是養(yǎng)護(hù)工作對(duì)環(huán)境溫度和濕度的變化很敏感，為控制其塑性裂縫及減少自身收縮，必須從混凝土入模就開始加水養(yǎng)護(hù)，并視情況不同，采取噴霧、注水、薄膜覆蓋等措施。

2. 6. 4 增加品種，改進(jìn)性能，實(shí)現(xiàn)混凝土的功能化和生態(tài)化

    綠色高性能混凝土是未來混凝土行業(yè)的發(fā)展方向，為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，對(duì)其本身性能的改進(jìn)十分重要。必須加大對(duì)綠色高性能混凝土品種、功能多樣化，生態(tài)相容化的研究和開發(fā)工作，大力提高綠色高性能混凝土的高科技含量。比如開發(fā)超高強(qiáng)混凝土、輕質(zhì)混凝土、自密實(shí)混凝土、智能混凝土、彩色混凝土等。

2. 6. 5 加大再生混凝土的應(yīng)用研究工作

    在建筑垃圾中，有大約34 %是廢混凝土塊。為了減輕污染，要花費(fèi)用把它們運(yùn)到郊外。另一方面，在重建新建筑物時(shí)，又要從數(shù)十公里甚至幾百公里以外運(yùn)來骨料，運(yùn)輸費(fèi)用高，大大增加了混凝土的成本。如果將這些廢混凝土回收利用，加工成混凝土骨料，應(yīng)用于新建筑物的重建上，則能降低混凝土成本，節(jié)約資源、能源，保護(hù)環(huán)境。高等級(jí)公路混凝土路面的修復(fù)，要拋棄大量的廢混凝土，這些廢混凝土不含鋼筋，雜質(zhì)少，很適合就地加工成混凝土骨料，全部或部分代替天然砂石料，拌制混凝土重新用到路面建設(shè)。

    試驗(yàn)結(jié)果，再生混凝土拌合物粘聚性和保水性好，但流動(dòng)性變小。通過使用減水劑，完全可以提高其流動(dòng)性，滿足施工要求。要進(jìn)一步研究開發(fā)強(qiáng)度大于C40的再生混凝土。同時(shí)，再生混凝土自重小、脆性低、抗裂、保溫隔熱性能好，適合構(gòu)件廠生產(chǎn)墻體材料和預(yù)制構(gòu)件。目前的方法是通過粉碎或細(xì)磨，提高再生混凝土的應(yīng)用價(jià)值。通過一系列激活作用，可發(fā)揮廢舊混凝土中水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣等水化產(chǎn)物的晶體誘導(dǎo)作用，加快混凝土的凝結(jié)和強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)程。

2. 7 可完全循環(huán)利用混凝土的研究和生產(chǎn)

    通過集料或外摻料的選擇，使混凝土具有與水泥生料基本相同的化學(xué)組分，我們稱之為可完全循環(huán)利用混凝土。這種混凝土不需或只需很少外摻校正原料，即可作為煅燒水泥熟料的生料來使用，基本上實(shí)現(xiàn)了“水泥—混凝土”的完全閉路循環(huán)?？赏耆h(huán)混凝土循環(huán)利用流程如圖1 所示。

    研究表明，運(yùn)用循環(huán)混凝土設(shè)計(jì)思想，采用合適的配合比和適當(dāng)工藝，可基本實(shí)現(xiàn)完全可循環(huán)混凝土和回收水泥的完全閉合循環(huán)。對(duì)混凝土和水泥進(jìn)行的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表明：完全可循環(huán)混凝土和回收水泥的強(qiáng)度等性能可完全滿足建筑要求。完全循環(huán)混凝土的環(huán)境性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

2. 8 加強(qiáng)綠色高性能混凝土的研究

    在發(fā)展綠色高性能混凝土的過程中，必須堅(jiān)持科研先行的原則，必須加強(qiáng)科研工作，包括基礎(chǔ)性研究與應(yīng)用技術(shù)研究。

2. 8. 1 加強(qiáng)對(duì)高強(qiáng)混凝土收縮性能和裂縫控制的研究

    綠色因素的引入必然會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)品性能的差異，HPC 的低水膠比和摻加大量活性細(xì)摻和料與高效外加劑，尤其是后兩者的復(fù)合作用，與傳統(tǒng)的常規(guī)混凝土(包括摻混合材的混凝土) 有著本質(zhì)的區(qū)別。綠色高性能混凝土的收縮性能和高強(qiáng)下的裂縫控制研究，應(yīng)當(dāng)放在重要的地位。

2. 8. 2 加強(qiáng)對(duì)高強(qiáng)混凝土脆性和徐變的研究

    高強(qiáng)混凝土的脆性隨強(qiáng)度的提高而愈加嚴(yán)重，所以在混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，必須把主要受力截面上的抗壓區(qū)的高強(qiáng)混凝土設(shè)計(jì)成約束混凝土。高強(qiáng)混凝土在局部壓力下還易出現(xiàn)劈裂傾向，對(duì)這些部位也必須采取牢固的約束構(gòu)造措施。對(duì)綠色高性能混凝土中鋼筋的應(yīng)用也應(yīng)當(dāng)采用較高強(qiáng)度的鋼材品種、較細(xì)的直徑和復(fù)合箍的形式。另外，對(duì)高強(qiáng)混凝土脆性的緩解和徐變的研究也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)。

2. 8. 3 加大綠色高能混凝土的亞微觀與微觀結(jié)構(gòu)的研究

    大量微細(xì)粉摻和料與高效外加劑的共同作用，使其水化產(chǎn)物種類和比例、多相共存體系和強(qiáng)度構(gòu)成體系，與常規(guī)混凝土有很大差異，應(yīng)當(dāng)通過亞微觀和微觀研究進(jìn)行探索。

2. 8. 4 加強(qiáng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和檢驗(yàn)方法的研究

    綠色高性能混凝土的力學(xué)性能、耐久性等性能的檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，不同于普通混凝土。由于大量摻和料的加入，它們對(duì)綠色高性能混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要在后期，如果仍然采用普通混凝土的質(zhì)量控制方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，即以28d抗壓強(qiáng)度來衡量綠色高性能混凝土的質(zhì)量，則不符合實(shí)際情況，勢(shì)必造成強(qiáng)度和材料的浪費(fèi)，也影響GHPC 生產(chǎn)者的積極性，使GHPC推廣工作阻力加大。另外，綠色高性能混凝土要求混凝土有較高的耐久性，但混凝土質(zhì)量評(píng)定的傳統(tǒng)的和現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)只考慮強(qiáng)度，而對(duì)耐久性的指標(biāo)一般不予考慮，希望在有關(guān)綠色高性能混凝土的新標(biāo)準(zhǔn)中，能夠增加耐久性的考核指標(biāo)?？傊?，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)此的研究和制定工作，建立科學(xué)、系統(tǒng)、完善的綠色高性能混凝土的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法。

3 結(jié)語

    (1) 綠色高性能混凝土采用優(yōu)質(zhì)水泥、飲用水、優(yōu)質(zhì)骨料、大摻量超細(xì)磨工業(yè)廢渣或天然礦物、高效激發(fā)劑和超塑化劑，通過先進(jìn)配比設(shè)計(jì)和計(jì)算、先進(jìn)的制造工藝和嚴(yán)格的施工而成，具有高強(qiáng)度、良好耐久性及環(huán)境相容性等優(yōu)點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

    (2) 發(fā)展綠色高性能混凝土，需要以下諸多技術(shù)基礎(chǔ)：①推廣先進(jìn)的水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)，大力發(fā)展高標(biāo)號(hào)水泥； ②水泥工業(yè)應(yīng)有序開采礦產(chǎn)和節(jié)約能源，重視環(huán)境保護(hù)，擴(kuò)大工業(yè)廢渣或城市垃圾利用等，走綠色水泥生產(chǎn)之路； ③大力研究推廣混凝土摻和料、高細(xì)粉磨技術(shù)和先進(jìn)的活性激發(fā)技術(shù)； ④綠色高性能混凝土設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)技術(shù)的完善和品種多樣化、生態(tài)化及各項(xiàng)性能的提高； ⑤廢棄混凝土的利用和完全循環(huán)利用混凝土的研究和生產(chǎn)； ⑥大力開展綠色高性能混凝土的科研工作，修改和完善有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。