綠色高性能混凝土的技術支持

摘要：結合綠色高性能混凝土的特征，從水泥性能及生產(chǎn)過程、廢渣應用技術、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，論述了在我國發(fā)展綠色高性能混凝土必須的技術支持。

關鍵詞：綠色高性能混凝土；水泥；廢渣；完全循環(huán)混凝土；技術支持

1 綠色高性能混凝土的意義

    綠色高性能混凝土( Green High Performance Concrete ，簡稱GHPC) 的概念是在強調(diào)高性能混凝土(High Performance Concrete ，簡稱HPC) 的環(huán)境親和性的基礎上提出的。綠色高性能混凝土更進一步把傳統(tǒng)混凝土設計和制備的每一個環(huán)節(jié)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略結合起來，以加強人們對綠色的重視，加強綠色意識，要求混凝土工作者更自覺地從每個環(huán)節(jié)入手提高HPC 的綠色含量，或加大其綠色度，更嚴格、更有計劃地利用資源和能源，加大對工業(yè)廢棄物和城市廢棄物的有效利用，提高HPC性能以擴大其應用范圍，將對環(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，它在我國的推廣應用，需要建立在一定的技術基礎之上。這涉及到水泥、化工、機械等行業(yè)，需要相關行業(yè)的共同努力。

2. 1 大力發(fā)展以先進生產(chǎn)工藝為基礎的高強度水泥

    提高水泥質(zhì)量是發(fā)展綠色高性能混凝土的重要技術基礎之一。筆者認為應從重點支持發(fā)展先進的煅燒工藝技術、支持設備大型化及加快水泥生產(chǎn)、控制新技術的推廣應用等方面著手。

2. 2 加大低鈣水泥等水泥新品種的研究

    反應機理表明，混凝土的耐久性與其堿性的強弱有明顯的關系，堿性高時，耐久性較差。而混凝土的堿性強弱和水泥中氧化鈣含量密切相關，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 加大對超細水泥的研究

    通常所說的超細水泥，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。對普通水泥進行超細粉磨，不僅可提高水泥強度，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現(xiàn)的。通過普通水泥的超細化，擴大了水泥應用范圍。

2. 4 走綠色水泥生產(chǎn)之路

    (1) 進一步開拓原材料資源，保護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) 加大對排放廢棄物的循環(huán)利用力度。

    (4) 更嚴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 擴大廢渣和天然礦物材料的應用

    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。高細摻合料的加入，使普通混凝土的結構更加致密，導致其性能有較大的變化:降低水泥反應溫度的峰值，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度；使水泥砂漿有較好的流動度；可應用于海水或地下工程。為實現(xiàn)上述目標，必須有如下技術支持:

2. 5. 1 高細粉磨技術

    研究證明，應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) 。從長遠的觀點看，工業(yè)廢渣和天然礦物在綠色高性能混凝土中的應用都存在一個超細粉磨問題。由于細度不能達到一定的指標，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。目前國外已經(jīng)成功開發(fā)出高效粉磨系統(tǒng)，例如德國生產(chǎn)礦渣波特蘭水泥，采用熟料和礦渣分別磨細技術，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，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5145cm²/g ，電耗比球磨機節(jié)省50%。

    我國目前大多是用球磨機對礦渣、粉煤灰等摻和料進行粉磨，比表面積一般為4000 cm²/g 以下，達不到綠色高性能混凝土的要求，而且成本較高，效率較低。必須應用先進的粉磨工藝技術及設備，例如超細磨技術、輥壓磨技術、分級粉磨技術或者混合粉磨技術，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 先進的活性激發(fā)技術

    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效應，如早期強度偏低、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，彌補負效應，保證綠色高性能混凝土的高性能。

    加強對造紙廢漿液提取有效激發(fā)成分的應用研究，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)技術優(yōu)化和性能的提高

2. 6. 1 嚴格原材料管理，使用優(yōu)質(zhì)原材料

    綠色高性能混凝土對原材料的選擇和使用要求非常嚴格，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 配比設計和生產(chǎn)管理計算機化

    綠色高性能混凝土配比設計應當在保證結構強度和耐久性的前提下，樹立可持續(xù)發(fā)展意識，充分考慮綠色、節(jié)能。使用先進和科學的配比方法和軟件，以保證配比的先進性、合理性、精確性和可行性。采用先進的計量方法和設備，保證計量精度。采用先進的管理方法、操作和監(jiān)理制度，保證配比準確實現(xiàn)。

2. 6. 3 設計、試驗、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，試驗工作必須面向生產(chǎn)與施工，必須隨時根據(jù)工程要求和生產(chǎn)施工的情況進行必要的調(diào)整。其施工和養(yǎng)護與普通混凝土差別很大，特別是養(yǎng)護工作對環(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，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，改進性能，實現(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，為了擴大其應用范圍，對其本身性能的改進十分重要。必須加大對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)超高強混凝土、輕質(zhì)混凝土、自密實混凝土、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，要花費用把它們運到郊外。另一方面，在重建新建筑物時，又要從數(shù)十公里甚至幾百公里以外運來骨料，運輸費用高，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，保護環(huán)境。高等級公路混凝土路面的修復，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。

    試驗結果，再生混凝土拌合物粘聚性和保水性好，但流動性變小。通過使用減水劑，完全可以提高其流動性，滿足施工要求。要進一步研究開發(fā)強度大于C40的再生混凝土。同時，再生混凝土自重小、脆性低、抗裂、保溫隔熱性能好，適合構件廠生產(chǎn)墻體材料和預制構件。目前的方法是通過粉碎或細磨，提高再生混凝土的應用價值。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)物的晶體誘導作用，加快混凝土的凝結和強度發(fā)展進程。

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，運用循環(huán)混凝土設計思想，采用合適的配合比和適當工藝，可基本實現(xiàn)完全可循環(huán)混凝土和回收水泥的完全閉合循環(huán)。對混凝土和水泥進行的強度實驗表明：完全可循環(huán)混凝土和回收水泥的強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，必須堅持科研先行的原則，必須加強科研工作，包括基礎性研究與應用技術研究。

2. 8. 1 加強對高強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導致混凝土產(chǎn)品性能的差異，HPC 的低水膠比和摻加大量活性細摻和料與高效外加劑，尤其是后兩者的復合作用，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下的裂縫控制研究，應當放在重要的地位。

2. 8. 2 加強對高強混凝土脆性和徐變的研究

    高強混凝土的脆性隨強度的提高而愈加嚴重，所以在混凝土設計時，必須把主要受力截面上的抗壓區(qū)的高強混凝土設計成約束混凝土。高強混凝土在局部壓力下還易出現(xiàn)劈裂傾向，對這些部位也必須采取牢固的約束構造措施。對綠色高性能混凝土中鋼筋的應用也應當采用較高強度的鋼材品種、較細的直徑和復合箍的形式。另外，對高強混凝土脆性的緩解和徐變的研究也應當加強。

2. 8. 3 加大綠色高能混凝土的亞微觀與微觀結構的研究

    大量微細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、多相共存體系和強度構成體系，與常規(guī)混凝土有很大差異，應當通過亞微觀和微觀研究進行探索。

2. 8. 4 加強有關標準、規(guī)范和檢驗方法的研究

    綠色高性能混凝土的力學性能、耐久性等性能的檢驗方法和標準，不同于普通混凝土。由于大量摻和料的加入，它們對綠色高性能混凝土強度的貢獻主要在后期，如果仍然采用普通混凝土的質(zhì)量控制方法和驗收標準，即以28d抗壓強度來衡量綠色高性能混凝土的質(zhì)量，則不符合實際情況，勢必造成強度和材料的浪費，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)量評定的傳統(tǒng)的和現(xiàn)行的標準只考慮強度，而對耐久性的指標一般不予考慮，希望在有關綠色高性能混凝土的新標準中，能夠增加耐久性的考核指標?？傊瑧敿哟髮Υ说难芯亢椭贫üぷ?，建立科學、系統(tǒng)、完善的綠色高性能混凝土的國家標準、檢驗和評價方法。

3 結語

    (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，通過先進配比設計和計算、先進的制造工藝和嚴格的施工而成，具有高強度、良好耐久性及環(huán)境相容性等優(yōu)點，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，需要以下諸多技術基礎：①推廣先進的水泥生產(chǎn)工藝技術，大力發(fā)展高標號水泥； ②水泥工業(yè)應有序開采礦產(chǎn)和節(jié)約能源，重視環(huán)境保護，擴大工業(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、高細粉磨技術和先進的活性激發(fā)技術； ④綠色高性能混凝土設計、制造、檢測技術的完善和品種多樣化、生態(tài)化及各項性能的提高； 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，修改和完善有關技術標準。