周永祥：以新觀點和新措施對待高性能混凝土（二）

  高性能混凝土是以建設工程設計、施工和使用對混凝土性能特定要求為總體目標，選用優(yōu)質(zhì)常規(guī)原材料，合理摻加外加劑和礦物摻合料，采用較低水膠比并優(yōu)化配合比，通過預拌和綠色生產(chǎn)方式以及嚴格的施工措施，制成具有優(yōu)異的拌合物性能、力學性能、耐久性能和長期性能的混凝土。理解這一概念，應該分兩個層面上：第一，是理論層面。在這個層面上，高性能混凝土是滿足工程需求的“個性化”和“最優(yōu)化”的混凝土，運用全過程質(zhì)量控制的理念，是可持續(xù)發(fā)展思想下的技術(shù)方向。第二，是技術(shù)層面。在這個層面上，高性能混凝土需要建立結(jié)構(gòu)設計、原材料、配合比、生產(chǎn)、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)的技術(shù)指標體系?！陡咝阅芑炷翍眉夹g(shù)指南》與《高性能混凝土評價標準》（在編）所做的工作之一就是將高性能混凝土概念從理論層面落實到具體的、具有操作性的技術(shù)層面。

  1 混凝土的原材料問題

  1.4礦物摻合料

  傳統(tǒng)摻合料如粉煤灰、礦渣粉日益緊俏，供需矛盾逐漸突出。因此，摻合料種類范圍逐漸擴大，磷渣、鋼渣、爐渣、鋼鐵渣粉逐漸走上歷史舞臺。天然火山灰、沸石、浮石、凝灰?guī)r、石灰石粉、其他巖石粉等天然礦物材料以及超細礦渣粉、超細粉煤灰、微珠等礦物摻合料逐漸向深加工方向發(fā)展。礦物摻合料的復合化也逐漸成為摻合料技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢。

  1.4.1近年來粉煤灰應用中的突出問題

  1）“真假粉煤灰”

  按照現(xiàn)行的標準難以判定粉煤灰的純度。

  表1為某地煅燒煤矸石粉按照現(xiàn)行粉煤灰標準的指標測試結(jié)果。由表可以看出，該煅燒煤矸石粉完全符合粉煤灰鑒定的指標要求。因此，根據(jù)現(xiàn)有標準，難以判斷粉煤灰的純度，甚至無法區(qū)分真假粉煤灰。

表1 某地煅燒煤矸石粉按照現(xiàn)行粉煤灰標準的指標測試結(jié)果

  2）“脫硫灰”

  采用循環(huán)流化床鍋爐工藝可以高效燃燒高硫煤，為了減少SO₂的排放，往往需要采取脫硫措施，產(chǎn)生的粉煤灰即CFB脫硫粉煤灰。它含有大量的硫化物或硫酸鹽（如石膏等），不同于傳統(tǒng)的粉煤灰。未經(jīng)測試貿(mào)然用于混凝土，會造成嚴重的混凝土開裂和崩解現(xiàn)象?，F(xiàn)行的粉煤灰標準雖有SO₃含量限制，但對“脫硫灰”的檢驗判定缺乏針對性。

  3）“脫硝灰”

  為了減少燃煤過程中NO_x的排放，需要在燃煤過程中進行“脫硝”處理，脫硝工藝不當可能會造成粉煤灰中殘留一部分的NH⁴⁺，當粉煤灰與水泥攪拌時，遇到堿性環(huán)境就會釋放出NH₃（氨氣），在混凝土塑性階段產(chǎn)生大量氣體。

  4）“浮黑灰”

  現(xiàn)代燃煤工藝中，為了提高燃煤效率或電廠的某些特殊操作要求，會在燃煤過程中添加柴油或者其他油性物質(zhì)作為助燃劑，這些助燃劑不能完全燃燒，會在粉煤灰中存留油分。特別是粉煤灰經(jīng)過分選后，收集的粉煤灰會含有更多的未燃盡油分，用于拌制混凝土，這些油分上浮，在混凝土中容易漂浮的黑色油狀物。這種粉煤灰被稱為“浮黑灰”，見圖1。

圖1 浮黑灰

  5）礦物摻合料的深加工

  粉煤灰的深加工一種方法就是通過粉磨達到超細化。粉磨后的超細粉煤灰的2000倍、10000倍SEM圖見圖2、圖3。由圖4可以看出，超細粉煤灰的粒度分布主要集中在10μm左右，比表面積在700m²/kg左右。表2為超細粉煤灰（UFA）與I級粉煤灰標準要求的各項指標對比。發(fā)現(xiàn)需水量比并不提高，而活性指數(shù)大大提高，28d活性指數(shù)達到104%。

 圖2 超細粉煤灰2000倍SEM圖

圖3 超細粉煤灰10000倍SEM圖

圖4 超細粉煤灰粒度分布

 表2 超細粉煤灰（UFA）與I級粉煤灰標準要求的各項指標對比

  獲得超細粉煤灰的另一種途徑就是通過“選”：將某些燃煤鍋爐工藝產(chǎn)生的很細的粉煤灰，通過物理手段進行分選，獲得極細的那一部分，被稱之為“微珠”。其微觀形態(tài)和粒度分布見圖5。陳樂雄[1]等研究了微珠在混凝土中的應用。 [Page]  

圖5 極細粉煤灰顆粒（微珠）的微觀形態(tài)^[1]

圖6 極細粉煤灰顆粒（微珠）的粒度分布^[1]

  微珠的球狀形態(tài)及微粒徑尺度，使其具有良好的減水、填充增強作用。明顯改善混凝土或砂漿的流動度，并降低拌合物粘度，因此，在高強混凝土的超高層泵送中，微珠往往是一個重要的可選擇技術(shù)手段。中建商品混凝土公司利用微珠配制高強混凝土，不同微珠摻量的新拌混凝土如圖7、圖8所示。

圖7 微珠摻量低于12%（650mm）

圖8 30%微珠摻量（500mm）

  除超細粉煤灰以外，超細礦渣粉也是一種常用的礦物摻合料。其各項指標見表3。超細礦渣粉主要特點是能夠提供較高的強度、特別是早期強度。

  表3 超細礦渣粉的各項指標

  1.4.2礦物摻合料的復合化

  優(yōu)質(zhì)礦物摻合料日益稀缺、低品質(zhì)摻合料難以應用，復合摻合料性能優(yōu)于單一摻合料且價格便宜，功能型（早強型、改善流動型）復合摻合料存在很大市場需求。礦物摻合料的復合化可以實現(xiàn)資源綜合利用，解決摻合料供給問題；可以取長補短，發(fā)揮幾種摻合料的協(xié)同作用（礦物摻合料具有超疊加效應）；可以解決預應力構(gòu)件對早期張拉強度的要求，解決大流態(tài)及自密實混凝土的技術(shù)需求。因此，復合化是摻合料技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。

  《高性能混凝土應用技術(shù)指南》中規(guī)定，復合摻合料是指采用兩種或兩種以上的礦物原料，單獨粉磨至規(guī)定的細度后再按一定的比例復合、或者兩種及兩種以上的礦物原料按一定的比例混合后粉磨達到規(guī)定細度，并符合規(guī)定活性指數(shù)的粉體材料。摻合料的復合并不是簡單地兩種或幾種摻合料混合，還需要考慮以下幾點問題：

  1）考慮活性成分與惰性成分的搭配；

  2）考慮微顆粒的級配分布；

  3）考慮水化反應速度與產(chǎn)物（如凝膠類和結(jié)晶類）的匹配；

  4）考慮化學激發(fā)作用；

  5）考慮低品質(zhì)與高品質(zhì)資源的搭配利用。

  《高性能混凝土應用技術(shù)指南》中規(guī)定的高性能混凝土用復合摻合料技術(shù)要求見表4。

表4 高性能混凝土用復合摻合料技術(shù)要求