大流度的耐久性混凝土可行性研究报告1

1、贵州省交通科技项目可行性研究报告项目名称：贵州机制砂大流动性高性能混凝土的技术申报单位：贵州省公路工程总公司参加单位：马贝建筑材料 （上海 ）有限公司同济大学材料学院二OO八年六月1、项目的背景和必要性（包括项目概况，项目研究目的）1.1 项目概况混凝土材料是当前使用量最大、使用面最广的一种工程结构材料，在建筑物、构 筑物、道路、桥梁、铁路、地下交通、水工、工业、农业以及环保和能源建设等方面， 发挥着不可替代的重大作用， 究其原因， 是因为混凝土材料生产成本相对较低、 原料 来源广泛、易浇注成型、结构相对较稳定，使用寿命相对较长。但是，就以水泥、砂、石和水作为四大组成的普通混凝土而言，其防水性

2、，抗渗 性、抗冻性、抗钢筋锈蚀性、抗化学侵蚀性等耐久性能已很难达到当今社会发展需要。随着科学技术的日新月异，特别是高效减水剂和矿物掺和料在混凝土中普遍使 用，提出高性能混凝土。 在混凝土引入高效减水剂， 克服水灰比小混凝土难以施工浇 筑的缺陷，便于泵送浇筑，其后又掺加粉煤灰、磨细高炉矿渣、硅灰等矿物细掺料， 不仅使混凝土强度提高， 而且改善抗渗性、 抗冻性和体积稳定性， 故高性能混凝土以 高效减水剂和矿物掺和料为第五与第六组分。不同的国家， 不同的学者因有各自的认识、 实践、应用范围和目的要求上的差异， 对高性能混凝土曾提出过不同的解释和定义，而且在性能特征上各有所侧重。1990年美国NIST

3、与ACI对高能混凝土命名时，曾提出一个定义：高性能混凝土 是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制， 便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高、具有韧性和体积稳定性等性能的耐 久的混凝土，特别适用于高层 建筑 、桥梁。1992年日本的Okamura等认为：高性能混凝土应具有高工作性（高的流动性、粘 聚性与可浇筑性），低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。近年来，美国混凝土学会又给出一个文字上较精练的定义： 高性能混凝土是一种 要能符合特殊性能综合与均匀性要求的混凝土， 此种混凝土往往不能用常规的混凝土 组分材料和通常的搅拌、浇捣和养护的习惯做法所获得。在我国

4、，吴中伟则概括地认为，高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大 幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土， 它以耐久性作 为设计的主要指标。针对不同用途要求， 高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证： 耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性然而，无论高性能混凝土的定义如何，有一点是值得肯定的：高性能混凝土是近 代混凝土技术发展的结果。 其主要手段是依靠化学外加剂 （特别是高效减水剂） 和矿 物掺合料（粉煤灰、磨细矿渣、硅粉等）来降低混凝土的用水量和改善混凝土的微观 结构，使混凝土更加致密并获得耐久性。本研究结合贵州特定的地理环境和工业特点，我们提出了机制砂大流动

5、性高性 能混凝土 的原材料性能、 混凝土配合比优化试验， 以及优化混凝土配合比的基本性 能和施工应用效果， 尤其是对比了不同聚羧酸系减水剂对胶凝材料的适应性， 进而比 较不同聚羧酸母体所配制混凝土的各项新拌性能， 进一步分析了与工程使用胶材相容 性好的聚羧酸系减水剂应用在高性能混凝土取得的技术和经济效益， 希望广大工程界 有所参考。“机制砂大流动性的高性能混凝土技术” 研究项目的提出， 不仅对 于贵州省的机制砂大流动性的高性能混凝土的的研制、 应用，产生非常重大、 积极的 影响，而且对全国（特别是西南地区）机制砂大流动性的高性能混凝土生产和施工， 都将是具有非常重要的理论和实践意义的， 其在技

6、术、 经济、社会和环境方面的意义 不言而誉。1.2 本课题的研究背景和目的国内有关调查结果表明，由于以前重视不够，我国混凝土结构建筑物因耐久性问 题过早破坏造成的损失和危害， 难以估计且不容乐观。 建国初期的建筑均已达到大修 的状态：按现行设计的大多数建筑达不到安全、 经济使用50年的要求，一般使用25 30 年就需大修。的确，对混凝土耐久性的认识确实经历了一个曲折的过程，这是因 为耐久性的检验需要有很长的年限。 直到上述类似事故不断出现， 人们才觉悟到混凝 土并不像原来设想的那样耐久。 由于硅酸盐水泥的活性不断提高， 水泥用量也随着混 凝土强度等级提高而增加， 再加上追求早强效果， 养护不足

7、， 许多水泥混凝土专家认 为，今天的混凝土与几十年前相比，强度是提高了，可是耐久性更差了，愈早强的混 凝土，后期性能却愈差。于是人们认识到，在进行结构设计时，特别是在关系到国计 民生的重大工程设计时，对使用材料的耐久性应像力学性质一样加以高度重视。我国目前正处于大规模的基本建设阶段，虽然规模化建设时间不长，但混凝土耐 久性破坏的问题已经出现。 西南地区高速公路的建设更是达到史无前例的阶段， 混凝 土将结构与装饰功能合二为一， 混凝土表面不再做保护层而将结构混凝土本身直接裸 露于空气中，受到日晒、风、霜、雨、雪的侵蚀和其他化学腐蚀。因此，对混凝土的 稳定性和外观耐久性就提出了更严格的要求。 高速

8、公路的混凝土外观耐久性是否满足 设计使用年限的要求，也是整个高速公路混凝土设计成功与否的重要体现。高速公路用混凝土的耐久性还具有明确的经济意义，采用外观耐久性好的混凝土 材料配合比及模板材料， 虽然会使混凝土建筑物的成本费用及施工难度有一定幅度的 加大，但因其使用寿命延长，建筑物有效使用年限大大延长，降低了维护费用，最终 使建筑物的总体费用大大降低， 有效利用率显著提高， 综合收益明显增大， 从而得到 显著的经济效益。从以上分析可以看出，从普通混凝土到高耐久混凝土，耐久性问题的研究及具有 历史继承性又具有时代前瞻性。 如何吸取历史的经验教训， 积极开展高耐久混凝土外 观耐久性问题的研究， 建立

9、以高耐久混凝土结构全生命周期内最佳经济效益为目标的 高耐久混凝土耐久性优化设计规范，具有重大的经济意义和研究价值。本项目是一项基础理论研究和工程实践技术相结合的重大项目，旨在基于贵州典 型工程项目-贵广线AT23标的原材料特点以及混凝土掺合料、混凝土外加剂的特性， 将在混凝土材料科学基本理论的指导下， 进行大量的试验研究， 高性能混凝土与普通 混凝土相比， 其变化主要在原材料的选用和配合比的设计上， 对混凝土的配制要求也 更严格。通过以下：1. 将混凝土原材料选择和控制；2. 混凝土配制新技术的提出；3. 混凝土耐久性试验；4. 混凝土现场的浇注施工和养护等有机地结合起来； 形成一整套全方位方

10、法和有效控制综合措施，最大程度混凝土使用安全性、耐久性，延长混凝土服役寿命， 从而节约混凝土结构修复和重建费用， 将产生巨大的经济 效益和社会效益。1.3 推广应用领域无论是从西部开发公路桥梁建设还是从贵州地区公路桥梁建设看，本项目研究的市场潜力巨大，项目研究成果具有广泛的应用前景。 项目成果除可在公路桥梁建设部 门得到推广外，也可在铁路、水利、海工、冶金、城建等部门得到广泛的推广应用， 因此，本项目推广应用领域非常广泛。2、项目主要研究内容与技术路线本课题提出的“机制砂大流动性的高性能混凝土技术”是一项基础 理论研究和工程实践技术相结合的重大项目。混凝土是一种耗材、耗能大，污染较严重的材料。

11、我国水泥年产量已超过13.5亿吨，占世界水泥年产量的 50鸠上。水泥生产消 耗大量资源和能源，水泥生产也是产生温室效应和大量污染物排放的重要根源之一。 而今后混凝土的浇注还需要大量的砂石集料， 对环境的影响很大。由此可见，防治和 提高混凝土的耐久性，延长其使用寿命，也是保护环境，节约资源和能源，使混凝土 结构工程迈向可持续发展轨道的一项重大技术措施。在西南地区尤其在贵州、云南等河砂自然资源比非常短缺的地区。 然而如果能大 幅度地利用工业废渣，减少水泥用量，使用机制砂，则会极大程度地提高其绿色化水 平，保持其生命力。本项目主要开展以下几个方面的研究：2.1从胶凝材料入手，提高混凝土耐久性一，应选

12、用低碱水泥选用强度等级P- O42.5的水泥即可。水泥熟料 C3A含量低于8%;水泥碱含量 低于0.6 %;P - O42.5级水泥的其它各项物理力学性能指标皆达到国家 42.5级水泥标准。 二、掺加足量的矿物细掺料使用矿物细掺料是配制高性能混凝土的一个重要手段。其目的是为了抑制混凝土 中碱骨料反应的危害。吴中伟教授认为，矿物细掺料是高性能混凝土的主要组成材料 之一，它起着根本改变常规混凝土性能的作用。已经有许多研究结果表明，在混凝土中掺入足够的含有活性SiO2的矿物细掺料能够使混凝土中的碱骨料反应完全得到抑 制。常用的矿物细掺料为硅粉、粉煤灰、沸石粉、矿渣粉、磷矿粉等。掺加矿物细掺料还有助于

13、提高混凝土的密实性能，增强硬化混凝土的抗化学侵蚀性能；水泥的水 化是一个由水泥颗粒表面向水泥内部发展的逐步进行的过程，但28天以后，水泥中各种矿物成分的水化程度仅为11%84%，水泥的实际利用率约为 60%80%。由 此可见，在配制高性能混凝土时，掺入部分活性矿物细掺料可以促进水泥水化生成物 的进一步转化。改善硬化混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性能。应该注意，矿物 细掺料的使用不是简单的对水泥的代替。 应该根据具体情况确定矿物细掺料的品种与 掺量。研究表明，将两种以上的矿物细掺料复合使用时，其综合效果优于其分别单独使用的总和，这就是所谓的超叠加效应。其一，掺加磷矿渣和磷石膏结合贵州工业特点，

14、禾U用磷石膏和磷矿渣可配制出性能优良的高性能混凝土， 一 方面可综合利用工业废渣，减少了因设置堆场而占用的宝贵国土资源， 同时还减轻废 渣对环境造成的污染，产生了显著的社会效益，促进社会和谐发展；磷矿渣是磷化工业的另一工业付产品，每生产一吨黄磷要排放810吨的磷矿渣，目前我国黄磷炉渣的排放量达 200多万吨，基本上没有得到有效的利用，作为 废渣堆积如山，而其中含有少量的磷酸根离子和氟离子也会随雨水渗入地下，严重污染环境。但磷矿渣经一定的处理后，可与水反应，具有显著的胶凝性能。这是由于在 生产过程中，将磷矿石进行冶炼而得到黄磷，处于熔融状态下的炉渣经水淬而冷却， 经分析发现，其中主要成分是硅酸盐

15、玻璃体， SiO2和CaO总含量近90%具有潜在 的水化活性。用磷矿渣来替代水泥，起着胶凝材料的作用。具有潜在的水化活性，但激发剂 (Ca(Of )作用下可逐渐水化硬化，生成具有强度的结晶结构网。其水化特点是早 期强度较低，但后期强度持续增长。磷矿粉取代部分水泥，不仅能降低混凝土的有效 含碱量，还能产生物理化学作用，有效抑制碱一骨料反应。磷矿粉渣的掺入，可以减弱因机制砂级配不良而造成拌和物性能差的弊病，提高混凝土的凝聚性、保水性，同时利于泵送，提高强度，减少收缩。目前我国磷石膏的年排放量已达 3000千万吨以上，绝大部分企业采取设置堆场 堆放，不仅投资大，维护费用高，而且占用了宝贵的国土资源，

16、磷石膏中的有害杂质 在长期的堆放过程中，会渗入地下水而造成严重的环境污染，给社会和人民生活带来 危害。由于磷石膏中残留部分磷酸根离子，pH值小于7,呈弱酸性。磷石膏的酸性，不 仅能降低混凝土的有效含碱量，有效抑制碱一骨料反应。并且石膏对于黄磷炉渣而言， 也是一种硫酸盐激发剂，对磷矿渣的水硬性能也具有一定的激发作用。其二，掺加粉煤灰粉煤灰作为燃煤电厂的副产品，量大且来源稳定，如果利用不好，不仅占地、占 水域，而且污染环境。某些粉煤灰稍进行加工即可用于生产高性能混凝土，且能明显改善混凝土的工作性、力学性能和耐久性，具有显著的技术、经济和社会效益，推广 粉煤灰高性能混凝土符合可持续发展道路，且适合我

17、国国情，前景广阔。粉煤灰对混凝土的改善作用粉煤灰在结构混凝土中可置换水泥量多达60%且不管是对新拌混凝土还是硬化混凝土的性能都有良好的改善作用。和易性。用高质量的粉煤灰取代部分水泥可改善新拌混凝土的和易性。粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成， 表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起一定作 用。新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更 多的浆体来润滑骨料。能减少用水量，使混凝土的水灰比降到更低水平， 减少泌水和 离析现象。具有良好的保水性，有利于泵送施工。强度。在物理作用方面，粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提 高了水泥浆的密实度，降低混凝土的泌水，

18、有利于混凝土中骨料一水泥浆界面强度的 提高；在化学火山灰作用方面，粉煤灰颗粒与 Ca(OH 2反应生成水化硅酸钙胶体， 有利于混凝土强度的提高。水化热。用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化热，降低混凝土的绝热升温。抗渗性。粉煤灰的3种效应均能提高混凝土的抗渗性： 形态效应。粉煤灰混凝土 的铝硅酸盐玻璃微珠，可填充水泥浆体，提高混凝土抗渗性；活性效应。粉煤灰中 SiO2、AI2Q与水泥的水化物反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，降低了混凝土的孔 隙率，提高了混凝土的抗渗性；微集料反应。粉煤灰中微细颗粒分布于水泥颗粒之间， 有利于混和物的水化反应，增加了混凝土的密实性，提高混凝土的抗渗性。耐久性。由于

19、粉煤灰减少了混凝土的孔隙， 使混凝土的抗渗性明显提高，改善了 混凝土的抗化学腐蚀的能力，还能有效地减小碱一骨料反应引起的混凝土膨胀，极大 地提高了混凝土的耐久性。粉煤灰的掺入， 可以减弱因机制砂级配不良而造成拌和物性能差的弊病， 提高混 凝土的凝聚性、保水性，同时利于泵送，提高强度，减少收缩。2.2 从外加剂着眼，提高混凝土耐久性一、高效减水剂以萘系减水剂（NSF）为代表的高效减水剂在混凝土材料近三十年的发展过程中， 起到了非常重要的作用。 掺加萘系高效减水剂不仅能大大改善混凝土新拌阶段的各项 性能，更好地满足施工要求，而且会提高混凝土的力学性能，改善混凝土的耐久性。 但配制更高强度的混凝土，

20、 或要求混凝土初凝时间长、 高温下长时间坍落度保持的情 况下，采用萘系减水剂或以萘系减水剂为母体复配而成的外加剂在技术方面仍有一定 难度。另外，萘系减水剂的主要原材料萘是炼焦油工业的副产品， 其来源受钢铁工业 的制约， 价格越来越不稳定， 且萘系减水剂的生产存在污染等， 新型高性能减水剂的 研制和推广应用便成为材料工作者的一项任务。自上世纪 80年代起，国外就开始着手研发聚羧酸系减水剂。它以丰富的石油化 工产品为原料， 以极高的减水率， 极好的坍落度保持性和优异的增强效应， 逐渐受到 混凝土工程界的亲睐。聚羧酸系减水剂完全不同于 NSF、MSF（密胺系减水剂）减水剂， 即使在低掺量时也能使混凝

21、土具有高流动性， 并在低水灰比时具有低粘度和坍落度保 持性能， 且与不同水泥之间有更好的相容性。 国内近十多年来， 新型高效减水剂的研 发主要集中在脂肪族系与氨基磺酸盐缩合物等， 而对聚羧酸系减水剂的研究无论是从 原材料选择、生产工艺或是提高产品性能方面起步都较晚由于聚羧酸系减水剂具有高减水率、高保坍、高增强、与水泥适应性强、绿色环 保等特点。 所以，单就减水剂品种来说， 为满足高性能混凝土在低水胶比和大流动性 方面的要求，则聚羧酸系减水剂作为新一代高性能减水剂，应为首选外加剂。值得一提的是，由于用不同原材料，单体合成工艺的差异，聚合工艺的不同，所 以造就聚羧酸系减水剂是一个庞大的外加剂系列。

22、 由于聚羧酸系减水剂母体性能的差 异，与水泥的适应性也有一些不同。对于具体工程，面对众多品种聚羧酸系减水剂， 如何使用与该项目胶材相容性好的聚羧酸系减水剂？如何采用适合于工程施工工艺 要求的混凝土配合比？如何在确保新拌混凝土高工作性能以及硬化后良好的力学、 耐 久性性能的前提下， 取得的技术和经济效益？这些要求我们必须在混凝土材料科学基 本理论的指导下，进行大量的试验研究。聚羧酸类减水剂的优越性及由此对混凝土耐久性的促进表现在以下几个方面：? 减水率高：聚羧酸系减水剂减水率大，比萘系有更好的增强效果，可以更多的降低水泥用量、节约成本，从而降低水化热、减少温度裂缝、提高混凝土 地密实性；另外可以

23、提高了掺合料的用量，使混凝土氯离子扩散系数大大降 低，提高了混凝土的耐久性；? 有害物质含量少：聚羧酸系减水剂具有较低的碱含量、基本上不含氯离子， 减少甚至消除了碱集料反应和钢筋锈蚀的风险， 有利于混凝土耐久性的提高；? 保坍效果好：聚羧酸系减水剂比萘系具有更好的分散效果及保塑性，解决了 传统外加剂难以解决的混凝土保坍性差的问题，有利于施工控制；? 混凝土表观好：聚羧酸系减水剂均匀性高、对胶材的分散性好，混凝土的色 差小、表面平整，更佳外观表现；? 环保：聚羧酸减水剂是一种安全、绿色环保型产品；、引气剂引气剂能显著改变新拌混凝土的性能。引气剂由于在混凝土中引入大量微小且独 立的气泡， 这些球状

24、气泡如滚珠一样使混凝土和易性得到较大程度的改善。 由于气泡 增加了浆体体积和对拌和料的润滑作用， 以及增加了浆体的粘度和屈服应力， 因此引 气混凝土的工作性、 塑性和内聚性得到显著提高， 明显比非引气混凝土的好。 引气剂 所引入的微细泡宛如微细集料， 对级配不良，尤其是细颗粒缺少的细集料有补偿作用， 可以使混凝土显得砂浆富余； 这些微小气泡结和支撑着水泥颗粒， 填塞了水泥颗粒间 的空隙， 从而阻或减少了水泥和集料颗粒周围的水流， 减少混凝土的泌水、 沉降和离 析。同时，由于这些气泡的“拨开”或“分散”作用， 极大地增加了水泥或细集料的 自由（ 非凝聚） 表面积，增强拌和物的粘性和工作性。在原材

25、料比例不变的条件下， 引气可以提高混凝土的流动性， 而在相同塌落度下， 掺有引气剂的混凝土，其浆体和易性、流动性、塑性、浇注性、捣实性等非测量指标 是不掺引气剂的混凝土浆体所不能比拟的， 引气可以降低拌和用水量。 另外，引气还 可降低新拌混凝土的坍落度损失。引气引人的微小气泡可作为体积膨胀的 缓冲阀, 降低和延缓其他物理膨胀 （如盐 晶体结晶压等 ） 和化学反应膨胀 （如碱骨料反应和硫酸盐反应等 ） 引起的混凝土破坏。 引气也可改善混凝土的抗渗性能 , 气剂最早是作为提高混凝土抗渗性、 抗冻性、抗盐 冻剥蚀性而使用的一种外加剂。其主要原理是引气剂引入的小气泡切断毛细管的通 路，降低毛细管作用，

26、 从而提高混凝土的抗渗性。 这些微气孔在冰冻过程中能释放毛 细管内的冰晶膨胀压力， 从而避免生成破坏压力， 减少和防止冻融的破坏作用， 提高 混凝土的抗冻性。 引入稳定、大小合适、分布均匀的微小气泡，提高硬化混凝土的 耐久性。 可明显延缓碱骨料膨胀反应引起的混凝土破坏。 对收缩无不良影响引气剂就 可提高混凝土的综合耐久性。耐久性和工作性在高性能混凝土中具有十分重要的地位。通过上面的介绍分析可 以看出，掺加引气剂的混凝土，其工作性能得到明显的改善，减少混凝土的泌水、分 层和离析， 提高混凝土的流动性和可泵性； 同时硬化体的各项技术性能指标都得到明 显的改善，提高了混凝土耐久性。混凝土性能的提高，

27、使得混凝土本身高性能化，具 有普通混凝土不可比拟的优势。引气剂的使用适应当前和以后混凝土高性能化的要 求，因此，我们认为引气剂在高性能混凝土的推广应用过程中应该发挥相当重要的作 用，高性能混凝土应该加入引气剂来提高混凝土性能。混凝土引气剂是最古老的外加剂之一，四十年代开始应用于混凝土抗冻工程中。 引气剂在混凝土中的应用在国外已得到许多国家的公认。 在国外，尤其是日本， 几乎 大部分混凝土，包括高强高性能混凝土（ HPC都要掺用引气剂、引起减水剂，而将 不用引气剂或只掺用其他外加剂的混凝土定为特殊混凝土。 在日本规范中规定， 砼中 必须掺入引气剂（AE剂）或引气减水剂（AE减水剂）。美国北部地区和加拿大所有露天 使用的混凝土规定要掺用引气剂， 主要是考虑改善混凝土耐久性。 我国五十年代开始 开发引气剂， 用于提高水工混凝土的抗冻性。 目前，我国只有在水工和港工混凝土设 计规程中有明确的掺引气剂要求。 然而，随着混凝土技术发展的需要， 特别是引进国 外施工设备和国外工程公司进入我国施工市场， 引气剂也开始在其它场合使用。 例如， 在上海高层建筑物有泵送要求的混凝土中， 广泛使用了引气剂。 在秦山核电站二期工 程中，外方也要求在混凝土中必须掺引气剂。引气剂在我国的混凝土工程中使用并不普遍