贵州大学沙冲校区贵阳55002推广高性能混凝土若干思考及意义

1、55002）周静推广高性能混凝土De若干思考及意义1 摘要 混凝土技术可持续发展面临严重挑战，耐久性差，资源逐渐枯竭，环境污染严重。绿色高性能化是混凝土可持续发展的必然方向，因其综合性能优越，特别是其耐久性、工作性、低成本、性价比提高等。绿色高性能化是指提高混凝土的绿色含量，提高混凝土的综合性能，尽可能减少能源与原材料的消耗，大量掺入绿色高性能复合掺合料产生“组合叠加效应”，高效减水剂的质量提高，功能外加剂的复合使用等，在获得各种优良性能的同时，也保护了环境。2关键词 关键词：可持续发展；耐久性；三高水泥；复合掺合料；绿色高性能化。3前言 水泥混凝土是现代土木建筑工程中使用最广泛的建筑材料。一

2、百多年来，混凝土的应用技术经历了许多重要变革，不断取得新的突破。经过广大科技人员长期研究与实践，普通混凝土在大幅度提高性能的基础上发展为高性能混凝土，并成为混凝土技术可持续发展的必然方向。4 任何新技术、新材料的发展，都需要经历漫长的、反复的过程。在需要克服的诸多障碍中，首先是人们的观念和认识。21世纪，人类面临着“人口膨胀、资源和能源短缺与环境恶化”三大问题。 51、对高性能混凝土的认识 高性能混凝土HPC（High Performance Concrete）的研究是当今土木工程界最热门的课题之一。1990年5月美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土协会（ACI）召开会议，首先提出

3、高性能混凝土（HPC）这个名词。自“高性能混凝土（HPC）”一词提出以来，已近10多年历史，但至今对它没有统一的解释或定义。以美国的P.K.Mehta和加拿大的P.C.Aitcin为代表的学者们认为高性能混凝土应该是高耐久性、高工作性，而不仅仅是高强度。除了强度之外，高耐久性还应该包括高的体积稳定性（收缩和徐变小）、低渗透性和高工作性。16 综合各国对高性能混凝土的要求，高性能混凝土具有高抗渗性（高耐久性的关键性能）；高体积稳定性（低干缩低徐变、低温度变形和高弹性模量）；适当的高抗压强度；良好的施工性（高流动性、高粘聚性、自密实性。）2 针对国内一些人将HPC看做必须是HSC（高强度混凝土）的

4、说法，已故中国工程院士吴中伟先生曾指出3：“建议将HPC的强度下限降低到C30左右，以不损及混凝土内部结构（例如孔结构、水化物结构、界面区结构等）为度，以保证其耐久性与体积稳定性。许多大体积水工建筑、基础等对强度要求不高，但对耐久性、工作性、均匀性、体积稳定性、低水化热等有很高要求，都必须采用HPC，日本明石大桥采用20MPa的HPC是很正确的。”可惜上述论点很少被引用和遵循。72、推广高性能混凝土对水泥质量的要求 2.1 在水泥产品结构上，以高细度、高强度等级、高早强为标志的“三高水泥”成了近年来水泥质量的发展主流。从目前水泥产品的结构和质量现状而言，远远不能适应高性能混凝土对耐久性的要求。

5、4 2.2 由于许多大、中型工程项目业主不合理地要求缩短工期，特别是某些政府投资的所谓“政绩工程”更是过分追求工期短，而置混凝土工程技术性能、耐久性及质量的客观规律不顾。 8 2.3 规范标准中及设计单位也直接地或间接地提倡混凝土工程的早强及高强度混凝土来满足缩短工期的要求。 2.4 水泥生产企业为了适宜市场的需求，生产早强及高强度的水泥。但由于我国许多水泥厂生产设备、工艺的落后，质量管理较差，质量保证体系不健全。在水泥熟料矿物的生产过程中，由于在硅酸三钙（C3S）生成的煅烧温度过程中难以保证更多的C3S的含量。那么，水泥生产企业要想生产出快凝早强及较高强度等级的水泥，就只能靠提高铝酸三钙（C

6、3A）的含量和高细度的水泥来满足。9 2.5 在水泥矿物组成中C3A需水量大，水化快，放热集中，对外加剂吸附量最大，适应性差，抗硫酸盐侵蚀能力较弱。尤其是在低温条件下烧成的孰料，析晶出来的C3A和C4AF含量高，水泥标准稠度用水量大，与外加剂相容性差。4 2.6 因此，减少水泥熟料中间相C3A和C4AF总量是高性能水泥必须具备的主要特征。410 2.7 一些水泥粉磨站（配制厂）将从不同水泥厂采购的孰料和不同电厂排放的粉煤灰分别混于一仓，用于配制普通水泥；另一些发生水泥购并的集团企业，不同产地的熟料冠以同一牌号销售，致使同一厂家同一牌号的水泥矿物组成差异悬殊，需水量和凝结时间令预拌混凝土企业无法

7、掌控。对利润追求的最大化及市场供求关系的改变，可以使少数水泥企业利令智昏地改变既定的质量管理体系，这着实是一个令混凝土技术人员困惑不已的现实难题。411 2.8 水泥品质的现状已成为制约高性能混凝土产业化发展的严重瓶颈。混合材料的使用应改由水泥厂的“暗箱”操作为预拌混凝土企业的“阳光”配制，即依据不同的使用功能，选择适宜的功能型掺和料。4 2.9 水泥过高的细度对外加剂吸附量大，且在低水胶比条件下，易产生自收缩。以同种水泥不同的细度在一定的水灰比和外加剂用量下,净浆流动度随水泥细度的增大而下降。配制高性能混凝土的水泥，应具有连续的颗粒分布级配，使水泥粉体达到最佳堆积密度，用水量最低，与外加剂匹

8、配性强。因此，高性能混凝土用水泥的细度，应以颗粒分布级配表征，取代目前的细度评价法。412案例1 中铁某集团公司在2004年承包的昆明市某立交桥工程中，该工程为昆明市政府抓的重点工程，工期要求紧。在2004年8月该立交桥某主跨梁板的施工过程中出现严重的技术难题。设计的主要指标为：强度等级C60，坍落度指标要求170200 mm，一次连续浇注混凝土量在300m3 左右。该C60混凝土由某预拌混凝土公司提供，运至施工地点的时间约20分钟。在这之前的施工过程中均正常。但是在2004年8月的某一天，突然出现该C60混凝土从搅拌站运至施工地点时（10多分钟时间），现场测得坍落度指标为7080 mm ，无

9、法施工。连续几天均出现该问题，预拌混凝土公司、施工承包企业及监理单位的现场主要技术负责人从各方面分析原因，都未能解决问题。因为，该C60混凝土的配合比未作变化，水泥品种、强度等级及厂家相同，其他材料未变，已经停工多天，昆明市政府也非常重视该问题，要求迅速解决该技术难题。13 中铁某集团公司中心试验室的技术负责人陈工被立即派到施工现场，协助解决该技术难道，最初几天，与预拌混凝土公司试验室的技术人员调整了几套配合比方案实施，结果混凝土运至施工现场还是从原来的170200mm坍落度损失至7080mm（10多分钟时间），最后，中铁某集团公司中心试验室的技术负责人陈工感到问题的关键肯定出在该批水泥的C3

10、A含量偏高引起的瞬凝现象。他大胆提议在原配合比的基础上，只将用水量增加5%，当时监理单位现场技术负责人还有不同的意见，最后事实证明按陈工的建议实施果然解决了该技术难题。（注：中铁某集团公司在陕西省承包的多个大型项目中，使用秦岭水泥集团的水泥也多次出现C3A 含量高而导致的施工技术难题，例如黄河大桥工程等）14案例分析 A、水泥发生瞬凝现象，这是由于铝酸三钙在溶液中电离出三价离子（Al3+），它与硅酸钙凝胶的电荷相反，促使胶体凝聚。 B、瞬凝俗称急凝，是不正常的凝结现象。其特征是：水泥和水后，水泥浆很快凝结成为一种很粗糙、非塑性的混合物，并放出大量的热量。它主要是由于熟料中C3A含量高，水泥中未

11、掺石膏或石膏掺量不足引起的。 C、虽然该批水泥的厂家、品种及强度等级未变，但是可以肯定该批水泥中熟料的矿物组成可能有了较大的变化，尤其是在低温条件下烧成的熟料，析晶出来的C3A和C4AF含量高，水泥标准稠度用水量大，与外加剂相容性差，所以，也有可能导致这种瞬凝现象。15 D、如果使用的是PO42.5级水泥，众所周知，普通水泥按照国家标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB175-1999）的规定：凡由硅酸盐水泥熟料，6%15%混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号PO。 掺活性混合材料时，不得超过15%,其中允许用不超过5%的窑灰或不超过10%的非活性

12、混合材料来代替。 由此我们可以看出：掺什么样的活性混凝材料（粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰）？掺量是多少？以及掺什么样的非活性混合材料及掺量？这批水泥与原来供应的水泥是否差异较大，也有可能导致与外加剂相容性差而出现该技术难题。 E、高细度水泥导致标准稠度用水量较大、凝结时间过快也会导致相应的问题。16注意事项及措施 A、对于配制高强度混凝土及高性能混凝土，按照各项技术性能选定原材料后，通过试验室试配成功得出正确的试验室配合比后，必须立即搞清楚该批水泥中熟料的矿物组成含量；特别是C3A和C4AF含量；水泥的细度指标；石膏掺量；掺什么混合材料及掺量等。 B、条件允许的情况下，对同厂家，同品

13、种、同强度等级，但不同批量（不同窑次）生产的水泥做对比试验，得出C3A和C4AF含量在什么范围内以及水泥细度的最佳指标，石膏掺量，最适宜的混合材料及掺量等，对所选定的其他原材料和外加剂以及预拌混凝土公司掺入的复合掺合料的相容性较好。 C、必须用合同的法律约束力来要求水泥供应商（厂家）保证水泥同品种、同强度等级中的熟料矿物组成含量的控制要求，特别是C3A和C4AF的含量要求；水泥细度的最佳指标及控制要求；石膏掺量的控制要求；水泥厂掺什么混合材料及掺量的控制要求。173、推广高性能混凝土对砂、石骨料的 质量要求 3.1 20多年前，我国已故混凝土专家蔡正泳曾说，中国混凝土质量不如西方的主要原因是砂

14、石的质量差。以石子为例，高质量的石子为大体等径粒形，级配良好，空隙率不超过40%。而我国20多年前砂石的空隙率一般都远远超过40%，现今北京和深圳最好的砂石空隙率也超过45%，大多接近或超过50%。我国制订有混凝土用砂石国家标准，但是骨料的生产商、应用商几乎都不理解不执行，标准形同无物。绝大多数采石场仍使用成本低廉的颚式破碎机，材质越硬（强度高）的石料，破碎后针片状颗粒越多。518 3.2 追求石子的高强度也是一个错误的观念。其实粒形比强度重要。构件受力后，材质强度高的针状和片状颗粒会因应力集中、承受过大的弯曲应力而提前断裂，从而降低混凝土的强度；还会因颗粒粒形远离等径状，比表面积大，需水量就

15、大，从而影响混凝土的施工性能。表1用相同配合比，分别以两种石子配制C60混凝土，测定其坍落度和28d抗压强度。5 3.3、提高砂石质量，必须从严格执行砂石标准开始。为生产出合格的以至优质的产品，现有生产方式必须改造。采取先进的破碎设备如反击式破碎机，还可采取不同类型破碎机分级破碎的方式，以改善石子粒形与级配。5石子编号石子特征混凝土28d抗压强度/MPa坍落度/mm1强度低，粒形好71.31952强度高，粒形差68.8148 表1石子对混凝土性质的影响194、推广高性能混凝土对化学外加剂的要求 4.1、混凝土化学外加剂的使用是混凝土技术的重大突破。化学外加剂掺量虽然很小，但能显著改善混凝土的某

16、些性能，如提高强度，改善和易性，提高耐久性及节约水泥等。由于应用化学外加剂的技术经济效益显著，在混凝土中作为第五组分已广泛使用。目前，在配制高性能混凝土时较多选用价格适宜的萘系高效减水剂，对性能优异的聚羧酸高性能减水剂 ，虽然配制的高性能混凝土可见成本较高，但由于强度、耐久性能的进一步提高，其潜在的综合经济效益应是最佳的。420 4.2、萘系减水剂的适宜掺量为水泥质量的0.5%1.0%，减水率为15%25%，混凝土28d强度提高20%以上。在保持混凝土强度和坍落度相近时，则可节省水泥用量10%20%。掺用萘系减水剂后，混凝土的其他力学性能及抗渗性、耐久性等均有所改善。且对钢筋无锈蚀作用。6 4

17、.3、CABR聚羧酸系高性能减水剂 掺量：0.5%1.5%； 减水率：25%40%； 抗压强度比：1d280%，3d260%，7d220%，28d140%； 28d收缩率比：98%； 甲醛含量：0.00046%； 氯离子含量：0 碱含量：0.2 (注:中国建筑科学研究院，北京中科迈地建材科技有限公司)721 4.4、“混凝土外加剂标准”是判定外加剂产品是否合格的依据，而“混凝土外加剂应用技术规范”是对外加剂混凝土工程施工中应用技术的明确规定。由于某些原因,现行的“混凝土外加剂标准”及其相关标准与“混凝土外加剂应用技术规范”之间某些关联性存在的问题是突出的。7 4.5、建议有必要在对混凝土外加剂

18、应用技术规范修订中，制订出限制外加剂中甲醛含量的具体指标，特别是对人民群众健康有重大影响和危害的诸如：办公、住宅工程及大中型公共建筑工程中，限制或严禁使用含有甲醛、萘等有害物质的外加剂，有必要的话，还可将其作为强制性条文加以规定。其目的是积极提倡使用在化学合成生产外加剂过程中，包括长期使用过程中无甲醛、无萘和无其它任何有害原材料的属于真正意义上的环保型新产品，新技术，逐步地淘汰那些传统的，对人体健康有危害和造成污染环境的外加剂产品。7225、推广高性能混凝土对复合掺合料的要求 5.1 大量掺入绿色高性能复合掺合料产生“组合叠加效应”的技术路线已成熟. 5.2 利用粉煤灰、超细矿渣粉自身的形貌效

19、应、微填充效应、分散效应、复合高效减水剂的作用，配制工作性好、早期强度影响不大，后期强高发展良好、结构致密、耐久性好的高性能混凝土是非常好的技术路线。823 5.3 混凝土可持续发展的出路就是在现代混凝土科学技术发展的基础上，大量利用优质的工业副产品和废弃物，尽可能减少自然资源和能源的消耗，减少环境污染。 5.4 贵阳国华天成磷业有限公司与清华大学合作研究超细磷矿渣粉在混凝土中的应用课题取得显著的技术经济效果：可取代40%50%的水泥，泵送性好，水胶比小，碱骨料反应降低，后期强度发展良好，结构致密、耐久性好，该超细微体在贵阳市的恒建、创立、中铁八局等预拌混凝土公司试验配制C60、C70、C80

20、等高性能混凝土过程中取得了显著的技术经济效果。24 5.5 至今还有些业主和监理单位对粉煤灰、矿渣等在混凝土中的应用持不同的意见，因此，在需要克服的诸多障碍中，首先是人们的观念和认识。 5.6、目前水泥强度等级的逐渐提高，反而使低强度等级的混凝土配制困难，往往导致混凝土拌合物泌水、离析严重；而大掺量粉煤灰（HVFA）混凝土特别适合配制低强度等级的混凝土。525案例2 表2大雁32.5P.O水泥C30混凝土配合比变化9配比序号年分生产配合比/(kg/m3)C:F:S:G:W:AF/(C+F)/%砂率/%水胶比水灰比年平均抗压强度/MPa3d28d12000385:70:610:1063:200:

21、5.4615.436.50.4480.52919.339.122001/2002365:90:640:1038:195:5.4619.838.10.4370.54517.8/18.036.3/38.132003292:138:665:1086:170:6.4532.138.00.4060.59819.840.726 从表2生产统计结果看出，大掺量粉煤灰混凝土，粉煤灰掺量由15.4%提高至32.1%，显然水泥减少了93kg/m3，混凝土的3d、28d强度并不降低。这是因为用水量降低（减少了30kg/m3），水胶比减小，混凝土大孔数量和总孔隙率都相对减少，密实度提高。水胶比减小的同时，水灰比却增大

22、了，水泥水化更充分。水化产物容易堵塞连通孔道并细化混凝土孔结构，因而混凝土容易实现高抗渗。试验和抽样的抗渗等级全部达到P30级以上。27 5.7、磨细矿渣微粉磨到一定细度（比表面积），才能充分参与水化反应提高活性。矿粉细度大小直接影响矿粉的增强效果，原则上矿粉细度越大则效果越好，但要求过细则粉磨困难，成本大幅度增加。综合考虑矿粉的细度以400m2/kg600m2/kg为佳。10 5.8、超细矿粉对混凝土抗渗性的改变主要取决于它的两个综合效应：一是火山灰效应，二是微集料效应。10 5.9、矿渣和I级粉煤灰复合掺加，两种材料的火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，形成“工作性能互补效应”和“强

23、度互补效应”，使混凝土具有良好的抗渗性和可泵性。1028 5.10、大型立磨矿渣粉生产线生产的矿渣粉细度均控制在400m2/kg500m2/kg的范围内.由于其先进的生产工艺，矿渣粉的细度非常稳定。而球磨矿粉的细度较难达到400m2/kg以上，如果通过延长磨细时间，勉强达到400m2/kg以上，也难以长期稳定。一旦矿粉细度大幅度降低，会给混凝土带来很多问题，如：粘聚性下降，出现离析和泌水；凝结时间延长；早期强度降低，甚至28d强度也会不同程度降低等。因此，在使用球磨矿粉时应加强检测，严格控制矿粉的细度。10 5.11、注意矿粉的掺量：单掺矿粉时，以30%40%为宜。大体积混凝土可增至50%以上

24、，以达到明显降低水化热的目的。复掺时，总取代量不宜超过50%。粉煤灰控制在20%以内，矿粉控制在30%以内。尽管在试配时，矿粉掺量在70%以内对混凝土强度影响不大，但过大的掺量在实际应用中却存在很多问题。一是混凝土凝结时间问题。另一个是混凝土粘聚性，随着混凝土强度等级提高，混凝土的粘聚性不断增加，这样就会给配制混凝土带来一定的困难。1029 5.12、复掺时，针对不同等级粉煤灰，选择合适的复合比例。矿渣粉在商品混凝土搅拌站使用时，常与粉煤灰复合使用。这是因为粉煤灰比矿粉更为廉价，单掺矿粉对混凝土成本不利。虽然单掺粉煤灰可以大幅度降低成本，但掺量受到较大限制；另外，矿粉和粉煤灰复配时能充分利用二

25、者的“优势互补”，改善混凝土性能。矿渣粉与级粉煤灰复合：矿粉与级粉煤灰复合使用时，粉煤灰的取代量控制在15%以内，矿粉宜控制在30%以内。矿渣粉与I级粉煤灰复合：矿粉与I级粉煤灰复合使用应是最佳组合。粉煤灰可控制在20%以内，矿粉可以控制在40%以内，它们之间的比例可以根据不同强度等级，不同技术要求进行调整。10 5.13、注意矿粉（或矿粉和粉煤灰复掺）混凝土的养护：当养护温度适宜、湿度较大时,混凝土中水分蒸发少，水化充分，孔隙率及孔隙平均尺寸减小，同时由于水化产物阻隔了水分通道，使得开口孔隙数量减少，可发挥“储备”作用的闭合孔数量增加，因此，建立良好的养护制度有利于混凝土的抗冻性能和抗渗性能

26、。在矿粉或矿粉和粉煤灰复合掺加的情况下，更需要加强养护，只有充分养护才能发挥掺合料的作用。1030案例3 例如清华大学、深圳港创建材公司和深圳地铁公司合作浇筑了一个足尺的深圳地铁区间段混凝土模型，所用胶凝材料总量中水泥只有180kg/m3其余有180 kg/m3粉煤灰和80 kg/m3的矿渣粉。现场留样检测28d混凝土抗压强度均超过50MPa。该混凝土中矿物掺合料约占胶凝材料的60%5 316、提高混凝土耐久性是混凝土业 可持续发展的战略需要 6.1、混凝土结构的耐久性已成为困扰当今世界各国的普遍问题。1991年提交美国国会的报告国家公路和桥梁现状中指出，美国现存的全部混凝土工程价值约6万亿美

27、元，而每年用于维修的费用高达300亿美元。英国1980年的建筑维修费用占建筑总费用的2/3。许多发达国家每年用于建筑维修的费用超过新建的费用。我国目前也开始进入需要大规模修补或更换已建混凝土结构的时期。混凝土结构的提前劣化必然造成大量建筑垃圾和对混凝土原材料的大量需求与浪费。532 6.2、随着混凝土技术的发展，对混凝土的耐久性越来越重视，而配制耐久性混凝土的途径之一就是掺加包括矿粉在内的矿物掺合料。大型立磨矿渣技术在我国的快速发展，使大量细度在400m2/kg500m2/kg的矿粉得到广泛应用。矿粉的大量应用，改变以往仅以粉煤灰为主要掺合料的局面。对于商品混凝土带来了很大的方便，随着矿粉研究

28、和应用的不断深入，混凝土质量会逐步改善。同时，矿粉的应用，可以克服仅掺粉煤灰时取代水泥量有限的弱点，可以进一步降低水泥用量，不仅可以改善混凝土耐久性，同时降低混凝土成本，节约能源，改善环境。10337、高性能混凝土经济效益分析 HPC工作性好，耐久性好，其成本与同级高强混凝土相比如何？这是需关心的另一问题。现仅对二者胶凝材料和外加剂成本做如下比较，见表3。11表3 HSC与HPC经济比较等级普通高强混凝土高性能混凝土差价水泥成本外加剂小计水泥成本微集料外加剂小计C50510178.551.0229.5350122.52451.0197.532.0C55C60550192.568.75261.2

29、5380135.42463.622338.25C65C70680210903004001403082.5252.547.5C75C80550192.5199391.540014010686.7332.758.834案例4表4沈阳大西电业园高强高性能混凝土经济效益分析12 内容等级柱断面mm2截面积m2混凝土量m3备注原设计C60120012001.44289372根柱，每根柱总高27.9米实际应用C809509500.901808 （1） 减小装修面积2009m2(按地上2/3、地下1/3)可省装修费140.6万元; （2）增加使用面积250m2，按4500元/m2，可增加收益2504500=

30、112.5万元； （3） 底层车库由于柱径小，柱网轴线间距大，每个柱间停放小汽车可由2辆改为停放3辆，多出16个车位。带来经济效益2016=320万元。总计573.1万元。358、大力开展绿色高性能混凝土的研究和应用 高性能混凝土具有普通混凝土无法比拟的优良性能，对混凝土的发展将起重要作用，许多学者将其称为混凝土的又一次革命，是21世纪的混凝土。如果将高性能混凝土与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来考虑，加入更多的绿色成分，则成为绿色高性能混凝土。为使混凝土及其制品能适应经济发展的需要，而不制约经济快速、健康地发展，必须坚持走可持续化并能与环境协调发展的集约化道路。目前，许多学者就如何发展

31、高性能混凝土及绿色高性能混凝土，从混凝土原材料选择、配比设计、试验标准、施工规程、政策法律、技术进步、研究方法、设备改造、宣传指导等方面，提出了许多中肯的意见和建议。1 综上所述，无论是从事高性能混凝土及绿色高性能混凝土的研究工作者、应用者（工程设计、施工企业、商品混凝土企业等），政府职能部门以及从事土木工程专业的教师们，乃至全社会都应该重视绿色高性能混凝土的研究及推广应用。369、反思中的认识发展观 9.1、以耐久性为标志的高性能混凝土概念引入我国，赋予了现代混凝土技术除满足高强度、流态化之外新的技术内涵。4 9.2、提高混凝土耐久性是混凝土业可持续发展的战略需要。 9.3、长期以来，水泥和混凝土分属建材、建工两大系统，历史形成的条块分割格局，不利于高性能混凝土产业发展方向。研究及生产适应高性能混凝土及绿色高性能混凝土的高质量水泥等系列产品。437 9.4、我国水泥工业的高速呈指数增长，加速了原材料资源的极大消耗，原材料资源逐渐枯竭。据有关部门调查，我国能生产水泥的石灰石贮量仅500亿吨，可采量50%，仅够水泥工业生产使用40年至50年。13 9.5、生产水泥的生态环境问题：我国排放CO2约7亿