高性能混凝土应用与生态环境

水利建设与管理・２００６年第９期　２９　画噻画画徊壁　画画鸯窗鲺画　万连宾　阿里木江　（额尔齐斯河流域开发工程建设管理局　乌鲁木齐８３００００）　【摘要】水泥的生产和利用，不仅消耗大量能源、资源，而且是环境污染的大户。高性能混凝土掺加掺合料，可节约　水泥用量，使工业废料变废为宝；高性能混凝土优良的技术性能和使用性能，使混凝土的耐久性提高，更大程度地节　约水泥和砂石骨料。本文结合高性能混凝土在应用研究的一些成果，阐述高性能混凝土对节约资源和能源、保护　和改善环境的作用。　【关键词】高性能混凝土　生态环境超细掺合料　１高性能混凝土的发展概况　高工作性对于施工者来说，操作方便，改善了劳动条件，　自水泥出现的１００多年来，水泥及水泥基材料不断向高　更易保证质量，加快进度，减少模板和劳力，可提前交工。　强度发展，特别是近５Ｏ年以来，由于使用者片面强调混凝土　高耐久性对于业主或用户来说，耐久性好，安全使用期　的高强度，而忽视混凝土的其他性能，造成水泥生产不断提　长，可减少维修费用，保证安全，这实际上是最大的经济效　高细度，增加硅酸三钙、铝酸三钙的含量，以提高水泥的标号　益；加快建设进度，按期或提前交付使用，也能创造效益。　来提高混凝土的强度：此外更多的是增加单方混凝土水泥用　高强度对于设计者来说，减小了结构断面，减轻了自重，　量，降低水灰比和用水量，使混凝土拌和物的流动性减小，造　增加了使用空间，有明显的节约效果，也便于建筑艺术与灵　成浇筑的混凝土难以密实和均匀。２Ｏ世纪８Ｏ年代前后大批　活性的发挥。　混凝土由于材质的劣化和环境介质的侵蚀，造成混凝土结构　２研究应用概况　的破坏，混凝土的耐久性问题变得越来越突出。在这样的背　２．１应用高性能混凝土环境特点　景下，高性能混凝土作为一种新型的高技术混凝土应运而　的自然环境恶劣，主要是施工期干燥、炎热，相对湿　生．１９９０年美国国家标准与技术研究所（ＮＩＳＴ）和美国混凝土　度小，全疆年均降雨量仅１４５ｍｍ，在时空上分布不均。特别干　协会（ＡｃＩ）首先提出高性能混凝土这一名词。这一概念为各　旱的地方，年蒸发量是降雨量的几十倍，这种环境使得混凝　国工程界广泛接受，１Ｏ年来不同国家的学者根据自己的认　土干缩开裂严重；尤其北疆属中温带，年均气温低于１Ｏ℃，最　识、实践情况对高性能混凝土的定义有各种不同的解释。　低气温达一５１．５℃，混凝土结构冻融循环频繁，冻融破坏严重；　总体上认为高性能混凝土是以实现混凝土的耐久性（抗　自然侵蚀介质多，土壤盐碱含量高。盐碱地多达８７０万ｈｍｚ，　冻融循环、抗腐蚀、抗磨、低徐变率等）作为主要设计指标，针　部分地下水中硫酸根离子、氯离子含量超标，硫酸根离子高　对不同工程用途要求，对混凝土耐久性、工作性、强度、体积　达３７００～６１００ｍｇ／Ｌ，氯离子高达２７５０～３７００ｍｇ／Ｌ，很多地方河　稳定性、经济性、适用性等性能予以有重点的保证。　砂、卵石属碱活性骨料。这些都会对混凝土造成严重侵蚀。　１Ｏ年来高性能混凝土的研究开发受到各国高度重视，美　２．２掺合料开发应用情况　国、法国、日本相继投入巨资成立专门研究机构，对高性能混　超细掺合料的开发应用是高性能混凝土实现的物质基　凝土进行研究，并在一些标志性工程中得到应用，如法国的　础之一。超细掺合料开发应用的品种有超细矿渣粉、粉煤灰、　若尼桥、美国的双联广场、日本的明石大桥以及一些国家设　硅粉、锂渣粉、沸石粉、磷渣粉、偏高岭土，试验证明以单组分　施的混凝土外壳等。　或多组分等量取代混凝土中１５％～５０％的水泥，混凝土力学　高性能混凝土在配制上具有低水胶比、掺加高效减水剂　性能不低于基准混凝土，但混凝土的工作性及耐久性均优于　和大掺量的超细掺合料的特点，选择一般的砂、石、水泥。　基准混凝土。　国内在发展高性能混凝土中体现混凝土的“三高”性能．　生产矿渣粉、粉煤灰、锂渣粉、沸石粉的资源十分丰　即高工作性、高强度、高耐久性。代表性工程有上海的杨浦、　富。每年各电厂排放的粉煤灰中有１５０万ｔ已开发利用：另　南浦大桥，首都机场等。　外，每年排放矿渣有４ｏ万ｔ，每年锂渣生产量６万ｔ（积存５ｏ　维普资讯 http://www.cqvip.com

万连宾等，高性能混凝土应用与生态环境　万ｔ），已探明沸石储量４０００万ｔ。　西部建设集团自２００３年投产开发应用ＫＭ超细粉　煤灰以来，已应用２０余万ｔ；玛纳斯、鸿雁池、苇湖梁等火力　发电厂年开发生产１５万ｔ　Ｉ级粉煤灰：利用八钢排放的矿　渣．乌鲁木齐地区有６家矿渣微粉厂年生产５万一１Ｏ万ｔ矿　产物Ｃａ（０Ｈ）：的碱性激发下与之产生二次水化反应；生成　Ｃ—Ｓ—Ｈ、Ｃ—Ａ—Ｈ等具有胶凝性的水化物。这种活性作用除与　掺合料的化学成分、结构形态有关外。主要还与掺合料的颗　粒细度有关。按比表面积计，矿渣微粉细度达４ＯＯ～Ｓ００ｍＶｋｇ，　Ｉ级粉煤灰细度达５００ｍ２／ｋｇ以上．硅灰细度达１５０００～　２５０００ｍ２／ｋｇ，它们都具有较高的活性，掺合料粒子越细，二次　水化反应的界面越大，反应速度越快，粒子的水化程度越高，　渣微粉；硅粉、锂渣粉也在部分混凝土工程中获得应用。　超细掺合料的利用，对于社会产生降低能耗、料耗，减少　噪声污染，变废为宝，清洁环境的重要作用，并消除不安全　使得掺有活性矿质细掺料的水泥浆体硬化后强度较高。足够　感，社会效益极其显著。　由于超细掺合料价格相对水泥较为便宜。比如粉煤灰和　矿渣微粉价格分别为水泥价格的１／３及２／３．在混凝土中等量　取代水泥直接的经济效益明显，随着粉磨工艺的不断改善，　掺合料价格将进一步降低：利用各种工业废料对减少环境污　染及资源节约的无形经济效益也非常巨大。　２．３高性能混凝土应用研究的成果　在乌鲁木齐引水工程中的乌伦古河渡槽．槽身预应力混　凝土采用高性能混凝土．以４Ｏ％的矿渣粉等量取代Ｐ．０４２．５Ｒ　水泥配制混凝土。实测２８ｄ强度等级大于Ｃ７０（７ｄ强度等级　已大于ｃ５ｏ），抗渗等级大于Ｗ３１，抗冻等级大于Ｆ６００，拌和　物坍落度１８０ｍｍ。扩散度大于４６０　ｍｌｎ。抗冻等级、抗渗等级　指标远高于设计及相关混凝土规范要求的最高值。同时也突　破了有关规范要求抗冻混凝土必须掺加引气剂的规定。以提　高混凝土密实性以提高混凝土的抗冻等级．预期安全使用寿　命可增长１倍以上。施工中创造一套适合于干热气候条　件下的高性能混凝土施工工艺．有效地防止了混凝土出现干　缩裂缝，工程实施效果很好。　在乌鲁木齐引水工程中，同时以矿渣粉为掺合料，对混　凝土和砂浆在干热条件下施工特性、混凝土抗硫酸盐侵蚀、　抑制碱骨料活性效能进行了系统研究。试验用矿渣粉按５０％　比例等量取代天龙Ｐ．０３２．５Ｒ水泥。模拟３５￣Ｃ及相对湿度　５０％的干热环境，结果证明，掺矿渣粉的混凝土／砂浆在干热　条件下，塌落度／稠度损失、含气量损失、凝结时间、干缩变形、　抗压强度、抗冻性能方面均好于不掺加矿渣的混凝土，砂浆：　试验以掺５０％矿渣粉等量取代Ｐ．０３２．５Ｒ屯河水泥与屯河高　抗ＨＳＲ５２５水泥进行了抗硫酸盐侵蚀性能比较。试验结果证　明，掺５∞ｂ矿渣粉２８ｄ抗蚀系数提高１６％．１８０天抗蚀系数　提高３６％；另外用掺５Ｏ％矿渣粉与掺２０％粉煤灰等量取代水　泥进行了抑制碱骨料活性效能试验比较。结果证明。掺５０％　矿渣粉比掺２０％粉煤灰抑制碱骨料活性效能好２Ｏ％。　可见掺加矿渣粉可提高硬化混凝土的密实性．使混凝土　的抗冻等级、抗渗等级、强度、抗侵蚀性能得以提高：混凝土　拌和物的和易性与抗离析性得到有效改善。其作用机理：一方　面由于矿渣粉属活性掺合料，具有超细掺合料的主要特性。　它含有活性ＳｉＯ：和活性ＡＬ　，成分。这些成分在水泥的水化　的活性矿质细掺料与Ｃａ（ＯＨ）：产生二次水化反应，减少了水　泥石中对强度贡献小的粗大结晶Ｃａ（ＯＨ）：数量（可由占水泥　石体积的２５％降至３％），还能使剩余的游离Ｃａ（ＯＨ）：以细微　晶体形态分布于水泥石中。与此同时．也改变了在普通混凝　土中Ｃａ（ＯＨ）：富集在水泥浆一骨料界面区内定向排列的结　构状态。这种微结构的改变，使水泥凝胶直接与骨料接触，界　面粘结强度得到改善．使混凝土抗压、抗折强度显著提高。二　次水化反应生成的水化硅酸钙．增加了水泥石中凝胶体含　量，使之致密度提高。同时，这种水化硅酸钙的ＵＳ小。化学　结合水少。凝胶体的致密程度也比一次水化反应生成的高钙　水化硅酸钙高。故其强度及耐久性更好。　另一方面充分发挥了密实填充作用（也称形态效应），水　泥颗粒之间的间隙由水泥凝胶，Ｃａ（ＯＨ）：晶体以及更细的颗　粒物料来填充。矿质细掺料颗粒比水泥颗粒细，经二次水化　后，仍然会剩下一部分未水化的粒子，这些细小颗粒作为微集　料填充于水泥颗粒的间隙中，从而使水泥浆体的孔隙率下降，　孔隙细化。堆积体系的密实程度与堆积料的颗粒级配密切相　关。当混凝土堆积体系中各组成材料的颗粒级配得当时（也即　各组成材料用量搭配合适时），混凝土可达到较大的密实度。　掺合料在房建、水利工程中得到广泛应用。自２０００年以　来累计浇筑５００余万ｍ３混凝土。２００３年至今应用速度尤为　迅猛．每年约有１５０万一２００万ｍ３混凝土掺加粉煤灰、矿渣粉　等掺合料，经济效益显著。　由于混凝土耐久性的增强和强度的提高使混凝土寿命　增长，混凝土维修重建的费用得以节约，混凝土建筑物本体　潜在的经济效益远比直接经济效益显著。　３结语　利用高性能混凝土。就是更多地利用工业废渣为掺和　料，节约更多的水泥，更大限度地发挥高性能混凝土的技术　性能和使用性能优势，提高混凝土的耐久性、使用寿命及使　用效率，减少水泥和混凝土的用量；从而改善环境。减少污　染，减少资源和能源的消耗，达到节约资源和能源的目的。高　性能混凝土是混凝土可持续发展的出路。有益于生态环境的　改善。社会经济的发展决不能以牺牲生态环境为代价．必须　对生态环境予以足够的重视。囹