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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学校外硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员,中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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绿色混凝土应用技术研究  

2015-05-29 07:19:42|  分类: 混凝土理论知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1绿色混凝土

1.1什么是绿色混凝土

绿色混凝土是指在保证混凝土性能的前提下,减少水泥用量;大量利用优质的工业废渣代用骨料,尽量减少自然资源和能源的消耗;提高混凝土的工作性,减少生产过程中带来的噪音污染;采用预拌混凝土技术,提高混凝土质量,减少现场搅拌引起的粉尘等环境污染;提高混凝土的耐久性,增加混凝土的使用寿命,尽量减少因修补或拆除造成的经济浪费;大量地利用废弃混凝土和建筑垃圾而合成混凝土。而所谓绿色混凝土必须具备以下的条件:1.具有比传统的混凝土材料更优秀的强度和耐久性,即满足结构和力学要求、使用功能以及使用年限的要求。
     2.具有与自然环境的协调性,减轻对地球环境系统的负荷,实现非再生性资源的可循环使用,节省能源,以及有害物质的“零排放”。
     3.利用混凝土特殊的特性能够为人类提供温和、舒适、便捷的生存环境。

1.2 绿色混凝土的种类

混凝土常按照密度的大小分类,一般可以分为普通混凝土、重混凝土、轻混凝土,还有为满足不同工程的特殊要求而配制的各种特种混凝土,如防水混凝土、耐热混凝土。而绿色混凝土在现在的研究中大体可以分为以下几种:绿色高性能混凝土
    真正的绿色高性能混凝土应该是节能型混凝土,所使用的水泥必须为绿色水泥。普通水泥生产过程中需要高温锻烧硅质原料和钙质原料,消耗大量的能源。如果采用无熟料水泥或免烧水泥配制混凝土,就能显著降低能耗,达到节能的目的。如碱矿渣水泥利用工业废渣与某些碱金属化合物发生化学反应,替代水泥胶凝材料,可将硅酸盐水泥生产工艺的“两磨一烧”简化为“一磨”,是一种低能耗、低成本的绿色水泥。
    绿色水泥工业是指研究开发、改进水泥生产工艺及技术装备,循环利用生产和生活中的废渣和废料,提高资源利用率和二次能源回收率,达到节能、节约资源的目的。如哈尔滨水泥厂6号窑每天生产2500t高质量绿色水泥的同时,可处理包括毒鼠强、废弃电池等特种垃圾在内的城市可燃垃圾和工业废弃物400t,由于回转窑内气体温度达l500 ℃ 左右,可使垃圾中99.99%以上的有机有害成分分解,实现了低成本、易实施、无再生垃圾、完全彻底地处理城市垃圾,是城市垃圾处理的最佳途径之一。此外还有再生混凝土,生态混凝土。介于绿色混凝土种类繁多,不宜分析,因此下面主要介绍绿色混凝土中的绿色高性能混凝土2.绿色高性能混凝土高性能混凝土(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(ACl)召开会议,首先提出高性能混凝土(HPC)这个名词,认为HPC是同时具有某些性能的匀质混凝土,必须采用严格的施工工艺与优质原材料,配制成便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期强度高,并具有韧性和体积稳定性的混凝土;特别适合于高层建筑、桥梁以及暴露在严格环境下的建筑物。

2.1绿色高性能混凝土原材料

(一)水泥水泥的品种通常选用绿色硅酸盐水泥和绿色普通水泥,也可采用绿色矿渣水泥等。强度等级选择一般为:C50~C80混凝土宜用强度等级42.5;C80以上选用更高强度的水泥。1m3混凝土中的水泥用量要控制在500kg以内,且尽可能降低水泥用量。水泥和矿物掺合料的总量不应大于600kg/m3。
  (二)掺合料
    1.硅粉:它是生产硅铁时产生的烟灰,故也称硅灰,是高强混凝土配制中应用最早、技术最成熟、应用较多的一种掺合料。硅粉中活性SiO2含量达90%以上,比表面积达15000m2/kg以上,火山灰活性高,且能填充水泥的空隙,从而极大地提高混凝土密实度和强度。硅灰的适宜掺量为水泥用量的5%~10%。
    2.磨细矿渣:通常将矿渣磨细到比表面积350m2/kg以上,从而具有优异的早期强度和耐久性。掺量一般控制在20%~50%之间。矿粉的细度越大,其活性越高,增强作用越显著,但粉磨成本也大大增加。与硅粉相比,增强作用略逊,但其它性能优于硅粉。
    3.优质粉煤灰:一般选用I级灰,利用其内含的玻璃微珠润滑作用,降低水灰比,以及细粉末填充效应和火山灰活性效应,提高混凝土强度和改善综合性能。掺量一般控制在20%~30%之间。I级粉煤灰的作用效果与矿粉相似,且抗裂性优于矿粉。
    4.沸石粉:天然沸石含大量活性SiO2和微孔,磨细后作为混凝土掺合料能起到微粉和火山灰活性功能,比表面积500m2/kg以上,能有效改善混凝土粘聚性和保水性,并增强了内养护,从而提高混凝土后期强度和耐久性,掺量一般为5%~15%。5.偏高岭土:偏高岭土是由高岭土在700~800℃条件下脱水制得的白色粉末,平均粒径1~2μm,SiO2和Al2O3含量90%以上,特别是Al2O3较高。在混凝土中的作用机理与硅粉及其他火山灰相似,除了微粉的填充效应和对硅酸盐水泥的加速水化作用外,主要是活性SiO2和Al2O3与Ca(OH)2作用生成CSH凝胶和水化铝酸钙(C4AH13、C3AH6)水化硫铝酸钙(C2A H8)。由于其极高的火山灰活性,故有超级火山灰(Super-Pozzolan)之称。 (三)外加剂高效减水剂(或泵送剂)是高性能混凝土最常用的外加剂品种,减水率一般要求大于20%,以最大限度降低水灰比,提高强度。为改善混凝土的施工和易性及提供其它特殊性能,也可同时掺入引气剂、缓凝剂、防水剂、膨胀剂、防冻剂等。掺量可根据不同品种和要求根据需要选用。(四)砂、石料一般宜选用级配良好的中砂,细度模数宜大于2.6。含泥量不应大于1.5%,当配制C70以上混凝土,含泥量不应大于1.0%。有害杂质控制在国家标准以内。石子宜选用碎石,最大骨料粒径一般不宜大于25mm,强度宜大于混凝土强度的1.20倍。对强度等级大于C80的混凝土,最大粒径不宜大于20mm。针片状含量不宜大于5%,含泥量不应大1.0%,对强度等级大于C100的混凝土,含泥量不应大于0.5%。2.2高性能混凝土配合比设计方法 2.2.1我国现阶段采用的一般高性能混凝土的配合比方法我国对高性能混凝土的配合比设计也还没有统一的标准。鉴于高性能混凝土配合比设计理论尚不完善,现阶段绿色高性能混凝土可尊循下列原则进行。高性能混凝土施工配制强度按GB50204-92《混凝土结构工程施工及验收规范》规定的公式计算确定fcu.o=fcu.k+1.645δ式中  fcu.o——施工配制强度,MPa;fcu.k——设计的混凝土强度标准值(强度等级),MPa;δ——施工单位混凝土施工历史积累的强度标准差,MPa。如果无施工单位积累的δ值,可以根据下表推荐的数值选取:混凝土配制强度标准差
    (一)水灰比W/C一些研究发现,当要求配制的高性能混凝土强度达到一定值时,W/C与混凝土的强度fcu的关系就开始偏离鲍罗米直线方程fcu=A*fce(C/W-B)。并且发现,当掺入较多的活性超细粉后还存在“有效灰水比”和“实际灰水比”的区别。所谓“实际灰水比”是指水泥掺量与超细粉掺量的总和与拌合水掺量的比值。“有效灰水比”是指活性超细粉的活性指数φ〉=1时超细粉在混凝土中对强度的贡献将达到或超过水泥,因此有效灰水比(W/C)'应为(C/W) '=C+φ*Sp/W式中C——水泥掺量Sp——超细粉掺量由此推导出掺活性超细粉的高性能混凝土的强度公式为Fcu.28=α*fcc(C+φ*Sp/W)b式中,α,b为掺加某特定超细粉是通过实验并经数学归纳得到的经验常数。 配制高性能混凝土式W/C推荐选取范围注:1.本表中W/C中,c为水泥用量和超细粉的总量。当用硅灰,超细沸石粉时取高限;用超细矿渣分或超细璘粉时取下限。2.混凝土标号高时,W/C取下限,反之取上限。3.如用真空脱水法施工,W/C可比上表所列数值大。 

(二)用水量和水泥用量
    普通水泥中用水量根据坍落度要求、骨料品种、最大粒径选择。绿色高性能混凝土可参考执行,最大的粒径一般在10-20之间。参照普通混凝土,当坍落度要求在10-90mm之间时,碎石最大粒径为16-20mm时混凝土用水量为185-215kg/m3。如果按此用水量的选取范围,经验证明至多能配制出C55标号的混凝土,而且抗渗性、抗冻性都达不到高性能混凝土的要求。因此配制高性能混凝土必须掺入高效减水剂和超细粉。如果固定粗集料最大粒径对用水量的影响,混凝土的坍落度由高效减水剂来调节,则混凝土的强度及抗渗性和抗冻性与用水量和掺超细粉种类有如下表关系。高性能混凝土用水量选取范围/kg/m3注:超细粉的掺入量为等量取代水泥量 

(三)砂率高性能混凝土合理砂率一般说,胶结料用量越多,砂率应适当减小;砂的细数模数越大,砂率则应相应增大。对泵送高强混凝土,砂率的选用要考虑可泵性要求,一般为34%~44%,在满足施工工艺和施工和易性要求时,砂率宜尽量选小些,以降低水泥用量。从原则上来说,砂率宜通过试验确定最优砂率。
    (四)高效减水剂
     高效减水剂的品种选择原则,除了考虑减水率大小外,尚要考虑对混凝土坍落度损失、保水性和粘聚性的影响,更要考虑对强度、耐久性和收缩的影响。
     减水剂的掺量可根据减水率的要求,在允许掺量范围内,通过试验确定。但一般不宜因减水的需要而超量掺用。
    (五)掺合料
    其掺量通常根据混凝土性能要求和掺合料品种性能,结合原有试验资料和经验选择并通过试验确定。其他的计算步骤与普通混凝土基本相同。

2.3   高性能混凝土技术性能的研究

任何事物都是矛盾的统一体 ,当一方面的问题得到解决时 , 另一方面的问题又出现了 。在高性能混凝土原材料方面,除了普通混凝土的原材料外,还需要添加矿物质掺合料与外加剂。这就与以前的普通混凝土有很大的不同,这样就可以减少混凝土的水灰比,可以大幅度提高混凝土的密实度,同时增加混凝土的耐久性,这样就可以解决长期以来困扰混凝土的大问题。但是这些物质的掺入,也带来了一系列的副作用。2.3.1  坍落度损失过大对于普通混凝土来说,混凝土发生流动性的损失是一种正常的行为,没有流动性损失混凝土就不会凝结硬化。而对于水灰比很低的高性能混凝土,拌和物的原始坍落度很低,甚至测不出来,其高流变性是由掺入高效减水剂实现的。这种由于外加剂的作用而增大的流动性随时间下降得很快,例如30min可下降50%,60min可回到原始状态,流动性保持的时间大大低于施工各工序要求的时间,为非正常的流动性损失。流动性急剧损失是加入高效减水的混凝土拌和物所特有的行为,它会给商品混凝土施工造成很大的困难。减水剂的减水率越大,这种损失越明显;温度越高,流动性损失越快。近年来,随着流态混凝土技术和泵送技术的发展,高效减水剂的使用日益增多,流动性损失现已成为国内外的重要研究课题(1)坍落度损失过大的原因混凝土坍落度的损失是由水泥水化的进行以及自由水分的蒸发引起的。在混凝土中加入高效减水剂后,不仅可解放缚水,而且能增加水泥水化的比表面积。Khalil s m等的实验表明,水泥开始水化时,由于减水剂的存在,使得放热量降低;随后,水泥颗粒的分散作用使水泥颗粒的比表面增大,水化过程加速,放热增大。这是因为减水剂吸附在水泥颗粒上时,阻碍了水泥与水的反应,推迟了新晶体的生成,早期水化阶段明显推迟。但是当第二阶段水化反应开始时,迅速从拌和物中吸水,使坍落度损失大大超过未掺减水剂的拌和物坍落度损失。(2)减少坍落度损失过大的方法现在减少高性能混凝土坍落度损失过大的最主要的方法有以下几种:掺入粉煤灰:高性能混凝土中掺入粉煤灰,可改善混凝土的流动性,抑制坍落度的损失。研究表明,由于粉煤灰的掺入延长混凝土凝结时间作用,从而使坍落度损失减少,同时,粉煤灰颗粒表面部分覆盖着易于溶解的汽化沉淀形成的碱性硫酸盐,由于水泥中的石膏溶解度较低。而硫酸根离子在水化初期能有效延缓铝酸盐的水化。从而有效的抑制混凝土拌合物坍落度损失。   但是,掺入粉煤灰时,也要注意掺入量。因为掺入粉煤灰会过大不仅会降低混凝土的强度,同时在掺入大量粉煤灰的时候还会带来混凝土的初凝时间会延长的问题。研究表明,随着粉煤灰掺入量增加,3d强度不断下降,28d的强度先增加后减少。说明粉煤灰掺入量存在一个最佳掺量。 粉煤灰的掺入与坍落度与抗压强度的关系   从上面的数据可以看出粉煤灰在占胶凝材料的20%-30%是最好的掺入量。 2.3.2 裂缝问题配制高性能混土的主要技术措施包括增加胶凝材料用量、掺入活性矿物掺合料(如硅粉、磨细矿渣粉等)、填加超塑化剂降低水胶比等途径。低水胶比与高活性细掺料的大量掺入,致使高性能混凝土的硬化特点与内部结构。同传统的普通混凝土相比有很大的差异。随之带来了早期体积稳定性差,容易开裂等问题。混凝土的开裂将导致结构渗漏、钢筋锈蚀、强度降低,进而削弱耐久性。造成结构物破坏、坍塌的危险。敏严重影响建筑物的安全性能与使用寿命。高性能混凝士在我国的应用实践表明,早期开裂问题已成为制约其在工程中应用的重要因素。研究认为自收缩与温度收缩是引起高性能混凝土早期开裂的主要原因。绿色高性能混凝土同普通混凝土相比有以下特点:(1)水泥标号偏高,掺入了大量的高细度矿物掺合料;(2)水胶比小,水泥浆体积的相对含量高;(3)水泥水化快,水化结束得早;(4)水泥石结构密实,总孔隙率降低,毛细比细化。且界面过渡区消失。由此可见,绿色高性能混凝土具有强度高、密实度大等特点,高强度混凝土是高性能混凝土的重要组成部分。   基于高性能混凝土的上述特点,其体积稳定性也与普通混凝土有显著差别,即:自收缩并且主要发生在早期;温度收缩大,并且温度收缩出现的时间提前;水分向周围环境散失而引起的自干燥收缩相对来说较小,但其实测值(其中包括部分自收缩值)并不一定小,而且干燥开始的时间愈早,混凝土的这一实测值愈大。由此可以推断,自收缩与温度收缩是引起高性能混凝土早期开裂的主要原因,这种早期体积稳定性不良的特点与其早期弹性模量增长快、而抗拉强度并无显著提高等力学特点相同,造成了高性能混凝土的早期抗裂性差。混凝土的温度收缩及裂缝控制技术已很成熟,有关温度收缩的影响因素、预测模型、温度收缩引起的开裂形势及防治措施等方面的研究很多,可供高性能混凝土研究与应用借鉴,但是混凝土的自收缩问题尚有待进一步研究。(1)产生高性能混凝土自收缩的原因混凝土的自收缩是指混凝土内部与外界在没有水分交换的情况下,由混凝土内部自干燥作用所引起的宏观体积收缩,它是混凝土初凝后就开始产生了。很多学者认为,混凝土的自收缩就是水化收缩(又称硬化收缩或化学收缩),但实际上这是两个完全不同的概念,水化收缩指的是混凝土内部水化反应过程中,水化产物的绝对体积同水化前水泥与水绝对的体积之和相比有所减少的现象。硅酸盐水泥的水化收缩率约在7%-9%范围内,水化收缩在混凝土初凝前后的宏观表现形式并不相同,即初凝前拌合物具有良好的塑性而形成水泥石骨架,因此它并不直接引起宏观体积变化,而是以形成内部孔隙的形式表现出来,常用的硫酸盐类膨胀剂与水泥共同作用形成钙矾石时,也会发生水化收缩,但此时体系的宏观体积却发生膨胀,由此可以证明,初凝后混凝土的水化收缩与体积变化有直接的关系。混凝土初凝后的水化收缩,使混凝土内部无水的孔隙增加,因此自无外界供应水的条件下,混凝土内部发生自干燥现象,而自干燥作用引起的体系宏观体积收缩就是自收缩。由此可见,自收缩的产生机理与干燥收缩相类似,它与水化收缩是两个不同的概念,水化收缩引起的混凝土内部自干燥是造成自收缩的最直接原因。(2)解决高性能混凝土收缩的方法自收缩已经成为影响高性能混凝土体积稳定性的重要因素。对混凝土的强度、早期抗裂及抗渗性能都产生极为不利的影响,通过理论分析与试验研究,提出了有效抑制高性能混凝土自收缩的具体方法。

1、掺入减缩剂,减水剂通常是表面活性剂,使通过减少孔隙水的表面张力而降低干燥过程中的表面应力的产生,即减少收缩。

2、养护,为消除自收缩需要有养护 有适当的养护以保证充足的水分,能够渗入到混凝土中以补偿自干燥作用。并很快进入局部干燥的孔隙,很明显传统的混凝土密封养护在这里是没有很大作用的。传统的另一养护是硬化后围水养护,这虽比密封养护好,也不能完全消除自干燥,这种局限归因于低水胶比的混凝土中,很小程度的水化就是以发展一定程度的抗渗性,从而限制了水的进入,即使水养,混凝土外部可能膨胀,而内部仍有自收缩,且拭件尺寸越大,这种现象越明显。   

3、选择不同的材料,选用低的C3A 和C4AF高C2Sde水泥以减低水化热。水泥继续水化是自收缩的根本原因,水泥矿物质成分的水化速率、水化程度与结合水含量是影响自收缩大小的关键,水化速率最快的C3A影响最大,其结合水含量也最高,其次是C4AF,影响最小的C2S与C3S,不同水泥类型对自收缩的影响,实质上是对不同矿物成分对其的影响,高铝水泥与早强水泥因C3A含量高,自收缩较大,低热水泥和中热水泥因C2S含量高而自收缩较小。对矿渣水泥,则水化后期自收缩值较大。

4、建立混凝土的自收缩的测定方法。 已有的混凝土自收缩的测定方法,其测定的结果不够理想,需要建立一套科学而有效的适用于高性能混凝土的自收缩方法需要通过试验明确不同掺合料、不同掺量的各强度等级的水胶比混凝土自收缩范围。为高性能混凝土的结构提供合理参数通过理论明确自收缩机理。在此基础上从水泥的组成、微观结构、湿度环境及力学性能等特点出发,建立起高性能混凝土的自收缩模型与试验测试手段(宏观与微观)相结合,深入分析和研究水泥用量、水胶比、矿物掺合料的品种与等量自收缩的影响。    

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