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绿色高性能混凝土研究及应用进展综述


广







高等钢筋混凝土
结业论文

题 学 学 学

目:绿色高性能混凝土研究与应用进展 生: 号:0 院:土 王 6 1 木 1 工 4 程 2 康 2 学 06 6 院 级

专业班级:防灾减灾工程及防护工程

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绿色高性能混凝土研究与应用进展
王 康

摘要:在 21 世纪,人与自然必须和谐相处。为了实现可持续发展,我们必须发展绿色高性能混凝土,因为 它是混凝土目前和未来的发展方向。介绍了绿色高性能混凝土的基本概念、优越性能、实现途径等。总结 了绿色高性能混凝土在工程应用中的现状,分析了该领域存在的问题,总结了本领域的研究理念。 关键词:绿色高性能混凝土、生态环境;

STUDY ON AND APPLICATION OF GREEN HIGH PERFORMANCE CONCRETE
Wang kang
Abstract: People must be harmonious to get along with the nature in the 21st century. In order to realize the sustainable development, we must develop Green High Performance Concrete because that it is the trend of concrete development at present and future. In this paper, the concept, the excellent performance and the way of realizing the GHPC were presented. The present statuses of the engineering application of GHPC were reviewed. The problems of GHPC were analyzed. The principles of research on the GHPC were summed up. Key words: Green High Performance Concrete、 environment;

0 混凝土的发展方向 中国自改革开放以来,国家建设日新月异,取得了举世瞩目的成就。但经济高速发展 是一把双刃剑,我们为经济发展而欢呼的同时,也要看到它所带来的一系列问题。资源短缺 与环境污染日益成为制约我国经济发展的瓶颈。 水泥工业亦是如此: 水泥生产过程中资源和 能源消耗量大,对环境的污染严重。我国是世界水泥生产第一大国,每年排出 CO2 近 4 亿 t、 SO260 万 t、NOx100 万 t、粉尘 2000 万 t 左右,严重的破坏了生态环境。[1] 进入 21 世纪以来,国家政府提出坚持科学发展观,构建和谐社会。为了实现水泥工业 的可持续发展, 许多学者做了大量的科学研究: 为了实现城市垃圾的再次利用, 有学者对生态混凝土进行了研究, 并认为是以后混凝土 的发展方向。冯乃谦教授指出生态水泥(Eco-cement)是以生态环境(Ecology)与水泥(Cement) 的合成语而命名的, 它是一种新型的波特兰水泥。 这种水泥以城市垃圾烧却灰和下水道污泥 为主要原料,经过处理、配料,并通过严格的生产管理而制成的工业制品,从而把生活垃圾 和工业废弃物变成了一种有用的建设资源。再生利用是生态水泥的特征。[2] 为了更好的处理废弃混凝土, 实现混凝土的循环利用。 有学者提出了再生混凝土的概念: 再生混凝土是将废弃混凝土经过清洗、破碎、分级和按一定比例相互配合后得到的“再生骨 料”作为部分或全部骨料配制的混凝土。[3] 随着经济的发展,人们的环保意识逐渐增强。环境混凝土 [4]、环保型混凝土 [5]等概念 先后出现。 吴中伟院士提出绿色高性能混凝土是混凝土(GHPC)的发展方向。[6]国外学者 Aitcin 提出 21 世纪水泥工业应改名为水硬性胶凝材料工业, 他预言 21 世纪的混凝土发展方向是绿 [7] 色高性能混凝土。 1 绿色高性能混凝土的基本概念 世界环境组织提出广义“绿色”概念,其三大含义为:节约资源、能源;不破坏环境,

更应有利于环境; 可持续发展, 既可满足当代人的需求, 又不危害后代人满足其需要的能力。 最早提出绿色高性能混凝土概念的是吴中伟院士,他指出混凝土能否长期作为最大宗 的建筑结构材料,关键在于能否成为绿色材料。GHPC 是混凝土的发展方向,以后混凝土都 应成为 GHPC,亦即都将是绿色混凝土。[8] 同济大学孙振平等学者提出符合以下条件的 HPC 才真正能称得上是 GHPC: 所使用的水泥必须为绿色水泥(简称 GC);砂石料的开采应以十分有序且不过分破坏环 境为前提;最大限量地节约水泥用量,从而减少水泥生产中的“副产品”—-CO2,SO2 和 NOx 等气体, 以保护环境; 更多地掺加经加工处理的工农业废渣, 如磨细矿渣、 优质粉煤灰、 硅灰和稻壳灰等作为活性掺合料,以节约水泥,保护环境,并改善混凝土耐久性;大量应用 以工业废液, 尤其是黑色纸浆废液为原料改性制造的减水剂, 以及在此基础上研制的其它复 合外加剂,帮助其它工业消化处理难以处治的液体排放物;集中搅拌混凝土,消除现场搅拌 混凝土所产生的废料、粉尘和废水,并加强对废料、废水的循环使用;发挥 HPC 的优势,通 过提高强度,减小结构截面积或结构体体积,减少混凝土用量,从而节约水泥和砂、石的用 量;通过改善施工性来减小浇筑密实能耗,降低噪音;通过大幅度提高混凝土耐久性,延长 结构物的使用寿命,进一步节约维修和重建费用,减少对自然资源无节制的使用;对大量拆 除废弃的混凝土进行循环利用,发展再生混凝土。[9] 2 绿色高性能混凝土的优越性能 绿色高性能混凝土作为 21 世纪混凝土的发展方向具有以下优异性能: 2.1 免振自密实 日本学者认为[10],为了提高混凝土结构物的可靠性,不受混凝土浇注时施工工艺的影 响,必须发展免振自密实混凝土。这种混凝土在施工浇注时不仅节省人力,而且不需要振动 成型,既解决了过密配筋、薄壁、复杂形体、大体积混凝土施工的问题,又解决了高、深施 工、水下施工等特殊要求混凝土浇注技术难题,同时消除了噪音,提高了施工速度和质量。 免振自密实 GHPC 拌合物具有很高的流动性,可以自流平而充满模型,并且不泌水、不离 析,成型后质量均匀,不会产生普通混凝土那样由于振捣不当而造成的蜂窝、麻面和内部空 洞等质量缺陷。 2.2 优良的工作性 GHPC 因其原材料颗粒级配良好,加水量适宜,配合比合理,使用了高效外加剂(减水 率高达 20%-30%),掺加了足够量矿物细掺料(如粉煤灰等)来改善粒子级配,从而具有以下 的优良性能:良好的流动性,有利于输送和播料(以坍落度计可高到 20cm 以上);良好的充 填性,能填充密布的钢筋间隙和模板的角隅;良好的黏聚性,各组分不分离、不泌水,并能 粘裹钢筋和预埋件。 2. 3 高耐久性 GHPC 的结构决定了其高耐久性, 能有效地抵抗如下因素引起的破坏力: 冻融循环作用、 钢筋锈蚀作用、碳酸盐化的作用、淡水溶蚀作用、盐类侵蚀作用、碱集料反应、酸碱腐蚀作 用、冲击,磨损等机械破坏作用等。 2. 4 体积稳定性 保证大体积混凝土稳定性的关键因素是具有高的弹性模量, 低的干缩、 徐变与温度变形。 用天然材料虽然不难生产出强度 60-100Mpa 的混凝土,但弹性模量不能与强度成比例增 加。常规混凝土的弹性模量是 20-25GPa,而采用适宜材料与配合比的 GHPC 弹性模量可 以达到 40-45 GPa。一般混凝土的徐变与干缩变形常高达 0. 08%,而 GHPC 通过降低混凝 土中水泥浆的含量,采用高弹性模量、高强度粗骨料以及合理的配合比,可使混凝土干缩值 低于 0. 04%。[11] 2. 5 长久的使用寿命

据清华大学赵铁军、 童良等学者的研究成果显示[12][13], GHPC 可保证下列安全使用期(以 混凝土材质变化为主要因素): 正常环境中:200 年;重要建筑物在不利环境中:100 年(英国海港―油田平台、明石大 桥);特殊用途:300 年(法国核废料贮罐设计);钢筋混凝土预期可能:500 年(日本正在研究 中,完全可能)。 2. 6 显著的经济效益、环保效益、社会效益 2.6.1 更多地节约熟料水泥,减少环境污染 2.6.2 更多地掺加以工业废渣为主的活性细掺料 更多地掺加以工业废渣为主的活性细掺料对改善环境, 节约土地与石灰石资源, 节约能 源,效果十分明显。 2.6.3 更大地发挥高性能优势,减少水泥和混凝土的用量 利用 HPC 的高强早强来减小截面,降低自重,节省模板与工时,在高层建筑与大跨桥 梁中已收到很大效益;减少材料生产与运输能耗,保证和延长安全使用期,经济效益更大; 减少水泥与混凝土的用量是从根本上减少环境负担。 [6] 3 绿色高性能混凝土的实现途径 发展绿色水泥应采取的几个措施: 为尽快使我国水泥生产迈上“绿色化”轨道,应从以下几个方面着手: 3.1 开源节流 降低水泥用量, 进一步开拓原材料资源,加大原材料资源地质勘探工作的力度,摸清原 料资源的储量、品位和分布情况,与此同时,还要研究开发除石灰石和粘土以外的其它钙质 [14] 和硅质原料 ,使用海砂、再生骨料等多种代用骨料,保护自然资源。 3.2减少能耗 采取一切技术措施,尽可能节约水泥生产中的能耗。目前我国每生产1 t水泥熟料平均 约消耗152 kg标准煤, 而世界先进水平为105 kg。 如果我国的节能技术提高到世界先进水平, 按年产3亿t水泥熟料计算,则每年仅水泥生产中就可节约标准煤1310万t。实现这一目标, [15] 必须创建新型干法生产线,提高煤炭利用效率并完善现有的粉磨设备 。 3.3.加大对其它工农业排放废物循环利用的力度 3.3.1 用可燃废物作燃料 在垃圾焚烧厂焚烧工业垃圾不仅污染环境, 而且浪费了热能, 如果将可燃垃圾用作水泥 熟料的有效燃料,将十分有益。 3.3.2 将活性硅含量较高的废渣用作混合材 可作为水泥混合材的工农业固体废物除了熟知的粒化高炉矿渣、 粉煤灰、 硅灰和稻壳灰 外,还有其它如磷渣、电石渣和钢渣等,石灰石、沸石和烧粘土等也常被用作掺合料。 3.3.4.更严格地限制粉尘的排放 我国目前水泥工业控制粉尘排放量的水平还相当低, 只相当于发达国家五六十年代的水 平,情况十分令人担忧。应尽快加装有效的吸尘设备并加强操作管理,将粉尘排放量降低到 50 mg/m3 以下甚至接近于零。 3.3.5.大力推广散装水泥 散装水泥避免使用包装纸袋或塑料袋, 防止了水泥袋拆用后造成的废弃物对环境的二次 污染;采用散装水泥同时也为混凝土生产中采用机械化自动上料、自动称量、减少浪费和污 染提供了一定保证。 3.3.6 使用绿色混凝土外加剂,防止室内环境污染,保护人体健康 3.3.7 提高混凝土结构的安全使用寿命,减少因修补或拆除旧混凝土结构物造成的浪费 3.3.8 大力推广预拌混凝土,减少环境污染

因此,水泥生产企业应尽快转化观念,在现存立窑的基础上加快窑体改型,从燃料、收 尘、工业废渣利用、废气循环利用等几个方面找突破口,生产出绿色含量高、品种齐全、质 量上乘的水泥,这是对 GHPC 在原材料方面的重要保证之一。[9][16] 4 绿色高性能混凝土的应用 绿色高性能混凝土可分为两类:减轻环境负荷型混凝土、生态友好型混凝土。 4.1 减轻环境负荷型混凝土 所谓减轻环境负荷型混凝土,是指在混凝土的生产、使用直到解体全过程中,能够减 轻给地球环境造成的负担。常见的此类混凝土如下: 使用免烧水泥、混合材料的混凝土、利废环保型混凝土、免振自密实混凝土、高耐久性 混凝土、人造轻骨料混凝土。[17][18] 本文着重介绍利废环保型混凝土,此类混凝土常见的有:生态混凝土、再生混凝土。 4.1.1 生态混凝土 生态混凝土是以城市垃圾焚烧灰或污泥及石灰石为主要原料, 通过烧成及粉磨而获得的 水硬性胶凝材料。我国城市垃圾年产量已达到 1.46 亿 t,而且以每年 9%的速度递增,全国 666 座城市中有 200 多座已陷入垃圾包围之中。 我国城市水泥企业利用城市垃圾生产生态水 泥不仅是必要的,也是可行的。我国最终要实现城市垃圾处理的无害化、资源化、减量化、 社会化和产业化, 发展生态水泥是实施可持续发展战略的重要组成部分, 是将各大城市建成 [19] 生态化城市必不可少的重要环节。 实践证明生态混凝土可以彻底解决城市垃圾和污泥问题, 是保护生态环境, 实现零污染 [20] 最为有效的途径。 生态水泥中由于含 1%左右的 Cl, 有理由担心在钢筋混凝土中使用时, 易引起钢筋锈蚀。 因此,一般都用于素混凝土中。而施工中,除了掺入缓凝剂外,还可以与普通水泥混合使用。 具体应用有:①道路混凝土;②水坝用混凝土;③消波块、鱼礁块等海洋混凝土;④空心砌 块、密实砌块等;⑤木片水泥板等纤维制品。 湿地、沼地等软弱地基改良中,可使用生态水泥为固化剂。实践证明:处理过的土壤,其 早期强度发展良好,可以认为生态水泥完全适用于软土壤的加固中。[2] 4.1.2 再生混凝土 再生混凝土把废弃混凝土块经过破碎、 分级并按一定的比例混合后形成的骨料称为再生 骨料(recycled aggregate),而把利用再生骨料作为部分或全部骨料配制的混凝土,称为再生 混凝土(recycled concrete)。[21]随着国民经济的发展。越来越多废旧建筑物需要拆除,这样就 会产生大量的废弃混凝土块,既带来环境污染,又造成资源浪费。利用废弃混凝土块生产再 生骨料代替天然砂石骨料配制再生混凝土的技术, 采用再生粗骨料和天然砂组合, 或再生粗 骨料和部分再生细骨料、部分天然砂组合,制成的再生混凝土强度较高,具有明显的环境效 益和经济效益。[22] 4.2 生态友好型混凝土 生态友好型混凝土即能够适应生物生长、对调节生态平衡、美化环境景观、实现人类与 自然的协调具有积极作用的混凝土材料。常见的有以下几种:植被混凝上、透水性混凝土、 绿化景观混凝土。[17]目前研究开发的生态友好型混凝土的功能有污水处理、降低噪音、防 菌杀菌、吸收去除 NOx,阻挡电磁波以及植草固砂,修筑岸坡等。国外应用于水环境治理处 理的生态混凝土通常为大孔混凝土(Porous Concrete)。由于在混凝土内具有大量的连通孔, 因此透水性好,并可通过其物理、化学、物理化学以及生化作用来净化污水。并且由于其透 水透气,可以用于修复天然水域的生态环境。[23] 5 绿色混凝土的评价 我们不仅要定性的认识绿色混凝土, 更为重要的是定量的认识绿色高性能混凝土。 因此

我们引入了绿色度[18]这一概念。产品在其整个生命周期中对资源和能源的消耗及利用率、 对环境危害程度大小 (亦即产品对环境的友好程度) 的综合评价指标, 称为产品的 “绿色度” 。 东南大学张云升博士、孙伟院士等利用 Delphe 和物元分析的方法对混凝土的绿色度进 行综合评价, 建立了绿色混凝土的量化评价理论模型, 并将其成功地应用于混凝土绿色度的 [24] 评价。 北京东方建宇混凝土科学技术研究院的一些工程师也建立了自己的评价方法,得出了 绿色混凝土的评价公式:[25]

D ? ?n ? ?m ? ?l ? ?C ? ?DF ? ?Q
? n——掺入掺合料后能耗减少的比例; ? m——掺入掺合料后资源消耗减少的比例; ?l——掺入掺合料后 C02 排放减少的比例;; ? C——掺入掺合料后碳化值变化幅度; ? DF——掺入掺合料后耐久性指数变化幅度; ? Q——掺入掺合料后电通量变化幅度。
混凝土绿色度分级验收指标 非绿色混凝土 D<0.1 低绿色度混凝土 0.1≤D<0.3 中绿色度混凝土 0.3≤D<0.5 高绿色度混凝土 D≥0.5

6 绿色混凝土存在的问题: 6.1 造价问题 由绿色高性能混凝土对原材料的要求较高, 同时也需要较高的管理水平。 所以绿色高性 能混凝土造价要比普通混凝土高。一方面我们要加强科研力度,努力降低造价,另一方面, 我们要努力推广绿色高性能混凝土的运用。 因为从长远考虑, 绿色高性能混凝土的价值要高 于普通混凝土。 6.2 早期开裂问题 清华大学安明哲博士对 GHPC 的自收缩进行了较系统的研究,根据水胶比对毛细孔自 由水含量、毛细空隙率与孔分布、弹性模量与徐变系数等的作用,提出:自收缩主要发生在 3d 内,随龄期而减缓。自收缩随水胶比的减小而增大,尤以初凝到 1d 时差异最明显,1d 到 28d 基本相同,即水胶比愈小,1d 内自收缩愈大。 为了抑制自收缩,安博士提出:必须重视早期养护,初凝后立即用内衬塑料绒钢模或透 水模板供水; 用饱水轻质多孔集料或多孔活性细掺料进行 “自养护” :掺加粉煤灰 10%-30%, 掺入适量的可控制膨胀速度的膨胀剂和保水外加剂。 以上措施,还须在现场实践验证,找出更好的易于推广的方法。目前因早期养护困难, 使墙板早期裂缝较普遍,而平面则可尽早喷水覆盖及尽早洒水和蓄水来提前养护。 6.3 超细磨工艺与设备 6.4 超叠加效应的研究与开发 GHPC 中胶结材、外加剂等复合所产生的超叠加效应,远比玻纤增强塑料复杂,它包含 着不同层次的粒子(中心质)及其与相应介质的界面,对各种性能的提高起着各自的作用,必 须通过多学科协同,用近代研究方法与手段进行综合研究与分析。 6.5UHPC 的研究开发 包括材料、工艺、结构形式与设计方法等。[6] 6.6 正确处理科技创新和遵循现行规范、标准间的关系 规范和标准是在总结前人实践的基础上制订的, 需要尊重, 但是这并不等于只能一味地

遵循、照搬。伴随着工程实践的创新和发展,规范和标准也需要不断更新、改进。从这个角 度来说,与设计、施工相结合的科研工作,目的就在于将规范和标准不断地推进,反过来促 进工程实践与理论的发展。 6.7 绿色混凝土的设计理念 如何确定和优化现今混凝土,尤其是 GHPC 的组分与配比,确实存在相当大的困难。 人们将混凝土的设计简化,忽略工程环境差异等影响,而套用水泥厂家检验产品质量的方 法――固定其他参数,仅变更产品样本进行比较,这种方法适用于评价产品质量的稳定性, 但用于设计混凝上这类工程材料时,就很容易脱离工程实际、脱离整体。 这种设计理念给 GHPC 的发展造成了很大障碍。因为众所周知,混凝土的水灰比和强 度成反比,即水灰比越大,强度越低;掺入矿物掺合料并取代部分水泥,与水胶比相同的空 白混凝土对照时,由于矿物掺合料的活性一般都低于水泥,因此混凝土强度(尤其是早期强 度)总是低于原空白混凝土。随着矿物掺合料的掺量加大,差异愈加明显,这就是大多数现 行规范和标准中总是对矿物掺合料的掺量进行限制的原因。[26] 在实践过程中,我们要重视 “性能设计”这种整体论设计理念,以求克服以分解论实 [27] 施混凝土设计理念的局限性。 传统配合比设计方法已不适应于 GHPC。如何建立科学的设计方法,是 GHPC 发展的 关键技术之一。 由于原材料多和性能要求高,GHPC 的设计难度应大于常规混凝土。 各国学者采用了不同的方法,方向是计算机专家系统。 美国学者梅塔等根据经验,设定 GHPC 中水泥与集料的体积比为 35:65,并根据不同 强度设定用水量,使 GHPC 试配配合比的设计大为简化。根据试配结果,不断调整配比求 得最终配合比。 日本学者提出以最高用水量来试配 GHPC 的方法: 试配强度为 50-60MPa 的混凝土时, 3 用水量为 165-1751/m , 而试配 75MPa 混凝土时, 其用水量为 150 1/m3, 以后每增加 15MPa, 3 [11] 用水量减少 10 l/m 。 6.8 实验室试验与工程现场间的关系与差异 对于绿色高性能混凝土,实验室试验的结果与工程现场之间存在的差异是非常显著的, 有时甚至呈现完全相反的结果。这不仅反映出实验室模拟现场存在困难(例如试件小、构件 大;试件变形自由、构件变形受约束;试件制作与养护条件固定、构件工作环境多变;试验 条件人为设置、现场情况随机变化) ,从根本上说,它反映了采用分解论思想进行试验研究 必然带来的脱离工程实际的结果。[26] 6.9 GHPC 的耐久性及其它性能评定方法问题 GHPC 除了常用的组成材料(水泥、砂、石、混合材和水)以外,还需加入超塑化剂、膨 胀剂、增稠剂等外加剂。它们对混凝土的耐久性及其它性能有何影响,不是现有的单一性检 测方法可以评定的。需要开发检测 GHPC 耐久性及其它性能的系统,研究其机理和影响耐 久性的动力学问题。[11] 7 绿色高性能混凝土的研究方法 绿色高性能混凝土的发展过程中,还存在着这样或者那样的问题需要我们解决。我们 必须有正确的科学思想来指导,不断进行科技创新,实践、积累、再创新,并不断取得实效。 宏观的环境性能与粗观的物理力学性能以及应用中取得的各种功能,都已证明GHPC必须加 速发展,它是水泥基材料的未来。亚微观微观研究将为GHPC的发展与提高提供依据。目前亚 微观与微观研究, 己为HPC的高性能提供了科学解释。水泥基材料科学研究是整体论与分解 论的结合。 我们需要认真采用整体论与还原论综合集成的正确科学思维方式, 迅速提高水泥 [28][29] 基材料科学与工程的科技水平。

清华大学覃维祖教授是这样理解从整体上研究混凝土的: 以混凝土为整体,而不是水泥石;以混凝土结构,而不是材料为整体;以工程所处环境 为整体发展 GHPC;以可持续发展的大局为整体发展 GHPC。[27] GHPC 的科技工作必须遵循整体论与还原论结合的综合集成的科研思想,不断创新。 8 结语 有关资料[30][31]显示,我国的混凝土工业在污染防治与能源消耗控制方面与发达国家还 存在着相当的差距,还有许多艰巨的任务要完成。我们必须高度重视保护生态环境的意义, 坚持科学的发展战略, 全力发展绿色高性能混凝土。 发展的过程必须有政府的控制管理和法 律、法规的保障, 必须有企业的自律和积极参与, 必须有科技的投入和创新。有了这些,我 们可以相信:混凝土的未来是绿色的。
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