綠色混凝土應用技術研究
摘要：
隨著我國國民經濟的迅速發(fā)展，環(huán)境保護問題日益突出。在建筑行業(yè)中，混凝土是世界上最大宗的建筑材料，綠色混凝土是其主要的發(fā)展方向，但是在綠色混凝土應用中還存在許多的不足。本文主要針對綠色混凝土應用中出現的問題進行分析對比研究，提出了相應的解決措施，并且對一些工程實例進行了綠色混凝土配合比設計，對于綠色混凝土的推廣應用具有積極意義。
關鍵詞：
綠色混凝土 可持續(xù)發(fā)展 高性能混凝土
The study of green concrete’s applicative technology
Author: chenjie Company:LiYe construction
Abstract：
With the rapid development of China's national economy, environmental protection issues have become increasingly prominent. In the construction industry, concrete is the world's largest building materials, green concrete is the main direction, but also has many insufficiencies in the green concrete application.. The main applications for green concrete analysis of the problems with the study, made the corresponding solutions, and examples of some works than with the green concrete design for the application of green concrete Promoted the use of green concrete for a positive significance.
Keyword：
Green concrete sustainable development high-performance concrete
材料產業(yè)支撐著人類社會的發(fā)展，為人類帶來了便利和舒適。但同時在材料的生產、處理、循環(huán)、使用、回收和廢棄的過程中也帶來了沉重的環(huán)境負擔。這促使各國材料研究者重新審視材料的環(huán)境負荷性，研究材料與環(huán)境的互相作用，定量評價材料生命周期對環(huán)境的影響，研究開發(fā)環(huán)境協調性的新型材料。我國的建筑業(yè)與建材工業(yè)被列為國民經濟的支柱產業(yè)，混凝土與水泥制品將越來越受到重視，得到更快的發(fā)展問題�；炷凉I(yè)正面臨難得的機遇，但是也將面臨重大的挑戰(zhàn)，因為環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展問題對混凝土與水泥制品工業(yè)提出嚴峻的考驗�？沙掷m(xù)發(fā)展的目標是使社會經濟同資源、環(huán)境實現良性循環(huán)，是社會與自然關系的變革，是以保護資源和環(huán)境為前提的。而綠色混凝土正是在這樣的前提下產生的，在這種條件下，研究綠色混凝土是十分有必要。
1綠色混凝土
1.1什么是綠色混凝土
綠色混凝土是指在保證混凝土性能的前提下，減少水泥用量；大量利用優(yōu)質的工業(yè)廢渣代用骨料，盡量減少自然資源和能源的消耗；提高混凝土的工作性，減少生產過程中帶來的噪音污染；采用預拌混凝土技術，提高混凝土質量，減少現場攪拌引起的粉塵等環(huán)境污染；提高混凝土的耐久性，增加混凝土的使用壽命，盡量減少因修補或拆除造成的經濟浪費；大量地利用廢棄混凝土和建筑垃圾而合成混凝土。
而所謂綠色混凝土必須具備以下的條件：
1.具有比傳統的混凝土材料更優(yōu)秀的強度和耐久性,即滿足結構和力學要求、使用功能以及使用年限的要求。
2.具有與自然環(huán)境的協調性,減輕對地球環(huán)境系統的負荷,實現非再生性資源的可循環(huán)使用,節(jié)省能源,以及有害物質的“零排放”。
3.利用混凝土特殊的特性能夠為人類提供溫和、舒適、便捷的生存環(huán)境。
1.2 綠色混凝土的種類
混凝土常按照密度的大小分類，一般可以分為普通混凝土、重混凝土、輕混凝土，還有為滿足不同工程的特殊要求而配制的各種特種混凝土，如防水混凝土、耐熱混凝土。而綠色混凝土在現在的研究中大體可以分為以下幾種：
綠色高性能混凝土
真正的綠色高性能混凝土應該是節(jié)能型混凝土，所使用的水泥必須為綠色水泥。普通水泥生產過程中需要高溫鍛燒硅質原料和鈣質原料，消耗大量的能源。如果采用無熟料水泥或免燒水泥配制混凝土，就能顯著降低能耗，達到節(jié)能的目的。如堿礦渣水泥利用工業(yè)廢渣與某些堿金屬化合物發(fā)生化學反應，替代水泥膠凝材料，可將硅酸鹽水泥生產工藝的“兩磨一燒”簡化為“一磨”，是一種低能耗、低成本的綠色水泥。
綠色水泥工業(yè)是指研究開發(fā)、改進水泥生產工藝及技術裝備，循環(huán)利用生產和生活中的廢渣和廢料，提高資源利用率和二次能源回收率，達到節(jié)能、節(jié)約資源的目的。如哈爾濱水泥廠6號窯每天生產2500t高質量綠色水泥的同時，可處理包括毒鼠強、廢棄電池等特種垃圾在內的城市可燃垃圾和工業(yè)廢棄物400t，由于回轉窯內氣體溫度達l
此外還有再生混凝土，生態(tài)混凝土。
介于綠色混凝土種類繁多，不宜分析，因此下面主要介紹綠色混凝土中的綠色高性能混凝土
2.綠色高性能混凝土
高性能混凝土(High Performance Concrete)的研究是當今土木工程界最熱門的課題之一。1990年5月美國國家標準與技術研究院(NIST)與美國混凝土協會(ACl)召開會議，首先提出高性能混凝土(HPC)這個名詞，認為HPC是同時具有某些性能的勻質混凝土，必須采用嚴格的施工工藝與優(yōu)質原材料，配制成便于澆搗、不離析、力學性能穩(wěn)定、早期強度高，并具有韌性和體積穩(wěn)定性的混凝土；特別適合于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴格環(huán)境下的建筑物。
2.1綠色高性能混凝土原材料
（一）水泥
水泥的品種通常選用綠色硅酸鹽水泥和綠色普通水泥，也可采用綠色礦渣水泥等。強度等級選擇一般為：C50～C80混凝土宜用強度等級42.5；C80以上選用更高強度的水泥。
（二）摻合料
1．硅粉：它是生產硅鐵時產生的煙灰，故也稱硅灰，是高強混凝土配制中應用最早、技術最成熟、應用較多的一種摻合料。硅粉中活性SiO2含量達90%以上，比表面積達
2．磨細礦渣：通常將礦渣磨細到比表面積
3．優(yōu)質粉煤灰：一般選用I級灰，利用其內含的玻璃微珠潤滑作用，降低水灰比，以及細粉末填充效應和火山灰活性效應，提高混凝土強度和改善綜合性能。摻量一般控制在20%～30%之間。I級粉煤灰的作用效果與礦粉相似，且抗裂性優(yōu)于礦粉。
4．沸石粉：天然沸石含大量活性SiO2和微孔，磨細后作為混凝土摻合料能起到微粉和火山灰活性功能，比表面積
5．偏高嶺土：偏高嶺土是由高嶺土在700～
（三）外加劑
高效減水劑（或泵送劑）是高性能混凝土最常用的外加劑品種，減水率一般要求大于20%，以最大限度降低水灰比，提高強度。為改善混凝土的施工和易性及提供其它特殊性能，也可同時摻入引氣劑、緩凝劑、防水劑、膨脹劑、防凍劑等。摻量可根據不同品種和要求根據需要選用。
（四）砂、石料
一般宜選用級配良好的中砂，細度模數宜大于2.6。含泥量不應大于1.5%，當配制C70以上混凝土，含泥量不應大于1.0%。有害雜質控制在國家標準以內。
石子宜選用碎石，最大骨料粒徑一般不宜大于
2.2高性能混凝土配合比設計方法
我國對高性能混凝土的配合比設計也還沒有統一的標準。鑒于高性能混凝土配合比設計理論尚不完善，現階段綠色高性能混凝土可尊循下列原則進行。
高性能混凝土施工配制強度按GB50204-92《混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定的公式計算確定
fcu.o=fcu.k+1.645δ
式中 fcu.o——施工配制強度，MPa；
fcu.k——設計的混凝土強度標準值（強度等級），MPa；
δ——施工單位混凝土施工歷史積累的強度標準差，MPa。
如果無施工單位積累的δ值，可以根據下表推薦的數值選取：
混凝土配制強度標準差
|
混凝土強度 |
等級 |
C50-C60 |
C60-C70 |
C70-C80 |
C80-C90 |
C90-C100 |
|
δ值 |
B |
3.5 |
4.0 |
4.5 |
5.0 |
5.5 |
（一）水灰比W/C
一些研究發(fā)現，當要求配制的高性能混凝土強度達到一定值時，W/C與混凝土的強度fcu的關系就開始偏離鮑羅米直線方程fcu=A*fce（C/W-B）。并且發(fā)現，當摻入較多的活性超細粉后還存在“有效灰水比”和“實際灰水比”的區(qū)別。所謂“實際灰水比”是指水泥摻量與超細粉摻量的總和與拌合水摻量的比值。“有效灰水比”是指活性超細粉的活性指數φ〉=1時超細粉在混凝土中對強度的貢獻將達到或超過水泥，因此有效灰水比（W/C）＇應為
(C/W) ＇=C+φ*Sp/W
式中C——水泥摻量
Sp——超細粉摻量
由此推導出摻活性超細粉的高性能混凝土的強度公式為
Fcu.28=α*fcc(C+φ*Sp/W)b
式中，α，b為摻加某特定超細粉是通過實驗并經數學歸納得到的經驗常數。
配制高性能混凝土式W/C推薦選取范圍
|
選用水泥強度等級 |
混凝土標號 |
|||||
|
C50-C60 |
C60-C70 |
C70-C80 |
C80-C90 |
C90-C100 |
大于C100 |
|
|
42.5 |
0.30-0.33 |
0.26-0.30 |
- |
- |
- |
- |
|
52.5 |
0.33-0.38 |
0.30-0.35 |
0.27-0.30 |
0.24-0.27 |
0.21-0.25 |
小于0.21 |
|
62.5 |
0.38-0.41 |
0.35-0.38 |
0.30-0.35 |
0.27-0.30 |
0.25-0.27 |
小于0.25 |
注：1.本表中W/C中，c為水泥用量和超細粉的總量。當用硅灰，超細沸石粉時取高限；用超細礦渣分或超細璘粉時取下限。
2.混凝土標號高時，W/C取下限，反之取上限。
3.如用真空脫水法施工，W/C可比上表所列數值大。
（二）用水量和水泥用量
普通水泥中用水量根據坍落度要求、骨料品種、最大粒徑選擇。綠色高性能混凝土可參考執(zhí)行，最大的粒徑一般在10-20之間。參照普通混凝土，當坍落度要求在10
高性能混凝土用水量選取范圍/kg/m3
|
膠料 |
混凝土強度等級 |
|||||
|
C50-C60 |
C60-C70 |
C70-C80 |
C80-C90 |
C90-C100 |
>C100 |
|
|
水泥+10%硅灰或超細沸石 |
195-185 |
185-175 |
175-165 |
160-150 |
155-145 |
<145 |
|
水泥+10%超細粉煤灰 |
185-175 |
175-165 |
165-155 |
155-145 |
145-135 |
<135 |
|
水泥+10%超細磷渣或超細礦渣 |
180-170 |
170-160 |
160-150 |
150-140 |
140-130 |
<130 |
注：超細粉的摻入量為等量取代水泥量
（三）砂率
高性能混凝土合理砂率
|
砂的細度模數（Mx） |
混凝土中膠結料用量/ kg/m3 |
|||
|
420-470 |
470-520 |
520-570 |
570-620 |
|
|
3.7-3.1 |
42-40 |
40-38 |
38-36 |
36-34 |
|
3.0-2.3 |
40-38 |
38-36 |
36-34 |
34-33 |
|
2.2-1.6 |
38-36 |
36-34 |
34-33 |
32-31 |
一般說，膠結料用量越多，砂率應適當減�。簧暗募殧的翟酱�，砂率則應相應增大。對泵送高強混凝土，砂率的選用要考慮可泵性要求，一般為34%～44%，在滿足施工工藝和施工和易性要求時，砂率宜盡量選小些，以降低水泥用量。從原則上來說，砂率宜通過試驗確定最優(yōu)砂率。
（四）高效減水劑
高效減水劑的品種選擇原則，除了考慮減水率大小外，尚要考慮對混凝土坍落度損失、保水性和粘聚性的影響，更要考慮對強度、耐久性和收縮的影響。
減水劑的摻量可根據減水率的要求，在允許摻量范圍內，通過試驗確定。但一般不宜因減水的需要而超量摻用。
（五）摻合料
其摻量通常根據混凝土性能要求和摻合料品種性能，結合原有試驗資料和經驗選擇并通過試驗確定。
其他的計算步驟與普通混凝土基本相同。
2.3 高性能混凝土技術性能的研究
任何事物都是矛盾的統一體 ,當一方面的問題得到解決時 , 另一方面的問題又出現了 。在高性能混凝土原材料方面，除了普通混凝土的原材料外，還需要添加礦物質摻合料與外加劑。這就與以前的普通混凝土有很大的不同，這樣就可以減少混凝土的水灰比，可以大幅度提高混凝土的密實度，同時增加混凝土的耐久性，這樣就可以解決長期以來困擾混凝土的大問題。但是這些物質的摻入，也帶來了一系列的副作用。
對于普通混凝土來說，混凝土發(fā)生流動性的損失是一種正常的行為，沒有流動性損失混凝土就不會凝結硬化。而對于水灰比很低的高性能混凝土，拌和物的原始坍落度很低，甚至測不出來，其高流變性是由摻入高效減水劑實現的。這種由于外加劑的作用而增大的流動性隨時間下降得很快，例如30min可下降50%，60min可回到原始狀態(tài)，流動性保持的時間大大低于施工各工序要求的時間，為非正常的流動性損失。流動性急劇損失是加入高效減水的混凝土拌和物所特有的行為，它會給商品混凝土施工造成很大的困難。減水劑的減水率越大，這種損失越明顯；溫度越高，流動性損失越快。近年來，隨著流態(tài)混凝土技術和泵送技術的發(fā)展，高效減水劑的使用日益增多，流動性損失現已成為國內外的重要研究課題
(1)坍落度損失過大的原因
混凝土坍落度的損失是由水泥水化的進行以及自由水分的蒸發(fā)引起的。在混凝土中加入高效減水劑后，不僅可解放縛水，而且能增加水泥水化的比表面積。Khalil s m等的實驗表明，水泥開始水化時，由于減水劑的存在，使得放熱量降低；隨后，水泥顆粒的分散作用使水泥顆粒的比表面增大，水化過程加速，放熱增大。這是因為減水劑吸附在水泥顆粒上時，阻礙了水泥與水的反應，推遲了新晶體的生成，早期水化階段明顯推遲。但是當第二階段水化反應開始時，迅速從拌和物中吸水，使坍落度損失大大超過未摻減水劑的拌和物坍落度損失。
(2)減少坍落度損失過大的方法
現在減少高性能混凝土坍落度損失過大的最主要的方法有以下幾種：
摻入粉煤灰：高性能混凝土中摻入粉煤灰，可改善混凝土的流動性，抑制坍落度的損失。
研究表明，由于粉煤灰的摻入延長混凝土凝結時間作用，從而使坍落度損失減少，同時，粉煤灰顆粒表面部分覆蓋著易于溶解的汽化沉淀形成的堿性硫酸鹽，由于水泥中的石膏溶解度較低。而硫酸根離子在水化初期能有效延緩鋁酸鹽的水化。從而有效的抑制混凝土拌合物坍落度損失。
但是，摻入粉煤灰時，也要注意摻入量。因為摻入粉煤灰會過大不僅會降低混凝土的強度，同時在摻入大量粉煤灰的時候還會帶來混凝土的初凝時間會延長的問題。研究表明，隨著粉煤灰摻入量增加，3d強度不斷下降，28d的強度先增加后減少。說明粉煤灰摻入量存在一個最佳摻量。
粉煤灰的摻入與坍落度與抗壓強度的關系
|
膠凝材料組成 |
坍落度（mm） |
抗壓強度（MPa） |
|||||
|
水泥 |
粉煤灰 |
初始 |
40min |
90min |
120min |
3d |
28d |
|
100% |
0 |
185 |
165 |
135 |
120 |
40.4 |
49.5 |
|
90% |
10% |
195 |
185 |
160 |
145 |
39.2 |
51.1 |
|
80% |
20% |
220 |
215 |
200 |
190 |
33.5 |
55.5 |
|
70% |
30% |
230 |
220 |
205 |
185 |
31.7 |
52.1 |
|
60% |
40% |
235 |
225 |
190 |
180 |
29.4 |
47.6 |
從上面的數據可以看出粉煤灰在占膠凝材料的20%-30%是最好的摻入量。
配制高性能混土的主要技術措施包括增加膠凝材料用量、摻入活性礦物摻合料(如硅粉、磨細礦渣粉等)、填加超塑化劑降低水膠比等途徑。低水膠比與高活性細摻料的大量摻入，致使高性能混凝土的硬化特點與內部結構。同傳統的普通混凝土相比有很大的差異。隨之帶來了早期體積穩(wěn)定性差，容易開裂等問題�；炷恋拈_裂將導致結構滲漏、鋼筋銹蝕、強度降低，進而削弱耐久性。造成結構物破壞、坍塌的危險。敏嚴重影響建筑物的安全性能與使用壽命。高性能混凝士在我國的應用實踐表明，早期開裂問題已成為制約其在工程中應用的重要因素。研究認為自收縮與溫度收縮是引起高性能混凝土早期開裂的主要原因。
綠色高性能混凝土同普通混凝土相比有以下特點：
（1）水泥標號偏高，摻入了大量的高細度礦物摻合料；
（2）水膠比小，水泥漿體積的相對含量高；
（3）水泥水化快，水化結束得早；
（4）水泥石結構密實，總孔隙率降低，毛細比細化。且界面過渡區(qū)消失。
由此可見，綠色高性能混凝土具有強度高、密實度大等特點，高強度混凝土是高性能混凝土的重要組成部分。
基于高性能混凝土的上述特點，其體積穩(wěn)定性也與普通混凝土有顯著差別，即：自收縮并且主要發(fā)生在早期；溫度收縮大，并且溫度收縮出現的時間提前；水分向周圍環(huán)境散失而引起的自干燥收縮相對來說較小，但其實測值（其中包括部分自收縮值）并不一定小，而且干燥開始的時間愈早，混凝土的這一實測值愈大。由此可以推斷，自收縮與溫度收縮是引起高性能混凝土早期開裂的主要原因，這種早期體積穩(wěn)定性不良的特點與其早期彈性模量增長快、而抗拉強度并無顯著提高等力學特點相同，造成了高性能混凝土的早期抗裂性差。
混凝土的溫度收縮及裂縫控制技術已很成熟，有關溫度收縮的影響因素、預測模型、溫度收縮引起的開裂形勢及防治措施等方面的研究很多，可供高性能混凝土研究與應用借鑒，但是混凝土的自收縮問題尚有待進一步研究。
(1)產生高性能混凝土自收縮的原因
混凝土的自收縮是指混凝土內部與外界在沒有水分交換的情況下，由混凝土內部自干燥作用所引起的宏觀體積收縮，它是混凝土初凝后就開始產生了。
很多學者認為，混凝土的自收縮就是水化收縮（又稱硬化收縮或化學收縮），但實際上這是兩個完全不同的概念，水化收縮指的是混凝土內部水化反應過程中，水化產物的絕對體積同水化前水泥與水絕對的體積之和相比有所減少的現象。硅酸鹽水泥的水化收縮率約在7%-9%范圍內，水化收縮在混凝土初凝前后的宏觀表現形式并不相同，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觀體積變化，而是以形成內部孔隙的形式表現出來，常用的硫酸鹽類膨脹劑與水泥共同作用形成鈣礬石時，也會發(fā)生水化收縮，但此時體系的宏觀體積卻發(fā)生膨脹，由此可以證明，初凝后混凝土的水化收縮與體積變化有直接的關系�；炷脸跄蟮乃湛s，使混凝土內部無水的孔隙增加，因此自無外界供應水的條件下，混凝土內部發(fā)生自干燥現象，而自干燥作用引起的體系宏觀體積收縮就是自收縮。由此可見，自收縮的產生機理與干燥收縮相類似，它與水化收縮是兩個不同的概念，水化收縮引起的混凝土內部自干燥是造成自收縮的最直接原因。
(2)解決高性能混凝土收縮的方法
自收縮已經成為影響高性能混凝土體積穩(wěn)定性的重要因素。對混凝土的強度、早期抗裂及抗?jié)B性能都產生極為不利的影響，通過理論分析與試驗研究，提出了有效抑制高性能混凝土自收縮的具體方法。
1、摻入減縮劑，減水劑通常是表面活性劑，使通過減少孔隙水的表面張力而降低干燥過程中的表面應力的產生，即減少收縮。
2、養(yǎng)護，為消除自收縮需要有養(yǎng)護 有適當的養(yǎng)護以保證充足的水分，能夠滲入到混凝土中以補償自干燥作用。并很快進入局部干燥的孔隙，很明顯傳統的混凝土密封養(yǎng)護在這里是沒有很大作用的。傳統的另一養(yǎng)護是硬化后圍水養(yǎng)護，這雖比密封養(yǎng)護好，也不能完全消除自干燥，這種局限歸因于低水膠比的混凝土中，很小程度的水化就是以發(fā)展一定程度的抗?jié)B性，從而限制了水的進入，即使水養(yǎng)，混凝土外部可能膨脹，而內部仍有自收縮，且拭件尺寸越大，這種現象越明顯。
3、選擇不同的材料，選用低的C
4、建立混凝土的自收縮的測定方法。 已有的混凝土自收縮的測定方法，其測定的結果不夠理想，需要建立一套科學而有效的適用于高性能混凝土的自收縮方法需要通過試驗明確不同摻合料、不同摻量的各強度等級的水膠比混凝土自收縮范圍。為高性能混凝土的結構提供合理參數通過理論明確自收縮機理。在此基礎上從水泥的組成、微觀結構、濕度環(huán)境及力學性能等特點出發(fā)，建立起高性能混凝土的自收縮模型與試驗測試手段（宏觀與微觀）相結合，深入分析和研究水泥用量、水膠比、礦物摻合料的品種與等量自收縮的影響。
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