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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 高性能混凝土 绿色混凝土 吴中伟 (中国工程院资深院士) 提要:21世纪水泥混凝土面临两大问题 :(1) 可持续发展问题 ;(2) 可知性问题。 本文以前者为主并论述高性能混凝土技术的要 点。 表2依靠科技进步减少水泥年产量后 2010年水泥工业的消耗与环境负荷 标煤 (万吨) 电 (亿度) 石灰石 (亿吨) 粉尘 (万吨) CO2 (亿吨) NOX (万吨) SO2 (万吨) 18003502. 16251. 444025
2、 (1900年)低强混凝土LC 普通混凝土NC高强混凝土HSC超高强混凝土SHSC 高性能砼HPC超高性能砼UHPC (1990年) ( 15MPa)( 50MPa)( 100MPa) ( 50MPa) (如活性细料砼RPC, 180200MPa) 表12010年水泥工业预计的消耗与环境负荷 (8 亿吨水泥) 标煤 (万吨) 电 (亿度) 石灰石 (亿吨) 粉尘 (万吨) CO2 (亿吨) NOX (万吨) SO2 (万吨) 8400835717800512515070 1可持续发展是人类最迫切的问题 水泥混凝土作为最大宗人造材料,其资源、能源 与环境问题十分突出,必须及早解决,否则将成为不
3、可持续发展的材料。尤其在中国,人口众多,水泥混凝 土的需量特大,而资源并不丰裕,环境问题也十分突 出。为解决这些问题,混凝土的生产及施工技术必须 从原始落后的,以消耗大量资源、能源为代价的粗放 生产经营方式,向大量节约资源、 能源,减轻地球环境 负荷及维护生态平衡的具有最新、最高技术水平的生 产经营方式发展。 21 中国必须走绿色混凝土道路 211水泥必须优质 1997年以来我国水泥年产量已达5亿吨,占世界 1/ 3。其中小水泥达80 % ,以1吨熟料排放的CO2估 算,水泥工业排放CO2量占工业、 交通等排放总量的 1/ 101/ 7 ,加上粉尘与有害气体,对环境是一大害。 到 2010年水
4、泥原计划产量接近8亿吨(占1/ 2) ,按较合 理的情况估计,其消耗与环境负荷如表1。 经过很大努力,特别依靠混凝土与水泥生产方面 的科技进步,有可能将水泥年产量压低到312亿吨(熟 料116118亿吨,利用工业废料、矿物114116亿 吨 ) , 则消耗与环境负荷将有可能减少,如表2。 效益之大,对我国以至全人类都有重大意义。 即使 达到上述效益的50 % ,亦是十分可观的,可见我们混 凝土工作者能够发挥多大的作用! 212混凝土必须高性能化,也就是绿色化 要达到上述目标,必须发展高性能砼,以节省熟 料,多用细掺料(工业废料为主)和少用水泥,从而减少 水泥与集料的耗量。以1吨水泥需4吨集料计
5、,8亿吨 水泥需32亿吨砂石,除开采运输的能耗与费用惊人 外,对环境(河流、 景观、 树木、 粉尘等)的破坏十分严 重。 如以2010年312亿吨水泥计,砂石用量为16亿 m 3 ,同时利用工业废料116亿吨,对节省能源资源,改 善环境,意义重大,这对我们混凝土工作者是大机遇也 是大挑战! 213高性能混凝土(HPC) 绿色混凝土(GC) HPC在1990年由美国正式提出,立即受到全世界 注意,被称为 “21世纪混凝土” 。 我国1992年开始重视, 现已在大城市商品混凝土和重要建筑中较普遍采用, 形势很好。 90年代以前,混凝土的发展只重视其强度的提 高,其过程如下图: 各国根据要求不同,对
6、HPC认识还不大统一,但 2000年第1期混 凝 土 与 水 泥 制 品2000 No1 2月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSFebruary 混凝土与混凝土施工 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4 重视耐久性是大势所趋。其中: (1)美国NIST(美国标准与技术研究院)与ACI (美国混凝土学会)认为HPC是用优质水泥、 集料、 水 和活性细掺料与高效外加剂制成的,同时具有优良耐 久性、 工作性和强度的匀质混凝土。 (2)欧
7、洲重视强度与耐久性,常与高强混凝土并 提(HSC/ HPC) ,法国与加拿大正研究开发超高性能混 凝土(UHPC) ,北欧则在开发高强半轻高性能混凝土。 (3)日本更重视工作性与耐久性,认为有足够强 度即可。 综合各种观点,HPC可否用下列定义: HPC是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高 常规混凝土性能的基础上,采用现代混凝土技术,选 用优质原料,在妥善的质量管理条件下所制成的,除 水泥、 集料、 水以外,必须采用低水胶比,掺加足够的细 掺料与高效外加剂。HPC应同时保证下列诸性能:耐 久性、 工作性、 各种力学性能、 适用性、 体积稳定性与经 济合理性。 214绿色高性能混凝土(GHPC
8、) 从以上所述可知,高性能混凝土具有下列特征: (1)更多地节约熟料水泥,降低能耗与环境污染; (2)更多地掺加工业废料为主的细掺料; (3)更大地发挥混凝土的高性能优势,减少水泥与 混凝土的用量。 因此,它本身就可成为绿色混凝土。 为了扩大GHPC的应用范围,应将欧美对HPC强 度的低限50MPa降低到C30左右,原则是不损及混凝 土的内部结构如孔结构、水化物结构与界面结构等, 以保证耐久性与体积稳定性 。例如水胶比不低于 01400142 ,胶凝材料总量不少于250300kg/ m 3 ;根 据工程性质,确定强度指标。许多工程如大体积水工 建筑、 基础等对强度要求不高,但对耐久性、 工作性
9、、 体 积稳定性、 低水化热等有很高要求,都应采用HPC。例 如日本跨海明石大桥基墩混凝土 (50 万m 3) 要求高耐 久性、 高抗冲刷性与低升温,而强度只要求20MPa ,是 掺加了复合外加剂与复合细掺料的HPC。 绿色的涵义可概括为: (1)节约资源、 能源; (2)不破坏环境,更应有利于环境; (3)可持续发展,既要满足当代人的需求,又不危 害后代人满足其需要的能力。 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,以后砼都应成为GHPC,亦即都将是绿色混凝土。 215耐久性的认识 因过去几十年大量建筑物破坏以至倒坍,混凝土 耐久性已引
10、起重大关注,这与长期强调强度忽视耐久 性有关。 耐久性研究工作虽已进行了很久,但只考虑单 一因素与不结合现场引起了不少的错误。耐久性决定 了结构的安全使用期(寿命 ) , 它与材料的可持续发展 关系密切。 混凝土究竟能耐多久? 砼是当代最耐久的建筑结构材料,迄今出现的过 早破坏 (1 50年 ) , 甚至因砼材质劣化而造成的建筑 物崩溃,都是由于人的无知、 无能或明知故犯所致。从 已掌握的资料看,优质均匀砼亦即HPC可保证下列的 安全使用期限(以砼材质变化为主因 ) : (1)重要建筑物在不利环境中100年(如英国海 港、 油田平台;日本明石大桥) (2)正常环境中200年 (3)特殊用途30
11、0年(如法国核废料贮罐设计) 钢筋混凝土预期可能500年(日本正研究中,预 期完全可能达到) 现行标准中一级建筑只50年,完全与HPC的能力 不符,必须改变。至于超高性能混凝土,只能看作是远 景目标或发展限度。 虽然法国、 加拿大等已提出几种产 品,其中活性细粒混凝土(RPC200)已建成人行桥,并 制得RPC- 800。 但因成本高,只适用特殊环境。 采用它 可减少混凝土量1/ 22/ 3 ,混凝土耐久性、 抗冲性、 耐 蚀性等提高若干倍,能对建筑设计与施工提出一个美 好的远景,将有可能使结构物的功能与面貌发生改观, 表明材料革命将引起土建工程的革命。 3绿色混凝土存在的问题 如前所述,由于
12、人的无知、 无能或明知故犯,曾经 造成许多重要混凝土工程结构的损坏或崩溃。 但是,只 要我们能认真遵循辩证唯物主义认识论的正确规律, 通过不断的试验研究及从客观实践中不断总结经验和 教训,就能逐步认识混凝土客观存在的各类性质及与 此有关的内部客观规律,从而不断提高混凝土科学技 术水平,使混凝土真正成为一种性能优异的可持续发 展的建筑材料。 311造价问题 HPC因所用原材料价格与生产管理水平的提高, 混凝土造价将提高50 %左右。 HPC对原材料要求: 水泥425 #以上 (ISO 法,相 当于当前国内未改标准的525 # ) ; 集料 坚实洁净, 最大粒径 25mm; 超细掺料 矿渣,细度4
13、000cm 2 / g 以上,或 级粉煤灰(至少 级 ) ; 超塑化剂等优质外 2000年第1期混凝土与水泥制品总第111期 混凝土与混凝土施工 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 5 吉吉 加剂。由于产量及市场原因,细掺料与外加剂是增加 成本的主因,将来产量大,粉磨技术改进,细掺料价格 可能比水泥低50 % ,则HPC成本将增加不多。 外国开始推广HPC时,有 “高造价换来高性能” 的 议论,现在综合考虑了多种优点,其观点已改变为 “优 质工程必需要高性能” 。混
14、凝土在整个工程费用中占 的比重本来很小,考虑到工程质量,施工方便,耐久性 等, HPC略增加成本,还是值得的,这一观点在我国还 需强调。又如采用复合细掺料与复合外加剂,对降低 成本提高性能有明显作用(称作超叠加作用 ) , 应尽可 能采用。 312早期开裂问题 混凝土收缩是引起开裂的主因,除降温引起收缩 (冷缩)外,蒸发失去水分引起的干缩和水化失水引起 的自收缩是钢筋混凝土开裂的最常见的原因。HPC由 于水胶比远低于常规混凝土,又加入大量细掺料与超 塑化剂,据法国研究:以水胶比为0148的常规混凝土 (49MPa)代号BO与水胶比为0126的HPC(10 %硅灰, 118 %萘系超塑化剂,11
15、5MPa)代号BH对比,由于水化 失水引起的自身收缩率, BH大于BO很多,测得试体 内部相对湿度( %)降低为: BH 3个月降低到75 % , 6 个月到72 % ,1年到69 % ,减量达31 % ,而BO 6个月降 到95 % ,只减少5 % ,1年为94 % ,减少6 %;但干缩率 BH却低于BO很多,主要由于HPC比 NC( 普通混凝 土)密实性与抗渗性高得多,因此6个月的总收缩率 HPC比NC低,当掺加优质粉煤灰时更低。HPC水胶比 低,水化引起的很大的早期自身收缩会带来混凝土早 期开裂问题,所以HPC必须加强早期养护,将来有可 能用含水多孔细集料或细掺料来补给水化用水的设 想,
16、还待进一步研究。 清华大学安明博士对HPC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 孔隙率与孔分布、弹性模量与徐变系数等的作用,提 出: (1)自收缩主要发生在3天内,随龄期而减缓。 (2)自收缩随水胶比减小而增大,尤以初凝到1天 差异最明显, 1天到28天基本相同,即水胶比愈小, 1 天内自收缩愈大。 为了抑制自收缩,他提出: (1)必须重视早期养护,初凝后立即供水,采用内 衬塑料绒钢模或透水模板; (2)用饱水轻质多孔集料或多孔活性细掺料进行 “自养护”; (3)粉煤灰掺量为1030 %; (4)掺入膨胀剂,尤其是选 用可控制膨胀速度的 膨胀剂; (5)掺入保水外加剂。 以上措施,还必须在现场实践验证,找出更好的易 于推广的方法。 现在墙板早期裂缝较普遍,这是因为早 期养护不易作好;对于水平成型的构件、 制品,应尽早 喷水复覆和尽早洒水或蓄水来提前养护。 313HPC的配合比设计问题 可采用与常规混凝土相同的绝对体积 试拌调 整的方法,在确定各种组成的配比后,
