绿色高性能混凝土的研究

第20卷第5期 武汉科技学院学报V ol.20 No.5 2007年5月 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND ENGINEERING May. 2007绿色高性能混凝土的研究余峰（武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070）摘要：绿色高性能混凝土(High Performance Concrete)的研究是当今土木工程界最热门的课题之一。

本文阐述了绿色高性能混凝土(简称GHPC)的涵义，开发使用GHPC在保护环境、节约资源和能源等方面的社会意义。

综合分析了当前国内外研究GHPC的主要成果，在此基础上，指出了开发研制和应用GHPC尚需进行的工作及其整体发展趋势。

关键词：可持续发展；绿色高性能混凝土；绿色水泥中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1009－5160(2007)－0046－041 引言随着科学技术的飞速发展，石油、化工、汽车以及土木建筑工程的蓬勃发展，人类的生活质量得到了很大的提高，但是也面临由此造成的严重的地球生态环境问题。

如地球大气温暖化﹑臭氧层破坏﹑土地沙漠化等。

而混凝土材料的生产与使用是造成生态环境问题与公害的原因之一。

它主要表现在以下几个方面：（1）水泥是混凝土的主要成分，生产水泥时产生大量的粉尘和烟尘；（2）生产一吨水泥大约要排放一吨二氧化碳，是产生温室效应的大户；（3）混凝土体积的70—80%是沙石骨料，开采这些原材料要破坏大量的植被；（4）水泥产业是形成酸雨的主要源头之一；（5）水泥生产消耗大量的能源。

同时，水泥与混凝土作为当代最大宗的人造材料，预计到2005年水泥产量将超过20亿吨，混凝土将超过100—120亿吨，可见其对资源能源的消耗和对环境的影响均十分巨大[1]。

因此，水泥混凝土能否长期作为最主要的建筑材料，不仅取决于其是否具备在耐久性、施工性和强度等方面的高性能，而且最关键之处在于其绿色“含量”是否高。

2 绿色高性能混凝土(简称GHPC)的内涵与特征最早提出GHPC概念的是中国工程院院士吴中伟教授[2]。

研究者认为符合以下条件的高性能混凝土（简称HPC）才算是真正的GHPC：（1）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；（2）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NO2等气体，以保护环境；（3）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；（4）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；（5）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；（6）发挥HPC的优势，通过提高强度，减小结构体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；收稿日期：2007-02-17作者简介：余峰（1966-），男，副研究员，研究方向：工程管理.第5期 余峰：绿色高性能混凝土的研究现状与展望47（7）对大量拆除废弃的混凝土进行循环利用，发展再生混凝土。

绿色高性能混凝土的概念提出在于加强人们的绿色意识，主要强调混凝土在节约能源、保护环境方面的作用。

大力发展GHPC是现代混凝土发展的必然趋势。

3 绿色高性能混凝土研究概况3.1 国外研究状况用细掺料代替大量熟料，是GHPC的发展方向之一。

国外对此进行了大量的研究。

日本新RC研究计划对磨细矿渣作了系统研究，在HPC中可替代熟料50％－80％，流动性、耐久性、长期强度均有提高。

日本内川浩用细度6000，8000cm2/ g的磨细矿渣替代50%熟料，抗压强度分别提高7％—10％与18％—25％。

英国斯华美（R.N.S.wamy）用细度 4530、7860、11600 cm2/g的磨细矿渣替代50%的熟料制得60~110MPa的HSC/HPC。

1985年以来，加拿大能源矿产部（CAMET）开发了高掺量粉煤灰混凝土（HFCC），粉煤灰占胶凝材的 55%～ 60%（过去仅占25%~30%）[3]。

复合化是建材技术进步的重要途径，复合细掺料与复合外加剂就是范例，其研究思路为超叠加效应，即“l ＋2绝对大于3”。

俄罗斯多年来开发低需水量水泥（BHB），如BHB-50中熟料50％、石英粉25％、磨细矿渣与粉煤灰25％，能配制60－100MPa的HPC。

日本用平均粒径10um的粉煤灰10％、磨细矿渣30％代替熟料 40％，制成强度更高的HPC，用水量与超塑化剂量还可略微减少[3]。

法国对GHPC的自收缩（可能引起早期开裂问题）进行了研究。

研究发现：以水胶比为0.48的常规混凝土（49 MPa）代号BO与水胶比为0.26的HPC（10%的硅灰，1.8%萘系超塑化剂，115MPa）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[4]。

国外学者对HPC的配合比设计问题也进行了一些研究。

美国学者梅培等根据经验，设定HPC中水泥浆与集料的体积比为35︰65，并对不同强度设定用水量，使选定开始试配的配合比大为简化。

再不断调整配比，求得最终配合比。

日本学者则有最高用水量的设定：试配强度50－60MPa，为165－175升/m3；75MPa为150升/m3，以后强度每增15Mpa，水量减少10升/m3[4]。

3.2 国内研究状况国内对于GHPC的开发研制和应用也作了大量的工作，在利用工业废弃物方面取得了可喜的进展。

长沙铁道学院的周士琼等[4]人以30%~70%粉煤灰超细粉等量取代水泥，配制出性能优良的C60~C80绿色高性能混凝土，并研究了绿色高性能混凝土拌和物的性能和力学性能和部分耐久性。

结果表明，PFA复合超细粉的粉体效应赋予混凝土一系列的优良性能：（1）增强﹑减水﹑减小坍落度损失﹑提高耐久性等；（2）大掺量PFAPFA复合超细粉配制GHPC是可行的，当等量取代水泥高达50%~70%时，其强度为80~90 MPa；（3）GHPC的抗冻性大于D100，抗渗性大于S24，90天干缩率小于500×10-6，GHPC在改善耐久性方面效果突出。

武汉理工大学的龙世宗等[5]人和采用复合技术用30%~45%水泥熟料，大量工业废渣配制出525，625，725号绿色复合高性能水泥，用一吨水泥熟料生产出了1~3吨水泥。

湘潭矿业学院化学工程系付勇坚等人以铬铁渣为主要原料，采用较低的石灰饱和系数、较高的硅率和铝率、引入适量的复合矿化剂的配料方案，锻烧出质量合格、性能良好的绿色硅酸盐水泥熟料。

为保证更多地利用铬铁渣和使水泥具有良好的体积安定性，其配料方案为KH＝0.81，SM=3.92，IM= 1.86。

在实验过程中还发现，熟料中游离氧化钙的含量与煅烧温度和复合矿化剂的引入量有关，引入3％的复合矿化剂，适宜的煅烧温度为℃℃。

熟料的冷却速率越快，其中有害的Cr6+含量越少，当熟料的冷却速率为110/min1400~1440℃时，绿色水泥28天的抗压强度值最大。

焦作坚固水泥有限公司的李荣军等[6]利用工业废渣（粉煤灰、化灰渣和硫酸渣）和河泥代替水泥常用原料（粘土，砂岩，铁矿石），生产出高质量的硅酸盐水泥熟料，且所配生料易烧性提高，使烧成煤耗降低8%。

其掺用工业废渣生产出的复合525R水泥，普硅625水泥和硅酸盐725水泥，均达到国家标准。

48武汉科技学院学报2007年在粉煤灰和熟料相互作用的基础研究及其利用方面，两者的相互作用机理、界面效应或结构等得到了广泛的研究。

沈巳申等人提出了粉煤灰效应假说，即粉煤灰的形态效应、活性效应和微集料效应。

据此可应用两个参数反映粉煤灰影响水泥浆体结构强度的程度。

这在指导粉煤灰混凝土配合比设计的方法选择和改进方面，产生了有益的作用。

袁润章等研究了粉煤灰及其玻璃质颗粒火山灰活性与其结构的关系。

研究表明，由于粉煤灰活性决定于玻璃质颗粒结构特征，其颗粒表面层性质显著影响活性发挥。

据此提出了提高粉煤灰活性的方法：（l）增加粉煤灰玻璃质颗粒的表面积；（2）改变粉煤灰玻璃质颗粒特性，增大表面层反应能力，相应具体措施分别是粉煤灰的细磨和物理化学表面处理，应用这两种措施都可增加粉煤灰掺入水泥中的数量。

目前，这两种处理方法仍不失为提高粉煤灰活性的研究方向[7]。

4 开发研制和应用绿色高性能混凝土尚需进行的工作绿色高性能混凝土是未来混凝土工业的发展方向，它在我国的推广应用需要建立在一定的技术基础之上，这涉及到水泥，化工，机械等行业，需要相关行业的共同努力。

[8] [9]虽然目前已取得了一些进展，GHPC的性能正随着科研向亚微观、微观深入和大量工程实践而不断提高，但还有很多需进行的工作：（1）大力发展以先进生产工艺为基础的高强度水泥；[10]（2）加大低钙水泥等水泥新品种的研究。

混凝土的耐久性与其碱性的强弱有明显的关系，碱性高时，耐久性较差。

而混凝土的碱性强弱和水泥中氧化钙含量密切相关，故低钙水泥具有较好的耐久性；（3）加大对超细水泥的研究。

对普通水泥进行超细粉磨不仅可提高水泥强度，还使其具有优良的水泥浆喷灌性能，可用于特殊工程的浇注和堵塞渗漏，喷涂等；（4）完全循环利用混凝土的研究和生产；[11]（5）扩大废渣和天然矿物材料的应用。

具有潜在水硬性的工业废渣和天然矿物在绿色高性能混凝土中的应用有十分广阔的前景，然而工业废渣和天然矿物在绿色高性能混凝土中的应用会给混凝土带来负效应而且存在一个超细粉磨问题，阻碍了绿色高性能混凝土的发展。

故必须发展高细粉磨技术和活性激发技术，保证绿色高性能混凝土的高性能；（6）绿色高性能混凝土生产技术优化和性能的提高。

主要包括：严格原材料管理，使用优质原材料；配比设计和生产管理计算机化；设计、试验、生产、施工各环节密切配合；增加品种，改进性能，实现混凝土的功能化和生态化；加大再生混凝土的应用研究工作；（7）加强绿色高性能混凝土的研究。

其中也包括：加强对高强混凝土收缩性能和裂缝控制的研究；加强对高强混凝土脆性和徐变的研究；加大绿色高能混凝土的亚微观与微观结构的研究；加强有关标准、规范和检验方法的研究。