混凝土技术发展的前景和困境

混凝土技术发展的前景和困境

导读

十三五期间我国基础设施建设继续保持高速发展态势，从水电工程、核电工程、高铁工程到高速公路工程等领域均提出了更高发展目标。作为建设工程用量最大的基础材料，混凝土需要满足上述不同工程领域提出的更多、更高、更新的要求，重点应满足以超长跨距、超长距离、超大体积、超高层为典型特征的现代结构混凝土要求，实现混凝土在全寿命周期内从施工期到服役期的优良性能。

作为混凝土的重要组成材料，胶凝材料与功能外加剂是实现混凝土高性能化的关键技术。一方面，胶凝材料经水化作用后形成硬化浆体，与混凝土内砂石组分粘结成为整体。其中，硬化浆体的微结构与混凝土性能密切相关；另一方面，功能外加剂以较低的用量实现对混凝土微结构优化与调控，从而满足不同服役性能要求。近年来，随着大型基础设施与现代工程结构的快速发展，混凝土技术所面临问题主要体现为上述胶凝材料与功能外加剂两个方面。基于上述分析，本文将围绕重大工程需求，重点介绍混凝土技术在胶凝材料与功能外加剂方向的新进展，分析上述技术所面临问题，并对未来研究工作进行展望。

1.胶凝材料

1.1传统硅酸盐水泥

硅酸盐水泥的快速发展亟需重视收缩开裂与适应性问题。从英国工程师Joseph Aspdin获得授权专利起，硅酸盐水泥及其混凝土在不到200年的发展历程中已成为全世界用量最大的基础材料。随着水泥行业的科技进步，硅酸盐水泥的生产工艺与各方面性能指标得到了显著的提升。近年来，我国新的水泥烧成工艺通过高固气比悬浮预热预分解技术[1]，使得水泥产量增加40%以上，废气中的SO2和NOX排放降低50%以上，同时能耗显著降低。除了烧成工艺的进步，硅酸盐水泥的粉磨技术也得到快速发展，水泥细度和比表面积也在不断增加，大幅提高了水泥强度。尽管如此，现有研究表明[2,3]，随着水泥细度的增加，水泥快速水化的集中放热，将加剧混凝土早期收缩，增大温度开裂风险。其中，当水泥比表面积由280m2/kg增加至380m2/kg，其开裂温度增加9.5℃，开裂时间提前约1倍。其次，水泥熟料矿物中C3S含量超过55%，呈现上升趋势。一方面，高C3S含量有效提高混凝土的早期强度；另一方面，随着C3S含量的提高，水泥

水化放热量集中，极大增加了水泥混凝土的早期开裂风险。最后，随着水泥行业低碳绿色化的发展需要，越来越多的工业废渣作为混合材被掺入硅酸盐水泥中，提升水泥基材料性能。然而，近年来优质原材料的匮乏，导致低品质或低活性混合材，如煤矸石、炉底渣等的大量不合理使用，从而影响水泥混凝土的工作性能与力学性能。同样地，大量工业副产物石膏，如脱硫石膏、磷石膏和氟石膏，由于其溶解速度的差异，会导致水泥凝结时间异常，与高效减水剂相容性变差[2]。针对上述问题，硅酸盐水泥的未来的发展方向在于水泥熟料矿物组成的设计与优化。在水泥材料设计方面，未来应重点借助于计算机模拟方法研究水泥水化机理，优化水泥组分和性能。另一方面，积极开展具有低水化热特性的高贝利特水泥研究与应用，从而在减少混凝土开裂的同时，大幅度降低硅酸盐水泥生产能耗。1.2新型胶凝材料

煅烧粘土-石灰石复合胶凝材料（LC3）是绿色低碳硅酸盐水泥的研究前沿。煅烧粘土类矿物相比于粉煤灰与磨细矿渣具有更高的火山灰活性，在部分取代硅酸盐水泥时并不会影响水泥基材料的早期力学性能。同时煅烧粘土矿物的原材料高岭土储量丰富，生产烧制工艺与硅酸盐水泥相似，可采用水泥生产设备生产，并且煅烧温度低，煅烧过程中不会释放温室气体CO2，具有诸多优势。瑞士洛桑联邦理工学院Scrivener教授最新提出了煅烧粘土与石灰石复合胶凝材料体系（Limestone calcined clay cement，简称LC3）[4]。在该体系中，煅烧粘土与石灰石在碱性环境下反应生成了水化产物水化碳铝酸钙，在两者总掺量达到45%时，水泥基材料的力学性能与抗渗性能依然优于普通硅酸盐水泥体系。同时，煅烧粘土与石灰石的复合掺加能节约更多的硅酸盐水泥熟料，进一步降低水泥生产过程中的碳排放量，因而被视为一种极具应用前景的新型低碳水泥体系。研究表明[5]，使用煅烧粘土与石灰石能显著优化水泥基材料的孔径结构，降低孔隙率（图1），从而有效抑制有害介质的扩散侵入，提高混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力。在同等条件下，煅烧粘土与石灰石复合胶凝体系的氯离子扩散系数较普通硅酸盐水泥降低80%。尽管如此，煅烧粘土与石灰石复合胶凝体系在应用与推广过程中仍存在一些问题亟需解决。首先，其主要原料粘土（高岭土）来源广泛，地区差异性较大，因此不同地区的水泥煅烧工艺、使用方法、颜色、性能都会存在较大差异。其次，由于原材料的粒径分布和化学吸附作用，煅烧粘土与石灰石

复合胶凝体系的混凝土工作性较普通硅酸盐水泥混凝土略差，且缺少与之完全匹配的化学外加剂。

碱激发胶凝材料是硅酸盐水泥体系外的重要胶凝材料。该胶凝材料是碱性条件下利用OH-溶解含有硅铝钙元素的天然或人工矿物相物质，通过溶解-缩聚反应形成硅铝酸盐的反应产物与微结构，产生胶结作用的一类水硬性胶凝材料。碱激发胶凝材料的硬化机理、反应产物与微结构不同于硅酸盐水泥，根据反应机理可将反应过程大致分为4个阶段[6,7]：腐蚀溶解、离子平衡，胶体或微晶晶核形成，胶体或微晶核的重构，三维结构胶体与类沸石微晶的形成。基于上述反应机理，碱激发胶凝材料具有早强快硬的特征，其24h抗压强度可达到约20MPa，

且通过增加SiO2/Al2O3摩尔比值实现凝结硬化时间由20min至210min可调控，故该胶凝材料适于快速修建与修补工程[8]。除上述快硬早强特征外，碱激发胶凝材料具有优异的低介质渗透与耐蚀性，其氯离子渗透深度最低仅为传统硅酸盐水泥混凝土的约40%，甚至浸泡于10%质量浓度的硫酸溶液中45d仍然具有完整的外观[9]。鉴于优异的抗侵蚀性质，碱激发胶凝材料适于作为强腐蚀性环境的建筑材料或防护材料，目前该材料相关技术已形成国家标准GB/T29423-2012《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》。虽然具有优异的早期力学性能与抗侵蚀能力，但是碱激发胶凝材料收缩变形大。在相同条件下，碱激发粉煤灰与矿渣砂浆的28d自收缩变形值约为硅酸盐水泥砂浆的2至3倍，而28d干燥收缩变形值则为4至6倍[10]。造成上述结果的原因在于碱激发材料中介孔体积（＜50nm）明显高于硅酸盐水泥浆体（约为2倍），从而导致显著的毛细孔收缩，故应重视碱激发胶凝材料的体积收缩变形问题。基于上述结果，碱激发胶凝材料的收缩变形过大，现有抗裂技术对碱激发胶凝材料的改善作用亟需进一步验证。其次，碱激发胶凝材料使用碱性激发剂作为主要的原材料，故返碱析盐导致的外观质量问题及抑制机制也应重点考虑。最后，碱激发胶凝材料的成熟工作性调控技术仍然欠缺，主要表现为碱激发胶凝材料对现有减水剂的相容性差，凝结时间过快，未来新型专业减水剂与工作性调控方法的研究亟需深入开展。

1.3矿物外加剂

矿物外加剂是在混凝土搅拌过程中加入的、具有一定细度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能的某些矿物类产品。传统矿物外加剂可分为天然类、人工类与工业废料类，其作用机理为火山灰效应、填充密实效应、增塑效应和界面效应[11]。近年来，已有研究将纳米技术应用于混凝土矿物外加剂中，利用纳米尺度物质小尺寸效应、量子效应、表面效应，不但可以填充常规矿物外加剂无法填充的水泥浆体间微细空隙（10nm～100nm的微孔），改善混凝土的堆积效果，释放多余的自由水，提高颗粒的水膜层厚度（图2）。此外，利用纳米材料的高化学活性和催化活性促进其与水化产物大量键合，同时以纳米矿物外加剂为晶核在其颗粒表面形成水化硅酸钙凝胶相，把松散的水化硅酸钙凝胶变成纳米矿物外加剂为核心的网状结构，进而对C-S-H胶凝结构进行改善（图3），生成的水化产物中超高密度C-S-H凝胶取代了低密度C-S-H凝胶，从而显著改善或提高水泥