高性能混凝土产业化发展的若干思考

高性能混凝土产业化发展的若干思考中国混凝土网[2005-9-7]摘要]本文通过对高强高性能混凝土的研究应用回顾，提出了普通混凝土高性能化是今后我国高性能混凝土产业化发展的主导方向，也是解决当前泵送混凝土普遍存在的早期开裂趋势明显的主要技术途径。对制约高性能混凝土产业化发展的水泥品质、现行规范和施工养护工艺等因素作了深入阐述。[关键词]高性能混凝土；产业化发展；普通混凝土高性能化；高性能水泥；混凝土体积稳定性；配合比设计SomeponderationontheindustrialdevelopmentofhighperformanceconcreteXIAWei(ShanhaiBuildingMaterialConcreteProductCo，Ltd.，Shanghai201803，China)Abstract:Itisputforward，byreviewingontheresearchesandapplicatonsofHSC/HPC，thatthehighperformingofordinaryconcreteisamainaimoftheindustrialdevelopmentofHPCinthefuture，andalsoisatechnicalwaywhichwillsolvecrackingproblemofordinarypumpingconcreteatearlyage.TheinfluencingfactorsupontheindustrialdevelopmentofHPCincludingcementquality，presentspecification，curingconditionsarediscussed.Keywords:highperformanceconcrete；industrialdevelopment；highperformingofordinaryconcrete；highperformancecement；volumestabilityofconcrete；designingofmixingproportion高强高性能混凝土研究应用回顾20世纪80年代中后期掀起的高强混凝土研究热，提升了我国混凝土技术的总体水平，带动了制品成套机械、施工技术和水泥制造等相关产业链的发展。C80～C100的高强混凝土陆续应用于大跨度桥梁、海军工程、先张法PHC管桩和铁路PC及轨枕制品等[1]。毋庸置疑，高强混凝土工程应用作为一种技术储备，为此后的高性能混凝土研发提供了坚实的理论和实践基础。随着大规模城市改造的建设热潮，预拌混凝土技术的开发普及，泵送混凝土技术日臻成熟。自1981年上海宾馆首次采用泵送混凝土施工工艺以来，垂直泵送高程以80m为起点，屡创新高。继1989年158m高的上海南浦大桥主塔采用C40泵送混凝土后，广东国际大厦创造了一级泵送200m的纪录，并在顶层飞机坪成功应用了C60泵送混凝土[1]；1995年上海杨浦大桥主塔C50高强混凝土泵送高度再次被刷新，达到了208m；1997年88层金茂大厦则创下C40混凝土一次泵送382.5m的世界纪录[2]。值得一提的是，当时的高泵程混凝土大多属于满足早强要求的高强混凝土范畴。在混凝土质量上，要求“早强不早凝”，如南浦大桥C40混凝土要求三天强度达70%，凝结时间大于12h。当时的混凝土配比设计大多采用以普通水泥为主，少量掺有10%的普通粉煤灰并复合缓凝效果的高效减水剂[1]。与此同时，以耐久性为标志的高性能混凝土概念引入我国，赋予了现代混凝土技术除满足高强、流态化之外新的技术内涵。由于高性能混凝土符合与时俱进可持续发展的时代理念，它的研发引起了现代混凝土技术的深刻变革。优质矿物外掺料已成为现代混凝土技术中不可或缺的第六组分。上海市率先于1998年、1999年颁布实施“高钙粉煤灰混凝土应用技术规程”和“粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土中应用技术规程”，为发展高性能混凝土提供了必要的理论依据。同时，粉煤灰的综合利用水平连续多年突破100%，粉煤灰已从单一的道路填筑，应用到墙体材料、陶粒制造、水泥和混凝土外掺料及预拌商品砂浆等建材生产各个领域。此外，减水率30%以上，保塑性、水泥适应性俱佳的氨基磺酸盐系列高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂的研制，功能型复合高性能外掺料的研发，均为高性能混凝土的应用发展提供了强有力的技术支持。其中矿渣微粉作为一种新型可大量替代水泥的活性掺合料，上海市于1997年起，在矿渣微粉的制成工艺、混凝土材性研究和工程应用方面取得了一系列成果。矿渣微粉混凝土应用的代表作有:1998年1月上海教育电视台综合楼基础一次性浇捣C40P6泵送混凝土3000m3，采用矿渣微粉和粉煤灰双掺技术，胶结材用量430kg/m3，水泥用量占46%；明天广场在部分混凝土结构中应用了C80泵送混凝土3000m3，在混凝土配比设计中，采用比表面积为600m2/kg的S115级矿渣微粉替代传统的硅灰，混凝土配制成本较国产硅灰下降9%[3]。纵观我国高性能混凝土的应用实践可以发现，高性能混凝土应用局限于少量标志性建筑中的高强等级混凝土，且未见水泥取代率50%以上用于上部混凝土结构的文献报道。如上述明天广场C80高强混凝土，S115级矿渣微粉掺量仅20%，水泥用量仍高达480kg/m3；国家大剧院部分钢管柱采用C100高强高性能混凝土，复合外掺料占胶结料总量的25%，水泥用量仍达450kg/m3。其配比设计的技术路径与“绿色环保”的高性能混凝土设计理念仍有明显差距。另一方面，量大面广的普通C20～C40流动性泵送混凝土却面临着体积稳定性差、早期塑性开裂等耐久性劣化问题，已成为困惑预拌混凝土发展的严峻现实课题。普通泵送混凝土的耐久性提高应该是高性能混凝土产业化发展最具现实意义的主导方向。以普通泵送混凝土C20～C30的胶结材总量(300～350)kg/m3，就能配制出抗化学侵蚀、干缩小、抗渗性能成倍提高的C40～C50高性能混凝土[4]。无论是现实的技术储备，还是预拌混凝土生产水平和泵送施工技术，完全能实现C20～C40流动性泵送混凝土的高性能化。然而，基于对高性能混凝土的认知程度，以及现行规范的约束，高性能混凝土产业化发展依然是任重道远。本文以预拌混凝土行业发展为视角，剖析高性能混凝土产业化发展的若干制约因素，并籍此抛砖引玉，提请有关专家学者共同关注，为我国高性能混凝土发展创造必要的外部环境。2高性能混凝土的强度、耐久性和工作性2.1高性能混凝土的强度高性能混凝土从上世纪九十年代初由美国NIST与ACI首次提出以来，因不同学者的专业背景视角及认知程度上的差异，至今未有完整明确的概念化定义。但在高强混凝土和高性能混凝土关系上，渐成共识，即“高强混凝土未必高耐久性，高耐久性未必高强”。吴中伟院士曾于1996年提出，高性能混凝土应包括中等强度混凝土，如C30混凝土。之后又提出，大量处于严酷环境中的海工、水工结构对混凝土强度要求并不高(C30左右)，但耐久性要求却很高。以吴院士的表述推论，对于抗冻混凝土，由于掺加了引气剂，混凝土强度等级不过C30左右，但其抗冻能力却远胜于C50～C60的高强混凝土。因此不能简单地用强度等级来界定高性能混凝土。普通混凝土高性能化是今后若干年高性能混凝土产业化发展的方向。国家科委于2001年关于“十五国家科技攻关计划‘新型高性能混凝土及其耐久性研究’”的批复中指出，应“研制中等强度高性能混凝土和用不同强度等级水泥配制的高性能混凝土，新拌混凝土抗离析好，泌水率低，出机混凝土坍落度18cm以上，经1.5h坍落度损失不大于4cm，保证混凝土有良好的泵送性能和施工性能；硬化混凝土强度等级，冻融循环、氯离子渗透值等达到高性能混凝土的相应性能指标”。2.2高性能混凝土的耐久性对于高性能混凝土的耐久性指标，不应强调统一的固化模式，面面俱到一劳永逸的高性能混凝土并不符合我国国情。所谓高性能混凝土，具有特定使用环境下的耐久性，适宜的强度和工作性，满足预期使用寿命的耐久性要求，最大限度地减少预期使用年限内的维护修补费用，同时应符合保护环境，减轻环境负荷可持续发展的设计目标。对一些公共标志性建筑，一次性投入巨大，服务年限内使用维护费用高，可以采用耐久性设计100年以上的高性能混凝土。表1为国家大剧院工程C100高性能混凝土的耐久性设计参数。而一般民用建筑设计使用寿命50年，在耐久性设计方面，应以体积稳定性和抗碳化能力为控制指标。如放射性核素限量、外加剂氨释放量等环境评价合格，即完全满足现代人居环境的要求。普通C30混凝土经高性能配伍后，足以满足耐久性需求。表1C100高性能混凝土的耐久性设计参数配制强度fcu，28≥115MPa扩展度≥500mm；3h损失率≤1%体积稳定性60d收缩≤3×10-4抗渗等级P35抗冻融等级F200以上氯离子渗透系数≤1.5×10-8cm2/s碳化深度28d≤0.5mm2.3高性能混凝土的工作性高性能混凝土在工作性方面，必须具备较强的保塑性和一定的流动度保持能力。但在流动性指标上，不必拘泥于坍落度大于180mm以上，扩展度600mm以上或以锥体排空时间表征的流动性限值。只要具有一定的流动性，满足施工所需的和易性、密实性即可。如日本发展自密实免振捣混凝土，是基于减少城市噪音污染和劳动力成本高昂考量。对城市建筑、人口高密度区，配筋稠密的工程，可采用自密实免振捣混凝土。而对一些在一定流动度下，即能满足泵送要求，盲目套用坍落度180mm以上的量化指示，实属矫枉过正且不符技术经济的合理原则。3高性能混凝土产业化发展对水泥质量的要求长期以来，水泥和混凝土分属建材、建工两大系统，历史形成的条块分割格局，不利于高性能混凝土产业发展方向。混凝土技术人员不了解水泥制造工艺，水泥企业不知晓混凝土发展动态。在水泥产品结构上，以高细度、高标号、高早强为标志的“三高水泥”成了近年来水泥质量的发展主流。随着对碱骨料反应的重视，水泥的碱含量才被真正关注。从目前水泥产品的结构和质量现状而言，远远不能适应高性能混凝土对耐久性的要求。因此，高性能混凝土产业化发展的前提条件，是实现水泥的高性能化。3.1高性能混凝土对水泥矿物组成的要求在水泥矿物组成中C3A需水量最大，水化快放热集中，对外加剂吸附量最大，适应性差，抗硫酸盐侵蚀能力较弱。尤其是在低温条件下烧成的熟料，析晶出来的C3A和C4AF含量高，水泥标准稠度用水量大，与外加剂相容性差。有研究表明，水泥熟料中C3A含量每增加1%，标准稠度用水量也同步提高1%；而水泥标准稠度用水量每增加1%，混凝土用水量相应提高(6～8)kg/m3。另外，水泥净浆流动度随C3A+C4AF总量的减少而提高[5]。水泥碱含量越大，对萘系减水剂相容性就越差，凝结时间缩短。因此，减少水泥熟料中间相C3A和C4AF总量是高性能水泥必须具备的主要特征。以C2S矿物含量达50%以上的高贝利特低热型硅酸盐水泥，被认为是最适宜配制高性能混凝土的品种。该项目已被列入“十五”国家科技攻关计划，建立强度等级大于52.5MPa，年产10万吨以上规模的若干示范线。3.2水泥中的掺合科对配制高性能混凝土的影响国标GB175-1999“硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥”允许Ⅱ型硅酸盐水泥中掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣，普通水泥中活性混合材掺量不得超过15%，非活性混合材掺量不得超过水泥质量的10%。允许在水泥生产中掺加混合材是基于各地方充分利用当地自然资源，减少水泥生产对环境负荷的影响，整合地方资源优势。然而，目前水泥质量的严重异化却背离了标准制定者的良好初衷。部分水泥生产厂和粉磨站(配制厂)提供的普通水泥，其中的混合材种类数量远远突破国际的限定要求，尤其在市场供求关系失衡，价格上扬建设过热的景气条件下，这一现象更加突出。而现行水泥标准对普通水泥烧失量的限值为5%，明显过于宽松，使上述企业在混合材使用上更加游刃有余。预拌混凝土企业在水泥验收检验中又往往将烧失量指标忽略，事实上普通水泥的烧失量超过4%已相当普遍，导致当前水泥的需水量明显上升，目前普通