[摘 要] 本文通過對高強(qiáng)高性能混凝土的研究應(yīng)用回顧，提出了普通混凝土高性能化是今后我國高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主導(dǎo)方向，也是解決當(dāng)前泵送混凝土普遍存在的早期開裂趨勢明顯的主要技術(shù)途徑。對制約高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的水泥品質(zhì)、現(xiàn)行規(guī)范和施工養(yǎng)護(hù)工藝等因素作了深入闡述。
[關(guān)鍵詞] 高性能混凝土； 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展； 普通混凝土高性能化； 高性能水泥； 混凝土體積穩(wěn)定性； 配合比設(shè)計(jì)
Some ponderation on the industrial development of high performance concrete
XIA Wei(Shanhai Building Material Concrete Product Co ，Ltd. ，Shanghai 201803 ，China)
Abstract : It is put forward ，by reviewing on the researches and applicatons of HSC/ HPC ，that the high performing of ordinary concrete is a main aim of the industrial development of HPC in the future ，and also is a technical way which will solve cracking problem of ordinary pumping concrete at early age. The influencing factors upon the industrial development of HPC including cement quality， present specification， curing conditions are discussed.
Key words : high performance concrete ； industrial development ；high performing of ordinary concrete ； high performance cement ；volume stability of concrete ； designing of mixing proportion
1 高強(qiáng)高性能混凝土研究應(yīng)用回顧
20 世紀(jì)80 年代中后期掀起的高強(qiáng)混凝土研究熱，提升了我國混凝土技術(shù)的總體水平，帶動(dòng)了制品成套機(jī)械、施工技術(shù)和水泥制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。C80～C100 的高強(qiáng)混凝土陸續(xù)應(yīng)用于大跨度橋梁、海軍工程、先張法PHC 管樁和鐵路PC 及軌枕制品等[1] 。毋庸置疑，高強(qiáng)混凝土工程應(yīng)用作為一種技術(shù)儲(chǔ)備，為此后的高性能混凝土研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。隨著大規(guī)模城市改造的建設(shè)熱潮，預(yù)拌混凝土技術(shù)的開發(fā)普及，泵送混凝土技術(shù)日臻成熟。自1981 年上海賓館首次采用泵送混凝土施工工藝以來，垂直泵送高程以80m 為起點(diǎn)，屢創(chuàng)新高。繼1989年158m高的上海南浦大橋主塔采用C40 泵送混凝土后，廣東國際大廈創(chuàng)造了一級泵送200m 的紀(jì)錄，并在頂層飛機(jī)坪成功應(yīng)用了C60 泵送混凝土[1]；1995 年上海楊浦大橋主塔C50 高強(qiáng)混凝土泵送高度再次被刷新，達(dá)到了208m；1997年88 層金茂大廈則創(chuàng)下C40 混凝土一次泵送382.5m 的世界紀(jì)錄[2] 。值得一提的是，當(dāng)時(shí)的高泵程混凝土大多屬于滿足早強(qiáng)要求的高強(qiáng)混凝土范疇。在混凝土質(zhì)量上， 要求“早強(qiáng)不早凝”，如南浦大橋C40 混凝土要求三天強(qiáng)度達(dá)70 % ，凝結(jié)時(shí)間大于12h。當(dāng)時(shí)的混凝土配比設(shè)計(jì)大多采用以普通水泥為主，少量摻有10 %的普通粉煤灰并復(fù)合緩凝效果的高效減水劑[1] 。
與此同時(shí)，以耐久性為標(biāo)志的高性能混凝土概念引入我國，賦予了現(xiàn)代混凝土技術(shù)除滿足高強(qiáng)、流態(tài)化之外新的技術(shù)內(nèi)涵。由于高性能混凝土符合與時(shí)俱進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代理念，它的研發(fā)引起了現(xiàn)代混凝土技術(shù)的深刻變革。優(yōu)質(zhì)礦物外摻料已成為現(xiàn)代混凝土技術(shù)中不可或缺的第六組分。上海市率先于1998 年、1999 年頒布實(shí)施“高鈣粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程”和“粒化高爐礦渣微粉在水泥混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程”，為發(fā)展高性能混凝土提供了必要的理論依據(jù)。同時(shí)，粉煤灰的綜合利用水平連續(xù)多年突破100 % ，粉煤灰已從單一的道路填筑，應(yīng)用到墻體材料、陶粒制造、水泥和混凝土外摻料及預(yù)拌商品砂漿等建材生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。此外，減水率30 %以上，保塑性、水泥適應(yīng)性俱佳的氨基磺酸鹽系列高效減水劑和聚羧酸高性能減水劑的研制，功能型復(fù)合高性能外摻料的研發(fā)，均為高性能混凝土的應(yīng)用發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。其中礦渣微粉作為一種新型可大量替代水泥的活性摻合料，上海市于1997 年起，在礦渣微粉的制成工藝、混凝土材性研究和工程應(yīng)用方面取得了一系列成果。礦渣微粉混凝土應(yīng)用的代表作有:1998 年1 月上海教育電視臺(tái)綜合樓基礎(chǔ)一次性澆搗C40P6泵送混凝土3000m3，采用礦渣微粉和粉煤灰雙摻技術(shù)，膠結(jié)材用量430kg/m3，水泥用量占46%；明天廣場在部分混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用了C80 泵送混凝土3000m3， 在混凝土配比設(shè)計(jì)中， 采用比表面積為600m2/ kg 的S115 級礦渣微粉替代傳統(tǒng)的硅灰，混凝土配制成本較國產(chǎn)硅灰下降9%[3] 。
縱觀我國高性能混凝土的應(yīng)用實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，高性能混凝土應(yīng)用局限于少量標(biāo)志性建筑中的高強(qiáng)等級混凝土，且未見水泥取代率50%以上用于上部混凝土結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)報(bào)道。如上述明天廣場C80 高強(qiáng)混凝土，S115 級礦渣微粉摻量僅20 % ，水泥用量仍高達(dá)480kg/m3 ；國家大劇院部分鋼管柱采用C100 高強(qiáng)高性能混凝土，復(fù)合外摻料占膠結(jié)料總量的25% ，水泥用量仍達(dá)450kg/m3 。其配比設(shè)計(jì)的技術(shù)路徑與“綠色環(huán)保”的高性能混凝土設(shè)計(jì)理念仍有明顯差距。另一方面，量大面廣的普通C20～C40 流動(dòng)性泵送混凝土卻面臨著體積穩(wěn)定性差、早期塑性開裂等耐久性劣化問題，已成為困惑預(yù)拌混凝土發(fā)展的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)課題。普通泵送混凝土的耐久性提高應(yīng)該是高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最具現(xiàn)實(shí)意義的主導(dǎo)方向。以普通泵送混凝土C20～C30 的膠結(jié)材總量(300～350)kg/m3 ，就能配制出抗化學(xué)侵蝕、干縮小、抗?jié)B性能成倍提高的C40～C50 高性能混凝土[4 ] 。無論是現(xiàn)實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備，還是預(yù)拌混凝土生產(chǎn)水平和泵送施工技術(shù)，完全能實(shí)現(xiàn)C20～C40 流動(dòng)性泵送混凝土的高性能化。然而，基于對高性能混凝土的認(rèn)知程度，以及現(xiàn)行規(guī)范的約束，高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展依然是任重道遠(yuǎn)。本文以預(yù)拌混凝土行業(yè)發(fā)展為視角，剖析高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的若干制約因素，并籍此拋磚引玉，提請有關(guān)專家學(xué)者共同關(guān)注，為我國高性能混凝土發(fā)展創(chuàng)造必要的外部環(huán)境。
2 高性能混凝土的強(qiáng)度、耐久性和工作性
2.1 高性能混凝土的強(qiáng)度
高性能混凝土從上世紀(jì)九十年代初由美國NIST與ACI 首次提出以來，因不同學(xué)者的專業(yè)背景視角及認(rèn)知程度上的差異，至今未有完整明確的概念化定義。但在高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土關(guān)系上，漸成共識(shí)，即“高強(qiáng)混凝土未必高耐久性，高耐久性未必高強(qiáng)”。吳中偉院士曾于1996 年提出，高性能混凝土應(yīng)包括中等強(qiáng)度混凝土，如C30 混凝土。之后又提出，大量處于嚴(yán)酷環(huán)境中的海工、水工結(jié)構(gòu)對混凝土強(qiáng)度要求并不高(C30 左右) ，但耐久性要求卻很高。以吳院士的表述推論，對于抗凍混凝土，由于摻加了引氣劑，混凝土強(qiáng)度等級不過C30 左右，但其抗凍能力卻遠(yuǎn)勝于C50～C60 的高強(qiáng)混凝土。因此不能簡單地用強(qiáng)度等級來界定高性能混凝土。普通混凝土高性能化是今后若干年高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的方向。
國家科委于2001 年關(guān)于“十五國家科技攻關(guān)計(jì)劃‘新型高性能混凝土及其耐久性研究’”的批復(fù)中指出，應(yīng)“研制中等強(qiáng)度高性能混凝土和用不同強(qiáng)度等級水泥配制的高性能混凝土，新拌混凝土抗離析好，泌水率低，出機(jī)混凝土坍落度18cm 以上，經(jīng)1.5h 坍落度損失不大于4cm ，保證混凝土有良好的泵送性能和施工性能；硬化混凝土強(qiáng)度等級，凍融循環(huán)、氯離子滲透值等達(dá)到高性能混凝土的相應(yīng)性能指標(biāo)”。
2.2 高性能混凝土的耐久性
對于高性能混凝土的耐久性指標(biāo)，不應(yīng)強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一的固化模式，面面俱到一勞永逸的高性能混凝土并不符合我國國情。所謂高性能混凝土，具有特定使用環(huán)境下的耐久性，適宜的強(qiáng)度和工作性，滿足預(yù)期使用壽命的耐久性要求，最大限度地減少預(yù)期使用年限內(nèi)的維護(hù)修補(bǔ)費(fèi)用，同時(shí)應(yīng)符合保護(hù)環(huán)境，減輕環(huán)境負(fù)荷可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對一些公共標(biāo)志性建筑，一次性投入巨大，服務(wù)年限內(nèi)使用維護(hù)費(fèi)用高，可以采用耐久性設(shè)計(jì)100 年以上的高性能混凝土。表1為國家大劇院工程C100 高性能混凝土的耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)。而一般民用建筑設(shè)計(jì)使用壽命50 年，在耐久性設(shè)計(jì)方面，應(yīng)以體積穩(wěn)定性和抗碳化能力為控制指標(biāo)。如放射性核素限量、外加劑氨釋放量等環(huán)境評價(jià)合格，即完全滿足現(xiàn)代人居環(huán)境的要求。普通C30 混凝土經(jīng)高性能配伍后，足以滿足耐久性需求。
表1 C100 高性能混凝土的耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)
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配制強(qiáng)度 |
fcu，28≥115MPa |
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擴(kuò)展度 |
≥500mm；3h損失率≤1% |
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體積穩(wěn)定性 |
60d收縮≤3×10-4 |
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抗?jié)B等級 |
>P35 |
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抗凍融等級 |
F200以上 |
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氯離子滲透系數(shù) |
≤1.5×10-8cm2/s |
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碳化深度 |
28d≤0.5mm |
2.3 高性能混凝土的工作性
高性能混凝土在工作性方面，必須具備較強(qiáng)的保塑性和一定的流動(dòng)度保持能力。但在流動(dòng)性指標(biāo)上，不必拘泥于坍落度大于180mm 以上，擴(kuò)展度600mm以上或以錐體排空時(shí)間表征的流動(dòng)性限值。只要具有一定的流動(dòng)性，滿足施工所需的和易性、密實(shí)性即可。如日本發(fā)展自密實(shí)免振搗混凝土，是基于減少城市噪音污染和勞動(dòng)力成本高昂考量。對城市建筑、人口高密度區(qū)，配筋稠密的工程，可采用自密實(shí)免振搗混凝土。而對一些在一定流動(dòng)度下，即能滿足泵送要求，盲目套用坍落度180mm 以上的量化指示，實(shí)屬矯枉過正且不符技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理原則。
3 高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對水泥質(zhì)量的要求
長期以來，水泥和混凝土分屬建材、建工兩大系統(tǒng)，歷史形成的條塊分割格局，不利于高性能混凝土產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。混凝土技術(shù)人員不了解水泥制造工藝，水泥企業(yè)不知曉混凝土發(fā)展動(dòng)態(tài)。在水泥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，以高細(xì)度、高標(biāo)號(hào)、高早強(qiáng)為標(biāo)志的“三高水泥”成了近年來水泥質(zhì)量的發(fā)展主流。隨著對堿骨料反應(yīng)的重視，水泥的堿含量才被真正關(guān)注。從目前水泥產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量現(xiàn)狀而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高性能混凝土對耐久性的要求。因此，高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前提條件，是實(shí)現(xiàn)水泥的高性能化。
3.1 高性能混凝土對水泥礦物組成的要求
在水泥礦物組成中C3A 需水量最大，水化快放熱集中，對外加劑吸附量最大，適應(yīng)性差，抗硫酸鹽侵蝕能力較弱。尤其是在低溫條件下燒成的熟料，析晶出來的C3A 和C4AF 含量高，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量大，與外加劑相容性差。有研究表明，水泥熟料中C3A 含量每增加1% ，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量也同步提高1%；而水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量每增加1% ，混凝土用水量相應(yīng)提高(6～8)kg/ m3 。另外，水泥凈漿流動(dòng)度隨C3A + C4AF總量的減少而提高[5] 。水泥堿含量越大，對萘系減水劑相容性就越差，凝結(jié)時(shí)間縮短。
因此，減少水泥熟料中間相C3A 和C4AF 總量是高性能水泥必須具備的主要特征。以C2S 礦物含量達(dá)50%以上的高貝利特低熱型硅酸鹽水泥，被認(rèn)為是最適宜配制高性能混凝土的品種。該項(xiàng)目已被列入“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃， 建立強(qiáng)度等級大于52.5MPa ，年產(chǎn)10萬噸以上規(guī)模的若干示范線。
3.2 水泥中的摻合科對配制高性能混凝土的影響
國標(biāo)GB175-1999“硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥”允許Ⅱ型硅酸鹽水泥中摻加不超過水泥質(zhì)量5%的石灰石或粒化高爐礦渣，普通水泥中活性混合材摻量不得超過15% ，非活性混合材摻量不得超過水泥質(zhì)量的10%。允許在水泥生產(chǎn)中摻加混合材是基于各地方充分利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源，減少水泥生產(chǎn)對環(huán)境負(fù)荷的影響，整合地方資源優(yōu)勢。然而，目前水泥質(zhì)量的嚴(yán)重異化卻背離了標(biāo)準(zhǔn)制定者的良好初衷。部分水泥生產(chǎn)廠和粉磨站(配制廠) 提供的普通水泥，其中的混合材種類數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破國際的限定要求，尤其在市場供求關(guān)系失衡，價(jià)格上揚(yáng)建設(shè)過熱的景氣條件下，這一現(xiàn)象更加突出。而現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)對普通水泥燒失量的限值為5 % ，明顯過于寬松，使上述企業(yè)在混合材使用上更加游刃有余。預(yù)拌混凝土企業(yè)在水泥驗(yàn)收檢驗(yàn)中又往往將燒失量指標(biāo)忽略，事實(shí)上普通水泥的燒失量超過4%已相當(dāng)普遍，導(dǎo)致當(dāng)前水泥的需水量明顯上升，目前普通水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量均值已突破27 %。同一廠家一年內(nèi)強(qiáng)度極差超過10MPa不在少數(shù)，對外加劑適應(yīng)性問題日益加劇；部分水泥企業(yè)摻入大量輕燒態(tài)的火山灰混合材，引起混凝土嚴(yán)重泌水，并使混凝土體積明顯減縮，并發(fā)生塑性開裂；一些水泥粉磨站(配制廠) 將從不同水泥廠采購的熟料和不同電廠排放的粉煤灰分別混于一倉，用于配制普通水泥；另一些發(fā)生水泥購并的集團(tuán)企業(yè)，不同產(chǎn)地的熟料冠以同一牌號(hào)銷售，致使同一廠家同一牌號(hào)的水泥礦物組成差異懸殊，需水量和凝結(jié)時(shí)間令預(yù)拌混凝土企業(yè)無法掌控。
盡管水泥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對水泥出廠強(qiáng)度有最低限制要求，但該限值為企業(yè)內(nèi)控指標(biāo)。對水泥用戶驗(yàn)收而言，仍適用于國標(biāo)，即使水泥實(shí)測強(qiáng)度為42.5MPa ，仍為合格品。某預(yù)拌混凝土企業(yè)使用一水泥中轉(zhuǎn)站(含配制) 提供的P Ⅱ52.5 水泥，并用大摻量礦粉和粉煤灰配制泵送混凝土，因發(fā)生混凝土強(qiáng)度不合格，追溯后發(fā)現(xiàn)該批水泥28d 強(qiáng)度僅53.7MPa ，后經(jīng)多方證實(shí)，該水泥中轉(zhuǎn)站在中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中，仍大量摻加礦粉和粉煤灰，且達(dá)到了普通水泥的摻加水平，但提供的水泥質(zhì)保單上，28d 強(qiáng)度均大于58MPa 。對利潤追求的最大化及市場供求關(guān)系的改變，可以使少數(shù)水泥企業(yè)利令智昏地改變既定的質(zhì)量管理體系，這著實(shí)是一個(gè)令混凝土技術(shù)人員困惑不已的現(xiàn)實(shí)難題。
綜上所述，水泥品質(zhì)的現(xiàn)狀已成為制約高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的嚴(yán)重瓶頸，從高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展著言，水泥生產(chǎn)工藝中應(yīng)取消摻加混合材，普通水泥應(yīng)盡快退出歷史舞臺(tái)。允許在水泥生產(chǎn)中摻加混合材，即增加了水泥質(zhì)量中的不確定因素，給混凝土質(zhì)量控制帶來不可逾越的質(zhì)量盲點(diǎn)，對混凝土耐久性提高構(gòu)成潛在威脅。混合材的使用應(yīng)改由水泥廠的“暗箱”操作為預(yù)拌混凝土企業(yè)的“陽光”配制，即依據(jù)不同的使用功能，選擇適宜的功能型摻合料。
3．3 高性能混凝土對水泥細(xì)度要求
水泥標(biāo)準(zhǔn)中的細(xì)度指標(biāo)對高性能混凝土配制用水泥并不具有重要意義。過高的細(xì)度對外加劑吸附量大，且在低水膠比條件下，易產(chǎn)生自收縮。以同種水泥不同的細(xì)度在一定的水灰比和外加劑用量下，凈漿流動(dòng)度隨水泥細(xì)度的增大而下降[6 ] 。一些熟料燒成質(zhì)量較差的水泥廠，為滿足早期強(qiáng)度往往以提高粉磨細(xì)度來達(dá)到，導(dǎo)致對外加劑適應(yīng)性變差。此外，水泥顆粒中(4～30)μm 的顆粒對強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，大于60μm的顆粒僅起填充作用，小于3μm 的顆粒對減少泌水，早強(qiáng)有利；水泥顆粒分布窄，顆粒堆積的空隙率大，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量大，凝結(jié)時(shí)間長，早期強(qiáng)度低，與外加劑相容性差[7 ] 。配制高性能混凝土的水泥，應(yīng)具有連續(xù)的顆粒分布級配，使水泥粉體達(dá)到最佳堆積密度，用水量最低，與外加劑匹配性強(qiáng)。因此，高性能混凝土用水泥的細(xì)度，應(yīng)以顆粒分布級配表征，取代目前的細(xì)度評價(jià)法。
4 高性能混凝土的體積穩(wěn)定性
4．1 提高混凝土體積穩(wěn)定性的技術(shù)途徑
預(yù)拌混凝土是國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本國策，但由此也引發(fā)了混凝土早期開裂的負(fù)面影響，普通泵送混凝土28d 干縮值為(3～6)×10-4 ，而高強(qiáng)高性能混凝土因膠結(jié)材用量高，采用超細(xì)外摻料低水膠比，早期的自收縮可達(dá)(2～4) ×10-4 。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)[8] ，摻加粉煤灰和礦粉的泵送混凝土從加水至混凝土初凝時(shí)段的塑性收縮率更達(dá)(1.5～2.2) %，在一定的約束條件下，早期開裂趨勢增強(qiáng)。現(xiàn)代混凝土的體積穩(wěn)定性問題日益突出，這些體積穩(wěn)定性涉及到混凝土早期裂縫的形成和擴(kuò)展。因此，在高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中，必須引入具有減縮、補(bǔ)償收縮為功效的設(shè)計(jì)理念，合理選材，從源頭上采取措施提高混凝土的體積穩(wěn)定性。如三峽大壩混凝土采用中熱水泥，并控制水泥中MgO 含量達(dá)(3.5～5.0) %，利用方鎂石水化產(chǎn)生體積膨脹，補(bǔ)償混凝土降溫階段的溫度收縮。近年來，流行了以硫鋁酸鈣膨脹劑為膨脹源補(bǔ)償混凝土收縮的配合比設(shè)計(jì)思路，并被大量用于混凝土墻、頂板等上部結(jié)構(gòu)。因鈣礬石對養(yǎng)護(hù)條件相對苛刻，必須以充分的水份供給為前提，然而目前的施工條件既無法保證垂直墻板的保濕養(yǎng)護(hù)，又不能滿足頂板的大面積覆蓋保濕，頂板澆搗后處于太陽曝曬的情景司空見慣，結(jié)果出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的干縮裂縫。許多膨脹劑廠商夸大產(chǎn)品功能，利用業(yè)主發(fā)展商對混凝土抗裂防水的迫切要求，在名稱上故弄玄虛，將硫鋁酸鈣膨脹劑冠以抗裂防水劑，使缺乏材料研究背景的設(shè)計(jì)院輕易采信，導(dǎo)致因膨脹劑設(shè)計(jì)使用不當(dāng)而引發(fā)的混凝土開裂事故不斷。值得一提的是，具有減縮、補(bǔ)償收縮雙功效的混凝土體積穩(wěn)定劑的開發(fā)，滿足了高性能混凝土對體積穩(wěn)定性的要求[9] 。以該體積穩(wěn)定劑(2～6)%摻入普通粉煤灰、礦粉中，在氣干狀態(tài)下的28d 干縮控制在2.5 ×10-4以下，在水中的膨脹值為(0.5～1.5) ×10-4，同時(shí)也提高了混凝土的抗介質(zhì)滲透等耐久性能。
4.2 混凝土體積穩(wěn)定性研究中的三階段劃分
近年來，在方興未艾的礦渣微粉研究熱中，大量的研究偏重于“大摻量取代”、“活性指數(shù)”等強(qiáng)度效應(yīng)和耐久性提高的復(fù)演性試驗(yàn)中，對礦渣微粉的應(yīng)用技術(shù)缺乏深入研究，尤其是對摻礦渣微粉混凝土塑性階段的泌水性能仍處于研究盲點(diǎn)。對混凝土的體積穩(wěn)定性研究應(yīng)包括不可分割的三個(gè)階段：一階段，從加水到混凝土初凝，混凝土從流動(dòng)狀態(tài)到塑性喪失期，此階段混凝土固相顆粒沉降，伴隨泌水發(fā)生，體積減縮，為塑性收縮期；二階段，混凝土初凝之后到24h 齡期，混凝土由塑性轉(zhuǎn)型為彈粘性體，該時(shí)段以混凝土自收縮最為顯著集中，為自收縮階段；三階段，24h 齡期后為干縮期。三個(gè)階段的基準(zhǔn)零點(diǎn)界限清晰，測試方法相對獨(dú)立，其中第三階段實(shí)測的干縮值包含了一部分后期的自收縮。當(dāng)前學(xué)術(shù)界較關(guān)注于后兩個(gè)階段，對第一階段混凝土塑性收縮率的評價(jià)極其影響因素的研究表明[8] ，摻礦渣微粉混凝土的塑性收縮率隨礦粉摻量的提高而增大，摻量從25%提高至50% ，混凝土的塑性收縮率從2.2 %增至3.6 % ，在鋼筋約束條件下，于樓板表層及樓板梁連接處極易發(fā)生塑性開裂，這些于混凝土塑性階段產(chǎn)生的微裂縫，在此后施工外荷載作用下擴(kuò)展延伸。學(xué)術(shù)研究中的浮澡性，“大摻量等量取代”在一定程度上誤導(dǎo)了一部分預(yù)拌混凝土企業(yè)，迎合了一部分預(yù)拌混凝土企業(yè)“降本節(jié)支”的需求，忽視了礦渣微粉的顆粒形貌特征對混凝土體積穩(wěn)定性帶來的負(fù)面影響。由此可見，在高性能混凝土的體積穩(wěn)定性研究中，除考慮自收縮和干縮對混凝土的體積穩(wěn)定性影響外，更不可低估混凝土的塑性收縮對早期開裂的決定作用。建議高性能混凝土的塑性收縮率應(yīng)控制在1 %以內(nèi)。
5 高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)
5.1 現(xiàn)行規(guī)范的適應(yīng)性
高性能混凝土雖有十多年的研發(fā)歷史，但迄今為止，國內(nèi)尚無綱領(lǐng)性的配合比設(shè)計(jì)指南。除少數(shù)對耐久性要求較高的重點(diǎn)項(xiàng)目外，作為預(yù)拌混凝土企業(yè)具有自主開發(fā)愿望的，現(xiàn)行規(guī)范對此難以提供有力的技術(shù)支持。具體體現(xiàn)在“普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程”[10]中關(guān)于“最大水灰比”和“最低水泥用量”的表述和理解上：對處于“干燥環(huán)境”下“正常居住或辦公用房屋內(nèi)部件”的鋼筋混凝土，其“最大水灰比”不得超過0.65 ，最小水泥用量不得小于260kg/m3 。此處的“水灰比”應(yīng)理解為“水膠比”，“水泥用量”泛指“膠結(jié)材總量”。然后該規(guī)程在泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)中，又提出了“泵送混凝土的用水量與水泥和礦物摻合料的總量之比不宜大于0.60”“， 泵送混凝土的水泥和礦物摻合料的總量不宜小于300kg/ m3”。此處又十分明確地運(yùn)用了“水膠比”和“膠結(jié)材總量”概念。前后兩者的概念表述就本質(zhì)而言是連貫的，并不矛盾。然而，以表3中的“HPC(A) ”高性能化配合比為例，水膠比為0.50 ，膠結(jié)材總量為350kg/m3，完全符合規(guī)程要求。但對不諳材料研究的建設(shè)監(jiān)理、施工技術(shù)代表而言，可以理直氣壯地理解為：水灰比1.0 ，水泥用量175kg/m3，不符規(guī)程要求，拒絕混凝土施工澆搗。
5.2 高性能混凝土的最大外摻料限量
高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)以最大限度地減少水泥用量為終極目標(biāo)，努力減輕水泥混凝土生產(chǎn)對環(huán)境負(fù)荷的影響程度為己任。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1997 年我國水泥產(chǎn)量達(dá)5 億噸，耗煤5940萬噸，標(biāo)準(zhǔn)煤比國外平均水平高41%；電力消耗550億千瓦時(shí)，占全國工業(yè)用電量的6.54% ，綜合電耗為(115-120) kwh/t ，比國際先進(jìn)水平高20%～30%；石灰石耗用418億噸，噸水泥耗用0.95 噸～0.98 噸；CO2排放量3.6億噸，SO2 為86 萬噸，煙塵及粉塵排放量為690萬噸～750萬噸，占全國工業(yè)煙塵總排放量四分之一強(qiáng)。與此同時(shí)，1997年全國縣以上工業(yè)企業(yè)固體廢物產(chǎn)生量及排放量分別為6.6 億噸、1549萬噸，2000 年則分別達(dá)到了8.2億噸、3186 萬噸。
鑒于目前預(yù)拌混凝土普遍摻加了粉煤灰和礦粉，且摻加總量已達(dá)40%左右。因此，高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展應(yīng)以50%的水泥取代率為目標(biāo)起點(diǎn)。在應(yīng)用技術(shù)上處理好大摻量與混凝土早期強(qiáng)度低的矛盾，特別應(yīng)重視因大摻量使用混合材配伍不當(dāng)，早期強(qiáng)度遞進(jìn)緩慢造成的混凝土開裂。因此，在規(guī)范[11 ，12 ]中，對于上部結(jié)構(gòu)，都出現(xiàn)了外摻料最大限量的條款。但是，由于目前功能性外摻料的品種、活性均超出了上述規(guī)范涉及的外摻料，對外摻料摻量的限制性條款不符合高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對環(huán)境減負(fù)的終極目標(biāo)。而應(yīng)將對外摻料摻量的限量控制改為對混凝土強(qiáng)度遞進(jìn)率的掌控，既避免過度早強(qiáng)引發(fā)混凝土內(nèi)裂縫，又必須滿足正常施工對混凝土合理的早強(qiáng)要求。表2 列出了高性能混凝土強(qiáng)度遞進(jìn)控制模式。
表2 高性能混凝土強(qiáng)度遞進(jìn)控制模式
|
齡期/d |
1 |
3 |
7 |
14 |
28 |
|
達(dá)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級的百分?jǐn)?shù) |
15-20 |
40-50 |
70-80 |
100-110 |
120-130 |
5.3 高性能混凝土的最低水泥用量
最低水泥用量的提出，是為確保混凝土必要的耐久性。但對部分經(jīng)改性處理，活性和綜合耐久性指標(biāo)符合甚至超過GB/T 18736-2002“高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑”的二元、三元復(fù)合外摻料，應(yīng)不受規(guī)范相應(yīng)條款的限制。如規(guī)范[11 ]中規(guī)定上部結(jié)構(gòu)最低水泥用量為200kg/m3 ，但只要高性能化的技術(shù)途徑可行，設(shè)計(jì)方法正確，合理選材配伍，僅120kg/m3的水泥用量，就能配制出抗?jié)B等級P21 以上的高性能混凝土[4] 。另一方面，從混凝土成本考慮，對膠結(jié)材總量為300kg/m3的普通混凝土高性能化，水泥用量不突破200kg/m3的限制要求，則無法付諸實(shí)際應(yīng)用。
5.4 高性能混凝土的用水量
降低混凝土的用水量是配制高性能混凝土的主要技術(shù)手段，而混凝土的用水量與外加劑的總體應(yīng)用水平相關(guān)。目前預(yù)拌混凝土采用的泵送劑仍以普通減水劑為主導(dǎo)品種，隨著粉煤灰和礦粉雙摻技術(shù)的應(yīng)用，減水率達(dá)12 %～15 %的中效減水劑應(yīng)運(yùn)而生，高效減水劑則主要用于高強(qiáng)混凝土。由表3可知，目前外加劑在混凝土的成本構(gòu)成中不超過5 %，普通減水劑則更低。顯然這一應(yīng)用水平與高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展要求相距甚遠(yuǎn)。在水泥價(jià)格持續(xù)走低的條件下，使用高效減水劑配制普通泵送混凝土?xí)?dǎo)致成本上升。預(yù)拌混凝土企業(yè)寧可多消費(fèi)水泥，也不愿使用對提高耐久性有利的高效減水劑。因此，高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必須以提高我國混凝土外加劑的總體應(yīng)用水平為前提，從立法上明確限制混凝土單位用水量。現(xiàn)階段，鑒于合理的承受能力，應(yīng)鼓勵(lì)使用價(jià)格適中的減水率為15 %～18 %的萘系高效減水劑，使配制C40以下等級泵送混凝土的用水量不超過180kg/m3成為可能。
6 高性能混凝土的成本分析
表3 為在保持水膠比不變前提下，分別用不同類型的高效減水劑對常用的C30 泵送混凝土高性能化后的成本分析結(jié)果。從中可以看出，選用價(jià)格較低的萘系高效減水劑，50 %復(fù)合高性能外摻料配制的高性能混凝土，其成本同比下降2 %，但混凝土性價(jià)比卻大幅度提升；對性能優(yōu)異的聚羧酸高性能減水劑，雖然配制的高性能混凝土可見成本較高，但由于強(qiáng)度、耐久性能的進(jìn)一步提高，其潛在的綜合經(jīng)濟(jì)效益理應(yīng)是最佳的。國外的研究也表明，用粉煤灰和礦粉取代部分水泥配制的高性能混凝土，只會(huì)降低成本[13]。
注：材料價(jià)格參照上海市2004 年6 月市場價(jià)，水泥品種為P·O4215
7 高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對施工養(yǎng)護(hù)工藝的要求
現(xiàn)行施工技術(shù)和養(yǎng)護(hù)工藝對泵送混凝土早期開裂的影響不可低估。一些施工單位為加快施工周期，片面追求混凝土早強(qiáng)，縮短混凝土初凝時(shí)間，加劇了混凝土內(nèi)裂縫的產(chǎn)生；在混凝土塑性階段，缺乏防止水份蒸發(fā)的保濕措施，硬化后混凝土又不經(jīng)適度的濕養(yǎng)。傳統(tǒng)的薄膜加草袋養(yǎng)護(hù)工藝已不適應(yīng)高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需要。有專家指出，混凝土的保溫保濕應(yīng)當(dāng)被作為一項(xiàng)工程來對待，與模板工程、預(yù)埋件工程等受到同等重視[14] 。在有關(guān)行業(yè)規(guī)范中，混凝土的養(yǎng)護(hù)工藝已被充分體現(xiàn)。如“公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范”JTJ07311 - 2001 作為我國第一部完整的專業(yè)性養(yǎng)護(hù)規(guī)范已得到貫徹實(shí)施；“水工混凝土施工規(guī)范”DL/ T5144 - 2001 中，則強(qiáng)調(diào)了對混凝土的溫度保護(hù)和養(yǎng)護(hù)。
采用化學(xué)噴涂技術(shù)，在混凝土終飾面完成后并接近混凝土初凝時(shí)，對混凝土表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑，阻斷混凝土表面的毛細(xì)孔與外界的連通，內(nèi)部水份不致蒸發(fā)遷移，保證混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。這類養(yǎng)護(hù)劑一般采用以石臘、氯化橡膠為主要成份，其他還包括可控高分子吸收材料等。最近國外又提出了在混凝土初凝前即進(jìn)行水養(yǎng)的Ponding curing 工藝，以降低混凝土在塑性階段的體積變形。由此可見，提高我國的混凝土養(yǎng)護(hù)工藝水平，開發(fā)具有保溫保濕功效的混凝土養(yǎng)護(hù)劑產(chǎn)品，對提高混凝土的抗塑性收縮能力，緩解泵送混凝土早期開裂趨勢，發(fā)展高性能混凝土大有裨益。
8 結(jié)論
高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必須以現(xiàn)實(shí)國情為基礎(chǔ)，合理的經(jīng)濟(jì)性為原則，授眾的承受力為前提。在技術(shù)層面上，應(yīng)以適宜的工作性、適宜的強(qiáng)度和適宜的耐久性為量化導(dǎo)向。普通混凝土高性能化是高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重中之重，也是解決當(dāng)今預(yù)拌混凝土行業(yè)發(fā)展中普遍存在的塑性收縮大，早期開裂趨勢明顯的主要技術(shù)路徑。
高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必須以實(shí)現(xiàn)水泥的高性能化和提高我國混凝土外加劑的總體應(yīng)用水平為前提。高性能水泥必須具備較低的需水性，與外加劑適應(yīng)性好；在礦物組成上，應(yīng)增加對提高混凝土耐久性有利的礦物含量，減少對需水量影響大，外加劑適應(yīng)性差及耐久性不利的C3A、C4AF 含量；高性能水泥還應(yīng)具有較佳的連續(xù)顆粒分布級配，使之符合用水量最小化的耐久性設(shè)計(jì)原理，同時(shí)，高性能水泥應(yīng)以水泥的顆粒分布級配表征，細(xì)度評價(jià)法不適用于高性能水泥；在力學(xué)強(qiáng)度上，高性能水泥還應(yīng)有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，為大摻量應(yīng)用礦物外摻料，減輕環(huán)境負(fù)荷創(chuàng)造必要條件。
目前普通水泥的質(zhì)量通病表現(xiàn)為：燒失量大、需水量上升、強(qiáng)度波動(dòng)大、礦物組成差異懸殊，對外加劑適應(yīng)性差，令混凝土技術(shù)人員無法把握水泥技術(shù)特性，并由此引發(fā)混凝土泌水嚴(yán)重，體積穩(wěn)定性差，早期開裂等一系列耐久性問題。水泥品質(zhì)的現(xiàn)狀，客觀上已成為制約高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的嚴(yán)重瓶頸。
對處于市場經(jīng)濟(jì)格局大變革時(shí)代背景下的普通水泥，在我國水泥發(fā)展沿革中的歷史定位和今后走向值得反思和關(guān)注。
在高性能混凝土體積穩(wěn)定性研究中，提出了對塑性收縮、自收縮、干縮三階段的劃分。三階段的劃分有助于提高混凝土塑性收縮率對早期開裂影響的認(rèn)知程度，針對性地從混凝土塑性階段介入以減縮、補(bǔ)償收縮為目的的設(shè)計(jì)理念，并從塑性階段輔以必要的保溫保濕措施。
高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展亟盼一部前瞻性強(qiáng)的綱領(lǐng)性技術(shù)指南。明確水膠比、復(fù)合膠凝材料總量等適用于高性能混凝土的概念及定義。在配合比設(shè)計(jì)上，應(yīng)體現(xiàn)更大的自由度，更廣闊的研發(fā)空間，以最大限度降低水泥用量，并努力減少混凝土產(chǎn)業(yè)對自然資源的索取為最高目標(biāo)。以“混凝土強(qiáng)度遞進(jìn)控制模式”取代現(xiàn)有規(guī)范中對最低水泥用量及外摻料限量的控制，符合混凝土—環(huán)境—資源和諧共處的時(shí)代發(fā)展觀。
在日益突出的預(yù)拌混凝土早期開裂問題上，既有水泥質(zhì)量的不可控因素，又有外摻料使用不當(dāng)引起塑性致裂，更有傳統(tǒng)施工養(yǎng)護(hù)工藝的局限性所致。就整個(gè)大環(huán)境而言，高性能混凝土產(chǎn)業(yè)化發(fā)展更是一項(xiàng)跨行業(yè)、跨部門、跨學(xué)科的龐大系統(tǒng)工程，也是歷史賦予當(dāng)代混凝土工作者義不容辭的艱巨使命。
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