论文分享 |周永祥:以新观点和新措施对待高性能混凝土 ——高性能混凝土技术的几个问题

▍发表于《工程建筑标准化》2015年03月 第35期

周永祥 

（中国建筑科学研究院，北京 100013）

「 摘要 」

高性能混凝土是以建设工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求为总体目标，选用优质常规原材料，合理掺加外加剂和矿物掺合料，采用较低水胶比并优化配合比，通过预拌和绿色生产方式以及严格的施工措施，制成具有优异的拌合物性能、力学性能、耐久性能和长期性能的混凝土。理解这一概念，应该分两个层面：第一，是理论层面。在这个层面上，高性能混凝土是满足工程需求的“个性化”和“最优化”的混凝土，运用全过程质量控制的理念，是可持续发展思想下的技术方向。第二，是技术层面。在这个层面上，高性能混凝土需要建立结构设计、原材料、配合比、生产、施工、验收等各个环节的技术指标体系。 《高性能混凝土应用技术指南》与《高性能混凝土评价标准》（在编）所做的工作之一就是将高性能混凝土概念从理论层面落实到具体的、具有操作性的技术层面。

1 混凝土的原材料问题

1.1 水泥

现在的水泥有以下四点特征：

（1）早期强度高；

（2）为保证水泥的高强与早强，水泥熟料被磨得更细，且其中的C3A、C3S 含量偏高，水化热大；

（3）由于上述两个原因，导致混凝土抗裂性能差，水泥的长期性能潜力变小、自愈合能力遭到削弱；

（4）碱含量偏高，与外加剂的相容性问题突出。越来越多的研究和工程实践表明，水泥具有良好的颗粒级配并且保留一定比例的粗颗粒水泥熟料是保证一般结构混凝土（某些特种混凝土除外）质量的重要条件，因此《高性能混凝土应用技术指南》指出：“硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的比表面积不宜大于 350m2/kg。”除了水泥熟料粉磨过细以外，水泥生产中混合材超掺、混合材成分不明的问题十分突出，这些因素都增加了混凝土质量控制难度和技术风险。因此，《高性能混凝土应用技术指南》鼓励使用较粗的 P·I 或 P·II 硅酸盐水泥，外掺优质矿物掺合料的胶凝材料配制高性能混凝土。

1.2 细骨料

近年来，优质河砂资源逐渐枯竭，海砂、山砂、特细砂、再生骨料等地方资源被逐渐开发利用，机制砂将逐渐成为未来的主流。其中，海砂与机制砂的应用存在着一些不容忽视的问题。

1.2.1 海砂的应用

在我国东部沿海地区，人口稠密，经济发达，工程建设量大，当河砂资源出现供给不足时，远距离运输河砂又会大大提高工程造价。与国外许多国家走过的路一样，在陆砂资源短缺的情况下，人们开始将注意力转向了当地砂源——海砂。因此，沿海地区开采利用海砂是经济发展的客观需要和历史发展的必然。然而，海砂应用既有成功的经验，也有惨痛的教训。误用或偷用海砂建成的“海砂屋”，短短几年就会出现混凝土开裂、钢筋锈蚀，甚至导致房屋倒塌，触目惊心。海砂的合理与安全利用必须考虑到开采与应用两个方面。

（1） 开采方面——规划有序

海砂开采对海洋生态环境和地质环境存在影响。开采海砂，可能会破坏海洋生物群集中的各生物种类的栖息环境，破坏海底的生态环境，影响海水的盐度、pH 值、O2 含量、营养盐等；可能造成海域输砂量失衡、附近海域流场、波场改变，使得海岸受到侵蚀，国土流失；在近海大规模开采海砂，可能会引起近海地质环境的改变，甚至引起局部陆架的地质灾害。有的海砂矿产中含有大量的稀有金属元素，如可能含有锰、铜、镍、钴等多种元素，还可能是铁矿、钛铁石与锆石等珍贵矿产的赋存地。如果此类极具冶金价值的海砂用于建筑用砂，是极大的资源浪费。因此，，有计划、有步骤地开采使用。盲目开采使用，后果十分严重。

（2） 应用方面——从严控制

海砂的应用应遵循从严控制原则。《海砂混凝土应用技术规范》JGJ 206—2010 中，“海砂混凝土”被定义为采用海砂全部或部分代替细骨料的混凝土，体现了从严控制的思想。《海砂混凝土应用技术规范》JGJ 206—2010 中明确规定：用于配制混凝土的海砂应作净化处理，且海砂不得用于预应力混凝土。其中净化处理技术即为淡水冲洗。另外，还规定了配合比设计和生产过程中应检测海砂混凝土拌合物的水溶性氯离子含量。由于氯离子检测方法的不完善，中国建筑科学研究院组织编制了《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JGJ/T 322—2013。有效的净化处理是安全使用海砂的关键前提。《高性能混凝土应用技术指南》中规定进一步规定海砂的水溶性氯离子含量不得大于 0.025%，比现行行业标准《海砂混凝土应用技术规范》JGJ 206—2010 规定的 0.03% 更严。

1.2.2 机制砂的应用

机制砂应用中一个突出的问题是“石粉”问题。机制砂的“石粉”含量并非越多越好，也并非越少越好。“石粉”含量的控制要求与 MB 值相关——MB 值小，石粉含量可适当放宽。《高性能混凝土应用技术指南》规定：石粉含量不大于 10%，MB 值不大于 1.2；石粉含量较高时，可将部分石粉计入胶凝材料用量设计配合比。

1.3 粗骨料

《高性能混凝土应用技术指南》规定，对配制高性能混凝土的粗骨料各项指标要求如下：

（1）针片状颗粒含量不大于10%，有利于改善粗骨料粒型和级配，增进高性能混凝土性能；

（2）坚固性指标不大于8%，有利于骨料的耐久性能，进而保证高性能混凝土的耐久性能；

（3）吸水率不大于2%，有利于控制混凝土拌合物性能，也有利于硬化混凝土性能；

（4）松散堆积空隙率不大于45%，有利于粗骨料紧密堆积，对混凝土性能和节约胶凝材料和外加剂具有重要意义。

1.4 矿物掺合料

传统掺合料如粉煤灰、矿渣粉日益紧俏，供需矛盾逐渐突出。因此，掺合料种类范围逐渐扩大，磷渣、钢渣、炉渣、钢铁渣粉逐渐走上历史舞台。天然火山灰、沸石、浮石、凝灰岩、石灰石粉、其他岩石粉等天然矿物材料以及超细矿渣粉、超细粉煤灰、微珠等矿物掺合料逐渐向深加工方向发展。矿物掺合料的复合化也逐渐成为掺合料技术发展的一个必然趋势。

1.4.1 近年来粉煤灰应用中的突出问题

（1）“真假粉煤灰”

按照现行的标准难以判定粉煤灰的纯度。

表 1 为某地煅烧煤矸石粉按照现行粉煤灰标准的指标测试结果。由表可以看出，该煅烧煤矸石粉完全符合粉煤灰鉴定的指标要求。因此，根据现有标准，难以判断粉煤灰的纯度，甚至无法区分真假粉煤灰。

（2）“脱硫灰”

采用循环流化床锅炉工艺可以高效燃烧高硫煤，为了减少 SO2 的排放，往往需要采取脱硫措施，产生的粉煤灰即 CFB 脱硫粉煤灰。它含有大量的硫化物或硫酸盐（如石膏等），不同于传统的粉煤灰。未经测试贸然用于混凝土，会造成严重的混凝土开裂和崩解现象。现行的粉煤灰标准虽有 SO3 含量限制，但对“脱硫灰”的检验判定缺乏针对性。

（3）“脱硝灰”

为了减少燃煤过程中 NOx 的排放，需要在燃煤过程中进行“脱硝”处理，脱硝工艺不当可能会造成粉煤灰中残留一部分的 NH4+，当粉煤灰与水泥搅拌时，遇到碱性环境就会释放出 NH3（氨气），在混凝土塑性阶段产生大量气体。

（4）“浮黑灰”

现代燃煤工艺中，为了提高燃煤效率或电厂的某些特殊操作要求，会在燃煤过程中添加柴油或者其他油性物质作为助燃剂，这些助燃剂不能完全燃烧，会在粉煤灰中存留油分。特别是粉煤灰经过分选后，收集的粉煤灰会含有更多的未燃尽油分，用于拌制混凝土，这些油分上浮，在混凝土中容易漂浮的黑色油状物。这种粉煤灰被称为“浮黑灰”，见图 1。

（5）矿物掺合料的深加工

粉煤灰的深加工一种方法就是通过粉磨达到超细化。粉磨后的超细粉煤灰的 2000 倍、10000 倍 SEM 图见图 2、图 3。由图 4 可以看出，超细粉煤灰的粒度分布主要集中在 10μm左右，比表面积在 700 m2/kg 左右。表 2 为超细粉煤灰（UFA）与 I 级粉煤灰标准要求的各项指标对比。发现需水量比并不提高，而活性指数大大提高，28d 活性指数达到 104%。

获得超细粉煤灰的另一种途径就是通过“选”：将某些燃煤锅炉工艺产生的很细的粉煤灰，通过物理手段进行分选，获得极细的那一部分，被称之为“微珠”。其微观形态和粒度分布见图 5。陈乐雄 [1] 等研究了微珠在混凝土中的应用。

微珠的球状形态及微粒径尺度，使其具有良好的减水、填充增强作用。明显改善混凝土或砂浆的流动度，并降低拌合物粘度，因此，在高强混凝土的超高层泵送总，微珠往往是一个重要的可选择技术手段。中建商品混凝土公司利用微珠配制高强混凝土，不同微珠掺量的新拌混凝土如图 7、图8 所示。

除超细粉煤灰以外，超细矿渣粉也是一种常用的矿物掺合料。其各项指标见表 4。超细矿渣粉主要特点是能够提供较高的强度、特别是早期强度。 

1.4.2 矿物掺合料的复合化

优质矿物掺合料日益稀缺、低品质掺合料难以应用，复合掺合料性能优于单一掺合料且价格便宜，功能型（早强型、改善流动型）复合掺合料存在很大市场需求。矿物掺合料的复合化可以实现资源综合利用，解决掺合料供给问题；可以取长补短，发挥几种掺合料的协同作用（矿物掺合料具有超叠加效应）；可以解决预应力构件对早期张拉强度的要求，解决大流态及自密实混凝土的技术需求。因此，复合化是掺合料技术发展的一个趋势。《高性能混凝土应用技术指南》中规定，复合掺合料是指采用两种或两种以上的矿物原料，单独粉磨至规定的细度后再按一定的比例复合、或者两种及两种以上的矿物原料按一定的比例混合后粉磨达到规定细度，并符合规定活性指数的粉体材料。掺合料的复合并不是简单地两种或几种掺合 料混合，还需要考虑以下几点问题：

（1）考虑活性成分与惰性成分的搭配；

（2） 考虑微颗粒的级配分布；

（3）考虑水化反应速度与产物（如凝胶类和结晶类）的匹配； 

（4）考虑化学激发作用；

（5）考虑低品质与高品质资源的搭配利用。《高性能混凝土应用技术指南》中规定的高性能混凝土用复合掺合料技术要求见表 5。

养护对高性能混凝土尤为重要，是含有较多矿物掺合料的胶凝材料水化反应以及较低水胶比混凝土硬化发展的重要条件，只有及时、合理养护，才能保证浇筑后高性能混凝土的性能。加强早期养护是减少收缩、控制高性能混凝土裂缝最有效的技术措施之一。大掺量矿物掺合料混凝土相应需要延长养护时间，否则表层混凝土碳化问题突出。

2.1 养护对混凝土收缩的影响

混凝土从浇筑后，其收缩可以分为两个阶段（如图 9所示）：第Ⅰ阶段为快速发展阶段，这一阶段从浇筑后到终凝点之后的约 2~3 小时内结束（一般情况下这一阶段大约为浇筑后的前 12 小时）。绝大部分的收缩集中在这一阶段发生，急剧式发展，收缩速率大。混凝土终凝后，收缩速率迅速下降，随即平稳发展阶段（第Ⅱ阶段）。

表 6 为不同强度等级混凝土不同时间点的早期收缩率，将 12h 和 72h 收缩率作对比。由表可以看出，从成型起12h 内，混凝土的收缩量占据了前 72h 收缩量的绝大部分，是产生早期收缩裂缝的最敏感时段。

根据周岳年等人 [1] 的研究结果，混凝土早期收缩速率和收缩量与所处环境的蒸发速率成正相关。水分散失对新拌混凝土收缩率的有极大的影响，保持持续的表面湿润养护对减小早期开裂的意义十分重大。

2.2 养护对混凝土抗渗性能的影响

葛兆庆等人[2] 研究了不同的养护条件对同一种 C30 混凝土渗透性能的影响。研究发现，早期养护对硬化混凝土的抗渗性能影响极大（见表 7 和表 8）。同一种混凝土，好的养护可以使得抗渗等级达到≥ P25，相反，不好的养护（不养护），混凝土抗渗等级仅有 P2。电通量指标也有明显的差异。

总的来说，混凝土特别是高强混凝土的养护应遵循“初凝以前保湿，终凝以后补水”的原则。在气温高、湿度小、风速大的环境下，及时、正确的养护更加重要。

3 结束语

近几十年来，混凝土材料技术取得巨大进步，集中体现在高性能混凝土的出现和发展，由此带来设计、施工的变革。混凝土技术在发展中出现了很多新问题，需要加以研究并解决，更重要的是，我们必须以全新的眼光来认识和看待混凝土的新技术——高性能混凝土。如仍然采用对待传统混凝土的做法，必然带来很多质量问题（如裂缝问题、早期碳化问题等）。甚至可以说，目前在工程建设中的某些问题，是设计、施工不能适应新材料体系要求造成的。以新观点和新措施对待高性能混凝土，不仅是推进混凝土技术本身进步的要求，也是推动设计、施工、验收等工程建设体系变革和进步的要求。

参考文献

[1] 周岳年 , 冷发光 , 田冠飞等 . 混凝土早龄期收缩变形全程曲线及其工程意义解读 [C].//“第一届混凝土耐久性测试技术及实验室建设”交流会暨中国建筑学会建筑材料测试技术专业委员会 2011 年年会论文集 .2011:66-75.
[2] 葛兆庆 , 周岳年 , 袁红波等 . 早期养护对混凝土结构抗渗性能的影响分析 [J]. 施工技术 ,2010,39(4):90-93. 

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