混凝土的耐久性和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題述評(píng)
混凝土技術(shù)發(fā)展的一個(gè)終極目標(biāo)是最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命,也即耐用性(Serviceability)問(wèn)題。這就對(duì)混凝土的長(zhǎng)期性能特別是耐久性提出了更高的要求。另外一個(gè)很重要的問(wèn)題是混凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展,其目標(biāo)就是要使混凝土技術(shù)的發(fā)展與資源、環(huán)境等實(shí)現(xiàn)良性循環(huán),盡量減少造成修補(bǔ)或拆除的浪費(fèi)和建筑垃圾,大量利用優(yōu)質(zhì)的工業(yè)廢棄物和礦石,盡量減少自然資源和能源的消耗,減少對(duì)環(huán)境的污染。
1 混凝土的耐久性混凝土的耐久性可定義為“在使用過(guò)程中經(jīng)受氣候變化、化學(xué)侵蝕、磨蝕等各種破壞因素的作用而能保持其使用功能的能力”。一般混凝土建筑物的使用壽命要求在50年以上,很多國(guó)家對(duì)橋梁、水電站大壩、海底隧道、海上采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆等重要結(jié)構(gòu)的混凝土耐久性要求在100年以上。氣候條件適中的陸上建筑物,應(yīng)要求混凝土在200年內(nèi)安全使用。我國(guó)GB 50010——2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,混凝土的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)按照環(huán)境類(lèi)別和設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行,分為50年和100年2個(gè)耐久性預(yù)期目標(biāo),對(duì)于重大、重要工程應(yīng)按照100年壽命來(lái)設(shè)計(jì)混凝土。近幾年來(lái),我國(guó)已有不少工程的混凝土設(shè)計(jì)壽命達(dá)到100年,這些工程大都結(jié)合環(huán)境條件和特點(diǎn),采取專(zhuān)門(mén)有效的措施,以充分保證混凝土工程的耐久性設(shè)計(jì)要求。比較著名的百年工程有三峽大壩、東海大橋、南京地鐵1號(hào)線(xiàn)、崇明越江通道北港橋梁、重慶朝天門(mén)大橋空心橋墩、杭州灣大橋等。
但是近幾十年以來(lái),混凝土構(gòu)筑物因材質(zhì)劣化造成失效以至破壞崩塌的事故在國(guó)內(nèi)外也是屢見(jiàn)不鮮,并有愈演愈烈之勢(shì)。
國(guó)際上混凝土的大量使用始于20世紀(jì)30年代,到五六十年代達(dá)到高峰。許多發(fā)達(dá)國(guó)家每年用于建筑維修的費(fèi)用都超過(guò)新建的費(fèi)用。
過(guò)去,除了大型水利工程外,我國(guó)混凝土工程的耐久性問(wèn)題長(zhǎng)期不受重視,混凝土結(jié)構(gòu)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的使用壽命,受環(huán)境作用過(guò)早破壞的實(shí)例很多,由此造成的經(jīng)濟(jì)損失也很大。由于許多工程設(shè)計(jì)只滿(mǎn)足荷載要求,而沒(méi)有提出耐久性的要求,使已建成的混凝土構(gòu)筑物存在耐久性隱患。我國(guó)在50年代興建的水電站大壩有很多已經(jīng)成為“病壩”,我國(guó)的混凝土工程量在改革開(kāi)放30多年來(lái)突飛猛進(jìn),可以預(yù)見(jiàn),耐久性不佳的混凝土工程的劣化問(wèn)題將會(huì)日趨嚴(yán)重。因此,混凝土耐久性問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。
1.1 混凝土的耐久性破壞
混凝土耐久性涉及到混凝土性能的方方面面,是影響混凝土使用壽命的首要因素。造成混凝土耐久性不佳的原因多種多樣,主要可分為:(1)物理破壞:由溫度變化引起的收縮膨脹裂縫(這是由于混凝土內(nèi)骨料和硬化水泥漿體不同的溫度膨脹系數(shù)而引起),如凍融循環(huán)、除冰鹽分對(duì)混凝土的剝蝕等:(2)化學(xué)破壞:由混凝土內(nèi)部材料引起的堿骨料反應(yīng)以及外部侵蝕性離子(Gl-)引起的諸如鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕以及碳化(CO2)等;(3)機(jī)械破壞:沖擊、磨損、流動(dòng)淡水溶蝕作用、流動(dòng)氣體的磨蝕、沖蝕等(如道路、水利混凝土)。如何有效地預(yù)防和抵抗這些破壞因素的破壞力,是解決混凝土耐久性問(wèn)題的關(guān)鍵。
1.2 混凝土耐久性破壞常見(jiàn)原因
我國(guó)已故混凝土權(quán)威吳中偉院士早在1991年就指出,近年來(lái)混凝土耐久性破壞愈趨嚴(yán)重的原因很多,常見(jiàn)的較重要的主要有:
(1)原材料因素:如水泥因?yàn)閺?qiáng)度提高、細(xì)度增大、硬化速度加快等因素,加劇了混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂問(wèn)題;優(yōu)質(zhì)合格的骨料資源日趨枯竭,只有采用質(zhì)次或有問(wèn)題的集料(如海砂、風(fēng)化砂石、堿活性骨料等),對(duì)集料的質(zhì)量也缺乏必要的重視;
(2)施工原因:過(guò)于追求施工進(jìn)度,對(duì)混凝土工程的施工質(zhì)量控制不嚴(yán),也不注意對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù);
(3)應(yīng)用原因:現(xiàn)代混凝土的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,使大量混凝土工程所處的環(huán)境與使用條件日益嚴(yán)酷,但未認(rèn)真采取相應(yīng)的對(duì)策以提高其在嚴(yán)酷環(huán)境下的使用壽命;
(4)設(shè)計(jì)研究原因:對(duì)混凝土工程耐久性的研究試驗(yàn)工作大部分局限在試驗(yàn)室階段,與實(shí)際使用環(huán)境脫節(jié),更重要的是混凝土工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中常常只考慮單一的破壞因素,忽視對(duì)實(shí)際中常發(fā)生的2個(gè)以上破壞因素引起的綜合破壞作用,即對(duì)混凝土耐久性綜合癥缺少認(rèn)識(shí)。
1.3 混凝土耐久性研究存在的問(wèn)題
混凝土耐久性問(wèn)題自20世紀(jì)50年代提出,受到世界各國(guó)的廣泛重視,幾十年來(lái)各國(guó)混凝土行業(yè)工作者進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究工作,獲得了一定的成果,有些成果對(duì)一些常見(jiàn)的耐久性問(wèn)題的解決起到了顯著作用:如引氣劑對(duì)提高混凝土抗凍性的作用;限制水泥和混凝土中的堿含量對(duì)堿—集料反應(yīng)的預(yù)防;活性礦物摻合料對(duì)提高抗?jié)B性和對(duì)鹽類(lèi)侵蝕作用的抵抗以及對(duì)減輕碳化作用、保護(hù)鋼筋以免銹蝕、抑制混凝土中的堿—集料反應(yīng)以及防止淡水溶析作用和表面破壞等均提出了有效的措施。為了得到耐久性良好的混凝土,按耐久性設(shè)計(jì)混凝土和預(yù)測(cè)混凝土的使用壽命成為耐久性研究的主要內(nèi)容和最終目標(biāo)。但是我們也應(yīng)該看到,由于研究?jī)?nèi)容的片面性和理論深入不夠以及研究方法存在的局限性和缺陷性,使得大量基礎(chǔ)的耐久性研究成果對(duì)解決實(shí)際混凝土工程耐久性問(wèn)題的成效不大,也使當(dāng)前的混凝土耐久性問(wèn)題呈現(xiàn)越來(lái)越嚴(yán)重的趨勢(shì)。主要表現(xiàn)在:(1)針對(duì)單一破壞的因素研究較多,而忽略了常常在建筑物中出現(xiàn)的多因素共同作用的研究;(2)很多試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)條件下得到的,與混凝土實(shí)際使用環(huán)境相差甚遠(yuǎn),使試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法進(jìn)行比對(duì)。典型的如骨料堿活性反應(yīng)快速檢測(cè)法(ASTMCl260,南非快速砂漿棒法等),該方法是將試件浸泡在80℃1N的NaOH溶液中進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)條件十分嚴(yán)酷,與混凝土實(shí)際環(huán)境條件相差甚遠(yuǎn);(3)材料因素研究得多,結(jié)構(gòu)因素研究得少,基礎(chǔ)理論的研究更少,缺乏定量研究,更缺少區(qū)分不同體系、不同結(jié)構(gòu)的材料在耐久性能上差別的對(duì)比。
1.4 常見(jiàn)的耐久性綜合癥
實(shí)際混凝土工程中的耐久性問(wèn)題相對(duì)比較復(fù)雜,常常不是單一出現(xiàn)的,而是多種因素共同作用的結(jié)果,因此,有必要充分了解混凝土中的耐久性綜合作用因素?;炷凉こ讨谐霈F(xiàn)的常見(jiàn)耐久性綜合癥如下:
(1)碳化與鋼筋銹蝕:
(2)凍融循環(huán)(包括海水凍融)與鋼筋銹蝕;
(3)鹽類(lèi)腐蝕與鋼筋銹蝕;
(4)鹽類(lèi)腐蝕與凍融循環(huán)、機(jī)械力破壞;
(5)鹽類(lèi)腐蝕中SO42-、Mg2+、Cl-作用的綜合疊加效應(yīng)引起混凝土的快速破壞;
(6)緩慢延續(xù)的堿—集料反應(yīng)與其它破壞作用的綜合和疊加。
研究防治混凝土耐久性綜合癥,必須弄清楚破壞作用的主次和先后,并對(duì)幾種因素的共同作用,尤其是疊加效應(yīng)加以研究。疊加效應(yīng)相對(duì)比較復(fù)雜,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)疊加,即互相抵消的特殊現(xiàn)象。
混凝土中以堿—集料反應(yīng)為主因及導(dǎo)因的耐久性綜合癥現(xiàn)象十分普遍,具體表現(xiàn)在:
(1)堿—集料反應(yīng)十鋼筋銹蝕:前者是導(dǎo)因,堿—集料反應(yīng)引起開(kāi)裂導(dǎo)致鋼筋銹蝕,造成嚴(yán)重破壞;
(2)堿—集料反應(yīng)+凍融循環(huán):我國(guó)北方有幾處機(jī)場(chǎng)跑道因堿—集料反應(yīng)而開(kāi)裂,加速了凍融破壞;
(3)堿—集料反應(yīng)+海水腐蝕:如日本沖繩島海港的混凝土結(jié)構(gòu)破壞:
(4)堿—集料反應(yīng)+機(jī)械力(包括沖擊、磨損、疲勞等)破壞:如日本阪神高速公路梁、柱、橋面等;
(5)堿—集料反應(yīng)+除冰鹽+鋼筋銹蝕:如北京、天津等地的立交橋破壞等。
因此,在對(duì)混凝土按耐久性進(jìn)行設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)方面,應(yīng)綜合考慮各種不同的破壞因素,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、同類(lèi)材料的性能、快速試驗(yàn)結(jié)果以及混凝土工程暴露的環(huán)境條件等,對(duì)所設(shè)計(jì)的混凝土工程的耐久性進(jìn)行預(yù)測(cè)。
1.5 提高混凝土耐久性的途徑
混凝土的耐久性是一個(gè)十分復(fù)雜的綜合性問(wèn)題,不僅與所使用的材料本身有關(guān),還與混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件(包括溫濕度、結(jié)構(gòu)物周?chē)乃屯寥乐械那治g性離子、空氣中的侵蝕性成分等)緊密相連,因此要系統(tǒng)提高混凝土的耐久性,必須先將環(huán)境條件調(diào)查清楚,再結(jié)合混凝土所采用的材料進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。
(1)修訂現(xiàn)行的設(shè)計(jì)及施工規(guī)范,將對(duì)工程結(jié)構(gòu)的耐久性要求納入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程中。這方面的工作最近幾年已經(jīng)開(kāi)展,已將一般混凝土結(jié)構(gòu)的50年和100年的耐久性要求列入了相應(yīng)的建筑設(shè)計(jì)及驗(yàn)收規(guī)范中,如GB/T 50362——2005《住宅性能評(píng)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50010——2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB 50003——2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等。
(2)從設(shè)計(jì)階段入手,混凝土工程結(jié)構(gòu)除了按強(qiáng)度設(shè)計(jì),保證受力安全外,還必須根據(jù)結(jié)構(gòu)物使用環(huán)境按耐久性設(shè)計(jì),以保證工程的使用壽命。這是混凝土耐久性研究的發(fā)展趨勢(shì),已經(jīng)成為當(dāng)前最活躍的混凝土技術(shù)研究方向之一。
日本是最早對(duì)混凝土耐久性設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)進(jìn)行研究的國(guó)家,已有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱目和預(yù)測(cè)參數(shù)。根據(jù)日本專(zhuān)家調(diào)查得出的各類(lèi)混凝土的實(shí)際使用壽命為田:一般混凝土制品20年、橋梁工程壽命50年、混凝土壩壽命100年,并以此制定了鋼筋混凝土建筑物的設(shè)計(jì)壽命。系統(tǒng)的耐久性設(shè)計(jì)綱目基本內(nèi)容包括:(1)按照建筑物的劣化狀態(tài)將耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)分為100、65、30年3個(gè)等級(jí);(2)劣化外力分為一般劣化外力和特殊劣化外力;(3)相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)方法。
英國(guó)在20世紀(jì)80年代修訂的混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范中增加了大量的耐久性條款,根據(jù)暴露環(huán)境條件的嚴(yán)酷程度對(duì)最小保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、抗凍性、最大水灰比、水泥品種、最小水泥用量、最大膠結(jié)材料用量(水泥+礦物摻合料)、引氣量、集料要求等等都作了具體規(guī)定,對(duì)按照耐久性要求設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)工程起到了很好的指導(dǎo)作用。
我國(guó)的黃士元、劉崇熙等專(zhuān)家于20世紀(jì)90年代初就提出了“按耐久性設(shè)計(jì)混凝土”的思想,經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,越來(lái)越為建筑工程界和材料界所認(rèn)識(shí)。但是總的說(shuō)來(lái),我國(guó)在按耐久性設(shè)計(jì)混凝土方面還有大量的工作和實(shí)際問(wèn)題需要不斷研究和解決。
(3)在政府的領(lǐng)導(dǎo)下,建立地方混凝土耐久性專(zhuān)家組,系統(tǒng)研究對(duì)本地區(qū)混凝土耐久性有重大影響的各種因素,并提出指導(dǎo)性意見(jiàn),混凝土耐久性研究涉及因素繁多,既包括材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究,也涉及惡劣環(huán)境對(duì)混凝土的侵蝕作用,而且我國(guó)幅員遼闊,各地原材料性能差異很大,制定全國(guó)統(tǒng)一的指導(dǎo)性文件,各地在實(shí)施過(guò)程中難免會(huì)遇到種種困難。因此,有必要在地方政府的領(lǐng)導(dǎo)和扶持下,集中有限的人力、物力和財(cái)力,成立一個(gè)以混凝土耐久性專(zhuān)家小組為核心的地方科研基地,這個(gè)科研基地可以依托科研院所或高等院校,結(jié)合本地實(shí)際,對(duì)本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展影響較大的重要混凝土結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行全面調(diào)查,并對(duì)原材料進(jìn)行試驗(yàn)研究,為本地區(qū)混凝土工程的耐久性設(shè)計(jì)從材料篩選到工程施工提供指南。這方面英國(guó)有著十分成功的先例:英國(guó)混凝土協(xié)會(huì)依托BRE(土木工程研究機(jī)構(gòu)),組成各個(gè)專(zhuān)家小組,對(duì)混凝土技術(shù)的方方面面都做了詳盡的調(diào)查研究和試驗(yàn)工作,發(fā)布了很多技術(shù)報(bào)告,如“TR30-堿骨料反應(yīng):如何降低其對(duì)混凝土的危害”,“TR40—?;郀t礦渣和粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用”等。
BRE對(duì)堿骨料反應(yīng)也做了深入的研究,制作了50cmx50cmx50sm的大型混凝土試件放置在室外大氣環(huán)境下,對(duì)潛在堿活性骨料和礦物摻合料對(duì)堿骨料反應(yīng)的抑制作用進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè),已經(jīng)歷時(shí)20余年。這些長(zhǎng)期試驗(yàn)的數(shù)據(jù)具有很高的實(shí)用價(jià)值,可與實(shí)驗(yàn)室快速法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),進(jìn)而科學(xué)預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。
2 混凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展
可持續(xù)發(fā)展的本質(zhì)是努力應(yīng)用科學(xué)的、技術(shù)的和經(jīng)濟(jì)的知識(shí),去糾正由于無(wú)節(jié)制的技術(shù)激增所造成的負(fù)面后果??沙掷m(xù)發(fā)展的主要方面是通過(guò)保護(hù)和減少浪費(fèi)來(lái)更有效地利用能源和材料的更大循環(huán)利用m,由此可見(jiàn),混凝土技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的出路就是利用現(xiàn)代混凝土科學(xué)技術(shù)增加混凝土的使用壽命,盡量減少造成修補(bǔ)或拆除的浪費(fèi)和建筑垃圾,大量利用優(yōu)質(zhì)的工業(yè)廢棄物和礦石,盡量減少自然資源和能源的消耗,減少對(duì)環(huán)境的污染??沙掷m(xù)發(fā)展的根本出路是混凝土的高性能化和綠色化。
2.1 高性能混凝土(HPC)
2.1.1 高性能混凝土概念
HPC是1990年由美國(guó)學(xué)者首先提出的,由于其具有良好的耐久性和優(yōu)異的工作性和物理力學(xué)性能,一問(wèn)世就廣泛受到工程界的高度重視和關(guān)注,美、法、日、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家都把HPC作為跨世紀(jì)的新材料而投入大量的人力、資金進(jìn)行研究,西方學(xué)者更是將HPC稱(chēng)為21世紀(jì)的混凝土。
HPC與普通混凝土的不同之處是普通混凝土的設(shè)計(jì)是以強(qiáng)度作為主要控制指標(biāo),而HPC則是以耐久性作為主要控制指標(biāo),強(qiáng)度只起從屬的作用。高強(qiáng)度不一定高性能,而高性能必須要求混凝土具有較高的密實(shí)度和抗?jié)B能力,因此其強(qiáng)度也不會(huì)太低。國(guó)內(nèi)外研究資料表明,HPC具有優(yōu)良的抗?jié)B、抗凍性,并能抑制堿—骨料反應(yīng),抗碳化能力、抗Cl-滲透性及耐蝕性均有大幅度提高,徐變和干縮性能也有較大改善。但是HPC也存在著自收縮問(wèn)題,其對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能的影響,尚待進(jìn)一步研究,而且HPC的強(qiáng)度越高,脆性越大也面臨著摻入纖維改性的問(wèn)題。
在我國(guó),HPC目前己在上海、北京、廣東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的不少重要工程中被采用,并在高層建筑、大跨度橋梁、海上建筑、漂浮結(jié)構(gòu)等工程中顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。在工程安全使用期、經(jīng)濟(jì)合理性、環(huán)境條件的適應(yīng)性等方面具有明顯的效益。2006年3月1日實(shí)施的GB/T50362——2005《住宅性能評(píng)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)濟(jì)性能評(píng)定把高強(qiáng)高性能混凝土的使用列入了建筑設(shè)計(jì)施工新技術(shù)嚴(yán)節(jié)材”方面)的一項(xiàng)重要的評(píng)定內(nèi)容。2006年6月1日實(shí)施的GB/T50378——2006((綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的節(jié)材與材料資源利用也要求建筑結(jié)構(gòu)材料合理采用高性能混凝土。因此,研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用高性能混凝土對(duì)提升建筑技術(shù)的整體水平,確?;炷凉こ痰哪途眯允直匾?,且具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2.1.2 混凝土高性能化的技術(shù)途徑
HPC根據(jù)不同用途要求,應(yīng)保證混凝土的耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)合理性等”。要實(shí)現(xiàn)其所具有的多種性能,就必須嚴(yán)格控制混凝土生產(chǎn)過(guò)程的各環(huán)節(jié),控制水膠比、選用優(yōu)質(zhì)原材料,并必須摻加一定數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效減水劑。
正確選擇原材料:除選用優(yōu)質(zhì)的硅酸鹽水泥和骨料外,還必須添加超細(xì)礦物質(zhì)摻合料和新型高效減水劑,后兩者的綜合作用強(qiáng)化了混凝土中的水泥漿體與骨料之間的過(guò)度區(qū),改善了水泥石的孔結(jié)構(gòu),提高了水泥石的密實(shí)度,從而賦予混凝土高性能。
合理的工藝參數(shù):控制水灰比小于0.4;粗骨料體積分?jǐn)?shù)0.4左右、最大粒徑不大于25mm:砂率34%—39%;膠凝材料(水泥+礦物細(xì)摻料)用量不超過(guò)500-600kg/m3;摻加0.8%—1.4%的高效減水劑。
適宜的施工工藝及控制:采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)、泵送施工、高頻振動(dòng)、控制塌落度損失,并對(duì)混凝土進(jìn)行嚴(yán)格養(yǎng)護(hù)。
2.1.3 HPC實(shí)際工程應(yīng)用情況及施工應(yīng)注意的問(wèn)題
(1)HPC的應(yīng)用:10多年來(lái)HPC得到了廣泛應(yīng)用,其代表工程有:上海金茂大廈C60混凝土、深圳地王C60混凝土、上海東方明珠電視塔C60混凝土、首都機(jī)場(chǎng)新航站樓C50-C60混凝土、廣州虎門(mén)大橋C50混凝土、美國(guó)西雅圖雙聯(lián)廣場(chǎng)C135混凝土以及美國(guó)芝加哥311瓦克大廈C85混凝土等。
(2)施工注意問(wèn)題:HPC的施工質(zhì)量控制比普通混凝土要嚴(yán)格得多,在施工過(guò)程中特別要嚴(yán)格控制混凝土中的用水量,因?yàn)镠PC水灰比小、用水量少,用水量的微小變化會(huì)影響其強(qiáng)度及工作性。還有就是養(yǎng)護(hù)問(wèn)題,HPC必須盡早進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù),直至其抗拉強(qiáng)度足以抵抗開(kāi)裂為止。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中還必須從外界補(bǔ)充水分,當(dāng)水化反應(yīng)進(jìn)行到一定的程度時(shí),必須灑水養(yǎng)護(hù),可采用濕麻袋或濕紡織袋覆蓋混凝土表面,其上壓塑料塊,塑料板下鋪設(shè)打孔軟管,注入水以保持麻袋長(zhǎng)期的濕潤(rùn)。
2.2 綠色混凝土
綠色混凝土概念是由吳中偉院士在1997年提出的,它具有比傳統(tǒng)混凝土更高的強(qiáng)度和耐久性,可以實(shí)現(xiàn)非再生性資源的可循環(huán)利用和有害物質(zhì)的最低排放,既能減少環(huán)境污染,又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共生。綠色混凝土的環(huán)境協(xié)調(diào)性是指對(duì)資源和能源的消耗少、對(duì)環(huán)境污染小和循環(huán)再生利用率高。此外,綠色混凝土還具有自適應(yīng)性,也即具有滿(mǎn)意的使用性能,又能夠改善環(huán)境,具有感知、調(diào)節(jié)和修復(fù)等機(jī)敏特性。
綠色混凝土的主要特點(diǎn)有:(1)最大限度地降低水泥用量,大量利用工業(yè)廢料;(2)與傳統(tǒng)混凝土相比,具有更加良好的力學(xué)性能和耐久性;(3)具有與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)性,減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)非再生資源的可循環(huán)使用,節(jié)省能源及還物質(zhì)的“零排放”;(4)能夠?yàn)槿祟?lèi)提供溫和、舒適、便捷和安全的生存環(huán)境。
2.2.1 綠色混凝土的發(fā)展方向
綠色混凝土作為綠色建材的一個(gè)分支,自20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)此開(kāi)展了廣泛深入的研究,主要包括綠色高性能混凝土、再生骨料混凝土、環(huán)保型混凝土和機(jī)敏混凝土等。
(1)綠色高性能混凝土(Green High Performance Con-crete,GHPC)。其發(fā)展方向是研制推廣中低強(qiáng)度(如C30~C50)的綠色高性能混凝土(HPC通常的強(qiáng)度下限為C50),可以大量使用包括粉煤灰、礦渣等的礦物摻合料,既有效利用了固體廢棄物,又大大減少水泥用量,符合改善和保護(hù)環(huán)境的需要。
(2)再生骨料混凝土。該類(lèi)混凝土可綜合利用各種固體廢棄物生產(chǎn)混凝土用的集料,減少天然砂、石資源的大量消耗,作為骨料的固體廢棄物包括建筑固體廢棄物、回收的碎玻璃骨料、回收的廢棄輪胎,還有各種爐渣、煤矸石、礦渣等,目前再生骨料專(zhuān)指解體混凝土塊經(jīng)破碎、清洗、分級(jí)而成的骨料。
(3)生態(tài)環(huán)保型混凝土是指能夠改善、美化環(huán)境,對(duì)人類(lèi)與自然的協(xié)調(diào)具有積極作用的混凝土材料,該類(lèi)混凝土的研究和開(kāi)發(fā)剛剛起步,目前所研制和開(kāi)發(fā)的主要品種有透水混凝土、綠化植被混凝土和海洋生物適應(yīng)性混凝土等。
2.2.2 綠色混凝土的摻合料
綠色混凝土中大量使用了礦物摻合料(大都為工業(yè)廢渣)作輔助膠凝材料,一方面可利廢、節(jié)材(減少水泥使用量),同時(shí)還可以改善新拌混凝土的工作性、提高硬化混凝土的耐久性。
摻合料是混凝土中除水泥、水、砂、石及外加劑以外的第6組分,主要作用是改善新拌和混凝土的物理力學(xué)性能。常用的摻合料可分為活性和非活性2類(lèi),非活性摻合料在混凝土中一般不產(chǎn)生火山灰反應(yīng),或反應(yīng)十分緩慢,如磨細(xì)石英砂、石灰石和硬礦渣等;活性礦物摻合料本身不硬化或硬化速度很慢,但能與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成具有水硬性的膠凝材料。綠色高性能混凝土所采用的摻合料通常選用活性礦物摻合料,且多為工業(yè)廢料,如粉煤灰、?;郀t礦渣、硅灰、偏高嶺土或它們的復(fù)合物。
(1)粉煤灰
全國(guó)每年粉煤灰的排放量約為2億t,不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,且占用大量土地進(jìn)行堆放和填埋。對(duì)于粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,其應(yīng)用技術(shù)己比較成熟,比較一致的在混凝土中粉煤灰的作用主要有:可控制大體積混凝土的溫升;可廣泛應(yīng)用與隧道工程、對(duì)耐久性要求較高的地下及海洋環(huán)境以及水電工程中,摻量可達(dá)25%-40%;可抑制混凝土的堿骨料反應(yīng),但要注意其使用的適宜摻量和對(duì)其細(xì)度的要求。在水工混凝土生產(chǎn)中均大量使用粉煤灰抑制潛在的堿骨料反應(yīng),如三峽工程建設(shè)中普遍采用I級(jí)粉煤灰作為摻合料。
(2)?;郀t礦渣
?;郀t礦渣是以硅鋁酸鈣為主要成分的熔融物,經(jīng)淬冷成粒后得到的副產(chǎn)品。粒化高爐礦渣具有潛在水硬性,是水泥和混凝土的優(yōu)質(zhì)摻合料,在水泥混凝土中的應(yīng)用技術(shù)也比較成熟,其在混凝土中的摻量一般比粉煤灰大,既可用于混凝土中,也可以用來(lái)生產(chǎn)礦渣水泥。
英國(guó)生產(chǎn)的礦渣水泥中礦渣的摻量是0-65%,低熱礦渣硅酸鹽水泥中的礦渣用量為50%-90%。在英國(guó),礦渣在混凝土中的最大摻量已達(dá)到60%-70%,摻量為70%時(shí)可配制C30-C45標(biāo)號(hào)的各種混凝土,且混凝土的工作性良好。目前摻礦渣的混凝土占全英預(yù)拌混凝土產(chǎn)量的20%。
國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始對(duì)高爐礦渣及其配制的混凝土進(jìn)行研究,并于2000年頒布了GB/T18046—2000《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》。磨細(xì)的?;郀t礦渣性能優(yōu)異,作為混凝土的礦物摻合料可等量替代水泥,并能顯著改善混凝土的綜合性能,如改善混凝土拌合物的和易性、降低混凝土中水泥的水化熱溫升、提高混凝土的抗腐蝕性能和耐久性、提高混凝土的后期強(qiáng)度等等。
(3)硅灰
硅灰是生產(chǎn)硅和硅合金時(shí)的副產(chǎn)品,色呈淺灰到深灰,顆粒平均粒徑在0.1µm左右,是水泥平均粒徑的1%-2%。由于其超細(xì)特征和高硅含量(90%以上),因此,具有顯著的火山灰活性材料特征,主要用于配置高強(qiáng)、高抗化學(xué)侵蝕性以及高抗沖磨性能的混凝土,摻量一般為水泥用量的5%-15%。由于硅灰的比表面積大,因此,其需水量較大,作為混凝土摻合料使用時(shí),一般需同時(shí)使用高效減水劑,以保證混凝土的和易性?;炷林袚饺牍杌液?,可以改善混凝土拌合物的粘聚性和保水性;顯著提高混凝土強(qiáng)度,適宜配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)度混凝土:改善混凝土中的孔結(jié)構(gòu),提高混凝土的抗?jié)B、抗凍及抗腐蝕性;抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)。
(4)其它
上述常用的混凝土礦物摻合料不僅可以單獨(dú)使用,還可以2種或多種復(fù)合使用,以獲得早期和長(zhǎng)期強(qiáng)度的增長(zhǎng)以及良好的耐久性。此外,還有沸石粉、偏高嶺土、城市垃圾焚燒爐底渣(灰)、磨細(xì)回收的廢棄玻璃粉等也可作為摻合料使用于混凝土中。
3 結(jié) 語(yǔ)
作為用量最大、應(yīng)用面很廣的人造工程材料,混凝土不僅是資源和能源的消耗大戶(hù),還給地球環(huán)境和人類(lèi)的居住空間帶來(lái)了很大的負(fù)面影響。因此,在混凝土技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中一定要堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展原則,在不斷提高混凝土使用壽命的同時(shí),最大限度地提高混凝土的各種性能,并大量利用各種工業(yè)和城市廢棄物,將混凝土技術(shù)綠色化,使其對(duì)環(huán)境的污染減少到最低,同時(shí)提高混凝土與人類(lèi)環(huán)境相結(jié)合的水平。
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