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生产高性能混凝土的途径

我国长期持续的建设高潮,使混凝土的生产量越来越大,大量优质的天然资源和工业废渣被用于生产水泥、矿物掺和料和砂石骨料。随着自然资源逐渐枯竭,以及环境保护措施的不断加强,天然资源的开采利用受到越来越多的限制,工业废渣的供应也日渐紧张。此外,水泥生产技术的进步以及用户的要求使水泥的品质也发生了很大变化,上游工业生产方式的改变使工业废渣的品质发生变化,种种变化导致生产混凝土所用的原材料品质也发生了很大的变化。

混凝土结构性能和施工方式的改变使对于混凝土性能的要求也发生了变化。现在要求混凝土具有优良的流变性能,宜于超远程超高层泵送;要求混凝土具有优良的力学性能,高强早强;要求混凝土具有优良的体积稳定性,不易开裂;要求混凝土具有优良的耐久性,能够抵抗外界有害介质的侵蚀,具有较长使用寿命。混凝土生产企业则需要严格控制生产成本,不愿使用价高的优质原材料。

目前业主与施工企业对混凝土的抱怨主要集中在高流态混凝土的施工性能不好、开裂敏感性高的问题上。为了解决这个问题,一些行业主管部门试图制定一些技术文件,规范混凝土原材料的品质,从而提高混凝土质量,降低结构开裂的风险。混凝土生产企业对于原材料现状很无奈,只能采用不符合标准要求的原材料。为了控制混凝土生产成本,满足结构验收要求,市场上出现了各种各样的新材料和技术,帮助混凝土生产企业解决难题。

本文试图分析混凝土原材料品质变化的原因,讨论基于现有原材料,生产高性能混凝土的途径。

1、胶凝材料品质的变化

1.1 水泥品质的变化

自上世纪八十年代以来,硅酸盐水泥的生产发生了革命性的变革。现在绝大多数硅酸盐水泥熟料是用窑外分解窑烧成的,水泥则是由辊压机-选粉机系统生产的,生产方式的改变导致水泥熟料矿物组成和水泥颗粒级配发生改变。现在转速高的窑外分解窑能够煅烧高饱和比高铝氧率的生料,生产的熟料中C3S和C3A含量高,其熟料的强度高。水泥的粉磨系统效率高,提高粉磨细度并不需要额外增加很多电耗。辊压机生产出的水泥颗粒均齐,粒度分布范围小。

采用现在的水泥生产装备,水泥厂生产高细度的高强早强水泥所产生的经济效益比较好,因此一些大的水泥企业鼓吹取消低强度等级的水泥。由于水泥熟料强度高,生产P·O42.5普通硅酸盐水泥时,适量超出标准允许的混合材掺加量,水泥的强度仍然能够达标。目前标准并不强制检查水泥中的混合材掺量,因此许多水泥厂生产的普通硅酸盐水泥中的混合材都是超标的。当水泥厂生产P·O32.5复合硅酸盐水泥时,通过提高水泥的细度,能够更多地掺加混合材,从而降低水泥的生产成本。现行标准规定了四种允许的混合材。但是许多地方缺少足够的合法的混合材资源,一些水泥厂就使用标准禁用的工业废渣作为混合材。这些掺加非法混合材生产的水泥,其物理力学性能与合格的水泥没有明显差异,但其三民些重金属和放射性元素的含量需要严格控制(否则会留下隐患),然而水泥厂和混凝土生产商大多不重视,或有意回避。

水泥组成和颗粒级配的变化导致其性能随之发生变化。现在的水泥早期强度高,但长期强度增长率低,这种强度发展规律导致水泥的水化热高,早期放热速率大,开裂敏感性高。为了降低混凝土的温升、减小开裂敏感性、改善耐久性,一些混凝土的技术规程和标准规定,配制混凝土所用水泥的C3A含量不得高于8%,比表面积不大于350m2/kg。有人提议,生产专用水泥来满足某行业的特殊需求。虽然这些措施有科学根据,但在实际工程应用时不可操作。C3A含量是基于熟料化学组成计算出来的,误差较大;水泥厂并不告诉用户水泥中的混合材掺量,用户无法得知水泥中C3A含量。因此规定水泥中的C3A含量限值没有意义。

现代化的水泥生产线产能很大。为了控制水泥品质,提高生产效率,要求生产平稳进行,不可能为了某个特殊需求,而短暂改变生产工艺参数。小批量生产特殊的专用水泥,成本很高,建设方难于接受。如果建设专用水泥生产线,而水泥不能长途运输,不能长期存储,大量专用水泥不能及时在当地销售,则水泥厂无法组织生产。云南曾建成年产180万吨的道路水泥生产线,但因当地市场不接受这种水泥,终只能转产普通硅酸盐水泥,一些专门为道路水泥生产准备的工艺装备和引进的生产技术都没能够发挥作用。

现在再想走回头路,让水泥厂生产较粗的水泥是不现实的。业主和施工方都要求加快施工速度,要求混凝土快凝早强。为了满足这一要求,混凝土生产商也要求水泥具有高早强性能,而提高水泥细度是降低成本的技术途径。业主不关心混凝土是否易于开裂,他们认为这是混凝土生产商应该解决的问题。在各方需求和经济利益的驱使下,水泥的细度越来越高是不可逆转的潮流。即使建工行业标准规定了水泥的细度上限,但水泥生产不受建工行业标准的束缚,建设项目只能使用水泥厂大量生产的高细度水泥。导致混凝土结构开裂,水泥只是一个影响因素。只要调整混凝土配合比,有效控制施工过程,是能够消除高细度水泥的不利影响、制备不开裂的混凝土结构的。

1.2 矿物掺和料品质的变化

近年来,常用的矿物掺和料的品质也发生了很大变化。变化明显的是粉煤灰。由于环保要求的提高和清洁空气行动的开展,发电厂的烟气需要经过脱硫脱硝后排放。而脱硫脱硝产生的废渣部分被混进了粉煤灰,会影响粉煤灰的性能。由于优质粉煤灰的供应量减少,出现了经过粉磨处理的磨细粉煤灰。这种粉煤灰细度可以满足应用要求,但球形颗粒量较少,粉煤灰特有的润滑效应就减小了。因许多地区粉煤灰短缺,导致粉煤灰的品质不能得到保证,性能变化大,这给混凝土的稳定生产带来一定的困难。

矿渣粉的品质也在下降。一些地区只有S75级矿渣粉供应,一些S95级矿渣粉的7d活性达不到标准要求。另外,也有高活性的超细矿渣粉供应,用于高强混凝土的生产。这种超细矿渣粉的水化热甚至比普通硅酸盐水泥还高。使用这种超细矿渣粉,不能降低混凝土的温升,其开裂敏感性也高,需要特别引起注意。

广义上来说,含有非晶态的硅铝质组分的材料都可以作为矿物掺和料使用。现在各种各样的固体工业废渣都用于混凝土配制。使用这些新的矿物掺和料,混凝土的力学性能是可以满足设计要求的,但是其长期性能还需要系统的研究工作来检验。尤其是一些重金属的冶炼渣,需要关注其残留的重金属元素渗析特性,以及对人体健康的长期影响。在使用惰性矿物掺和料(如石灰石粉)配制混凝土时,要关注混凝土的长期强度增长率。如果混凝土的长期强度增长率低,则结构的安全系数就会降低。

2、骨料品质的变化

为了保护环境,砂石开采越来越受到限制,很多地方已经禁止开采山石和河砂。由于天然砂石来源逐渐减少,人工砂的供应不断增加,导致混凝土的配合比和性能也发生了变化。

现在混凝土工业所使用的砂石原料,绝大多数都达不到标准要求的品质。粗骨料的级配不合理,空隙率高。细骨料的含泥量严重超标,级配不好,含石率高。许多中砂去除超径颗粒后,其细度模数大大降低。使用这样的骨料,混凝土的胶凝材料和减水剂用量必然会增加,导致和易性不好,工作性损失快,强度较低,对混凝土的各种性能都有不利影响。部分地区甚至使用风化程度较高的砂石,这对混凝土性能的不利影响就更大了。

沿海地区大量使用海砂。海砂如果清洗干净,氯盐含量得到严格控制,就是一种优质的原料。但是目前的问题是真正洗干净的海砂不多。使用氯盐含量超标的海砂会给钢筋混凝土结构的耐久性带来非常严重的危害。由氯盐导致的钢筋锈蚀一旦发生,结构物难于维修加固,终只能拆除,这将给国民经济发展带来很大的负面影响。

天然砂的供应越来越紧张,人工砂和尾矿砂的用量越来越多。尾矿砂的细度偏细,需要与天然砂搭配使用。目前市场供应的人工砂粒形较差,扁平状颗粒较多;中间粒径的含量较低,级配不合理;石粉含量高。这样的人工砂质量较差。我国当前能够生产高质量的人工砂,但成本较高,市场接受程度低。实际上,使用优质的人工砂石,虽然砂石成本高,但是可以减少胶凝材料用量,混凝土强度高,混凝土的总体成本并不高。阿联酋使用四种单粒级的骨料,组成理想的级配曲线,在配制高强混凝土时,其胶凝材料用量比我国类似强度等级的混凝土少约100kg/m3,密度都在2450kg/m3以上。在2014年届全国混凝土技能大赛上,使用

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