混凝土制品用綠色高性能混凝土的研制（下）

甘昌成，倪少賓，李景權，黃良，甘露，黃海燕

（柳州市環波建材有限公司，廣西 柳州 545616）

混凝土制品用綠色高性能混凝土的研制（下）

甘昌成，倪少賓，李景權，黃良，甘露，黃海燕

（柳州市環波建材有限公司，廣西 柳州 545616）

本文采用 P·C32.5R 水泥和 P·O42.5 水泥作激發劑，復合摻合料以濕排粉煤灰為主體，細骨料以建筑垃圾為主體，所配制的細骨料綠色高性能混凝土（綠色高性能砂漿），廢渣摻量達到 86.3% 和 88.0%，混凝土蒸壓強度分別達到 51.5MPa 和66.4MPa，混凝土制品的綜合性能大大優于傳統產品，預示著利用工業廢渣生產綠色高性能混凝土，有著極好的發展前景。

綠色混凝土；高性能；工業廢渣；混凝土制品；干硬性混凝土拌合物

（續上節）

5 關于綠色高性能混凝土問題的討論與建議

（1）根據從事多年商品混凝土生產質量控制和工程應用研究的體會，筆者應用水化產物填充理論和體系平衡理論分析了混凝土的某些性能及其影響因素，也對混凝土未來技術發展的方向作了一些推斷，指出低水泥用量、大摻量廢渣摻合料的綠色高性能混凝土是未來混凝土技術發展的重要方向。低活性廢渣將成為摻合料的主體，但僅用低品位廢渣可能難以生產出高品質的摻合料，摻合料的組成一般應實行工業廢渣活性高低的比例搭配。未來混凝土膠凝材料的組成可能是：以少量熟料（或水泥）和激發劑組成摻合料的復合激發材料，以少量活性較高的廢渣作為膠凝材料水化反應的“晶核”，起反應的催化作用和水化產物的核心作用，以此帶動膠凝材料早期的和長期的水化反應（詳見《大摻量摻合料混凝土抗碳化性能的評估分析》、《對混凝土滯后泌水現象的分析》）。

柳州是廣西重要的工業城市，工業廢渣資源豐富，但同時也給環境保護造成很大壓力。利用工業廢渣生產建材產品，特別是混凝土制品，是大量消耗工業廢渣、保護生態環境的有效途徑。筆者在此也有機會對之前關于綠色高性能混凝土的一些推斷，通過試驗和生產實踐進行驗證。

（2）筆者曾經分析了混凝土抗壓強度與抗滲性能的關系（見《抗滲性是混凝土最重要的性能》）。抗壓強度反映了混凝土充水空間被水化產物填充的密實程度，抗滲性能則反映被填充的完全程度。不同的強度等級對應著混凝土不同的密實度。強度等級越高，混凝土越密實，在充水空間被完全填充的條件下，混凝土的抗滲透能力也越強。

傳統的水泥混凝土和硅酸鹽混凝土建筑制品砌筑的墻體之所以容易開裂和滲漏，根源還是在于混凝土的抗滲性能差。由于過分地追求低成本，技術措施又不完善，生產混凝土制品的母料強度等級偏低，密實度不夠，再加上傳統的混凝土硬化工藝中某些工藝環節設計不夠合理，在混凝土硬化過程中，不能實現充水空間的完全填充，造成了混凝土的抗滲性能普遍較差。抗滲性能差的混凝土制品，服役期間在不利的環境條件下，加速了混凝土后期的拌合水損失，產生內應力，使墻體容易開裂。

所以，要提高非燒結類墻體材料，特別是混凝土制品砌筑墻體的抗裂能力，關鍵是提高混凝土制品的抗滲透能力。筆者查閱了相關資料，利用工業廢渣作主要原材料生產水泥混凝土或硅酸鹽混凝土制品的研究很普遍，這是一種很好的現象。但以往用于生產制品的綠色混凝土，強度較低，一般為 15～25MPa，基本在 30MPa 以下，很少在 30MPa 以上。或由于成本因素，30MPa 以上的混凝土母料很少用于生產輕質磚和輕型砌塊。有資料認為，有些墻體對磚和砌塊的強度要求不高，混凝土有 15MPa 的強度也足夠了。筆者則認為，以往的混凝土制品空心率不高，強度較易滿足，但僅滿足強度是不夠的，還應滿足抗滲性能的要求。這一點是以前沒有考慮的，至少生產商沒有考慮。這就造成了混凝土制品的性能和質量普遍較差，產品難上檔次。在建筑質量和建筑節能的雙重推動下，混凝土空心制品正往輕質、高強、多功能的方向發展，小孔、多排孔、高空心率的混凝土制品正符合這一發展方向。30MPa 以下的混凝土強度，難以滿足這一發展方向的要求。根據混凝土高抗滲防裂應用研究多年的經驗，初步判斷，混凝土要獲得較高的抗滲性能，其強度應在30MPa 以上。因此，筆者在開始用于混凝土制品的綠色高性能混凝土的研制時，將強度目標確定為 30MPa 以上。

（3）關于低活性工業廢渣的應用研究，已有較豐富的文獻資料，其中以開發利用粉煤灰的研究居多。人們對如何激發粉煤灰的潛在活性進行了大量的研究，一般可歸納為如下三種方法：物理激活法、化學激活法和工藝激活法。將粉煤灰磨細，或制成超細灰，可在一定程度上提高粉煤灰的活性，是典型的物理激活法。化學激活法的研究就更多了，通過添加各種各樣對粉煤灰有激發作用的添加劑，使粉煤灰的潛在活性更容易發揮出來。工藝方法則是通過一定的配方，在燒結條件下或蒸養蒸壓條件下使粉煤灰和輔助材料結合生成高活性的礦物，從而提高粉煤灰的用量和效果。這些方法有些效果很好，可大幅度提高粉煤灰的活性，但工藝復雜，成本較高，難以大量推廣；有些方法比較簡單，成本也低，但難以取得高強度，混凝土強度一般在 30MPa 以下，應用效果不是很理想。

本文在這些方法的基礎上，獨辟蹊徑，應用水化產物填充理論，對低活性工業廢渣的綜合利用展開研究。水化產物填充理論指出，混凝土要獲得高抗滲、高性能，其充水空間要足夠小，要有足夠填充充水空間的水化產物，實現充水空間的完全填充；混凝土要獲得高強度，就要提高充水空間水化產物生成的密集程度。一般而言，混凝土充水空間越小，水化產物總量越大，水化產物的生成密度也越大，混凝土越密實，強度越高。

試驗表明，低活性工業廢渣中，含硅量較高者利用價值較大。但這些硅大多以結晶型 SiO2的形態存在，常溫下活性較低，只有在高溫下才表現出較高的水化反應活性。因此，提高養護溫度是增加水化產物總量的有效方法。試驗還表明，在低活性的廢渣膠凝材料中，摻加少量如礦粉一類活性相對較高的摻合料，可提高膠凝材料水化反應活躍的程度，綠色混凝土的強度大幅提升，自然養護條件下也表現了較高的水化反應活性，表明少量活性較高的摻合料，確實起到了反應的催化作用和水化產物的核心作用。因此，以低活性工業廢渣為主體的綠色混凝土膠凝材料，實行工業廢渣活性高低的比例搭配，也是增加水化產物總量的有效方法。

“三低”可以使混凝土的充水空間足夠小。其中的低水膠比、低用水量對于提高混凝土質量的重要性，對混凝土技術人員來說，已無異議。本文想側重談一談低坍落度對提高混凝土，特別是綠色混凝土質量所起的重要作用。

上世紀 80 年代筆者在試驗室做混凝土試驗研究的時候，多為干硬性、半干硬性的普通混凝土，常用維勃稠度儀測定其工作性。后來減水劑逐漸普及，混凝土向流態化、高流態化方向發展，這種檢測儀器用得少了，在很多試驗室甚至難覓蹤影。混凝土的坍落度用得最多，流動度、擴展度也成為常用的檢測混凝土工作性的方法。減水劑的應用，使人們對混凝土拌合物性能的研究異常活躍，不少文章把高流動性視為混凝土高性能的重要標志，但對如何提高建筑工程中硬化混凝土質量的專題研究甚少。近年來頻頻報道的混凝土耐久性問題，應引起人們對硬化混凝土質量的重視及對混凝土高流態化的反思。筆者認為，以往關于混凝土拌合物性能的研究，過分偏重于滿足施工的需要，忽視了高流動性對硬化混凝土質量的負面作用，或者說人們還未能更多地關注高流動性對硬化混凝土質量的不利影響。大流動度混凝土容易泌水，泌水的混凝土存在大量泌水通道，這些泌水通道在施工中如果得不到封閉，混凝土的水泥用量再大，水化產物也很難將其完全填充密實，造成混凝土的抗滲性能差，耐久性差。大流動度的混凝土，其充水空間較相同水膠比的低坍落度混凝土的大，更容易失水，在不利環境條件下失水更快、更多，更容易開裂，更容易發生滲漏，同樣會降低混凝土的耐久性。混凝土拌合物的和易性、工作性對于施工是重要的，適當的和易性不但易于施工，也使混凝土更密實。但過大的流動度，則是過分迎合了施工的需要，從提高硬化混凝土質量的角度來說，比較容易振動出漿。滿足施工基本要求的前提下，混凝土坍落度越低，對硬化混凝土質量越有利。施工周期在混凝土的生命長河中只不過一瞬間，但混凝土的耐久性、建筑物的使用壽命卻關系著人類的可持續發展。為了建筑工程的耐久性質量，施工中多費一點功夫，花多少成本都是值得的。反過來說，如果為了保證建筑質量，規范規定了混凝土拌合物的稠度界限，那么將會更好地促進施工機械、施工技術的進步。

拌合物的高流動性對綠色混凝土質量的影響更大。綠色混凝土的膠凝材料主要由低活性的工業廢渣組成，混凝土中的水化產物總量少，只有充水空間足夠小，才有可能被水化產物完全填充密實。如果混凝土的坍落度大、流動度大，混凝土容易泌水，不僅粗大的泌水通道水化產物遠遠不能填充，泌水狀態下的混凝土充水空間也將難以被水化產物完全填充密實。這樣的混凝土強度低，抗滲性能差，耐久性也差，難以實用。正因為如此，本文研究的綠色高性能混凝土，除了盡量降低水膠比和用水量外，采用干硬性或半干硬性的混凝土拌合物，三管齊下，以促使混凝土的充水空間足夠小，才獲得了較高的強度。

（4）什么樣的混凝土才是高性能混凝土？至今高性能混凝土還沒有公認的、確切的定義。高性能混凝土不是混凝土的一個品種，不同品種的混凝土對高性能有不同的要求。但高性能混凝土必須是高耐久性的混凝土，這一點則是被公認，達成了共識的。筆者多次論述了高性能與高抗滲的關系，認為高性能與高抗滲不可分割。只有實現了高抗滲的混凝土，才有強的抵抗環境有害介質侵蝕的能力，才有可能獲得高的耐久性，才能實現最終的高性能。混凝土拌合物的高流動性，對于密集鋼筋的構件是必要的。滿足這種構件的施工要求，不泌水的高流動性拌合物，可稱為高性能混凝土。筆者之所以強調不泌水，是因為不泌水的拌合物硬化后比較容易實現高抗滲。但高流動性拌合物成型后比干硬性混凝土更容易失水，必須采取及時和充分的完美濕養護，防止混凝土失水，才有可能實現高抗滲，得到最終的、真正的高性能。因此，這種高流動性的拌合物稱為高性能混凝土，是針對特定構件而言的，它應該是一種特種混凝土，而不是通用混凝土。

在水膠比相同的情況下，干硬性混凝土的充水空間比大流動度混凝土的充水空間小，容易實現高強度、高抗滲。從提高混凝土的耐久性和提高建筑質量的角度來說，干硬性混凝土、半干硬性混凝土、低坍落度的混凝土應該比高流動性混凝土的應用更普遍。對同強度等級而言，這種混凝土的水泥用量和膠凝材料用量相對也少，成本較低。低坍落度混凝土不泌水、不離析，成型后抗失水、抗開裂的能力比高流動性混凝土強。因為容易實現高抗滲，有利于提高混凝土的耐久性，提高建筑物的使用壽命。從這一角度來說，干硬性的混凝土、半干硬性的混凝土、低坍落度的混凝土，比高流動性的混凝土更具備廣泛性的高性能的條件，在滿足施工基本要求的前提下，它們應該是高性能混凝土。

筆者在《對混凝土滯后泌水現象的分析》一文中繪制了一個圖，表達了混凝土的坍落度與泌水性的關系，如圖 8。

圖8 混凝土坍落度與泌水性的關系

根據混凝土是否容易實現高抗滲，圖 8 中把明顯泌水的高流動性混凝土排除在高性能混凝土之外，而不泌水的干硬性、半干硬性、低坍落度的混凝土以及不泌水、不離析的高流動性混凝土則看成是高性能混凝土。

（5）干硬性混凝土如何高效地被成型密實，是開發綠色高性能混凝土要面臨的重要問題，也將是今后建材機械和建筑機械發展的一個方向。這類成型機械有大型的，也有小型的。建筑業實現產業化的過程中，裝配式建筑將逐步取代現澆式建筑，現在的混凝土攪拌站，將大多轉化為預制構件廠，或被預制構件廠所取代。一個預制構件廠可能有不同類型構件的生產線，這些生產線生產的混凝土制品都以綠色高性能混凝土作母料，基本上都是干硬性的，因此不同的生產線需要大小不同的振動臺。建筑預制構件大多為大型構件，這些振動臺也可能以大型的居多。

墻體材料混凝土制品為了提高生產效率，提高產品質量，成型設備也將逐漸向大型化發展。比如插桿法成型小孔、多排孔輕質磚，成孔設備成型面的面積達到 6m2，而傳統的推壓法成孔設備成孔面的有效面積大約只有0.3～0.5m2。現在的產品成本構成中，人工成本越來越高，而勞動密集型的工藝生產線，效率低下。生產設備大型化，是產業發展的必然趨勢。因此，這種大型的振動設備，不管是建筑預制構件工廠，還是墻體材料混凝土制品廠，都有廣泛的市場。面對這樣的市場潛力，建議有關單位和科研人員未雨綢繆，著手這方面的研究，以搶占市場先機。

綠色高性能混凝土是一種對環境保護作出重大貢獻的混凝土，但是它的密實成型過程由于強力振動又將產生新的噪音污染源。隨著人們生活水平的提高，對生產生活環境質量的要求跟著提高，環境保護對各種污染源的控制也將越來越嚴格。因此研制這種大型的振動設備要解決的重要問題是如何實現低噪音，促進控噪技術的進步。

以低活性工業廢渣為主體的綠色高性能混凝土，其拌合物將主要為干硬性的。常規的振動可能難以使拌合物快速液化，大多情況下可能需要加壓振動，因此這種振動設備應該配置加壓輔助裝置。這種加壓輔助裝置的壓力可以調節，加壓、卸壓快速、方便、靈活。

（6）綠色高性能混凝土的強度，同樣與水膠比密切相關。將水膠比降低到 0.40 以下，可以獲得較好的強度性能。在膠凝材料用量一定的情況下，降低用水量可以降低水膠比。在進行配合比設計時，應盡量降低用水量。降低用水量有幾種方法：① 采用需水性較小的原材料；② 改善原材料（包括粗骨料、細骨料和膠凝材料）的級配；③ 采用減水劑。

上述 ①、② 方法很重要，在原材料可選擇的條件下，選擇需水性小的原材料，控制好骨料的級配，可顯著降低用水量。但是僅依靠 ①、② 方法降低用水量，作用是有限的，也是被動的。因為低活性工業廢渣中，很多廢渣的需水性大。從環保角度、廢渣資源化角度和降低產品材料成本的角度，這些廢渣都應該得到利用。除了與需水性較小的廢渣搭配使用外，摻用減水劑，才是降低用水量的主動方法。

現在在用的減水劑，適宜用于塑性混凝土。在低坍落度的塑性混凝土中，摻入少量減水劑，即可得到大坍落度混凝土，高流動性混凝土。但同樣的量，摻入干硬性混凝土中，效果就不那么明顯了，甚至不起作用。有沒有這樣的減水劑，在干硬性混凝土中不摻減水劑時，拌合物干澀，振不出漿；加入少量這樣的減水劑后，拌合物濕度增加，加壓振動后容易出漿，且出漿明顯，但拌合物仍保持為干硬性的混凝土拌合物。這種用于干硬性混凝土的減水劑也分為普通減水劑和高效減水劑，普通減水劑的減水率達 15%～20%，高效減水劑的減水率可達 25% 或 30% 以上。

隨著裝配式建筑的發展和墻體混凝土制品產量的猛增，干硬性的綠色高性能混凝土將會得到大規模的應用，大流動度的預拌混凝土市場將逐漸萎縮。減水劑作為提高混凝土質量不可缺少的組分，也將從為塑性混凝土服務轉向主要為干硬性混凝土服務。減水劑的生產商和研究人員，如果能敏銳地捕捉市場行將變化的信息，率先研發用于干硬性混凝土的減水劑，那么也一定會搶得未來發展的先機，在這一龐大的市場競爭中掌握主動權。筆者認為這一研發太重要了，關系著綠色高性能混凝土的健康發展，關系著生態環境的有效保護，關系著人類的可持續發展，利在當代，福蔭子孫，功莫大焉。

6 結語

（1）采用 P·C32.5R 水泥和 P·O42.5 水泥作激發劑，復合摻合料以濕排粉煤灰為主體，細骨料以建筑垃圾為主體，所配制的細骨料綠色高性能混凝土（綠色高性能砂漿），廢渣摻量達到 86.3% 和 88.0%，混凝土蒸壓強度分別達到51.5MPa 和 66.4MPa，表明低活性工業廢渣的活性潛力得到了有效的挖掘，利用這些廢渣可以生產出高質量的混凝土制品。隨著裝配式建筑和新型墻體材料的推廣，工廠化生產用于建筑主體結構的混凝土預制構件和用于圍護結構的墻體混凝土制品，將促進綠色高性能混凝土的大規模應用，預示著利用工業廢渣生產綠色高性能混凝土，有著極好的發展前景。

（2）混凝土要得到高質量高性能及高的耐久性，水化產物必須將充水空間完全填充密實，以提高硬化混凝土抗腐蝕介質滲透的能力。綠色混凝土的膠凝材料以低活性工業廢渣為主體，水化產物總量少，要實現充水空間的完全填充，充水空間必須要足夠小。對綠色混凝土而言，低水膠比和低用水量還不足以使充水空間足夠小，還必須要低的坍落度。因此，干硬性的拌合物將是綠色高性能混凝土的重要特征。

（3）干硬性混凝土的大規模應用，將有兩個問題擺在行業面前需要解決：一個是能夠高效地將干硬性拌合物液化密實成型，并保證成型質量的低噪音振動成型設備；一個是適用于干硬性混凝土拌合物的減水劑的研發。這兩個問題的解決，將促進建筑建材機械領域和減水劑領域的技術創新，推動行業進步。

（4）混凝土的水化產物填充理論和體系平衡理論可用于指導混凝土科學的理論研究和應用研究，開發出高質量的混凝土產品，可使研究少走彎路，有時會事半功倍，較快地取得成果。

［單位地址］柳州市柳東新區雒容工業園西區繁容路 8 號，柳州市環波建材有限公司（545616）

甘昌成（1950—），男，高級工程師。長期從事建材科研、試驗教學、質量檢測以及混凝土的生產質量控制和應用研究。已退休，現為環波公司技術顧問。