大力发展绿色高性能混凝土

大力发展绿色高性能混凝土——纪念我国混凝土科学技术的先驱与奠基人吴中伟先生逝世五周年——覃维祖清华大学土木工程系[摘要] 我国混凝土科学技术的先驱与奠基人吴中伟先生生前曾大力倡导发展绿色高性能混凝土（GHPC）近几年来我国水泥产量继续猛升，电力与炼铁工业的副产品——粉煤灰和高炉矿渣等排放量不断增大，而不少新建的混凝土结构开裂和劣化现象仍在加剧，更显继承先生遗愿，大力发展GHPC，使我国基础设施建设能够可持续发展的必要性。

[关键词] 绿色高性能混凝土（GHPC）GHPC设计理念整体论科学思想一、引言高性能混凝土（HPC）概念的提出，始自20世纪80年代美国和其他一些工业国大量混凝土结构劣化的加速，因此认为有必要开发出新一代建筑材料，包括高性能的钢材、塑料、混凝土等，在1990年5月由美国标准与技术研究院（NIST）和混凝土学会（ACI）主办召开了第一次国际HPC研讨会[1]。

在这次会议上首次提出有关HPC的定义：HPC是具备所要求的性能和匀质性的混凝土，这种混凝土按照惯常作法，靠传统的组分、普通的拌合、浇注与养护方法是不可能获得的。

所要求的性能，例如：易于浇注和压实而不离析；高长期力学性能；高早期强度；高韧性；体积稳定；在严酷环境下使用寿命长久。

请注意——这里列出“所要求的性能”是一些例子，强调对于每一具体工程环境，混凝土的“高性能”体现在不同的方面。

例如：对于高速公路修补所用混凝土，其“高性能”应体现为“高早期强度”等，以满足尽量快地向公众开放交通的需要；而对严酷环境下运行，且修复耗资巨大的混凝土结构，“使用寿命长久”自然是“高性能”最重要的体现。

ACI所属的技术委员会在1998年修改了HPC的定义[2]，将“所要求的性能”及其后面的例子删去，并转到“注释”里，显然是针对不少人误解原定义而进行的纠正。

针对国内近些年来由于大量基础设施建设的需要，水泥和混凝土生产量大幅度提升，水泥产量多年前已高居世界首位，而且不少新建混凝土结构出现劣化速度加快且程度不断加重的现状，我国混凝土科学技术的先驱与奠基人吴中伟先生深感到指出混凝土技术发展方向的迫切性，因此在1997年，他在会议发言中提出：混凝土的发展方向是GHPC[3]；次年又拟文阐述了发展GHPC对中国和世界的重要意义[4]。

二、GHPC的含义与发展意义有关绿色的涵义，吴先生解释并引用有关文献说明[4]：随着人口爆炸、生产发达，地球承受的负担剧增，以资源枯竭、环境破坏最为严重，人类生存受到威胁。

1992年里约热内庐世界环发会议后，绿色事业受到全世界重视，绿色的涵义随着认识的提高不断扩大。

主要可概括为：1）节约资源、能源；2）不破坏环境，更应有利于环境；3）可持续发展，保证人类后代能健康、幸福地生存下去。

第二条是第三条的保证。

至于GHPC的含义与发展意义，他解释为：HPC的涵义和组成材料已能说明它含有很多“绿色”要素，也可说是传统混凝土向绿色材料迈进了一步，现在提出GHPC作为今后发展方向，目的在于加强人们对绿色的重视，加强绿色意识；要求混凝土工作者更自觉地提高HPC的绿色含量或加大绿色度，节约更多的资源能源，将对环境的破坏减到最少，这不仅为了混凝土和建筑工程继续健康地发展，更是人类的生存和发展所必需，是大有可为的。

三、发展GHPC的几个问题与其他新材料、新技术类似，在发展GHPC的过程中也会遇到这样那样的问题，需要正确地认识和处理。

1. 正确地处理科技创新和遵循现行规范、标准间的关系吴中伟先生在“绿色高性能混凝土与科技创新”一文中强调“科研工作者应不断创新”。

他还指出GHPC就是要：1）更多地节约熟料水泥，减少环境污染；2）更多地掺加工业废渣为主的矿物掺和料。

笔者在宣传GHPC时常遇见一些技术人员反映：我们也很想在混凝土中多掺矿物掺和料，但是担心超出现行规范、标准的规定时受到责难，而且要承担风险。

笔者认为：规范和标准是在总结前人实践的基础上制订的，需要尊重，但是这并不等于只能一味地遵循、照搬。

伴随着工程实践的创新和发展，规范和标准也需要不断更新、不断改进。

从这个角度来说，与设计、施工相结合的科研工作，目的就在于将规范和标准不断地推进，反过来促进工程实践与理论的发展。

例如，许多规范、标准限定混凝土中粉煤灰的掺量在25％以下，尤其是预应力混凝土构件中的掺量。

这是因为过去我们的混凝土中没有掺用减水剂，混凝土的水灰比较大（一般都高于0.5），这种情况下掺入粉煤灰，减少水泥的用量，就会使混凝土的凝结时间明显延缓、硬化速率减慢，表现为早期强度低、混凝土渗透性增大。

但是现今高效减水剂的应用已经很普遍，混凝土所用水灰比，尤其是掺有矿物掺和料混凝土的水胶比很容易降低到低于0.5，同时现今的水泥活性则远高于20世纪80年代以前的水泥（因为早强矿物C3S含量显著提高、粉磨细度加大），因此掺加矿物掺和料的混凝土，即使是掺量很大的混凝土，与过去混凝土相比其早期强度的发展速率也大大加快了。

正因为这种变化，交通部第四航务工程局等单位通过试验和工程应用试点取得经验的基础上，制订的行业规范《海港工程混凝土防腐蚀技术规范》（2001年5月1日起执行）中就规定在受侵蚀作用严酷环境中应采用HPC，而HPC中粉煤灰的掺量为25~50%；磨细矿渣的掺量为50~80%。

2. GHPC的设计理念和方法早期的普通混凝土仅有简单四个组分（粗细骨料、水泥和水），所谓混凝土设计就是确定这几个组分的相对比例。

通过大量的工程实践，总结出来一些数据，列成公式、表格以指导后人的实践。

因为它来自经验的总结，因此无疑是符合工程实际的。

现今的混凝土中增加了外加剂（有时还不只一种）和矿物掺和料（也可能是不同品种复合使用）等组分，有些工程的粗骨料也采用多级配。

因此，GHPC具有以下特点：1）组分众多；2）水灰比（水胶比）可以在很大范围里变化；3）拌合物工作度的变化范围可能很大；4）不同组分对水胶比、工作度的影响各异。

如何确定和优化现今混凝土，尤其是GHPC的组分与配比，确实存在相当大的困难。

人们将混凝土的设计简化，忽略工程环境差异等影响，而套用水泥厂家检验产品质量的方法——固定其他参数，仅变更产品样本进行比较，这种方法适用于评价产品质量的稳定性，但用于设计混凝土这类工程材料，就很容易脱离工程实际、脱离整体。

这种设计理念，以固定普通混凝土许多参数，包括水灰比（水胶比）、粗细骨料的品种和用量、用水量等为参照（空白组），仅改变外加剂或矿物掺合料的参数（品种、掺量等），在实验室条件下配制并拌合成坍落度相近的拌合物，成型试件并待脱模后在标准温、湿度条件下养护至一定龄期后进行试验，根据比较结果确定混凝土的原材料与配合比。

总之，这种设计理念是通过简化，忽略了许多影响试验结果非常重要的参数（如水胶比、温度等），而单纯考察变化外加剂或矿物掺合料组分材料带来的影响。

这种设计理念给GHPC的发展形成了很大障碍。

因为谁都知道：混凝土的水灰比和强度成反比，即水灰比越大，强度越低；掺入矿物掺和料并取代部分水泥，与水胶比相同的空白混凝土对照时，由于矿物掺和料的活性一般都低于水泥，因此混凝土强度，尤其是早期强度总是低于原空白混凝土。

随着矿物掺和料的掺量加大，差异愈加明显，这就是大多数现行规范和标准中总是对矿物掺和料的掺量进行限制的原因。

英国的Dunstan将粉煤灰混凝土中水泥和粉煤灰对于不同龄期混凝土强度的贡献分离，获得了很重要的信息。

他发现[5]：当混凝土的水胶比减小，粉煤灰对不同龄期混凝土强度的贡献随之增大。

而且，粉煤灰对强度的贡献与水胶比的关系比水泥还敏感。

因此，他将这种混凝土的水胶比、灰胶比（粉煤灰－胶结料比，F/C+F）和强度建立了一个三维模型，并且开发出一个电脑程序，将该模型用于英国的粉煤灰混凝土设计（见图1）。

该程序输入了670个掺有不同比例粉煤灰的混凝土拌合物数据，其中多数粉煤灰比水泥的用量还大。

图1 建立强度、水胶比与粉煤灰-胶结料比关系的三维模型，是一种粉煤灰混凝土的设计方法当工程要求一定混凝土的强度等级（如C 30），与普通硅酸盐水泥混凝土只对应一个特定的W/C不同，设计相同强度等级的粉煤灰混凝土可以从上述三维模型上“截”出一个上有一系列等强度的拌合物平面来（见图1的4）。

配制出工作度相等的这一系列拌合物也是可以做到的，因此可以从一个无限量的等工作度与等强度的拌合物中进行选择。

要确定其中最佳的配比组合，还需要输入一个参数。

这个参数可以是材料的费用，通常存在一定的原材料组合，在工作度和强度一定时，生产这种拌合物的成本最低。

另一个引人注目的GHPC设计案例，是自1985年以来加拿大矿产与能源技术中心（CANMET）Malhotra与同事们对大掺量粉煤灰混凝土进行深入而广泛的研究[5]。

他们不以不掺粉煤灰的混凝土为对照（空白组），而以水泥150kg/m3，粉煤灰200kg/m3为胶凝材料，调节高效减水剂掺量和砂石用量将水胶比降低到0.3左右，使拌合物的工作度在约200mm、含气量5~6%，所配制的混凝土抗压强度28d达到30~40MPa；90d为40~50MPa；1年50~60MPa。

大掺量粉煤灰混凝土的成功试验，使其在加拿大哈利法克斯的帕克林购物中心施工中用于浇注巨大的柱子（总共700m3大掺量粉煤灰混凝土）；在该市海边建筑物群施工中也得到应用，包括两幢商业大厦的公共建筑（32根直径1.2m和30根直径1.1m的框架柱沉箱，平均长度21m）。

采用大掺量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗渗性能优异。

此外，加拿大海法市Purdy码头的沉箱桩和一幢旅馆兼办公楼的钢筋混凝土柱子，以及温哥华市的艺术家工作室、多伦多市约克大学的计算机科学楼等都采用了这种GHPC。

在渥太华附近的大卫伏劳瑞达实验室，工程师们为降低水化热，以粉煤灰、Ⅱ型（低热）水泥、水、粗细骨料、引气剂和高效减水剂混合配制的混凝土浇注了一个重360吨的混凝土台座。

台座的尺寸为7×8m，平均厚度2.25m，安放在多个充气圆柱体上，使其震动与地面分离。

由于粉煤灰混凝土特殊的品质，发射火箭产生的冲击不会引起台座共振。

在该台座上成功发射爱那克依火箭的事实雄辩地证明：以大掺量粉煤灰配制的GHPC是真正的太空时代建筑材料。

上例中因为掺加引气剂使含气量增大，抗压强度的发展则受到了影响。

与其相对照，他们在第二届“高强混凝土的应用”国际研讨会上发表的论文中发表的GHPC强度发展就更加引人注目了[7]，该论文报道以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3，并掺高效减水剂将水胶比降至0.29，所配制的大掺量粉煤灰高强混凝土坍落度为200mm左右，而7d强度可达34MPa；28d为52MPa；90d为70MPa；365d高达98MPa。

是否加拿大人配制混凝土所用原材料有什么特殊呢？笔者以内蒙元宝山电厂的1级粉煤灰、北京石景山热电厂的2级粉煤灰和两种本地市售的525（按现行标准即42.5级）普硅水泥为原材料，同样配制水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3，并掺高效减水剂调节水胶比为0.32~0.38的混凝土，其3d强度达到30MPa；28d约50MPa；1年强度则为80MPa左右。