混凝土制品用綠色高性能混凝土的研制（上）

甘昌成，倪少賓，李景權，黃良，甘露，黃海燕

（柳州市環(huán)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（上）

甘昌成，倪少賓，李景權，黃良，甘露，黃海燕

（柳州市環(huán)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(fā)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(yōu)于傳統(tǒng)產品，預示著利用工業(yè)廢渣生產綠色高性能混凝土，有著極好的發(fā)展前景。

綠色混凝土；高性能；工業(yè)廢渣；混凝土制品；干硬性混凝土拌合物

0 前言

綠色混凝土能大量消耗工業(yè)廢渣，對保護生態(tài)、促進人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。但綠色混凝土要實現(xiàn)高性能，還需要人們不懈努力。國家正在推行建筑產業(yè)化，混凝土建筑構件標準化、預制化生產將是大勢所趨，大流動度的現(xiàn)澆泵送混凝土市場將逐漸萎縮。工廠化生產建筑預制構件無疑會給綠色混凝土的發(fā)展帶來極好的機遇，這些建筑預制構件大多是承力構件，需要較高的強度。隨著人們生活水平的提高，對建筑質量、居住環(huán)境質量的要求也隨之提高。不管是建筑的主體結構，還是墻體圍護結構，都要求高質量。輕質、高強、保溫、隔熱、不裂、不滲的建筑住宅，不但要給人們居住以安全感，還要有良好的舒適度。綠色混凝土只有實現(xiàn)高強度高性能化，才能擔當重任。

混凝土高抗?jié)B防裂的原理在商品混凝土的工程實踐中得到成功應用之后，筆者就想著將提高硬化混凝土質量的這一原理引入新型墻體材料的生產中，旨在解決傳統(tǒng)非燒結類材料砌筑的墻體容易出現(xiàn)開裂和滲漏的技術問題。混凝土制品是非燒結墻體材料的主體，需要大量的綠色混凝土，因此，綠色混凝土如何實現(xiàn)“高性能化”，是解決這一問題的關鍵。

傳統(tǒng)的混凝土多孔磚、空心砌塊密度較大，保溫隔熱性能不夠好，原因之一是空心率較低。進一步提高空心率可以降低產品密度，提高保溫隔熱性能，降低產品的材料成本。然而高空心率，特別是小孔條件下的高空心率，不但增加制品生產的難度，并且要求制品母料必須要有較高的強度，才能保證制品基本的強度性能。因此，綠色混凝土要大規(guī)模應用于新型墻體混凝土制品，要求綠色混凝土本身必須實現(xiàn)高強度高性能。

混凝土的高性能方法，以及高空心率的小孔多排孔輕質磚和輕型砌塊成孔方法和設備，均已取得國家發(fā)明專利。其中的小長孔多排孔輕質磚，已列入自治區(qū)墻改辦 2016 年度的墻體科技開發(fā)項目。本文研究的綠色高性能混凝土，便是生產高空心率的小長孔多排孔輕質磚的母料。

1 原材料

（1）水泥：采用正菱水泥廠的 P·C32.5R 水泥和 P·O42.5水泥，物理力學性能見表 1。

（2）粉煤灰：來賓電廠濕排灰，取自環(huán)波公司加氣混凝土車間原材料堆場，烘干后用試驗小磨磨細，細度為 0.08mm方孔篩篩余 11.6%。

（3）礦粉：柳鋼水淬高爐礦渣粉，S95 級。

（4）爐渣：雒容工業(yè)園區(qū)廢渣堆場取的新鮮樣，排放廠家不詳。取回后篩分為 4.75mm 以下的細骨料和 0.30mm 以下的骨料粉料。爐渣細骨料松散堆積密度為 850kg/m3。

（5）鋼渣：柳州樂容金屬制品廠排放多年的陳渣，堆場取樣。破碎后篩分分級為粗骨料、細骨料和粉料。細骨料松散堆積密度為 1410kg/m3。

（6）建筑垃圾：柳東新區(qū)官塘工業(yè)園建筑工地和環(huán)波廠內拆除舊圍墻取樣混合。新舊廢棄混凝土約 70%，其余為廢磚、廢陶瓷、廢砂漿。取樣后處理與鋼渣同。細骨料松散堆積密度為 1190kg/m3。

（7）骨料粉：篩分粗細骨料時 0.30mm 以下的粉塵，可作為膠凝材料的組成成分之一，改善膠凝材料級配，提高混凝土的密實度。摻量控制為膠凝材料的 5%～10% 左右。

（8）磨細骨料粉：骨料粉經進一步磨細，作為膠凝材料的重要組成部分，細度為 0.08mm 方孔篩篩余 17.2%。

（9）黃錳渣：柳州桂柳化工廠電解法煉錳排放的廢渣，2015 年 5 月堆場取樣，多次粉磨后細度為 0.08mm 方孔篩篩余 31.2%。

表1 試驗用水泥的物理力學性能

（10）黑錳渣：柳州桂柳化工廠電解法煉錳排放的廢渣，2015 年 5 月堆場取樣，多次粉磨后細度為 0.08mm 方孔篩篩余 56.0%。

原材料化學成分分析見表 2，細骨料篩分結果見表 3，活性指數測定見表 4。

表2 試驗用廢渣的化學成分分析 %

表3 細骨料篩分結果

表4 粉煤灰和礦粉 28d 活性指數測定

（11）膨脹珍珠巖：松散堆積密度 51.5～91.5kg/m3，用以降低制品母料密度，進一步提高小長孔多排孔輕質磚的保溫隔熱性能。

（12）生石灰：取自環(huán)波公司加氣混凝土車間，有效CaO 含量 76.5%，消解溫度 90℃，消解速度 5min。

（13）干料漿：環(huán)波公司加氣混凝土車間濕磨料漿烘干后得到的粉末，細度為 0.08mm 方孔篩篩余 25.2%。濕磨料漿為加氣混凝土的硅質材料，全由工業(yè)廢渣組成，主要為采石場廢棄石屑、礦山尾礦或廢型砂等，與濕排粉煤灰之比約為1:1。

（14）石膏：柳州市鹿寨化肥廠排放的廢渣磷石膏，SO3含量 35.36%。

（15）增強劑：自制，水泥和石灰的輔助激發(fā)劑，與水泥或石灰聯(lián)合激發(fā)復合摻合料（硅質材料）的活性，提高其水化反應能力。摻量一般為膠凝材料的 2%～5%。

2 配合比

混凝土制品用綠色高性能混凝土，分為兩大類：一類是水泥混凝土，膠凝材料由水泥和復合摻合料組成；另一類是硅酸鹽混凝土，膠凝材料由石灰和含硅材料粉末組成。

本文研究的綠色高性能混凝土，是生產小長孔輕質磚的母料。小長孔輕質磚的空心率＞50%，孔間肋厚為 5mm 和4.75mm，因此混凝土的骨料以方孔篩篩分只能使用 4.75mm以下的細骨料，屬于細骨料混凝土。這種細骨料以建筑垃圾為主體，復合其他工業(yè)廢渣或輕質材料。

新型墻體材料正往輕質、高強、多功能的方向發(fā)展。對混凝土制品而言，“輕質”意味著提高空心率，或在母料中摻入輕質材料；“多功能”則要求制品除滿足強度性能的基本要求外，還要具備抗裂、抗?jié)B、抗震、保溫隔熱等功能，以及特定的使用環(huán)境所應具備的特定功能；“高強”則要求制品具有足夠的承載力，特別是在高空心率或大摻量輕質材料的情況下具有足夠的承載力，這就要求母料的強度不能低。以往的空心制品基本上都是大孔，承力狀況不好，墻體的抗剪能力差、抗震能力差?？招穆试礁?，孔越小，孔的排數越多，傳熱途徑越長，制品的保溫隔熱性能越好；在高空心率情況下，孔越多，孔越小，制品的受力狀況越接近實心制品。所以高空心率的小孔多排孔輕質磚和輕型砌塊是符合輕質、高強、多功能的發(fā)展方向的。我們已成功試制出空心率達到 61% 的高空心率蜂窩型小孔多排孔輕質磚，如圖 1 所示，也成功試制出孔徑小到 5mm，空心率高達 49.4% 的小孔多排孔輕質磚，如圖 2 所示。

圖1 高空心率蜂窩型小孔多排孔輕質磚

圖2 高空心率蜂窩型小孔多排孔輕質磚

筆者設計了一款小長孔輕質磚，磚型為 240mm× 115mm×90mm，28 個主孔，4 個副孔，皆為盲孔，主孔孔長33.5mm，孔寬及兩端半圓直徑 15.5mm，空心率 51.3%，如圖3 所示。本文以這款輕質磚為研究對象，通過變換母料的原材料組成，改變配合比，得到外觀設計相同，但強度等級和密度等級不同的各種產品（如圖 4、5、6、7 所示）。用于制作小長孔輕質磚的母料是綠色高性能混凝土，其中的部分配合比見表 5。

配合比中，水泥混凝土和硅酸鹽混凝土的膠凝材料由水泥、生石灰、粉煤灰、礦粉、骨料粉以及磨細骨料粉、干料漿、黃錳渣、黑錳渣、磷石膏、增強劑等材料部分或大部分組成；細骨料由建筑垃圾、鋼渣、爐渣、膨脹珍珠巖等材料全部或部分組成。

圖3 小長孔多排孔輕質磚

圖4 水泥類綠色高性能混凝土密實試件及其小長孔多排孔輕質磚制品

圖5 水泥膨脹珍珠巖綠色高性能混凝土密實試件及其小長孔輕質磚制品

3 混凝土的成型與制品的成孔

依據水化產物填充理論，綠色混凝土要獲得較高強度和較好的性能，其充水空間必須能夠被膠凝材料的水化產物完全填充密實。綠色混凝土水泥用量少，廢渣摻量大，復合摻合料以低活性的工業(yè)廢渣為主，因此，綠色混凝土中的水化產物總量少，要實現(xiàn)充水空間的完全填充，充水空間必須要足夠小。

圖6 膨脹珍珠巖在綠色高性能混凝土中的分布

圖7 硅酸鹽綠色高性能混凝土密實試件及其小長孔輕質磚

表5 用于小長孔多排孔輕質磚的綠色高性能混凝土配合比舉例

在膠凝材料用量一定的情況下，充水空間要足夠小，可以通過“三低”實現(xiàn)：低水膠比、低用水量、低坍落度。工廠化生產建筑預制構件和墻體材料混凝土制品，與現(xiàn)澆商品混凝土很大的區(qū)別是，它沒有運輸過程，或運輸距離極短，一般是隨拌隨用，因此不需要現(xiàn)場澆注，特別是泵送澆注那么大的坍落度?；炷脸尚蛙囬g有大型的振動或加壓振動成型設備，為干硬性、半干硬性低坍落度混凝土的普遍應用創(chuàng)造了條件。本文研究的綠色高性能混凝土，以干硬性混凝土為主體，其坍落度為 0。

干硬性混凝土成型過程中，在振動或加壓振動的作用下，必須容易液化。只有出漿液化，其充水空間才能被拌合水全部充盈，為水化產物將充水空間完全填充密實提供必要的水化環(huán)境條件。如果成型過程中不能出漿或漿量很少，拌合物不能充分液化，表示用水量過低。由于充水空間不能全部被拌合水充盈，缺水部分將沒有水化產物生成，不能實現(xiàn)充水空間的完全填充，混凝土的強度將降低，抗?jié)B性、抗裂性等其他性能也會跟著降低，硬化混凝土的質量降低。

工廠化生產混凝土制品，坍落度也不能過大。坍落度過大，雖然容易成型，但成型后制品容易泌水。在膠凝材料一定，水化產物總量一定的情況下，混凝土的充水空間過大，降低了水化產物生成的密集程度，同樣會降低混凝土的強度和其他性能，尤其是水化產物總量較少的綠色混凝土，其強度性能和其他性能隨水膠比增大和坍落度增大而降低的現(xiàn)象將十分明顯。

因此，在振動作用下，干硬性物料容易出漿液化，有適宜的漿量，對用于混凝土制品的綠色高性能混凝土而言，是良好的拌合物。

小長孔多排孔空心磚的成孔原理與傳統(tǒng)的空心磚不同。傳統(tǒng)的混凝土空心磚采用推壓法成孔，攪拌均勻的物料落入帶芯具的模具中，經壓頭加壓振動，物料部分液化被擠壓密實，成型為制品后被壓頭推壓穿過芯具間的間隙落在托板上。制品被加壓密實和被從模具中推壓出來的過程中，物料要克服芯具和每個磚的模壁的摩擦力，這種摩擦力接近靜摩擦力，是很大的。小長孔多排孔空心磚采用插桿法成孔，充分利用物料的液化作用，綠色高性能混凝土拌合物雖然是干硬性物料，但容易液化，在振動液化過程中，插桿依次插入，液化的物料在插桿間流動，因此插桿與物料的摩擦接近動摩擦。插桿法成孔設備是大型設備，只有一個大的?？?，每個磚沒有包裹四周的模壁，沒有模壁的摩擦力，因而成孔時設備需要施加的壓力很小。小長孔空心磚在 240mm× 115mm 的磚面上，交錯分布 32 個孔，空心率 51.3%，成孔設備一次可成孔 208 塊這樣的多孔輕質磚，所施加的壓力不足100t。而傳統(tǒng)的推壓法成孔，同樣規(guī)格的硅酸鹽多孔磚，每磚 11 孔，孔徑 26mm，空心率只有 21.2%，一次成孔 10～16塊磚，所施加的壓力為 500～800t。

4 綠色高性能混凝土及其制品的強度性能

本文列出的綠色高性能混凝土的強度數據，除特別注明外，均為 100mm×100mm×100mm 密實試件的強度數據，已乘以 0.95 的系數。

（1）蒸壓養(yǎng)護條件下，綠色高性能混凝土及其制品的強度性能。

各種綠色高性能混凝土硬化試件及其制品外觀如圖 4、5、6、7 所示。

低活性工業(yè)廢渣中，混凝土強度來源主要依靠水泥或石灰激發(fā)廢渣中的硅、鋁組分，生成以水化硅酸鈣凝膠為主的水化產物。但廢渣中的這些硅、鋁組分只有在高溫高壓養(yǎng)護條件下才能表現(xiàn)出較高的水化反應活性，提高反應速度，提高生產效率。因此試驗一開始就以蒸壓養(yǎng)護為主。蒸壓養(yǎng)護制度：升溫 3 小時，恒溫 7 小時，降溫 2 小時，恒溫壓力1.0～1.2MPa。

表6 綠色高性能混凝土及其制品的強度性能

試驗了綠色高性能混凝土的水泥混凝土、水泥膨脹珍珠注：除 S1-2 采用 P·C32.5R 水泥外，其余均為 P·O42.5 水泥。巖混凝土和硅酸鹽混凝土的各種配合比，檢測了混凝土及其小長孔多排孔輕質磚制品的強度性能，現(xiàn)將試驗結果匯總于表 6 中。

從表 6 看出，由于采用干硬性的混凝土拌合物以及高溫蒸壓養(yǎng)護，大摻量低活性廢渣的綠色高性能混凝土及其制品獲得了較好的強度性能，水泥混凝土的抗壓強度都達到了 30MPa 以上。特別值得注意的是，用 P·C32.5R 水泥，廢渣摻量達到 86.3% 的配合比 S1-2，混凝土的蒸壓強度達到 51.5MPa。水泥膨脹珍珠巖混凝土，當珍珠巖摻量為混合料的 5.5% 時，混凝土強度為 27.2MPa，制品強度則達到了11.4MPa；當配合比各組成用量不變，變換部分原材料，將水膠比從 0.423 降至 0.336 時，水泥膨脹珍珠巖混凝土的強度達到了 47.4MPa。為了得到更小密度的水泥膨脹珍珠巖混凝土制品，膨脹珍珠巖的摻量提高至 7.5%，混凝土的強度還可以達到 25.3MPa 和 21.3MPa，相應的輕質磚干密度可降至710kg/m3和 650kg/m3，強度仍可達到 9.5MPa 和 7.9MPa。硅酸鹽混凝土的配合比經過調整，硅酸鹽綠色高性能混凝土的強度也可以達到 30MPa 以上，較高者已超過 40MPa。

表6 中的輕質磚制品，當母料的強度不低于 25MPa 時，輕質磚的強度也基本可以達到 10MPa 以上。

表6 中有一現(xiàn)象筆者一直在關注。第一欄的配合比 S1-2采用的是 P·C32.5R 水泥，混凝土的強度達到了 51.5MPa。筆者換用 P·O42.5 水泥時，預計混凝土的強度會比 P·C32.5R的高，結果只超過 40MPa。前兩次試驗，認為是試驗誤差，但接下來的兩次試驗，即使降低了水膠比，強度也沒有突破51.5MPa，都在 50MPa 左右，有較好的重現(xiàn)性。筆者對此現(xiàn)象進行了分析，認為同樣的配合比，同樣的水泥用量，同樣的水膠比（或水膠比還要低一些），P·O42.5 水泥配制的混凝土強度，沒能超過 P·C32.5R 水泥混凝土的強度，是因為 P·O42.5 水泥混凝土中存在著“堿過剩”的緣故。水泥混凝土與硅酸鹽混凝土一樣，都應有適宜的鈣硅比。P·C32.5R水泥混凝土強度高，是因為混凝土中鈣硅比比較合適，生成的水化產物以低堿性的水化硅酸鈣凝膠為主。而同樣用量的P·O42.5 水泥，因為水泥中的熟料含量比 P·C32.5R 水泥高，混凝土中的水化 Ca(OH)2含量比 P·C32.5R 水泥混凝土中的高得多，造成 P·O42.5 水泥混凝土的鈣硅比偏大，即存在“堿過?！钡默F(xiàn)象。在高堿性的水化環(huán)境中，生成較多的高堿性水化硅酸鈣凝膠。高堿性水化硅酸鈣的強度比低堿性水化硅酸鈣的強度低，故 P·O42.5 水泥配制的混凝土強度，沒能超過 P·C32.5R 水泥混凝土的強度。

根據這一思路，筆者對配合比作出調整，見表 7，降低P·O42.5 水泥用量，由 12.4% 降低至 11.2%，也作了其他相關的一些調整，并把水膠比降低至 0.316，混凝土強度突破了60MPa。再將水泥用量降至 10.7%，適當增加礦粉摻量，以促進 Ca(OH)2的吸收，進一步降低混凝土中的堿度，促使高堿性的水化硅酸鈣轉化為低堿性的水化硅酸鈣，混凝土的強度達到了 66.4MPa。

只用了 10.7% 的水泥，廢渣摻量達到 88.0%，混凝土強度達到 66.4MPa，表明低活性工業(yè)廢渣的活性潛力得到了有效地挖掘。筆者做的試驗還不夠多，試驗次數很有限，一些技術手段還沒采用，比如采用粗骨料以進一步降低水膠比；添加高活性的添加劑，最佳鈣硅比的確定；配合比進一步優(yōu)化組合；采用減水劑以降低用水量；養(yǎng)護工藝、養(yǎng)護制度最佳工藝參數的確定等。這些都有待進一步研究。也就是說，綠色高性能混凝土的強度，還存在著進一步挖掘的潛力。

P·O42.5 水泥混凝土配合比調整的過程，如表 7 所示。

表7 P·O42.5 水泥綠色高性能混凝土配合比 S2 的調整過程

（2）綠色高性能混凝土蒸壓強度和蒸養(yǎng)強度的對比試驗

公司試驗室目前還沒有大的蒸汽養(yǎng)護試驗設備。為了比較綠色高性能混凝土蒸汽養(yǎng)護條件下和蒸壓養(yǎng)護條件下強度性能的差異，以水泥膠砂試模制作混凝土試件，每次制作一式兩份，每份兩個試模。一份拿去加氣混凝土車間作蒸壓養(yǎng)護，一份放進試驗室沸煮箱作蒸汽養(yǎng)護。在沸煮箱箱蓋的溢汽口插一支水銀溫度計。蒸汽養(yǎng)護制度：手動開動 1kW，升溫至 45℃ 后關，讓其自行升溫至 50℃ 以上，在 50～60℃ 保溫 5h（期間以 1kW 調節(jié)保溫）；再開動 1kW，升溫至水沸騰，在 90～100℃ 恒溫 5h，然后關掉電源，任其自由降溫至60℃ 以下。

蒸壓試件從車間取回后，蒸壓蒸養(yǎng)試件同時脫模并做強度檢驗，結果如表 8 所示。

表8 綠色高性能混凝土蒸養(yǎng)強度與蒸壓強度的對比試驗（試件尺寸：40mm×40mm×160mm）

試驗結果表明，對于水膠比較小的 S2、S3 水泥類綠色高性能混凝土，摻與不摻礦粉，蒸養(yǎng)強度皆約為蒸壓強度的65% 左右。對于水膠比較大的水泥膨脹珍珠巖綠色高性能混凝土，蒸養(yǎng)強度與蒸壓強度相差則不大，約 90% 左右。而對于硅酸鹽類綠色高性能混凝土，兩者強度差距較大，蒸養(yǎng)強度不到蒸壓強度的一半，表明硅酸鹽類綠色高性能混凝土，更適合高溫蒸壓養(yǎng)護。

（3）自然養(yǎng)護條件下，綠色高性能混凝土的強度性能。

自然養(yǎng)護的試件，24h 脫模。脫模稱重后水中浸泡 10min以上，撈出后置于塑料袋中捆緊，放室內至試驗齡期。氣溫8～20℃。自然養(yǎng)護綠色高性能混凝土的強度，結果如表 9 所示。

表9 自然養(yǎng)護綠色高性能混凝土的強度

總體說，自然養(yǎng)護的綠色高性能混凝土強度較低。常溫的水化環(huán)境中，低活性工業(yè)廢渣的水化反應能力弱。其中沒有礦粉摻入的 S3 配合比，混凝土強度更低。有礦粉摻入時，反應漸趨活躍。隨著礦粉摻量提高，混凝土 7d、28d 強度皆提高。相應的輕質磚制品，當礦粉摻量達到 12.8% 時，7d 強度可達 7.4MPa，28d 強度可達 15.7MPa，可以滿足小規(guī)模生產要求。

自然養(yǎng)護條件下，大摻量低活性工業(yè)廢渣綠色高性能混凝土長期強度的發(fā)展，有待進一步深入研究。

但是自然養(yǎng)護的混凝土制品，養(yǎng)護周期過長，占用場地大，不適宜用于規(guī)模化生產。且自然養(yǎng)護的制品，容易造成養(yǎng)護不到位。如果養(yǎng)護期間制品失水過多，將導致制品的抗?jié)B性能、強度性能變差，從而影響產品質量。故混凝土制品的生產中，不推薦采用自然養(yǎng)護。（未完 待續(xù)）

［通訊地址］柳州市柳東新區(qū)雒容工業(yè)園西區(qū)繁容路 8 號，柳州市環(huán)波建材有限公司（545616）

甘昌成（1950—），男，建材專業(yè)，高級工程師。長期從事建材科研、實驗教學、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(xiàn)為環(huán)波公司技術顧問。