綠色混凝土在工程中的應用

隗朝陽

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，湖州 313000)

混凝土結構是土木工程中最主要的結構形式，但混凝土結構存在鋼筋銹蝕、混凝土碳化等現(xiàn)象，因此存在結構耐久性不好等問題，尤其是處于侵蝕性和暴露環(huán)境下的混凝土結構受損更加嚴重，我國每年用于結構維修和加固的資金巨大。同時我國工程上所用的混凝土資源浪費巨大，也給環(huán)境造成了嚴重污染。因此需要考慮綠色混凝土的運用，盡可能地使工程中使用的混凝土綠色和環(huán)?；?。

1 綠色混凝土的定義

目前，綠色混凝土還沒有統(tǒng)一的定義。綜合國內(nèi)外研究，一般認為，綠色混凝土包括如下一些特征：1)可滿足混凝上的可持續(xù)發(fā)展，能減少環(huán)境污染，又能與自然生態(tài)系統(tǒng)和諧開發(fā)；2)比傳統(tǒng)混凝土具有更高的強度和耐久性；3)可選擇資源豐富，能耗小的原材料；4)大量利用工業(yè)廢棄資源，實現(xiàn)非再生性資源的可循環(huán)使用和有害物質(zhì)的從低排放；5)適合人居，對人體無害。另外，吳中偉院士指出“綠色”的涵義可理解為：節(jié)約資源、能源；不破壞環(huán)境，更有利于環(huán)境；可持續(xù)發(fā)展，既滿足當代人的需求，又不危害子孫后代，且能滿足其需要[1,2]。

2 綠色混凝土的發(fā)展

從混凝土行業(yè)來看，普通混凝土的發(fā)展已跟不上市場發(fā)展的需要，由于近年來對環(huán)保要求越來越高，勢必要求混凝土采用新技術、新材料來達到環(huán)保的要求，以適應市場發(fā)展的需要。隨著生產(chǎn)水平的提高和社會的逐漸進步，綠色混凝土會越來越得到人們的重視，更多的混凝土建筑物會使用綠色混凝土。

3 綠色混凝土在橋梁工程中的應用

3.1 工程概況

該合同段為杭州灣跨海大橋杭甬連接線公路工程(余夫公路至小曹娥互通段)第一合同段，起點位于蘭曹大道與北興路交叉口南側約125 m，里程樁號為K3+900，終點樁號K8+458.2，路線里程4.558 km。主要結構物：路基工程主要施工內(nèi)容為馬渚互通區(qū)匝道、北環(huán)西路及收費站的軟土處理、土石方填筑及防護排水等工程；橋梁工程主要施工內(nèi)容為主線高架橋的樁基礎、承臺、墩身(含墊石)、現(xiàn)澆箱梁(含支座安裝及防撞墻)及馬渚互通內(nèi)匝道橋的基礎、承臺、墩身、現(xiàn)澆箱梁、預制T梁的施工。對混凝土環(huán)保、耐久性有較高的要求。

3.2 混凝土雙摻技術在橋梁工程中的設計、應用

目前我國大部分混凝土設計的膠凝材料為礦料單摻技術(水泥+摻粉煤灰)，還有一部分地區(qū)混凝土膠凝材料全部為水泥，很少工程上的混凝土配合比設計膠凝材料采用礦料雙摻技術(水泥+粉煤灰+礦粉)，這樣就使得水泥的用量比較大，造成資源的浪費。該橋梁工程根據(jù)設計要求混凝土在保證強度耐久性的前提下，同時要求綠色環(huán)保，因而將(粉煤灰+礦粉)雙摻技術應用到混凝土的設計中。這種技術的好處在于大大減少了水泥的用量，節(jié)約了經(jīng)濟成本，也降低了對自然資源的消耗，并盡可能利用廢棄的工業(yè)殘渣(礦粉、粉煤灰)，提高了混凝土的耐久性，使混凝土本身可循環(huán)再利用。

3.2.1 C30樁基水下混凝土單摻與雙摻技術的比較

C30樁基水下混凝土單摻與雙摻技術的比較，見表1、表2。

表1 單摻粉煤灰配合比技術參數(shù)表

表2 雙摻(粉煤灰+礦粉)配合比技術參數(shù)表

由表1、表2比較得出混凝土礦料雙摻技術比礦料單摻技術每方混凝土節(jié)省水泥49 kg，而且強度高，從現(xiàn)場施工的效果(破出來的樁頭)來看，雙摻混凝土的樁基比較密實，因而耐久性也比較好。

3.2.2 C50現(xiàn)澆梁片混凝土(雙摻技術)的設計與應用

根據(jù)配合比設計規(guī)程得出基準配合比為水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦粉∶水∶外加劑=318∶704∶1 056∶72∶ 91∶154∶5.29=1∶2.21∶3.32∶0.23∶0.29∶0.48∶0.016 6。

試拌合調(diào)整，確定基準配合比。按上述材料用量進行試拌，實測砼坍落度為200 mm，實測砼表觀密度為2 400 kg/m3,粘聚性和保水性良好，符合設計及規(guī)范要求。

檢驗強度，確定試驗室配合比。根據(jù)計算配合比，采用水膠比為A組0.29，B組0.32，C組0.35三組不同配合比，混凝土單位用水量與基準配合比相同，各配合比見表3。

表3 混凝土配合比

3組分別配置25 L混凝土拌合物，經(jīng)測定坍落度符合要求，粘聚性、保水性良好，并分別進行了7 d、28 d抗壓強度試驗，各組試驗結果見表4。

表4 混凝土試驗數(shù)據(jù)

經(jīng)現(xiàn)場驗證配合比試驗，混凝土0.32水膠比28 d抗壓強度為61.1 MPa，達到配置強度的102.0%，坍落度為200 mm,表觀密度為2 400 kg/m3,和易性要求滿足混凝土設計及施工要求，故選擇B組 W/B=0.32,配合比為水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦粉∶水∶外加劑=318∶704∶1 056∶72∶91∶154∶5.29=1∶2.21∶3.32∶0.23∶0.29∶0.48∶0.016 6。

3.2.3 C50梁片混凝土(雙摻技術)在現(xiàn)澆箱梁中的應用效果

由以上配合比設計得出這種雙摻技術的配合比極大地節(jié)約了水泥用量，也降低了大量的水化熱，避免因水化熱較大引起的現(xiàn)澆箱梁的裂縫。同時這種混凝土在箱梁澆筑施工的過程中，流動性、粘聚性、致密性都比較好，很大程度上減少了人工振搗的工作量，后期混凝土強度測試結果滿足強度要求，同時密實性比以往的單摻粉煤灰技術更加密實。這種雙摻技術在該工程中得到了成功的應用，一定程度上符合了綠色混凝土的要求。

3.3 粉煤灰、礦粉在混凝土雙摻技術中的作用機理

3.3.1 粉煤灰在混凝土中的作用機理

粉煤灰是火力發(fā)電廠廢煙的靜電沉淀灰分，也是最常用的人造火山灰。粉煤灰顆粒呈球形(從需水量角度來看，這是很有利的)，并且細度很高[3]。

粉煤灰中的活性成分為玻璃質(zhì)二氧化硅和活性氧化鋁，他們與水泥水化反應產(chǎn)物——氫氧化鈣反應，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這一反應的結果產(chǎn)物與水泥水化的主要產(chǎn)物相同(通常稱之為二次水化反應)。這是F類粉煤灰的主要活性反應。

1)粉煤灰的減水效應

粉煤灰顆粒吸附在帶負電的水泥顆粒表面，阻止水泥絮凝結構的形成，起到分散水泥顆粒作用；粉煤灰顆粒的滾珠效應，提高混凝土的流動性；粉煤灰顆粒的微集料效應，有效填充微集料空隙。不同粉煤灰摻量的需水量見圖1。

2)水密性和耐久性

混凝土的耐久性主要取決于混凝土的水密性(致密性)；普通混凝土由于水的不均勻分布，導致骨料表面水灰比增大；骨料表面與水泥漿界面過渡區(qū)的界面能下降；粉煤灰混凝土的顆粒堆積效應、減水效應及火山灰反應使混凝土界面過渡區(qū)的缺陷逐漸減少。

3)抗壓強度

粉煤灰對混凝土抗壓強度的貢獻主要依賴于二次水化反應；粉煤灰對混凝土的早期強度有影響，這種影響當摻量超過20%時表現(xiàn)更為顯著，見圖2。

綜上所述:在混凝土中摻入粉煤灰等輔助膠凝材料通常會影響混凝土的諸多性能，或是通過純粹的物理效應，或是通過物理化學效應(與火山灰或膠凝性反應相關，進而減小孔徑)。在所有性能中，通常能提高塑性混凝土的流變行為及硬化混凝土的強度和耐久性。化學侵蝕和溫度裂縫是影響混凝土耐久性的兩個主要方面，通過摻用粉煤灰均能得到改善。

3.3.2 礦粉在混凝土中作用機理

礦粉就是磨細?；郀t礦渣，礦渣是冶金工業(yè)的副產(chǎn)品，也是常用的輔助膠凝材料[4]。它們的化學成分、結構和性能各不相同。

磨細礦渣和粉煤灰的火山灰反應很慢，特別是水化早期，反應程度很低；磨細礦渣雖具有微弱的自身水硬性，但反應速率緩慢；伴隨水泥，利用水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣可激發(fā)磨細礦渣和粉煤灰的活性，稱之為二次水化反應。

1)磨細礦渣對塑性混凝土的影響

延緩水化熱釋放速度、降低最高溫升；增大流動度和黏聚性(顆粒更分散、表面光滑、微集料效應和吸水小)；混凝土的工作性對用水量變化的敏感性增加；對早期坍落度會有損失，但損失率不大；會出現(xiàn)緩凝，通常緩凝約30～60 min。

2)對硬化混凝土的影響

(1)強度

摻入磨細礦渣后對早期強度增長會產(chǎn)生影響，不同的摻量對混凝土、砂漿的強度增長有著不同的影響，根據(jù)以往的實際試驗數(shù)據(jù)可以看出對早期強度的影響效果，見圖3、圖4。

(2)耐久性

微集料效應使混凝土更加致密；較好的顆粒分散性使混凝土內(nèi)部水灰比更加均勻；二次水化反應使骨料表面與水泥漿界面能增加，不利于裂縫的開展。

3.4 混凝土拌和站及混凝土施工過程中綠化、環(huán)保的控制

該工程拌和站設置兩臺攪拌機，攪拌站主機及配料機設置在封閉的攪拌樓內(nèi)，并且配了專門的收塵設施，而且有專人定時進行清理。砂石料輸送帶上都進行了封閉，在很大程度上減少了砂石料輸送過程中的揚塵。攪拌機卸料口配備了防止混凝土噴濺的塑料膠皮設施，地面上的廢水、廢渣通過三級沉淀池進行沉淀處理。

混凝土在使用的過程中，由于大部分現(xiàn)場施工完都有剩余的混凝土，這部分混凝土若是廢棄在工地上，必然對環(huán)境造成一定的污染，同時也是對原材料的浪費。因此，該工程購進一臺砂石分離機安設在拌和站，旁邊設置了三級沉淀池，進行廢水的沉淀。每次若有混凝土剩余就通過砂石分離機進行處理，同時每輛混凝土罐車洗車后的廢水也要倒進砂石分離機進行處理，這樣就可以把本來要廢棄的砂子和碎石重新收集起來進行再利用，實現(xiàn)了混凝土的再生，節(jié)約了自然骨料資源，達到了綠色、環(huán)保的要求，符合綠色混凝土的部分要求。

4 建議混凝土雙摻技術在工程中的應用

由以上混凝土雙摻技術在該橋梁工程中的成功應用，可以明顯看出這種雙摻技術的混凝土，不僅可以保證混凝土的質(zhì)量，提高混凝土的耐久性，而且也是對資源的節(jié)約，有利于環(huán)境保護。建議在以后的工程施工中，可以使用這種雙摻技術的混凝土，這樣可以極大地節(jié)約水泥的用量。由于水泥的生產(chǎn)能耗大，對環(huán)境污染嚴重，因此這種雙摻技術的使用，可以實現(xiàn)降低能耗、減小環(huán)境污染、同時也兼顧了經(jīng)濟效益，也對綠色混凝土的發(fā)展做出了一定的貢獻。

5 結 語

該橋梁工程在混凝土的設計、生產(chǎn)、施工過程中，減少水泥、砂石料的用量、提高混凝土的耐久性、減少混凝土施工過程中的各種污染都符合綠色混凝土要求，所以該橋梁工程中混凝土應用技術也是綠色混凝土技術在此工程中的成功運用。目前，綠色混凝土的研究成果還不成熟，需要我們共同努力總結出更好的經(jīng)驗、方法，實現(xiàn)綠色混凝土在工程中的應用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

[1] 高齊翔.綠色混凝土的研發(fā)——綜合利用“三廢”資源[J].遼寧建材,2009(4):14-16.

[2] 黃海燕.綠色高性能混凝土簡述[J].廣西城鎮(zhèn)建設,2011(2):72-74.

[3] 中國國家標準化管理委員會.GB/T 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].北京：中國標準出版社，2005 .

[4] 中國國家標準化管理委員會.GB/T8046—2008 用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉[S].北京：中國標準出版社，2008.