日本低碳混凝土的研究進(jìn)展

鄭捷

（上海市退（離）休高級(jí)專家協(xié)會(huì)土木建筑專業(yè)委，上海 200041）

0 前言

在今年“兩會(huì)”上，全國(guó)政協(xié)委員、生態(tài)環(huán)境部副部長(zhǎng)黃潤(rùn)秋說(shuō)：大氣污染治理形勢(shì)仍然還處在負(fù)重爬坡的階段，下一步大氣污染治理關(guān)鍵在于三個(gè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化。其中之一就是要把重點(diǎn)地區(qū)的煤炭消費(fèi)總量控制下來(lái)，降低煤炭消費(fèi)總量實(shí)質(zhì)上就是要求削減 CO2為主的溫室氣體的排放。

日本建設(shè)業(yè)聯(lián)合會(huì)提出，2020 年前 CO2的排放量比 1990 年削減 20%，至 2030 年達(dá)到削減 25% 的目標(biāo)。在日本，CO2及甲烷等溫室氣體的年排放量約 13億 5000 萬(wàn)噸，建筑業(yè)主要材料混凝土的年生產(chǎn)量約9000萬(wàn) m3，每立方混凝土需排放 270kg 的 CO2，年總排放量在 2500 萬(wàn)噸左右。由于混凝土生產(chǎn)中 90% 以上的 CO2是由普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)所導(dǎo)致的，為了削減水泥用量，根據(jù)綠色采購(gòu)法在公共工程中特定供應(yīng)高爐礦渣水泥和粉煤灰水泥。對(duì)于早期強(qiáng)度不作要求的橋梁、大壩、港灣等公共工程混合水泥的應(yīng)用面已達(dá)99.7%（2011 年度）。目前，不少商品混凝土企業(yè)的礦渣微粉替代率達(dá)到 70%～90%，與普通混凝土強(qiáng)度（強(qiáng)度等級(jí)為 27N/mm2）的混凝土相比可減少 70% 的 CO2排放。正是在以上背景下，日本在低碳型混合材利用方面進(jìn)行了深入研究，逐步形成《采用低碳型水泥混合材的混凝土結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)、施工指導(dǎo)方針》，歸納總結(jié)了《低碳混凝土的設(shè)計(jì)、施工指南》。本文重點(diǎn)對(duì)以礦渣微粉為膠凝材料主體，不使用任何品種水泥，通過(guò)添加堿性激發(fā)材料配制的低碳混凝土，闡述材料設(shè)計(jì)的原則及混凝土的各項(xiàng)性能，以期對(duì)我國(guó)的商品混凝土技術(shù)發(fā)展起到借鑒作用。

1 低碳混凝土材料設(shè)計(jì)原則與組成

1.1 材料設(shè)計(jì)的原則

低碳混凝土材料設(shè)計(jì)必須遵循的原則是：在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中二氧化碳的排放量顯著低于普通混凝土，而在泵送性能、凝結(jié)、硬化及力學(xué)性能和耐久性方面應(yīng)與普通混凝土同等或以上；低碳混凝土不需要蒸汽養(yǎng)護(hù)，能在一般商品混凝土攪拌站生產(chǎn)并能采用通常的泵送方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。其次，混凝土建筑物的設(shè)計(jì)、施工與原先制定的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不產(chǎn)生較大的矛盾，有利于推廣應(yīng)用。

需要關(guān)注的是，礦渣微粉的大摻量使用將導(dǎo)致混凝土各項(xiàng)性能的變化，最有可能產(chǎn)生的問(wèn)題是混凝土表面脆弱、起粉，強(qiáng)度發(fā)展緩慢，干燥收縮增大，碳化加速。因此在材料設(shè)計(jì)上必須考慮到以上問(wèn)題，研究解決確?；炷列阅芎痛髶搅渴褂弥g的矛盾。

1.2 低碳混凝土的材料組成

所研制的低碳混凝土其膠凝材料組成中不含任何品種水泥，利用高爐礦渣微粉的潛在水硬性，通過(guò)添加堿性激發(fā)材料達(dá)到硬化的目的。低碳混凝土的強(qiáng)度等級(jí)在18～36N/mm2之間，材料組成見(jiàn)表 1[1]。

表 1 低碳混凝土的材料組成

為了促進(jìn)礦渣微粉水化反應(yīng)的進(jìn)程有許多堿性激發(fā)材料可供選擇，如 NaOH、Na2CO3等鈉系激發(fā)材料，也可選用鈣系激發(fā)材料如 CaSO4、Ca(OH)2等。以往的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈉系激發(fā)材料所生成的水化物凝膠體在強(qiáng)度和耐久性方面不如水泥凝膠體，而且表層質(zhì)量差，而以Ca(OH)2為激發(fā)材料還可提高鈣硅比，生成足夠的水化硅酸鈣凝膠體，提高早期強(qiáng)度。通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn)礦渣微粉的平均化學(xué)成分中 SiO2為 33%，Al2O3為 14%，CaO為 42%，MgO 為 6%，TiO2為 1%，F(xiàn)e2O3為 0.5% 左右，與普通硅酸鹽水泥所含氧化物成分有基本相似的特點(diǎn)，只是 CaO 的含量較少，而 SiO2和 Al2O3分別超過(guò)10%。這種相似性說(shuō)明在適宜條件下通過(guò)激發(fā)水化反應(yīng)后同樣可生成 C-S-H 凝膠體。這是因?yàn)榈V渣經(jīng)水淬急冷形成的玻璃體有潛在的勢(shì)能，在玻璃體的結(jié)晶礦物中 Si和 O 的結(jié)構(gòu)并不如硅石中 Si 和 O 的結(jié)構(gòu)那般堅(jiān)固，在礦渣微粉中 Si 和 O 的結(jié)構(gòu)間隙是一種網(wǎng)狀構(gòu)造，在堿性溶液中 OH-的侵入較容易，因此在堿性環(huán)境下破壞這種網(wǎng)狀構(gòu)造就有可能促進(jìn)水化反應(yīng)，激發(fā)形成具有凝膠體的物質(zhì)。而且這種水化反應(yīng)隨著溫度的升高而加快。當(dāng)然大量使用礦渣微粉的混凝土一般收縮較大，為了抑制收縮，在組成材料中除了膨脹劑外還添加了一定量的石膏，有利于降低收縮和促進(jìn)早期強(qiáng)度的發(fā)展。此外，為了提高強(qiáng)度在礦渣微粉中添加了 10% 的石灰石微粉。石灰石的主要成分是 CaCO3，摻入適量的石灰石微粉可以增加早期混凝土強(qiáng)度。有研究表明，石灰石微粉在水化反應(yīng)中起到核心作用，能促進(jìn)硅酸三鈣的水化，隨著石灰石微粉摻量的增加，硅酸三鈣的反應(yīng)率也相應(yīng)增加。研究還表明，石灰石微粉表面和硅酸三鈣表面能生成同樣厚度的水化物。表 2[1]是低碳混凝土與礦渣水泥（B種）配制的混凝土配合比。

表 2 混凝土配合比

表 2 中低碳混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為 24N/mm2，膠凝材料的構(gòu)成比例是：礦渣微粉:膨脹劑:氫氧化鈣＝100:9:9.5，礦渣水泥（B 種）根據(jù)日本有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)礦渣微粉的允許摻量范圍是 30＜X≤60。

試驗(yàn)結(jié)果顯示低碳混凝土試件表面呈白色而平滑，經(jīng) 3 個(gè)月以上室外暴露表面未見(jiàn)脆弱、起粉，雖然礦渣水泥（B）種配制的混凝土 7d 齡期抗壓強(qiáng)度稍高，但28d 抗壓強(qiáng)度兩者都達(dá)到 30N/mm2。在二氧化碳排放量方面，經(jīng)計(jì)算低碳混凝土為 54kg/m3，礦渣水泥（B）種配制的混凝土其排放量為 139kg/m3，顯而易見(jiàn)低碳混凝土大幅度降低了二氧化碳的排放。

2 低碳混凝土的各項(xiàng)性能

2.1 泵送性能

表 3[2]是低碳混凝土在不同泵送速度下坍落度、空氣含量、管內(nèi)壓力損失的測(cè)試結(jié)果。

表 3 低碳混凝土的泵送性能

表 3 中泵送速度為 15.5m3/h 時(shí)泵送前后坍落度變動(dòng)范圍很小，在 29.6m3/h 時(shí)泵送后坍落度降低 1.7cm，在 42.7m3/h 時(shí)降低了 3cm?？諝夂糠矫?，泵送速度為 15.5m3/h 和 29.6m3/h 時(shí)泵送前后變化極小，但在42.7m3/h 時(shí)空氣含量降低了 1.5%。根據(jù)日本土木學(xué)會(huì)（2012 版）《混凝土泵送施工指南》中規(guī)定，泵送速度為 15～45m3/h 的普通混凝土管內(nèi)壓力損失是 (0.8～1.3)×10-2MPa/m，擴(kuò)展度 600～700mm 的大流動(dòng)度混凝土管內(nèi)壓力損失是 (2～8)×10-2MPa/m。從水平管壓力損失數(shù)據(jù)分析，低碳混凝土的壓力損失范圍在 (3.0～8.2)×10-2MPa/m，說(shuō)明低碳混凝土由于含有較多的粉體量，其壓力損失可以視作與大流動(dòng)度混凝土相同。

2.2 凝結(jié)時(shí)間

試驗(yàn)表明[1]低碳混凝土的凝結(jié)時(shí)間顯然要遲于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土，但攪拌溫度較高時(shí)，凝結(jié)時(shí)間有提前的趨向，因此混凝土表面的作業(yè)時(shí)間與普通混凝土相異，在施工計(jì)劃中要予以考慮。

2.3 硬化后性能

2.3.1 混凝土表面質(zhì)量

在齡期 265d 時(shí)對(duì)構(gòu)筑物分別采用表面回彈測(cè)試及混凝土透氣試驗(yàn)[2]。施加 0.5kg 及 1kg 壓力后對(duì)彈痕進(jìn)行測(cè)定，在加壓 0.5kg 時(shí)彈痕寬度為 0.1～0.2mm，1kg時(shí)寬度僅為 0.3～0.5mm，表面不存在脆弱層；經(jīng)混凝土透氣試驗(yàn)結(jié)果顯示其透氣系數(shù)小于 1×10-16/m2，可以判定混凝土表面質(zhì)量良好。

2.3.2 抗碳化性能

經(jīng)加速碳化試驗(yàn)[1]，低碳混凝土的碳化深度是礦渣水泥（B 種）配制的混凝土的 2 倍，同時(shí)試驗(yàn)還表明當(dāng)水膠比降低后，低碳混凝土碳化深度是礦渣水泥（B種）配制混凝土的 1.5 倍，顯然作為對(duì)策降低水膠比或在對(duì)碳化有要求情況下，確保一定的鋼筋保護(hù)層厚度及其他技術(shù)措施都是值得考慮的選項(xiàng)。在實(shí)際工程中，由于大氣中二氧化碳濃度極低，碳化進(jìn)程十分緩慢，低碳混凝土的抗碳化能力有可能隨著水化反應(yīng)的不斷提高而得到改善。

2.3.3 抗氯離子侵蝕性能

分別對(duì)低碳混凝土和礦渣水泥（B 種）配制的混凝土試件在 3% 氯化鈉溶液中浸泡 3 個(gè)月和 6 個(gè)月后測(cè)試其氯離子擴(kuò)散系數(shù)（D）和表面氯化物含量（C0）[1]。低碳混凝土測(cè)得氯離子擴(kuò)散系數(shù)（D）為0.56cm2/y、0.28cm2/y，C0值為 15.5kg/m3，均小于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土試件 D 為 0.89cm2/y，C0為16.3kg/m3。以浸泡 3 個(gè)月試件所測(cè)數(shù)據(jù)比較說(shuō)明低碳混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力明顯優(yōu)于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土。

2.3.4 抗凍融能力

低碳混凝土試件經(jīng) 300 次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量在 60% 以下[1]，表明其抗凍性能較差。但在低水膠比時(shí) 300 次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量可超過(guò) 60%，因此低碳混凝土可以通過(guò)調(diào)整水膠比提高抗凍融能力。

2.3.5 自收縮與干燥收縮

從初凝開(kāi)始測(cè)定自收縮值[1]，在膨脹劑作用下低碳混凝土初期有 100×10-6膨脹量，56d 時(shí)與礦渣水泥（B種）配制的混凝土基本相同，84d、112d 時(shí)稍有增大，但都在 (300～400)×10-6范圍內(nèi)。干燥收縮方面初期及168d 齡期都小于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土。

2.3.6 堿骨料反應(yīng)的抑制效果

堿骨料反應(yīng)是指混凝土細(xì)空溶液中的堿與骨料中的反應(yīng)性礦物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而引起的有害膨脹。當(dāng)細(xì)空溶液中的堿存在一定量以上，或者骨料中的反應(yīng)性礦物含有一定量以上，或者混凝土處在濕潤(rùn)環(huán)境中，在上述3 項(xiàng)同時(shí)具備的情況下才有可能引起堿骨料反應(yīng)。因此阻斷上述 3 項(xiàng)條件中的任何一項(xiàng)就能抑制堿骨料反應(yīng)。由于低碳混凝土使用大量礦渣微粉并且采用 Ca(OH)2為激發(fā)材料，一定量堿的存在是否會(huì)引起堿骨料反應(yīng)是大家所關(guān)心的問(wèn)題。多數(shù)研究者認(rèn)為[3]堿激發(fā)膠凝材料中的堿硅酸反應(yīng)膨脹值要低于同條件下的硅酸鹽水泥基材料，這是由于堿激發(fā)膠凝材料組分消耗堿，造成系統(tǒng)中堿含量降低，加之礦渣微粉自身對(duì)堿硅酸反應(yīng)的抑制作用。試驗(yàn)證明[1]根據(jù) ASTM 法在 800C、1mol/L 的氫氧化鈉溶液中浸泡 14d，其長(zhǎng)度變化率小于 0.1%，大大小于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土。

3 低碳混凝土的養(yǎng)護(hù)

由于低碳混凝土組分中不含有水泥，主要依靠礦渣微粉潛在的水硬性通過(guò)堿性激發(fā)材料促進(jìn)水化，因此對(duì)溫度的依從性要高于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土，早期的濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)尤為重要。在 20℃ 及水化活性較低的10℃ 環(huán)境下，在 3～14d 齡期中必須進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)，其后在相對(duì)濕度 60% 的條件下可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。冬季養(yǎng)護(hù)時(shí)宜采用加熱卷材和濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)并舉的技術(shù)措施。

4 低碳混凝土的特性及存在問(wèn)題

通過(guò)以上試驗(yàn)研究表明以礦渣微粉為膠凝材料主體，不使用任何品種水泥，通過(guò)添加堿性激發(fā)材料配制的低碳混凝土有許多比礦渣水泥（B 種）配制的混凝土更具優(yōu)勢(shì)的混凝土性能，與此同時(shí)也存在必須認(rèn)真加以研究、克服的不足之處。低碳混凝土的性能特性及存在問(wèn)題可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）低碳混凝土的 CO2排放量低、水化熱小，能抑制氯離子侵蝕和堿硅酸反應(yīng)，混凝土表面不會(huì)產(chǎn)生脆弱或起粉現(xiàn)象。

（2）低碳混凝土在抗壓強(qiáng)度、收縮性能方面與礦渣水泥（B 種）配制的混凝土相比基本等同。

（3）在養(yǎng)護(hù)方面尤其是早期極易發(fā)生表面質(zhì)量問(wèn)題，澆灌后應(yīng)及時(shí)覆蓋保持混凝土表面濕潤(rùn)，同時(shí)要注意低碳混凝土對(duì)溫度的敏感性。

（4）以礦渣微粉為主要膠凝材料而水泥用量為零的低碳混凝土與普通混凝土的火山灰反應(yīng)不同，它是通過(guò)發(fā)揮礦渣微粉潛在的水硬性與少量堿性材料作用而生成水硬性物質(zhì)，其反應(yīng)率遠(yuǎn)低于普通混凝土，因而存在的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，抗碳化性能及抗凍融性能低等問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)整外加劑成分、降低水膠比、采用適當(dāng)?shù)匿摻畋Ｗo(hù)層厚度以及引入 6%～8% 空氣量等其他技術(shù)措施得到改善。

5 結(jié)語(yǔ)

低碳混凝土因?yàn)榫哂?CO2排放量低、水化熱小，能抑制氯離子侵蝕和堿硅酸反應(yīng)的特點(diǎn)，在大體積混凝土、地下結(jié)構(gòu)以及沿岸、海洋構(gòu)筑物施工中有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)為了進(jìn)一步削減 CO2的排放量，降低水泥用量，高爐礦渣微粉以及粉煤灰及其他工業(yè)副產(chǎn)品作為摻合料已成為商品混凝土企業(yè)應(yīng)對(duì)減少溫室氣體排放、降低混凝土資源材料耗用的一項(xiàng)必不可少的技術(shù)措施。從日本同行所研究的低碳混凝土情況來(lái)看，礦渣微粉等許多工業(yè)副產(chǎn)品的利用還有很大的發(fā)展空間，可以堅(jiān)信在科技工作者和相關(guān)企業(yè)的共同努力下，低碳混凝土必定在建設(shè)新時(shí)代有特色社會(huì)主義強(qiáng)國(guó)的道路上發(fā)揮應(yīng)有的作用。

[1] 大脇英司，宮原茂禎，岡本禮子，等．環(huán)境配慮コンクリ—トの基本性狀[R]．日本東京：大成建設(shè)技術(shù)中心，2014: 1-6．

[2] 狄野正貴，大脇英司，坂本淳，等．ポルトランドセメントを使用しなぃ環(huán)境配慮コンクリ—トの適用事例[R]．日本東京：大成建設(shè)技術(shù)中心，2014: 1-8．

[3] 趙瑞，史才軍，王小剛，等．堿激發(fā)膠凝材料與硅酸鹽水泥基材料堿骨料反應(yīng)的比較[J]．硅酸鹽通報(bào)，2013(09): 1794-1799．