周永祥：以新观点和新措施对待高性能混凝土（二）

  高性能混凝土是以建设工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求为总体目标，选用优质常规原材料，合理掺加外加剂和矿物掺合料，采用较低水胶比并优化配合比，通过预拌和绿色生产方式以及严格的施工措施，制成具有优异的拌合物性能、力学性能、耐久性能和长期性能的混凝土。理解这一概念，应该分两个层面上：第一，是理论层面。在这个层面上，高性能混凝土是满足工程需求的“个性化”和“最优化”的混凝土，运用全过程质量控制的理念，是可持续发展思想下的技术方向。第二，是技术层面。在这个层面上，高性能混凝土需要建立结构设计、原材料、配合比、生产、施工、验收等各个环节的技术指标体系。《高性能混凝土应用技术指南》与《高性能混凝土评价标准》（在编）所做的工作之一就是将高性能混凝土概念从理论层面落实到具体的、具有操作性的技术层面。

  1 混凝土的原材料问题

  1.4矿物掺合料

  传统掺合料如粉煤灰、矿渣粉日益紧俏，供需矛盾逐渐突出。因此，掺合料种类范围逐渐扩大，磷渣、钢渣、炉渣、钢铁渣粉逐渐走上历史舞台。天然火山灰、沸石、浮石、凝灰岩、石灰石粉、其他岩石粉等天然矿物材料以及超细矿渣粉、超细粉煤灰、微珠等矿物掺合料逐渐向深加工方向发展。矿物掺合料的复合化也逐渐成为掺合料技术发展的一个必然趋势。

  1.4.1近年来粉煤灰应用中的突出问题

  1）“真假粉煤灰”

  按照现行的标准难以判定粉煤灰的纯度。

  表1为某地煅烧煤矸石粉按照现行粉煤灰标准的指标测试结果。由表可以看出，该煅烧煤矸石粉完全符合粉煤灰鉴定的指标要求。因此，根据现有标准，难以判断粉煤灰的纯度，甚至无法区分真假粉煤灰。

表1 某地煅烧煤矸石粉按照现行粉煤灰标准的指标测试结果

  2）“脱硫灰”

  采用循环流化床锅炉工艺可以高效燃烧高硫煤，为了减少SO₂的排放，往往需要采取脱硫措施，产生的粉煤灰即CFB脱硫粉煤灰。它含有大量的硫化物或硫酸盐（如石膏等），不同于传统的粉煤灰。未经测试贸然用于混凝土，会造成严重的混凝土开裂和崩解现象。现行的粉煤灰标准虽有SO₃含量限制，但对“脱硫灰”的检验判定缺乏针对性。

  3）“脱硝灰”

  为了减少燃煤过程中NO_x的排放，需要在燃煤过程中进行“脱硝”处理，脱硝工艺不当可能会造成粉煤灰中残留一部分的NH⁴⁺，当粉煤灰与水泥搅拌时，遇到碱性环境就会释放出NH₃（氨气），在混凝土塑性阶段产生大量气体。

  4）“浮黑灰”

  现代燃煤工艺中，为了提高燃煤效率或电厂的某些特殊操作要求，会在燃煤过程中添加柴油或者其他油性物质作为助燃剂，这些助燃剂不能完全燃烧，会在粉煤灰中存留油分。特别是粉煤灰经过分选后，收集的粉煤灰会含有更多的未燃尽油分，用于拌制混凝土，这些油分上浮，在混凝土中容易漂浮的黑色油状物。这种粉煤灰被称为“浮黑灰”，见图1。

图1 浮黑灰

  5）矿物掺合料的深加工

  粉煤灰的深加工一种方法就是通过粉磨达到超细化。粉磨后的超细粉煤灰的2000倍、10000倍SEM图见图2、图3。由图4可以看出，超细粉煤灰的粒度分布主要集中在10μm左右，比表面积在700m²/kg左右。表2为超细粉煤灰（UFA）与I级粉煤灰标准要求的各项指标对比。发现需水量比并不提高，而活性指数大大提高，28d活性指数达到104%。

 图2 超细粉煤灰2000倍SEM图

图3 超细粉煤灰10000倍SEM图

图4 超细粉煤灰粒度分布

 表2 超细粉煤灰（UFA）与I级粉煤灰标准要求的各项指标对比

  获得超细粉煤灰的另一种途径就是通过“选”：将某些燃煤锅炉工艺产生的很细的粉煤灰，通过物理手段进行分选，获得极细的那一部分，被称之为“微珠”。其微观形态和粒度分布见图5。陈乐雄[1]等研究了微珠在混凝土中的应用。 [Page]  

图5 极细粉煤灰颗粒（微珠）的微观形态^[1]

图6 极细粉煤灰颗粒（微珠）的粒度分布^[1]

  微珠的球状形态及微粒径尺度，使其具有良好的减水、填充增强作用。明显改善混凝土或砂浆的流动度，并降低拌合物粘度，因此，在高强混凝土的超高层泵送中，微珠往往是一个重要的可选择技术手段。中建商品混凝土公司利用微珠配制高强混凝土，不同微珠掺量的新拌混凝土如图7、图8所示。

图7 微珠掺量低于12%（650mm）

图8 30%微珠掺量（500mm）

  除超细粉煤灰以外，超细矿渣粉也是一种常用的矿物掺合料。其各项指标见表3。超细矿渣粉主要特点是能够提供较高的强度、特别是早期强度。

  表3 超细矿渣粉的各项指标

  1.4.2矿物掺合料的复合化

  优质矿物掺合料日益稀缺、低品质掺合料难以应用，复合掺合料性能优于单一掺合料且价格便宜，功能型（早强型、改善流动型）复合掺合料存在很大市场需求。矿物掺合料的复合化可以实现资源综合利用，解决掺合料供给问题；可以取长补短，发挥几种掺合料的协同作用（矿物掺合料具有超叠加效应）；可以解决预应力构件对早期张拉强度的要求，解决大流态及自密实混凝土的技术需求。因此，复合化是掺合料技术发展的一个趋势。

  《高性能混凝土应用技术指南》中规定，复合掺合料是指采用两种或两种以上的矿物原料，单独粉磨至规定的细度后再按一定的比例复合、或者两种及两种以上的矿物原料按一定的比例混合后粉磨达到规定细度，并符合规定活性指数的粉体材料。掺合料的复合并不是简单地两种或几种掺合料混合，还需要考虑以下几点问题：

  1）考虑活性成分与惰性成分的搭配；

  2）考虑微颗粒的级配分布；

  3）考虑水化反应速度与产物（如凝胶类和结晶类）的匹配；

  4）考虑化学激发作用；

  5）考虑低品质与高品质资源的搭配利用。

  《高性能混凝土应用技术指南》中规定的高性能混凝土用复合掺合料技术要求见表4。

表4 高性能混凝土用复合掺合料技术要求