绿色混凝土在工程中的应用

隗朝阳

(中铁十六局集团第三工程有限公司，湖州 313000)

混凝土结构是土木工程中最主要的结构形式，但混凝土结构存在钢筋锈蚀、混凝土碳化等现象，因此存在结构耐久性不好等问题，尤其是处于侵蚀性和暴露环境下的混凝土结构受损更加严重，我国每年用于结构维修和加固的资金巨大。同时我国工程上所用的混凝土资源浪费巨大，也给环境造成了严重污染。因此需要考虑绿色混凝土的运用，尽可能地使工程中使用的混凝土绿色和环保化。

1 绿色混凝土的定义

目前，绿色混凝土还没有统一的定义。综合国内外研究，一般认为，绿色混凝土包括如下一些特征：1)可满足混凝上的可持续发展，能减少环境污染，又能与自然生态系统和谐开发；2)比传统混凝土具有更高的强度和耐久性；3)可选择资源丰富，能耗小的原材料；4)大量利用工业废弃资源，实现非再生性资源的可循环使用和有害物质的从低排放；5)适合人居，对人体无害。另外，吴中伟院士指出“绿色”的涵义可理解为：节约资源、能源；不破坏环境，更有利于环境；可持续发展，既满足当代人的需求，又不危害子孙后代，且能满足其需要[1,2]。

2 绿色混凝土的发展

从混凝土行业来看，普通混凝土的发展已跟不上市场发展的需要，由于近年来对环保要求越来越高，势必要求混凝土采用新技术、新材料来达到环保的要求，以适应市场发展的需要。随着生产水平的提高和社会的逐渐进步，绿色混凝土会越来越得到人们的重视，更多的混凝土建筑物会使用绿色混凝土。

3 绿色混凝土在桥梁工程中的应用

3.1 工程概况

该合同段为杭州湾跨海大桥杭甬连接线公路工程(余夫公路至小曹娥互通段)第一合同段，起点位于兰曹大道与北兴路交叉口南侧约125 m，里程桩号为K3+900，终点桩号K8+458.2，路线里程4.558 km。主要结构物：路基工程主要施工内容为马渚互通区匝道、北环西路及收费站的软土处理、土石方填筑及防护排水等工程；桥梁工程主要施工内容为主线高架桥的桩基础、承台、墩身(含垫石)、现浇箱梁(含支座安装及防撞墙)及马渚互通内匝道桥的基础、承台、墩身、现浇箱梁、预制T梁的施工。对混凝土环保、耐久性有较高的要求。

3.2 混凝土双掺技术在桥梁工程中的设计、应用

目前我国大部分混凝土设计的胶凝材料为矿料单掺技术(水泥+掺粉煤灰)，还有一部分地区混凝土胶凝材料全部为水泥，很少工程上的混凝土配合比设计胶凝材料采用矿料双掺技术(水泥+粉煤灰+矿粉)，这样就使得水泥的用量比较大，造成资源的浪费。该桥梁工程根据设计要求混凝土在保证强度耐久性的前提下，同时要求绿色环保，因而将(粉煤灰+矿粉)双掺技术应用到混凝土的设计中。这种技术的好处在于大大减少了水泥的用量，节约了经济成本，也降低了对自然资源的消耗，并尽可能利用废弃的工业残渣(矿粉、粉煤灰)，提高了混凝土的耐久性，使混凝土本身可循环再利用。

3.2.1 C30桩基水下混凝土单掺与双掺技术的比较

C30桩基水下混凝土单掺与双掺技术的比较，见表1、表2。

表1 单掺粉煤灰配合比技术参数表

表2 双掺(粉煤灰+矿粉)配合比技术参数表

由表1、表2比较得出混凝土矿料双掺技术比矿料单掺技术每方混凝土节省水泥49 kg，而且强度高，从现场施工的效果(破出来的桩头)来看，双掺混凝土的桩基比较密实，因而耐久性也比较好。

3.2.2 C50现浇梁片混凝土(双掺技术)的设计与应用

根据配合比设计规程得出基准配合比为水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿粉∶水∶外加剂=318∶704∶1 056∶72∶ 91∶154∶5.29=1∶2.21∶3.32∶0.23∶0.29∶0.48∶0.016 6。

试拌合调整，确定基准配合比。按上述材料用量进行试拌，实测砼坍落度为200 mm，实测砼表观密度为2 400 kg/m3,粘聚性和保水性良好，符合设计及规范要求。

检验强度，确定试验室配合比。根据计算配合比，采用水胶比为A组0.29，B组0.32，C组0.35三组不同配合比，混凝土单位用水量与基准配合比相同，各配合比见表3。

表3 混凝土配合比

3组分别配置25 L混凝土拌合物，经测定坍落度符合要求，粘聚性、保水性良好，并分别进行了7 d、28 d抗压强度试验，各组试验结果见表4。

表4 混凝土试验数据

经现场验证配合比试验，混凝土0.32水胶比28 d抗压强度为61.1 MPa，达到配置强度的102.0%，坍落度为200 mm,表观密度为2 400 kg/m3,和易性要求满足混凝土设计及施工要求，故选择B组 W/B=0.32,配合比为水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿粉∶水∶外加剂=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(双掺技术)在现浇箱梁中的应用效果

由以上配合比设计得出这种双掺技术的配合比极大地节约了水泥用量，也降低了大量的水化热，避免因水化热较大引起的现浇箱梁的裂缝。同时这种混凝土在箱梁浇筑施工的过程中，流动性、粘聚性、致密性都比较好，很大程度上减少了人工振捣的工作量，后期混凝土强度测试结果满足强度要求，同时密实性比以往的单掺粉煤灰技术更加密实。这种双掺技术在该工程中得到了成功的应用，一定程度上符合了绿色混凝土的要求。

3.3 粉煤灰、矿粉在混凝土双掺技术中的作用机理

3.3.1 粉煤灰在混凝土中的作用机理

粉煤灰是火力发电厂废烟的静电沉淀灰分，也是最常用的人造火山灰。粉煤灰颗粒呈球形(从需水量角度来看，这是很有利的)，并且细度很高[3]。

粉煤灰中的活性成分为玻璃质二氧化硅和活性氧化铝，他们与水泥水化反应产物——氢氧化钙反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这一反应的结果产物与水泥水化的主要产物相同(通常称之为二次水化反应)。这是F类粉煤灰的主要活性反应。

1)粉煤灰的减水效应

粉煤灰颗粒吸附在带负电的水泥颗粒表面，阻止水泥絮凝结构的形成，起到分散水泥颗粒作用；粉煤灰颗粒的滚珠效应，提高混凝土的流动性；粉煤灰颗粒的微集料效应，有效填充微集料空隙。不同粉煤灰掺量的需水量见图1。

2)水密性和耐久性

混凝土的耐久性主要取决于混凝土的水密性(致密性)；普通混凝土由于水的不均匀分布，导致骨料表面水灰比增大；骨料表面与水泥浆界面过渡区的界面能下降；粉煤灰混凝土的颗粒堆积效应、减水效应及火山灰反应使混凝土界面过渡区的缺陷逐渐减少。

3)抗压强度

粉煤灰对混凝土抗压强度的贡献主要依赖于二次水化反应；粉煤灰对混凝土的早期强度有影响，这种影响当掺量超过20%时表现更为显著，见图2。

综上所述:在混凝土中掺入粉煤灰等辅助胶凝材料通常会影响混凝土的诸多性能，或是通过纯粹的物理效应，或是通过物理化学效应(与火山灰或胶凝性反应相关，进而减小孔径)。在所有性能中，通常能提高塑性混凝土的流变行为及硬化混凝土的强度和耐久性。化学侵蚀和温度裂缝是影响混凝土耐久性的两个主要方面，通过掺用粉煤灰均能得到改善。

3.3.2 矿粉在混凝土中作用机理

矿粉就是磨细粒化高炉矿渣，矿渣是冶金工业的副产品，也是常用的辅助胶凝材料[4]。它们的化学成分、结构和性能各不相同。

磨细矿渣和粉煤灰的火山灰反应很慢，特别是水化早期，反应程度很低；磨细矿渣虽具有微弱的自身水硬性，但反应速率缓慢；伴随水泥，利用水泥水化产物中的氢氧化钙可激发磨细矿渣和粉煤灰的活性，称之为二次水化反应。

1)磨细矿渣对塑性混凝土的影响

延缓水化热释放速度、降低最高温升；增大流动度和黏聚性(颗粒更分散、表面光滑、微集料效应和吸水小)；混凝土的工作性对用水量变化的敏感性增加；对早期坍落度会有损失，但损失率不大；会出现缓凝，通常缓凝约30～60 min。

2)对硬化混凝土的影响

(1)强度

掺入磨细矿渣后对早期强度增长会产生影响，不同的掺量对混凝土、砂浆的强度增长有着不同的影响，根据以往的实际试验数据可以看出对早期强度的影响效果，见图3、图4。

(2)耐久性

微集料效应使混凝土更加致密；较好的颗粒分散性使混凝土内部水灰比更加均匀；二次水化反应使骨料表面与水泥浆界面能增加，不利于裂缝的开展。

3.4 混凝土拌和站及混凝土施工过程中绿化、环保的控制

该工程拌和站设置两台搅拌机，搅拌站主机及配料机设置在封闭的搅拌楼内，并且配了专门的收尘设施，而且有专人定时进行清理。砂石料输送带上都进行了封闭，在很大程度上减少了砂石料输送过程中的扬尘。搅拌机卸料口配备了防止混凝土喷溅的塑料胶皮设施，地面上的废水、废渣通过三级沉淀池进行沉淀处理。

混凝土在使用的过程中，由于大部分现场施工完都有剩余的混凝土，这部分混凝土若是废弃在工地上，必然对环境造成一定的污染，同时也是对原材料的浪费。因此，该工程购进一台砂石分离机安设在拌和站，旁边设置了三级沉淀池，进行废水的沉淀。每次若有混凝土剩余就通过砂石分离机进行处理，同时每辆混凝土罐车洗车后的废水也要倒进砂石分离机进行处理，这样就可以把本来要废弃的砂子和碎石重新收集起来进行再利用，实现了混凝土的再生，节约了自然骨料资源，达到了绿色、环保的要求，符合绿色混凝土的部分要求。

4 建议混凝土双掺技术在工程中的应用

由以上混凝土双掺技术在该桥梁工程中的成功应用，可以明显看出这种双掺技术的混凝土，不仅可以保证混凝土的质量，提高混凝土的耐久性，而且也是对资源的节约，有利于环境保护。建议在以后的工程施工中，可以使用这种双掺技术的混凝土，这样可以极大地节约水泥的用量。由于水泥的生产能耗大，对环境污染严重，因此这种双掺技术的使用，可以实现降低能耗、减小环境污染、同时也兼顾了经济效益，也对绿色混凝土的发展做出了一定的贡献。

5 结 语

该桥梁工程在混凝土的设计、生产、施工过程中，减少水泥、砂石料的用量、提高混凝土的耐久性、减少混凝土施工过程中的各种污染都符合绿色混凝土要求，所以该桥梁工程中混凝土应用技术也是绿色混凝土技术在此工程中的成功运用。目前，绿色混凝土的研究成果还不成熟，需要我们共同努力总结出更好的经验、方法，实现绿色混凝土在工程中的应用，实现可持续发展。

[1] 高齐翔.绿色混凝土的研发——综合利用“三废”资源[J].辽宁建材,2009(4):14-16.

[2] 黄海燕.绿色高性能混凝土简述[J].广西城镇建设,2011(2):72-74.

[3] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].北京：中国标准出版社，2005 .

[4] 中国国家标准化管理委员会.GB/T8046—2008 用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉[S].北京：中国标准出版社，2008.