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低碳混凝土研究现状

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：倪允忠1 陈修龙1

[导读] 摘要：本文对以矿渣微粉为胶凝材料主体，不使用任何品种水泥，通过添加碱性激发材料配置的低碳混凝土，阐述材料设计的原则及混凝土的各项性能以对商品混凝土技术发展起到借鉴作用。

        1.山东科技大学山东青岛 266590
        摘要：本文对以矿渣微粉为胶凝材料主体，不使用任何品种水泥，通过添加碱性激发材料配置的低碳混凝土，阐述材料设计的原则及混凝土的各项性能以对商品混凝土技术发展起到借鉴作用。
        关键词：低碳混凝土；碳排放；高性能混凝土；低碳化
        引言
        随着全球二氧化碳排放量的不断增大，温室效应越来越严重。而全球愈发频繁的灾难性气候与二氧化碳的排放量不断増加息息相关。低碳、节能的发展战略也越来越得到全世界的认同。对于建筑行业的低碳化发展也己经从我国的法律层面上加以明确，这将更进一步推动该行业的发展。[1]
        混凝土低碳化是指在水泥和混凝土材料生产和应用上研发低碳排放技术，积极推动建材行业经济的发展。一方面，水泥工业是CO2排放的主要来源，降低水泥工业CO2排放是实现减排的重点之一；另一方面，对水泥的生料和混合材进行优化、开发新型水泥品种、减少混凝土中水泥用量，即可达到显著的减排效果，而且水泥混凝土工业的减排又能促成一些工业固体废弃物的综合利用，是建筑业节能减排的具有很好社会效益的途径。[2]
        1 新型混凝土材料简介
        降低混凝土行业的碳排放量可以通过以下几个途径达到：降低混凝土生产过程的CO2排放首先要减少水泥用量，合理使用矿物掺合料，在混凝土生产和应用中安全、有效地降低水泥熟料用量，实现节能减排、发展低碳经济的目标；其次，应提高混凝土的耐久性，延长建筑物的使用寿命，降低维修重建的需要，减少混凝土的使用量；另外，还要充分利用建筑垃圾，发展再生骨料，特别是利用工业固体废弃物煤矸石等生产制造细骨料，积极利用拆除的旧建筑和构筑物的废弃混凝土、砖、瓦等代替天然砂石，减少对不可再生天然骨料的开采和利用。[3]
        1.1低碳生态混凝土
        低碳生态混凝土中水泥用量150-200kg/m3，而普通混凝土水泥用量为300-400kg/m3。低碳生态水泥充分发挥粉煤灰、矿渣在混凝土中的作用，如每吨粒化高炉矿渣（GGBS）一般释放35kg的CO2，混凝土制备中使用粒化高炉矿渣可以减少水泥用量，显著降低CO2排放[4]。GGBS的使用减少了水泥的使用，也就减少了水泥生产过程中其他有害物质的排放，如能引起酸雨形成的氮氧化物和SO2，这些排放物不仅对环境造成污染，而且对人体健康也有影响。
        1.2 绿化混凝土
        通过混凝土结构和配合比优化设计，采用特殊制备技术，现场浇筑成混凝土地面（坡面），使该混凝土满足植物种植和生长要求[4]。种植混凝土的绿化率可达到80%-100%，主要用于堤岸保护、护坡和水库绿化，也可用于庭院、公园、停车场、花园的地面。通过种植植物吸收CO2，相当于间接降低CO2排放。
        1.3 泡沫混凝土
        泡沫混凝土是一种具有节能、保温、轻质、隔热、耐火等性能的多功能材料，在建筑节能领域将发挥越来越重要的作用，国家政策也为泡沫混凝土的发展创造了良好的条件。与有机泡沫材料相比，泡沫混凝土有防火、隔声、耐久、绿色环保等优势；与加气混凝土、泡沫玻璃、玻化微珠等其他无机保温材料相比，有造价低、可现浇自保温墙体、制品密度低、易于成型、工艺简单、投资小、原料来源广、易于推广等优势。目前，影响泡沫混凝土得到广泛应用的主要原因是无标准可依、无示范工程引领市场等，这些问题突破后，泡沫混凝土将会很快普及应用。
        2 低碳混凝土材料设计原则与组成
        2.1 材料设计的原则
        高低碳混凝土材料设计必须遵循的原则是：在混凝土生产过程中二氧化碳的排放量显著低于普通混凝土，而在泵送性能、凝结、硬化及力学性能和耐久性方面应与普通混泥土同等或以上；低碳混凝土不需要蒸汽养护，能在一般商品混凝土搅拌站生产并能采用通常的泵送方法进行现场施工。其次，混凝土建筑物的设计、施工与原先制定的标准、规范不产生较大的矛盾。有利于推广应用。

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        需要关注的是，矿渣，微粉的大掺量使用将导致混凝土各项性能的变化，最有可能产生的问题是混凝土表面脆弱、起粉，强度发展缓慢，干燥收缩增大，碳化加速。因此在材料设计上必须考虑到以上问题，研究解决确保混凝土性能和大掺量使用之间的矛盾。[5]
        2.2 低碳混凝土的材料组成
        所研制的低碳混凝土其胶凝材料组成中不含任何品种水泥，利用高炉矿渣微粉的潜在水硬性，通过添加碱性激发材料达到硬化的目的。低碳混凝土的强度等级在18 N/mm2至36N/mm2之间。
        3 低碳混凝土的养护
        由于低碳混凝土组分中不含有水泥，主要依靠矿渣微粉潜在的水硬性通过碱性激发材料促进水化，因此对温度的依从性要高于矿渣水泥配置的混凝土，早期的湿润养护尤为重要。在20度及水化活性较低的10度环境下，在3至14天龄期必须进行湿养护，其后在相对湿度60％的条件下可达到设计强度。冬季养护时宜采用加热卷材和湿热养护并举的技术措施。[6]
        4 低碳混凝土的特性及存在问题
        通过以上试验研究表面以矿渣微粉为胶凝材料主体，不适应任何品种水泥，通过添加碱性激发材料配制的低碳混凝土有许多比矿渣水泥配置的混凝土更具优势的混凝土性能，与此同时也存在必须认真加以研究、克服的不足之处，低碳混凝土的性能特征及存在问题可归纳以下几点：
        （1）低碳混凝土的CO2排放量低、水化热小，能抑制氯离子侵蚀和碱硅酸反应，混凝土表面不会产生脆弱或起份现象。[7]
        （2）低碳混凝土在抗压强度、收缩性能方面与矿渣水泥配制的混凝土相比基本等同。
        （3）在养护方面尤其是早期极易发生表面质量问题，浇灌后应及时覆盖保持混凝土表面湿润，同时要注意低碳混凝土对温度的敏感性。
        （4）以矿渣微粉为主要胶凝材料而水泥用量为零的低碳混凝土与普通混凝土的火山灰反应不同，它是通过发挥矿渣微粉潜在的水硬性与少量碱性材料作用而生成的水硬性物质，其反应率远低于普通混凝土，因而存在的凝结时间延长。抗碳化性能以及抗冻融性能低等问题，可通过调整外加剂成分、降低水胶比、采用适当的钢筋保护层厚度以及引入6％至8％空气量等其他技术措施得到改善。
        5 结论
        低碳混凝土因为具有CO2排放量低、水化热小，能抑制氯离子侵蚀和碱硅酸反应发特点，在大体积混凝土、地下结构以及沿岸、海洋构筑物施工中有着广阔的应用前景。近年来为了进一步削减CO2的排放量，降低水泥用量，高炉矿渣微粉以及粉煤灰及其他工业副产品作为掺合料已成为商品混凝土企业应对减少温室气体排放、降低混凝土资源材料耗用的一项必不可少的技术措施。从日本同行所研究的低碳混凝土情况来看，矿渣微粉等许多工业副产品的利用还有很大的发展空间，可以坚信在科技工作者和相关企业的共同努力下，低碳混凝土必定在建设新时代有特色社会主义强国的道路上发挥应有作用。
        参考文献：
        [1]林远煌，彭春元，韦虹等.低碳混凝土问题思考[J].材料研究与应用，2010，04（4）：618-621．
        [2]吴中佑.绿色高性能混凝土与科技创新[J]建筑材料学报，1998（1）：1-7.
        [3]丁大钧.高性能混凝土及其在工程中的应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
        [4]陈肇元等.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京：中国建筑工业出版社.2004
        [5]周伟，孙继承，崔源声.低碳混凝土新材料的研究进展[J].建筑材料工业技术情报研究所，2011（04）：26-41.
        [6]王宝民，刘伟.高性能混凝土的低碳化技术讨论[J].大连理工大学，2010（09）：20-22.
        [7]曹兴伟.基于水化硅酸镁系胶凝材料的低碳混凝土发展研究[D].大连理工大学，2016.