日本低碳混凝土的研究進展

鄭捷

（上海市退（離）休高級專家協會土木建筑專業委，上海 200041）

0 前言

在今年“兩會”上，全國政協委員、生態環境部副部長黃潤秋說：大氣污染治理形勢仍然還處在負重爬坡的階段，下一步大氣污染治理關鍵在于三個結構調整和優化。其中之一就是要把重點地區的煤炭消費總量控制下來，降低煤炭消費總量實質上就是要求削減 CO2為主的溫室氣體的排放。

日本建設業聯合會提出，2020 年前 CO2的排放量比 1990 年削減 20%，至 2030 年達到削減 25% 的目標。在日本，CO2及甲烷等溫室氣體的年排放量約 13億 5000 萬噸，建筑業主要材料混凝土的年生產量約9000萬 m3，每立方混凝土需排放 270kg 的 CO2，年總排放量在 2500 萬噸左右。由于混凝土生產中 90% 以上的 CO2是由普通硅酸鹽水泥生產所導致的，為了削減水泥用量，根據綠色采購法在公共工程中特定供應高爐礦渣水泥和粉煤灰水泥。對于早期強度不作要求的橋梁、大壩、港灣等公共工程混合水泥的應用面已達99.7%（2011 年度）。目前，不少商品混凝土企業的礦渣微粉替代率達到 70%～90%，與普通混凝土強度（強度等級為 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構物的設計、施工指導方針》，歸納總結了《低碳混凝土的設計、施工指南》。本文重點對以礦渣微粉為膠凝材料主體，不使用任何品種水泥，通過添加堿性激發材料配制的低碳混凝土，闡述材料設計的原則及混凝土的各項性能，以期對我國的商品混凝土技術發展起到借鑒作用。

1 低碳混凝土材料設計原則與組成

1.1 材料設計的原則

低碳混凝土材料設計必須遵循的原則是：在混凝土生產過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、硬化及力學性能和耐久性方面應與普通混凝土同等或以上；低碳混凝土不需要蒸汽養護，能在一般商品混凝土攪拌站生產并能采用通常的泵送方法進行現場施工。其次，混凝土建筑物的設計、施工與原先制定的標準、規范不產生較大的矛盾，有利于推廣應用。

需要關注的是，礦渣微粉的大摻量使用將導致混凝土各項性能的變化，最有可能產生的問題是混凝土表面脆弱、起粉，強度發展緩慢，干燥收縮增大，碳化加速。因此在材料設計上必須考慮到以上問題，研究解決確保混凝土性能和大摻量使用之間的矛盾。

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，通過添加堿性激發材料達到硬化的目的。低碳混凝土的強度等級在18～36N/mm2之間，材料組成見表 1[1]。

表 1 低碳混凝土的材料組成

為了促進礦渣微粉水化反應的進程有許多堿性激發材料可供選擇，如 NaOH、Na2CO3等鈉系激發材料，也可選用鈣系激發材料如 CaSO4、Ca(OH)2等。以往的試驗發現鈉系激發材料所生成的水化物凝膠體在強度和耐久性方面不如水泥凝膠體，而且表層質量差，而以Ca(OH)2為激發材料還可提高鈣硅比，生成足夠的水化硅酸鈣凝膠體，提高早期強度。通過研究還發現礦渣微粉的平均化學成分中 SiO2為 33%，Al2O3為 14%，CaO為 42%，MgO 為 6%，TiO2為 1%，Fe2O3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，只是 CaO 的含量較少，而 SiO2和 Al2O3分別超過10%。這種相似性說明在適宜條件下通過激發水化反應后同樣可生成 C-S-H 凝膠體。這是因為礦渣經水淬急冷形成的玻璃體有潛在的勢能，在玻璃體的結晶礦物中 Si和 O 的結構并不如硅石中 Si 和 O 的結構那般堅固，在礦渣微粉中 Si 和 O 的結構間隙是一種網狀構造，在堿性溶液中 OH-的侵入較容易，因此在堿性環境下破壞這種網狀構造就有可能促進水化反應，激發形成具有凝膠體的物質。而且這種水化反應隨著溫度的升高而加快。當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早期強度的發展。此外，為了提高強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度。有研究表明，石灰石微粉在水化反應中起到核心作用，能促進硅酸三鈣的水化，隨著石灰石微粉摻量的增加，硅酸三鈣的反應率也相應增加。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 中低碳混凝土的強度等級為 24N/mm2，膠凝材料的構成比例是：礦渣微粉:膨脹劑:氫氧化鈣＝100:9:9.5，礦渣水泥（B 種）根據日本有關標準礦渣微粉的允許摻量范圍是 30＜X≤60。

試驗結果顯示低碳混凝土試件表面呈白色而平滑，經 3 個月以上室外暴露表面未見脆弱、起粉，雖然礦渣水泥（B）種配制的混凝土 7d 齡期抗壓強度稍高，但28d 抗壓強度兩者都達到 30N/mm2。在二氧化碳排放量方面，經計算低碳混凝土為 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、管內壓力損失的測試結果。

表 3 低碳混凝土的泵送性能

表 3 中泵送速度為 15.5m3/h 時泵送前后坍落度變動范圍很小，在 29.6m3/h 時泵送后坍落度降低 1.7cm，在 42.7m3/h 時降低了 3cm。空氣含量方面，泵送速度為 15.5m3/h 和 29.6m3/h 時泵送前后變化極小，但在42.7m3/h 時空氣含量降低了 1.5%。根據日本土木學會（2012 版）《混凝土泵送施工指南》中規定，泵送速度為 15～45m3/h 的普通混凝土管內壓力損失是 (0.8～1.3)×10-2MPa/m，擴展度 600～700mm 的大流動度混凝土管內壓力損失是 (2～8)×10-2MPa/m。從水平管壓力損失數據分析，低碳混凝土的壓力損失范圍在 (3.0～8.2)×10-2MPa/m，說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度混凝土相同。

2.2 凝結時間

試驗表明[1]低碳混凝土的凝結時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，凝結時間有提前的趨向，因此混凝土表面的作業時間與普通混凝土相異，在施工計劃中要予以考慮。

2.3 硬化后性能

2.3.1 混凝土表面質量

在齡期 265d 時對構筑物分別采用表面回彈測試及混凝土透氣試驗[2]。施加 0.5kg 及 1kg 壓力后對彈痕進行測定，在加壓 0.5kg 時彈痕寬度為 0.1～0.2mm，1kg時寬度僅為 0.3～0.5mm，表面不存在脆弱層；經混凝土透氣試驗結果顯示其透氣系數小于 1×10-16/m2，可以判定混凝土表面質量良好。

2.3.2 抗碳化性能

經加速碳化試驗[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，同時試驗還表明當水膠比降低后，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，顯然作為對策降低水膠比或在對碳化有要求情況下，確保一定的鋼筋保護層厚度及其他技術措施都是值得考慮的選項。在實際工程中，由于大氣中二氧化碳濃度極低，碳化進程十分緩慢，低碳混凝土的抗碳化能力有可能隨著水化反應的不斷提高而得到改善。

2.3.3 抗氯離子侵蝕性能

分別對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 個月和 6 個月后測試其氯離子擴散系數（D）和表面氯化物含量（C0）[1]。低碳混凝土測得氯離子擴散系數（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 個月試件所測數據比較說明低碳混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力明顯優于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土。

2.3.4 抗凍融能力

低碳混凝土試件經 300 次凍融循環后的相對動彈性模量在 60% 以下[1]，表明其抗凍性能較差。但在低水膠比時 300 次凍融循環后的相對動彈性模量可超過 60%，因此低碳混凝土可以通過調整水膠比提高抗凍融能力。

2.3.5 自收縮與干燥收縮

從初凝開始測定自收縮值[1]，在膨脹劑作用下低碳混凝土初期有 100×10-6膨脹量，56d 時與礦渣水泥（B種）配制的混凝土基本相同，84d、112d 時稍有增大，但都在 (300～400)×10-6范圍內。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 堿骨料反應的抑制效果

堿骨料反應是指混凝土細空溶液中的堿與骨料中的反應性礦物產生化學反應而引起的有害膨脹。當細空溶液中的堿存在一定量以上，或者骨料中的反應性礦物含有一定量以上，或者混凝土處在濕潤環境中，在上述3 項同時具備的情況下才有可能引起堿骨料反應。因此阻斷上述 3 項條件中的任何一項就能抑制堿骨料反應。由于低碳混凝土使用大量礦渣微粉并且采用 Ca(OH)2為激發材料，一定量堿的存在是否會引起堿骨料反應是大家所關心的問題。多數研究者認為[3]堿激發膠凝材料中的堿硅酸反應膨脹值要低于同條件下的硅酸鹽水泥基材料，這是由于堿激發膠凝材料組分消耗堿，造成系統中堿含量降低，加之礦渣微粉自身對堿硅酸反應的抑制作用。試驗證明[1]根據 ASTM 法在 800C、1mol/L 的氫氧化鈉溶液中浸泡 14d，其長度變化率小于 0.1%，大大小于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土。

3 低碳混凝土的養護

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堿性激發材料促進水化，因此對溫度的依從性要高于礦渣水泥（B 種）配制的混凝土，早期的濕潤養護尤為重要。在 20℃ 及水化活性較低的10℃ 環境下，在 3～14d 齡期中必須進行濕養護，其后在相對濕度 60% 的條件下可達到設計強度。冬季養護時宜采用加熱卷材和濕潤養護并舉的技術措施。

4 低碳混凝土的特性及存在問題

通過以上試驗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，通過添加堿性激發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勢的混凝土性能，與此同時也存在必須認真加以研究、克服的不足之處。低碳混凝土的性能特性及存在問題可歸納為以下幾點：

（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，混凝土表面不會產生脆弱或起粉現象。

（2）低碳混凝土在抗壓強度、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）在養護方面尤其是早期極易發生表面質量問題，澆灌后應及時覆蓋保持混凝土表面濕潤，同時要注意低碳混凝土對溫度的敏感性。

（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不同，它是通過發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，其反應率遠低于普通混凝土，因而存在的凝結時間延長，抗碳化性能及抗凍融性能低等問題，可通過調整外加劑成分、降低水膠比、采用適當的鋼筋保護層厚度以及引入 6%～8% 空氣量等其他技術措施得到改善。

5 結語

低碳混凝土因為具有 CO2排放量低、水化熱小，能抑制氯離子侵蝕和堿硅酸反應的特點，在大體積混凝土、地下結構以及沿岸、海洋構筑物施工中有著廣闊的應用前景。近年來為了進一步削減 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副產品作為摻合料已成為商品混凝土企業應對減少溫室氣體排放、降低混凝土資源材料耗用的一項必不可少的技術措施。從日本同行所研究的低碳混凝土情況來看，礦渣微粉等許多工業副產品的利用還有很大的發展空間，可以堅信在科技工作者和相關企業的共同努力下，低碳混凝土必定在建設新時代有特色社會主義強國的道路上發揮應有的作用。

[1] 大脇英司，宮原茂禎，岡本禮子，等．環境配慮コンクリ—トの基本性狀[R]．日本東京：大成建設技術中心，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境配慮コンクリ—トの適用事例[R]．日本東京：大成建設技術中心，2014: 1-8．

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