砂石的用户 下游行业 : 混凝土 宣传 : 高性能混凝土推广应用 ; 学习 : 砂石行业相关知识 ; 呼吁 : 重视砂石质量 ; 联动 : 跨行业合作, 提升混凝土工程质量 1
高性能混凝土推广应用呼唤砂石行业的革命 全国高性能混凝土推广应用技术指导组 全国混凝土标准化技术委员会 : 办公室主任 : 秘书长 中国土木工程学会混凝土质量专业委员会 : 主任委员 中国建筑学会建材测试技术专业委员会 : 主任委员 北京土木建筑学会建材分会 : 主任委员 中国建筑科学研究院建筑材料研究所 : 总工程师 冷发光 / 博士 / 研究员 2016 年 06 月 28 日, 重庆 2
报告提纲 : 一 伟大的厨艺和高性能混凝土 二 混凝土原材料发展历程 三 砂石对混凝土质量的影响 四 高性能混凝土对砂石质量的要求 五 对砂石行业创新发展的建议 3
一 伟大的厨艺和高性能混凝土 大长今 值得反复看的励志电视剧 1 精心选材 : 根据不同情况选择优质材料 ; 2 精心配料 : 根据不同情况设计配合比和方 案 ; 3 精心制作 / 加工 : 精细化生产和施工 ; 4 过程检测 / 监测 : 味道 有害性 好用等 ; 5 味道要好 : 工作性要好 ; 6 对身体健康有益 : 体积稳定性 力学性能 和耐久性要好 ; 7 对人的要求 : 热爱厨艺 / 热爱混凝土 4
电视剧体会 : 优质原料 + 精湛的厨艺 + 高度的责任心 + 爱心 = 有益于身体健康的美味佳肴 5
( 一 ) 高性能混凝土含义 : 中国特色 / 与时俱进 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 操作层面 : 强度和耐久性并重的的设计 + 优质原材料 + 优化的配 合比 + 绿色和预拌生产 + 良好的拌和物施工性能 + 精细化施工 + 验收合格 = 高性能混凝土 6
高性能混凝土应用的几个前置问题 1 推广高性能混凝土目的是什么? 2 如何把握高性能混凝土特点? 3 高性能混凝土可以评价吗? 4 高性能混凝土的评价指标是什么? 7
1 推广高性能混凝土的目的 (1) 化解产能过剩 推动四节一环保, 重点是节能减排 ( 混凝土行业对国家整体影响大 ); (2) 推动混凝土行业转型升级, 促进混凝土技术进步 ( 行业问题较多, 制约了发展 ; 新常态更如此 ); (3) 加强全过程控制, 提高混凝土工程质量 ( 工程质量问题突出 ); (4) 转变设计 生产和施工理念, 提升混凝土结构耐久性 ( 观念落后, 上下游各环节衔接不好 ) 8
2 如何把握高性能混凝土特点? 混凝土是一种特殊的材料, 无论是混凝土 预拌混凝土 高性能混凝土, 还是其他名称的混凝土, 都不能简单地看作一个单一品种 其特点有 : (1) 多组分 多相 非均质 ( 最复杂的材料体系 ); (2) 过程依赖性 ( 多个环节 新拌和硬化 ); (3) 环境依赖性 ( 性能随环境而变化 ); (4) 工程依赖性 ( 不同工程要求不同 ); (5) 时间依赖性 ( 性能随时间变化大 ); (6) 人和设备的依赖性 ( 过程质量依赖于具体人和设备 ); (7) 最终产品无法整体检验 ( 既不能做整体力学性能检验, 也不能做整体耐久性检验 ) 只能以过程检验为主 9
但高性能混凝土可以认为是产品系列 根据目前定义, 高性能混凝土首先是预拌混凝土, 而预拌混凝土具有产品属性, 符合产品的特点 : 对于预拌混凝土, 国内外都有产品标准 目前质量监督机构是按 产品质量法 等法律进行监 督的 但由于混凝土的特殊性, 按照产品质量法执法时 常常遇到尴尬, 所以产品质量法用于预拌混凝土并不全 面, 适合按照建筑法等进行监督 10
对于工程来说, 混凝土有共性要求 ; 对于特定工程, 混凝土更有个性要求 高性能混凝土是针对特定工程, 过程控制都达到要求, 早期性能优良, 长期性能有保障的混凝土 对于具体工程, 高性能混凝土就是产品或产品系列 11
评价的前提 : 3 高性能混凝土可以评价吗 是否能提出合适的技术 ( 质量 ) 指标体系? 是否有合适的评价方法? 评价过程是否可行?( 可操作性 ) 评价结果是否符合实际? 评价结果是否能够达到预期导向目的? 结论 : 可以进行评价 针对特定工程, 可以达到预期目的 分阶段评价, 涵盖设计 生产和施工 高性能混凝土评价的前提是工程验收合格 但是评价过程需要的资料, 跟工程验收所需要的资料共享和同步进行 12
4 高性能混凝土的评价指标 过程指标和结果指标相结合 ; 共性指标和个性指标相结合 ; 技术指标和非技术指标相结合 ( 如绿色生产 预拌方式 ) 包括设计指标 原材料指标 配合比指标 生产 控制指标 工程施工和验收指标等 13
( 二 ) 高性能混凝土技术要求 1 性能要求 : 拌和物性能 力学性能 耐久性和长期性能 ; 强度等级从 C30 开始 2 结构设计要求 : 类似 3 原材料要求 : 变严 4 配合比设计要求 : 更加科学 5 生产和施工技术要求 : 精细化 6 检验和验收要求 : 规范化 具体要求见 高性能混凝土技术指南 和 高性能混凝土评价标准 14
( 二 ) 高性能混凝土技术要求 技术要求的确定原则 : 1 适应中国现行行政管理体制 ; 2 尽可能利用现行标准体系, 无法另行打造一套标准体系 ( 太庞大, 涉及材料 生产和施工验收全过程的标准, 且与行政管理体制有关系 ); 3 确定高性能混凝土的基本要求 ( 底线 : 包括原材料 性能 生产和施工要求等 : 多数严于当前混凝土要求, 或者取当前技术标准中较严的规定 ); 4 针对特定工程和环境的特别要求( 个性要求 ): 由设计确定 5 过程控制为主 ( 过程指标 + 相对结果指标 ): 主要考虑要实际可操作 15
黏土 石灰 波石特膏 兰火水山泥灰问世 二 混凝土原材料的发展历程 ( 简述 ) 水灰比定则 配合比设计 减水剂等化学外加剂的应用 20 世纪初 大掺量矿物掺合料的应用 高性能混凝土 / 特种混凝土 复合化 高强化 密实化 匀质化 易施工化 超高 活性粉末混凝土 RPC 超过 200MPa 20 世纪末 公元前 214 年 1824 年
现代混凝土主要组成 水泥 砂子 石子 水 化学外加剂 矿物掺合料 17
( 一 ) 水泥的变化 ( 引自 : 张大康 ) 18
我国水泥的变化 ( 类似于美国 ) 19
( 二 ) 化学外加剂的变化 化学外加剂最核心的功能和作用 : 减水作用 : 引起强度和耐久性等革命性进步 ; 调凝作用 : 引起工作性和大体积施工等革命性进步 ; 引气作用 : 引起工作性和耐久性等革命性进步 其他作用 : 多数是以上功能的延伸 20
外加剂的发展的几个阶段 20 世纪初, 美国开发北美洲时, 由于当地严寒气候使得混凝土路面在除冰 ( 喷撒氯化钙 氯化钠 ) 过程中破坏严重, 为提高混凝土的耐久性, 人们做了大量试验, 从中找出一种叫 文沙树脂 的引气剂 1935 年美国 Master Builder 研究制造成功的以纸浆废液中木质磺酸盐为主要成分的 普浊里 减水剂, 这是历史上第一个减水剂 60 年代, 日本研制成功了萘磺酸甲醛缩合物 ( 萘系 ) 同时期, 德国也研制成功了三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物 90 年代初, 日本又率先研制成功了反应性高分子化合物, 即目前国际上最新一代的高性能减水剂 --- 聚羧酸盐高性能减水剂 21
外加剂的利弊和前景 外加剂对混凝土技术进步起了非常重要的作用, 但是外加剂不是万能的 每种外加剂有其适用范围 而且外加剂的作用并非都是正面的, 比如 : 如果其他因素不变, 多数外加剂都增大混凝土收缩变形, 增加开裂敏感性 但被掩盖了 目前热门的抗泥剂 : 通过抗泥剂解决高含泥砂石引起的工作性问题 有些砂石含泥高达 18-20%, 仍然在工程中使用, 这跟高性能混凝土是背道而驰的做法 在将就落后的现状 外加剂仍然会有广大的进步空间, 但是难度也越来越大 竞争越来越激烈 目前过分追求高减水率 不分场合使用高效减水剂, 无论是技术还是经济上都不一定合算 在工程上, 尤其是高性能混凝土, 如果在骨料上加大研究和投入, 其效果可能远远好于现在一味地依赖外加剂带来的效果 22
( 三 ) 矿物掺合料的变化 正偏离优质原材料的原则 : 优质粉煤灰和矿粉等供不应求, 出现供需矛盾 掺合料范围扩大 种类众多 : 磷渣粉 钢渣粉 石灰石粉 天然火山灰质材料 尾矿粉等, 越来越多 造假 掺假 以次充好和乱掺等现象严重 ( 脱硫粉煤灰 脱硝粉煤灰 浮黑粉煤灰等无序应用 ) 23
矿物掺合料的发展方向 : 复合矿物掺合料 24
矿物掺合料的 1+1>2 效应 矿渣 S F F /100% 粉煤灰 25
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, 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 复合化技术 资源综合利用, 解决掺合料供给问题 通过复合取长补短, 发挥几种掺合料的协同作用 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 必然性 复合化是掺合料技术发展的一个趋势 技术价值 市场前景 26
复合掺合料关键点 : 1. 不仅是简单地两种或几种掺合料混合 ; 2. 考虑活性成分与惰性成分的搭配 ; 3. 考虑微颗粒的级配分布 ( 物理级配 ); 4. 考虑水化反应速度与产物的匹配 ( 化学级配 ); 5. 考虑化学激发作用 ; 6. 考虑低品质与高品质资源的搭配利用 7. 需要高品质的骨料作为支撑和匹配 27
( 四 ) 混凝土质量问题和骨料 常见的质量问题 / 质量通病 03 02 01 04 05 06 07 08 09 01 02 03 04 05 06 07 08 裂缝 ( 最突出 最头疼 ) 强度 / 耐久性不足 漏筋 麻面 孔洞 / 气泡蜂窝表面起粉 / 无强度缺棱少角 不凝固 表面爆裂等等 09 色斑 28
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( 四 ) 混凝土质量问题和骨料 很多质量问题都跟骨料有关系 : 目前, 砂石骨料总体质量差, 当前混凝土质量问题很大程度上 是砂石质量不过关引起的 ( 有些是骨料质量本身, 有些是标准门槛低或不合理 ), 骨料主要问题有 : 粗细骨料粒形差 级配差 空隙率大 含泥量大 针片状颗粒 多 压碎指标大 石 ( 泥 ) 粉含量高 泥块含量高 有些骨料有害物质含量高 不重视岩石品种和岩性差别 有些采用风化严重的岩石制作机制砂骨料 不重视吸水性 砂石品质不好会导致混凝土用水量高 胶凝材料用量大 工作 性不好 难以泵送等, 影响外观 抗裂性 强度和耐久性等 30
骨料品种与粒径的影响 31
当前的多数粗骨料粒型差 没有级配可言 32
砂子含泥高达 20%, 含石 25% 33
精品骨料能实现混凝土高性能化 : 降低水泥用量 减少外加剂用量 降低用水量 提高骨料用量 : 结果是工作性好 开裂少 力学性能有保证 耐久性好 34
高性能混凝土 ( 单方用水量低 ): 须有好的砂石骨料 掺量掺合料和高效减水剂配合 现有技术条件下, 骨料作用更突出 圆柱型试件 35
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三 砂石对混凝土质量的影响 : 众多研究成果 石子含泥量 对普通强度混凝土, 少量的石子含泥对混凝土拌合物的出机和易性有 一定好处, 但是对坍落度损失和强度产生显著不利影响, 含泥量越大, 坍落度损失越快, 混凝土的强度降低越明显 简要回顾 38
石子粒型 编号 4: 连续级配 ; 编号 5 6: 级配不良 石子级配不良 粒型差, 混凝土工作性差, 强度低 39
机制砂石粉含量 石粉含量增大, 拌和物坍落度 含气量降低, 密度略微增大 40
机制砂石粉含量 石粉含量增大, 轴压弹模 轴拉弹模降低 41
机制砂石粉含量 一定范围内, 石粉含量增大, 抗渗性提高, 抗冻性略降低 42
机制砂石粉含量当石粉含量为 10%~15% 以内时, 普通强度等级的混凝土的抗水渗透性能随石粉掺量提高而降低 ( 变好 ), 当石粉含量达到 20% 是抗水渗透性能 急剧下降 43
机制砂石粉含量 普通强度等级混凝土氯离子扩散系数, 随机制砂中石粉含量的增加而降低 ( 有利 ); 高强混凝土氯离子扩散系数, 随机制砂中石粉含量的增加而增大 ( 不利 ) 44
机制砂石粉含量 在一定范围内, 石粉含量增大, 混凝土干缩增大 45
不同粗骨料混凝土早期热膨胀系数试验 :( 河海大学, 黄杰等 ) 46
不同骨料热膨胀系数对混凝土热膨胀系数影响很大, 影响温度作用引起的变形 47
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以膨胀系数最小的骨料和混凝土为基准 说明混凝土热膨胀系数主要取决于骨料热膨胀系数 50
不同母岩粗 细骨料对混凝土性能的影响 ( 中国水电三局, 胡泽清 ) 51
级配都在标准规定范围内 52
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弹性模量变化 61
弹性模量变化 62
弹性模量变化 63
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粗骨料粒径对高强混凝土力学性能的影响 ( 河海大学 : 胡世亮 ) 66
粗骨料对混凝土性能的影响 ( 义乌市商品混凝土公司 : 陈习云 ) 67
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三 砂石对混凝土性能和工程质量的主要影响和作用 : 研究成果 71
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粗骨料针片状含量对泵送混凝土性能的影响 ( 通辽质检站 : 张景琦 ) 73
人工砂中石粉含量和含泥量对 MB 值的影响 ( 重庆大学 : 叶建雄 ) 纯石粉几乎没有影响 74
石粉掺量小时, 含泥量对 MB 影响小 75
石粉掺量大时, 含泥量对 MB 影响很 76
石粉掺量大时, 含泥量对 MB 影响很 77
石粉掺量大时, 含泥量对 MB 影响很 78
石粉掺量大时, 含泥量对 MB 影响很 79
总体影响 : 三 砂石对混凝土质量影响 :( 原因和机理 ) 骨料占混凝土体积和质量的 3/4 以上, 其特性对混凝土影响是全 方位的 : 流变性能 体积稳定性 硬化混凝土的力学性能和耐久 性都有重要影响 作用机理主要有 : (1) 界面效应 (2) 填充效应 (3) 粘结效应 (4) 防裂效应 (5) 活性效应 ( 尤其制品 ) 等 80
三 砂石对混凝土质量影响 : 原因和机理 砂石对混凝土质量的具体影响 : (45 条原因和要求 ): 略 81
四 高性能混凝土对砂石质量和品质的要求 骨料品质高低可以从两个方面来认识 首先是满足大多数工程 和用户需要的骨料 此时需要有一个普遍适用的骨料品质或者 质量要求 ( 满足量大面广的需要 ) 这样的骨料必须在满足国 家 行业或地方相关标准规范的要求前提下, 从严要求 : 1 对于粗骨料: 粒形和表面状况好 ( 球度低 ) 级配合适 连续级配 最大粒径合适 强度和弹性模量合理 坚固性满足 要求 吸水率小 泥块和含泥量低 有害物质少或者没有 ; 2 对于细骨料 : 颗粒形状和表面特征好 级配合适 连续级 配 粗细合适 ( 一般中砂为好 ) 坚固性满足要求 泥块和含 泥量低 有害物质少或者没有 人工砂石粉合理 82
四 高性能混凝土对砂石质量和品质的要求 其次, 针对特殊工程, 对骨料的一些质量指标应进行具体和综合考虑 : 1 骨料级配和粗细, 应将粗细骨料 粉体等作为整体一起考虑 2 对于石粉, 根据混凝土强度等级 工程部位 环境条件 石粉类型和品质等, 可以有所区别 必要时, 经过试验和论证, 可以适当突破标准规范的要求 3 配合比设计时, 要将骨料跟胶凝材料 掺合料 外加剂作为整体考虑 针对具体工程和具体材料, 经过试验和论证, 骨料有些指标可以适当放宽 如压碎指标等 4 有条件时, 也可以采用尾矿骨料 建筑垃圾再生骨料等 83
四 高性能混凝土对砂石质量和品质的要求 砂石质量最关键的技术指标 ( 生产指标 ): 1 骨料粒型 ( 球型度? 针片状等 ) 2 有害物质含量 ( 尤其是含泥 泥块的量等 ) 3 粉体含量 ( 主要是石粉 ) 4 不同粒度相对比例 ( 单粒级的要求 ) 5 级配 ( 是一个综合概念 : 可以由用户选择 ) 6 坚固性 ( 针对具体工程和环境 ) 7 母岩抗压强度 ( 主要针对高强混凝土 ); 8 碱活性 ( 重要工程和特殊环境 ) 砂石质量最关键的技术指标 ( 用户指标 ): 堆积密度 ( 空隙率 ) 含水率 ( 吸水率 ) 匀质性等 84
四 高性能混凝土对砂石质量和品质的要求 标准 : 目前尚没有高性能混凝土用骨料标准 暂时用现行砂石标准 ( 国标 行标 ): 应满足现行标准要求的中 高要求 可参考 高性能混凝土技术指南 有必要制定 高性能混凝土用骨料标准 : 难点是标准定位 技术指标的确定 试验方法 可操作性 骨料只是混凝土的原材料之一, 需要跟混凝土性能指标相结 合统筹考虑 85
五 对砂石行业创新发展的建议 ( 一 ) 理念变革 ( 二 ) 工艺技术变革 ( 三 ) 装备变革 ( 四 ) 产品质量变革 ( 五 ) 标准规范变革 ( 六 ) 监督管理变革 86
五 对砂石行业创新发展的建议 ( 一 ) 理念变革 重新认识骨料的重要性 : 技术的 经济的 社会的 传统上认为骨料是 惰性 被动 的材料, 只起 填充 作用 实际上骨料应该看作 活性的 主动的材料, 对混凝土质量影响是全方位的 ; 传统上总是从水泥 外加剂 掺合料等方面投入大量人力 物力等进行研究和应用 很少从骨料方面去考虑问题 目前很多重大工程, 对技术和经济影响最大的是骨料品质和品种 上游的砂石企业和下游的混凝土 施工企业, 都要重新认识骨料重要性 为了质量, 必须提高砂石品质 ; 有了精品骨料, 应该实行优质优价 87
五 对砂石行业创新发展的建议 ( 二 ) 工艺技术变革 传统认为砂石生产没有什么技术含量 实际上砂石生产每一道 工序 整个工艺流程 设备的选型和布局等, 都需要精心设计, 才能生产出质量好的骨料 需要针对不同的岩石 不同的场地和资源等条件, 采用合适的工艺技术 需要将工艺跟装备结合起来, 进行技术 经济比选和试验, 实现二者的有机结合 88
( 三 ) 装备的变革 五 对砂石行业创新发展的建议 好的装备是生产高品质砂石的关键 砂石生产装备总体上进步较大, 很多装备完全能够生产出高品质的砂石骨料 但当前的装备两极分化, 良莠不齐 大量的小规模砂石企业, 采用的还是相对落后的砂石装备 89
已经建成的精品砂石生产线 ( 网上资料 ) 90
五 对砂石行业创新发展的建议 ( 四 ) 产品质量变革过去很长时间, 由于基础设施建设速度快 规模大, 砂石处于供不应求状态, 皇帝的女儿不愁嫁 只要有骨料供应, 就能挣钱, 根本顾不上砂石的质量 过去对砂石质量的重要性也认识不足, 工艺技术 装备技术跟不上 加上过去有大量的河砂可以供应, 机制砂的质量一直处于低端水平 目前, 由于河砂的枯竭 ; 环保和安全要求等 ; 生产供应机制砂石是必然趋势 随着国家节能减排 ; 绿色建筑和高性能混凝土推广 ; 工程质量要求的提升, 以及可持续发展的需要, 对砂石质量要求提高也是必然要求 91
( 五 ) 标准规范的变革到目前为止, 跟砂石有关的标准规范有几十本 涉及到国标 行标 地标等 这些标准规范对保证砂石质量和工程质量起到了很大的作用 但目前的主要问题标准之间缺乏协调性和系统性 这是行业条块分割 各自为政的结果 另外也存在标准没有得到执行或者标准门槛低 标准条文不合理或针对性不强 92
( 六 ) 监督管理变革 五 对砂石行业创新发展的建议 砂石行业在环保 安全等方面, 日益受到严格的监管 但在砂 石生产工艺技术 装备 产品质量和标准规范的执行上等方面, 监管力度弱 手段不到位 措施有限 很多砂石企业或地区处于没人管的状态 标准规范的执行是一个大问题 目前的砂石的国家标准 行业 标准和一些跟砂石有关的技术规范, 大部分内容还是合理 可 行的, 规定的技术指标对混凝土质量是有保障的, 但是没有得 到认真的贯彻执行和落实, 这跟监管不到位有很大关系 93
小结 1 推广高性能混凝土是节能减排和保证工程质量的必 然要求 2 高品质砂石骨料是高性能混凝土的最关键的材料之一 ; 3 砂石行业是混凝土原材料中最有希望 进步空间最 大的行业 4 砂石行业的发展需要从理念 技术 装备 标准 监督等方面进行根本性的变革 94
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