[01417206]矿物减水理论与高性能掺合料和超高性能混凝土

一、 任务来源： 本成果的任务源自两个纵向科研计划：（1）广东省自然科学基金研究项目《混凝土超低水胶比拌和体系的矿物减水理论》 （课题编号：994502）和（2）广州市教育委员会科研项目《混凝土矿物减水理论与超高泵程C80～C100砼》（2001年度）。另外，结合了广东省四建承建的广州第二高楼—广东邮电枢纽大厦工程混凝土供应要求：混凝土强度等级C80，用国产泵机一次性从地面泵送至253米标高顶楼施工部位。二、技术原理： 超高泵程C80以上高强混凝土的制备和应用难度很大，在一定程度上代表了一个国家建筑行业的科学技术水平。超高泵程高强混凝土制备存在着一对相互牵制的因素：一方面需降低水灰比以提高强度；另一方面须提高水灰比以增加流动度，这是一对矛盾。在超低水胶比拌合体系，这个矛盾的解决目前仅靠化学减水剂已无能为力，必须依靠超细矿物掺合料协同进行矿物减水。超细矿物掺合料成为超高性能混凝土配制的关键所在。该研究认为，比水泥颗粒细小的矿物掺合料一方面对间隙水具有削减效应，另一方面对表面层水具有增大效应。矿物微粉减水作用的大小、取决于其填充效应与其表面吸水效应的相对大小。因此，对于连续级配的矿物掺合料，必然存在一个适中的最佳平均粒径和掺量，这个粒径要小于一定的值才能发挥作用，但又不能太小。根据上述原理，本成果系统提出了混凝土矿物减水的理论和方法，首次提出矿物掺合料适中粒径的概念，并首次建立了矿物微粉减水机理的数学模型，定量给出了矿物微粉最佳的平均粒径。随后，开发出最佳粒径高性能矿物微粉和与之适应的超塑化剂，在C80混凝土的配制过程中，依靠最佳粒径微粉和超塑化剂协同减水，取得了最大的减水效率，使配制的C80混凝土粘滞性小，可泵性优越，在实际工程中顺利地一次性泵上253米高空。三、成果性能指标以及国内外比较、创造性和先进性：（1）该研究成果强调超细矿物掺合料的减水增强效应取决于其填充效应与其表面吸水效应的相对大小。首次提出了矿物掺合料适中粒径的概念，首次建立了细微掺合料矿物减水机理的数学模型并首次定量给出了矿物掺合料最佳粒径（1～4μm）。国内外对超细矿物掺合料填充效应的研究没有定量考虑过掺合料的表面吸水效应，也没能给出掺合料适宜粒径的定量参数。（2）矿物减水理论在实际工程中得到了应用和验证，成功地指导了广州第二高楼—广东邮电枢纽大厦工程C80超高强砼一次性从地面泵上253m高空。据国家建设部和广东省科技情报所的查新表明，这是我国首次将C80混凝土泵上250米以上高度，创下了我国C80砼生产施工的最高泵程纪录。用矿物减水理论指导配制的混凝土平均强度超过90MPa而保持极为优越的可泵性，其倒置坍落度筒试验，混凝土流出时间初始小于8秒，2h后仍小于13秒。国内报道的超高强混凝土，流出时间大多在15秒以上。和国内一些重要工程的泵送超高强混凝土（如上海金茂大厦工程一次泵高382米的C4 0混凝土、广州合银广场泵高152米的C80混凝土）相比，本工程混凝土的技术要求更高，难度更大：一是强度超高（C80）；二是泵程超高（253米）；三是工程要求采用国产混凝土泵机泵送施工。（3）该研究在纳米尺度下对具有巨大潜在价值的高活性矿物掺合料—低温稻壳灰的显微结构进行了深入系统的研究，在国际上首次发现稻壳灰由纳米尺度的SiO_2粒子（约50nm）疏松粘聚而成，并首次提出了稻壳灰显微结构的三层次结构模型，研究成果在中国物理学会《电子显微学报》、《材料科学与工程》和《硅酸盐学报》等重要权威期刊发表。国内外对稻壳灰有大量的研究，但目前其显微结构仍未清楚。稻壳灰研究权威、美国工程院院士P.K.mehta也只给出了稻壳灰10μm尺度的结构。国内外查新结果表明，这是国际上稻壳灰研究中，对其显微结构最为系统、最为深入和清晰的研究。四、推广应用前景与措施：（1）矿物减水理论提出的概念、理论和参数，对我国目前正在兴起的混凝土掺合料行业起到了引导推动的作用。矿物掺合料基础理论研究一般认为，掺合料微粉越细，填充密实性能越好，活性越高。掺合料行业为此一度走入追求超细的误区。本成果对此进行了有力的引导，并被实践所肯定。清华大学、武汉工业大学、西安建筑科技大学、东北大学、辽宁建科院等机构的同行正面引用了本理论创造出新的成果。其中辽宁建科院采用该研究成果的理论和参数，开发了矿物减水剂LJ矿粉，创造了巨大的经济效益；武汉工业大学应用该研究成果，研究出一种新型胶凝材料—低需水性高性能水泥；而西安建筑科技大学则采用本成果开发出一种新型C80高性能混凝土。本省掺合料生产企业也采用本成果对矿物掺合料进行了精细加工，根据两家直接采用该项目成果开发高性能掺合料的企业统计，自2001年采用本成果以来，新增产值超过5000万元，新增利税超过1000万元。随着高性能混凝土的进一步推广应用，土木建筑行业对高性能矿物掺合料的需求还会进一步加大，本成果的应用前景非常广阔。当前，还需要对矿物掺合料的粉磨和风选设备进一步改良，以便低能耗地生产出符合粒径要求的高性能矿物掺合料。（2）超高强混凝土的超高程泵送在一定程度上代表了一个国家建筑业的科学技术水平。矿物减水理论对超高泵程高强混凝土配制具有重要的指导作用。该研究的工程应用创下了我国C80高强砼的生产施工纪录，为我国建筑业科技水平和科技含量的提高做出了贡献。《羊城晚报》等重要媒体在头版头条位置对此成果进行了报道，产生了积极的社会意义。高泵程超高强混凝土强度高，在超高层建筑等领域具有重要应用。由于矿物掺合料的大量引入，这种混凝土在高强化的同时，也带来了工作性、耐久性等性能的大幅度提高，是一种超高性能混凝土。其优越的可泵性，还改变了超高强混凝土主要靠塔吊输送的落后方式，实现了施工操作的机械化。这种混凝土的胶凝材料中，含有近半的工业废渣，又是一种绿色环保的建筑材料，其应用前景不可估量。当前，要进一步沟通结构设计和结构材料研究的联系，大力推广应用高强高性能混凝土。（3）稻壳是一种未找到合适利用途径，数量庞大因而对环境压力巨大的农业副产品。该研究发现低温稻壳灰存在大量纳米尺度的SiO_2粒子，揭示了稻壳灰在土木工程、原材料工业、化学工业、食品、环保等领域里的巨大潜在价值和广阔应用前景，具有重要的科学意义和实用意义。今后，要进一步研究稻壳灰纳米结构与热裂解条件的关系并研制出稻壳灰产业化的生产装置。