基于综合取代技术的绿色混凝土施工技术研究

1.前言

混凝土是由胶结材料，骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，其用量越来越大；同时混凝土具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，使其得到广泛使用。目前混凝土原材料品种丰富，混凝土质量良莠不齐，而现代混凝土设计除满足强度外，环保性、安全性、耐久性和经济性成了必须考虑的因素。在这种情况下，各种活性掺合料、人工集料、混凝土外加剂已经成为现代混凝土中不可缺少的组份，如何保证混凝土中各组分能够为混凝土做贡献，是目前预拌混凝土企业面临的问题。山东建泽混凝土有限公司在多年的混凝土生产施工过程中，致力于绿色混凝土施工方法的研究，通过不断探索、创新、发展、完善，总结出了一整套成熟的施工方法，并形成了“综合取代”绿色混凝土施工技术。

“综合取代”绿色施工技术是指在普通混凝土组分的基础上，掺合料采用矿渣粉与粉煤灰复合、细骨料采用机制砂与铁尾矿砂复合、水采用饮用水与回收水复合的措施，使其工作性能和耐久性能达到甚至超越普通预拌混凝土的一种设计理念。该技术已在济南、青岛等多个预拌混凝土企业中得到很好的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

2.技术原理

确定水泥和掺合料之间的最佳比例。混凝土性能受掺合料的品质和掺量的影响较大。矿粉和粉煤灰在混凝土中的掺量与水泥品种、水泥中矿物掺合料的种类及掺量有关，还与标准规范及工程要求有关。混凝土中掺加粉煤灰与矿渣粉，可有效地利用粉状材料颗粒级配不同的优势，合理搭配，从而使粉状颗粒在混凝土中的填充更密实，其强度发展相互影响，起到超叠加效应。并且双掺后的混凝土工作性能和强度均超过单掺任何一样掺合料。绿色混凝土“综合取代法”中的双掺技术通过对不同比例胶凝材料进行胶砂试验确定其最佳比例，从而延伸至混凝土生产过程中，可以提高混凝土的各项性能指标，并尽可能地降低混凝土的材料成本。

目前使用机制砂全部取代河砂制成的混凝土，由于其机制砂级配断层从而导致其工作性能存在一定的缺陷，采用铁尾矿砂取代部分机制砂，可有效弥补其级配缺陷。使用机制砂和铁尾矿砂制成的混合砂取代细骨料，其细骨料级配更合理，可以更好地调整混凝土的工作性能，且满足《混凝土结构设计规范》的力学性能。同时铁尾矿砂的使用不仅可解决废弃物的堆放造成的环境污染，还可大大降低混凝土的材料成本。

为更好地保护环境，做到废物零排放，对混凝土运输车及搅拌机清洗后的浆水进行试验验证其可用性。通过对二次水浓度及悬浮物的检测，部分取代搅拌饮用水，从而使搅拌水浓度及悬浮物控制在一定区间，在不影响混凝土性能的前提下，对二次水进行回收使用。二次水的回收使用能做到变废为宝，保护环境，同时减少水的浪费，节约水资源。

以《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55）为基础，视工程实际应用情况以及上周期混凝土强度的统计数据为基础以传统方式进行基准配合比设计；其中各胶凝材料比例的确定采用胶砂强度法确定，细骨料各组分的确定采用级配法确定，回收水的利用采用浓度法确定；对基准配合比进行调整，最终通过试配验证并结合工程实际情况和具体要求给出最终配合比。

3.材料选择

3.1 骨料

1、细骨料采用机制砂和铁尾矿砂制成的混合砂，其中机制砂选用济南当地生产，细度模数3.1～3.3，石粉含量低于10.0%，亚甲蓝试验合格；铁尾矿砂选用济南长清地区生产，细度模数1.4～1.7，亚甲蓝试验合格。
2、粗骨料选用济南当地产的5～25mm碎石。



3.2　掺合料

1、粉煤灰宜采用Ⅱ级粉煤灰。对于低强度等级混凝土,也可以采用Ⅲ级粉煤灰。本技术中试验及生产中采用的粉煤灰为聊城茌平电厂生产的Ⅱ级粉煤灰[1]。




3.3　外加剂


选用当地产的脂肪族外加剂，降低水泥用量和用水量，增大混凝土稳定性和流动性。本技术中所用外加剂为济南华建外加剂厂生产的BSM系列外加剂。


3.4　回收水


回收水采用预拌混凝土企业沉淀池中的水。




4.施工工艺流程及操作要点

4.1　工艺流程

本技术的工艺流程如图3所示。



4.2　操作要点

4.2.1　原材料方面

为提高混凝土状态的稳定性，对原材料进场质量作如下规定：

1、进场原材料质量应符合相关国家标准，同时应保持质量稳定；
2、为获得较稳定的配合比，预拌混凝土企业生产所使用的原材料厂家及品种尽可能单一。

4.2.2　各材料比例的确定

依据相关国家及行业标准，通过试验确定机制砂与尾矿砂的比例、粉煤灰与矿渣粉的比例、饮用水与回收水的比例。

1、粉煤灰与矿渣粉比例的确定：通过把不同比例的水泥、粉煤灰与矿渣粉混合，制作水泥胶砂，确定水泥、粉煤灰与矿渣粉各比例的强度，同时采用各比例进行混凝土试配，确定各配比工作性能和力学性能，并计算混凝土原材料成本。在胶砂强度和混凝土强度之间建立关联曲线，确定原材料成本最低时最佳配合比中的各胶凝材料比例，从而确定最佳胶凝材料比例。在长期的试验和生产中充分表明，掺合料总掺量达到30～50%、矿粉与粉煤灰比例在1：1至1：2时最佳。



通过试验发现，当掺合料总量不高于50%时，混凝土强度基本都满足要求，但是掺合料的掺加比例对混凝土的和易性影响较大。通过原材料成本和混凝土性能比较可以看出，掺合料总量占胶凝材料总量的比重不高于50%、粉煤灰与矿渣粉比例在1:2左右时，混凝土和易性相对较好，成本相对较低。
1、机制砂与尾矿砂比例的确定：通过不同比例的混合，获取最大堆积密度和最小孔隙率，以便尽可能减少胶凝材料浆体的用量，来达到降低砂率，减少用水量和胶凝材料用量的目的。对混合砂进行筛分试验，确定混合砂的最佳级配区间，同时确保0.315mm筛混合砂的通过量不小于15%，从而确保混凝土的可泵性能。实验证明在机制砂与铁尾矿砂的比例为8：2时较为合理。



①对尾矿砂进行筛分，各方孔筛上的累积筛余用Ax表示，计算其细度模数；
②对需改良砂进行筛分，各方孔筛上的累积筛余用Bx表示，计算其细度模数；
③将尾矿砂与需改良砂按a：b混合进行筛分，各方孔筛上的累积筛余用Cx表示，Cx＝a×Ax+b×Bx，x取值1、2、3、4、5、6，计算其细度模数，其中a+b＝1，且a与b取0.05的正整数倍；
④当混合砂的细度模数值在2.3～3.0时，将a*100%份尾矿砂和b*100%份的需改良砂进行充分混合后，得到混合砂；当混合砂的细度模数值不在2.3～3.0时，重复步骤①②③。

其中以尾矿砂为例，细度模数计算公式为：细度模数=【（A2+A3+A4+A5+A6）-5*A1】/（100-A1）,实例1中a取值0.35，b取值0.65，a+b=1,混合砂的细度模数2.7，在2.3～3.0之间，实例1的混合砂是按照质量份数用上述35%的有色金属矿尾矿砂与65%的机制砂充分混合得到。

实例2中a取值0.5，b取值0.5，a+b=1,混合砂的细度模数2.7，在2.3～3.0之间，实例2的混合砂是按照质量份数用上述50%的铁尾矿砂与50%的河沙与机制砂组成的需改良砂充分混合得到。

实例3中a取值0.2，b取值0.8，a+b=1,混合砂的细度模数2.8，在2.3～3.0之间，实例3的混合砂是按照质量份数用上述20%的黄金矿尾矿砂与80%的河砂充分混合得到。

实例1～3中的混合砂主要参数指标，参见表6。



检测预拌混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能。工作性能的试验方法按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行试验，检测指标要求满足施工要求；力学性能试验方法按照 GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行试验，检测指标要求满足设计强度要求；耐久性能的试验方法按照GB/T50082-2002《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行试验，检测指标要求满足设计耐久性要求。

预拌混凝土主要指标如表8所示，混凝土状态如图4所示。



其中，上述预拌混凝土在制备过程中，投料顺序都是石与混合砂搅拌10s～30s，再投入所述的胶凝材料、水、外加剂，搅拌10s～60s，出机。

1、饮用水与回收水比例的确定：通过试验验证掺加回收水后的水泥胶砂强度与不掺加回收水的水泥胶砂强度比例不小于95%，且强度满足水泥国家标准；对使用回收水的水泥净浆流动性与不掺加回收水的水泥净浆流动性比较基本无变化，从而确定回收水掺加比例。通过试验，浆水浓度在2%～4% 时混凝土可顺利生产；浆水浓度超出2％～4％时应调整浆水在搅拌用水中的比例。回收水掺加到饮用水中后，浓度不高于4%时对混凝土强度和对外加剂吸附性均影响不大。回收水使用前必须进行浓度试验，确定回收水浓度，使用时确保饮用水与回收水掺加后其浓度不超过4%，从而保证混凝土状态无大的改变。

对污水进行化学分析，并确定其浓度和悬浮物含量，如表7所示。通过与清水进行合理掺加，并用混凝土进行试验验证，确定混合水中的浓度和悬浮物含量，从而控制混凝土质量。



采用预拌混凝土企业使用最多的C30强度等级进行不同比例的污水配制混凝土试验，并对混凝土性能进行试验研究。为检测污水对混凝土含气量的影响，在泵送剂中加入一定量的引气剂。具体C30配比如表10所示，试验结果如表11所示。



通过试验结果可以看出，随着污水掺加比例的提高，配合比不变的前提下，混凝土坍落度呈降低趋势，特别是当掺加比例提高至80%以上时，坍落度出现急剧下降。尤其是当污水掺加比例高于80%时，混凝土出现急剧降低现象。由此推测，当污水中固形物含量低于4.8%时，污水对混凝土坍落度影响较小；随着污水掺加比例的增加，含气量呈下降趋势，但当污水掺加比例在50%和80%时，基本无变化。由于抗冻混凝土对含气量要求较高，因此对于有抗冻等耐久性要求的工程，污水使用前应试验验证。混凝土中含气量过大，会导致混凝土强度的降低，因此一定程度的含气量降低，可增加混凝土的密实度，提高力学性能；随着污水掺加量的提高，混凝土早期强度呈上升趋势，在污水掺量50%和80%时，强度基本稳定，但超过80%时，强度出现急剧提高现象。掺加污水后的混凝土后期强度均高于不掺加污水的强度，污水掺加比例在30%和80%时，强度相差不大，全部使用污水时强度最高。

污水掺加比例的不同对混凝土性能影响非常大。通过查找资料并进行详细讨论分析，我们认为主要是污水中的固形物对混凝土的性能产生影响，因此对污水进行浓缩处理，保证固形物含量相同，调整污水比例进行试验。通过实验验证，当混合水中的悬浮物浓度在2-4%之间时，对混凝土的工作性能影响最小，且力学性能有湿度增加。在此基础上对配合比进行优化调整，可适当降低10kg水泥左右。

对年产量60万方的混凝土生产企业来说，C25以下的混凝土一般能够占到全年混凝土总量的30%，全年产量有18万方；C30的混凝土一般能够占到全年混凝土总量的25%，全年产量有15万方。

（1）全年可节省水泥：
18万方*10kg/方+15万方*5kg/方=2550吨。
直接经济效益：
2550吨*290元/吨=73.95万元。
（2）全年使用污水约2.8万方，降低自来水用量2.8万方左右。
直接经济效益：
2.8万方*4.4元/方=12.32万元。
（3）减少蓄水池清挖费：2万元/年
（4）减少污水泵的非正常维修费：5万元/年
全年可产生效益总额：
73.95万元+12.32万元+2万元+5万元=93.27万元。
公司全年创造利润93.27万元。

4.2.3　配合比设计

1、采用试验确定好比例的各原材料进行配合比设计。配合比设计依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行计算，获得理论配合比；
2、对配合比进行调整，确定出施工配合比；
3、依据确定好的施工配合比，对掺合料比例上下浮动10%进行调整，对细骨料比例上下浮动10%进行调整，采用正交法进行试配试验，以混凝土拌合物性能和力学性能均满足要求时的各材料用量为优化后的配合比。

4.2.4　混凝土试生产

结合现场情况、环境情况及其它影响对优化后的配合比进行试生产，同时进行拌合物性能试验，符合要求即进行生产，不符合要求进行微调。

5.工程应用

本技术自2013年9月份已大范围应用于建筑工程当中，混凝土应用量已超过100万方，对确保混凝土的质量、降低了混凝土成本、杜绝现场混凝土堵泵现象起到了重要作用，同时保护了环境。

5.1　东城逸家建设项目工程

中国建筑第八工程局有限公司承建的东城逸家建设项目工程2-2地块工程，位于济南市历下区奥体中心东部。该工程总建筑面积超过100万平米，是济南东部最大的公务员住宅小区。工程为框架剪力墙结构，施工开工日期2014年3月，至今未完工。该工程混凝土由山东建泽混凝土有限公司供应，混凝土强度等级从C30至C40不等，混凝土浇筑方量超过8000方，浇筑时间从春季至冬季。该工程混凝土采用本技术生产施工，混凝土拌合物状态良好，施工过程中混凝土工作性能稳定、可泵性良好。强度验收时，送检试件全部合格。

5.2　中海华山北片区A地块、C地块工程

山东枣建建设集团有限公司承建的中海华山北片区a地块地下车库及配套设施工程属于济南华山珑城片区，该片区是济南最大的单体综合项目，位于济南市历城区华山。华山珑城项目总建筑面积超过1000万平米，该项目建筑面积10万平米，工程为框架剪力墙结构，浇筑混凝土强度等级从C15至C45不等，目前浇筑方量超过20000方。该工程所用混凝土采用本技术生产施工，混凝土拌合物状态良好，施工过程中混凝土工作性能稳定、可泵性良好，到期混凝土强度验收时，质量全部合格。



6.效益分析

6.1　社会效益

本技术解决了目前原材料品种变化多样、实际生产比例无法确定的现状，尤其是混凝土中掺合料比例无明确的标准及试验方法，导致均为经验比例，从而导致浪费。而回收水的随意使用也导致混凝土状态无法掌控。本技术不仅为本公司的混凝土生产及质量控制提供了可靠的依据，更为各预拌混凝土企业混凝土的质量控制提供了借鉴，具有很好的推广应用价值。同时使用粉煤灰、回收水等材料，可有效的保护环境，避免资源的浪费。

6.2　经济效益

采用本技术，可以大力推广掺合料和回收水的使用，不仅改善了混凝土状态，还大大降低了生产施工成本。山东建泽混凝土有限公司济南分公司和青岛分公司目前以生产混凝土，每方混凝土节约材料成本，降低排污费，更为公司创造效益。

7.结语

本综合取代技术以事实为原则，数据充足且可靠，对粉煤灰和矿渣粉其掺量的确定采用更准确的技术手段，且更贴合实际；对机制砂与铁尾矿砂的掺量确定，通过更科学的方法进行确定，从而保证了混凝土的可泵性能；对回收水用量采用浓度法确定，确保不影响混凝土状态及外加剂掺量。以双掺粉煤灰和矿粉代替部分水泥，以大小粒径组合、混掺等技术措施配置的具有良好的级配和低的空隙率的混合砂代替天然砂，以沉淀池内回收水代替部分搅拌饮用水，使废物得到利用，减少环境污染，节约资源。

相对于传统混凝土配合比设计，“综合取代”后的混凝土其工作性能优于传统预拌混凝土，成本降低，经济效益和环境效益明显。