[分享]耐久及低碳混凝土材料的设计原则
1 引言
在现代建筑中,混凝土是用量大、且十分重要的材料之一。对于混凝土行业来说,预拌混凝土应该当仁不让的担当起低碳这个重任。很难想象,不节能的建筑材料,能建造节能的建筑不低碳的混凝土,能建造低碳的构筑物。因此,建造低碳建筑,必须首先使用节能、低碳的建筑材料,只能这样才能真正达到建筑节能的目的,才符合低碳的要求。
由于新加坡许多有关土木工程的标准和规范都是依据英国标准来编制的,为了配合英国采用欧洲混凝土标准这一变化,自 2006 年起,新加坡标新局(Spring Singapore)及新加坡建设局(Building and Construction Authority, 简称 BCA)组织有关方面的专家在EN206-1 及BS8500 进行了深入的研究基础上并针对新加坡的实际情况,如新加坡的气候条件与英国的差别,编写了相对应的新加坡欧洲混凝土标准: SS EN206-1 及新加坡补充标准 SS544, 并于2009 年正式颁布出版。
在SS544-1:设计混凝土规程的方法及对设计规程者的指导原则中,列出了对不同种类的混凝土进行规程设计时所需要给出的详细要求,本文首先介绍标准中所列出的各种混凝土及其要求,然后讨论种不同混凝土规程的设计方法,接着分析了在规程设计的过程中如何考虑低碳及绿色环保的因素,并总结出耐久及低碳混凝土材料的设计流程。最后通过实例来详细说明设计流程中的每一步。
2. SS544 混凝土 –SSEN 206-1 的新加坡补充标准 ,第一部分: 制定混凝土产品要求的方法及指导
这是为制定混凝土产品要求的人而写的标准。在新加坡要按SS EN 206-1提出混凝土产品的要求,就必须按SS 544-1的方法进行。标准中列出了如下5种混凝土:
I. 设计混凝土 (Designed concrete)
混凝土的性能及附加要求是规定了的。 商品混凝土生产商所供应的混凝土必须满足这些要求。
II. 处方混凝土(Prescribed concrete )(不常用)
混凝土的配合比原材料是规定了的,商品混凝土生产商只要照处方生产就行,对混凝土的性能没有责任。
III. 标准处方混凝土(Standardi zed prescribed concrete) (不常用)
混凝土的配合比在当地是由国家标准规定的,只适用了低强度非结构用混凝土。
IV. 指定混凝土(Designated concrete)
对常用的混凝土结构,混凝材料的性能可按标准规定选用,使混凝土材料规程的制定简单化,同时比较完整及可靠。供应指定混凝土的生产厂必须有第三方认证。
V. 专利混凝土(Proprietary concrete)
生产商开发的新混凝土产品,可以不公开配方,但要求保证产品质量。这类混凝土如自密实混凝土,防水混凝土等。
一般来说,在新加坡供应的混凝土主要是设计混凝土。在标准中要求的设计混凝土的性能如下:
基本要求
a) 符合SS544-2;
b) 抗压强度等级(如表1)
c) 混凝土组成材料的限制值,即最大水灰比,最低水泥用量,或混凝土的DC-等级 (表2)。
d) 如没有DC-等级,则要给出允许使用的水泥种类。
e) 最大骨料尺寸(如不是20mm)。
f) 氯离子等级要求(如不是Cl0.40)(表3)。
g) 轻骨料混凝土:密度等级或密度。
h) 重混凝土:密度。
i) 混凝土的工作性等级,特殊情况下可要求工作性的数值。(表4)
补充要求
a) 特种骨料及等级;
b) 是否充许使用再生粗骨料 (符合再生骨料的要求);
c) 限制使用的骨料种类;
d) 纤维的种类及掺量;
e) 抗冻要求;
f) 新拌混凝土的温度要求;
g) 混凝土的强度发展;
h) 水化热要求;
i) 缓凝要求;
j) 防渗要求;
k) 耐磨要求;
l) 抗拉劈强度;
m) 其它技术要求,如特殊表面及浇注方法等。
n) 其它“关心的影响” (见see SS EN 206-1: 2009, A.4 注解, 及测试方法)。
表1 普通混凝土及超重混凝土的强度等级
表2 混凝土的DC-等级
表3 混凝土中最大氯离子含量要求
表4 坍落度等级
3. 低碳混凝土的设计考量
众所周知,混凝土中的碳排放主要来自水泥的生产,每生产一吨水泥约排放出一吨CO2, 水泥生产过程中排放出来的CO2主要来源于三个方面:(图1)
a) 供给水泥窑的能量: 约占 50% (每吨水泥300-450kg)
b) 石灰石分解时的排放:约占 50% (每吨水泥450kg)
c) 用电及运输: 份额很低
图1 水泥生产过程中的CO2排放
所以,低碳混凝土的设计,对于预拌混凝土而言,首先必须根据结构的要求,提出适合本项目的耐久及高性能的混凝土质量要求,减少材料用量,尤其是水泥用量;其次,必须使用合适的原材料包括外加剂;第三,要充分应用工业和建筑废料;第四,要设计出耐久及高性能的混凝土配合比。
3.1. 尽量设计高性能混凝土以取代普通混凝土
与普通混凝土相比,使用高性能混凝土可以减少结构尺寸,不仅可以降低混凝土材料的使用量,减少施工过程中的人工及能耗,还可以提高建筑的使用面积。从表5可以明显的看到,对同样的承载力来说,用高强混凝土设计的受力柱可以节省55%的混凝土用量,或者8%的水泥用量。
虽然单位立方米混凝土中的水泥用量增加了,但却的达到了如下的效果:
a) 混凝土的强度提高了,从而可以减少混凝土材料的用量;
b) 结构的重量减少了,从而可以用较小的基础;
c) 抗震设计要求降低了。
表5 高强混凝土与普通混凝土的比较
3.2. 尽量使用矿物掺合料代替水泥
新的欧洲水泥标准SS EN 197中有27种水泥,除了CEM I及SRPC是普通硅酸盐水泥及抗硫酸盐水泥外,其它的都是有掺合料的水泥,SS 544-2 将水泥分为如下的七大类(表6)。
表7是水泥及矿物掺合料的能量耗用量比较。用矿渣取代 65% 的水泥只需要0.5吨的原材料,能耗仅为 1,500-1,600 MJ/吨. 每吨水泥可节省最少6,000 MJ 的能量。
每吨水泥熟料的生产将排放出1.0-1.2吨的二氧化碳。表8是掺矿物掺合料的混凝土的碳排放比较, 可此可见,掺30%粉煤灰的混凝土可减少约20%左右的碳排放,而掺50%磨细矿渣的混凝土,碳排放量比普通硅酸盐水泥混凝土减少达43-50%!
表6 七大类水泥
表7 水泥及矿物掺合料的能量耗用量比较
表8 矿物掺合料混凝土的减排比较
因此在设计低碳混凝土时,水泥种类的选用原则为:
1)尽量避免只用普通硅酸盐水泥;
2)对普通建筑工程,选用II B-V 或III A水泥(表2及表7);
3) 对地下工程及海港工程,选用IV B-V或III B水泥(表2及表7)。
3.3 尽量使用再生骨料代替天然骨料
当前骨料资源已经出现了严重匮乏,人们已经开始寻求新型骨料资源:用海砂作骨料,用废弃混凝土再生骨料,利用尾矿制作骨料,人造骨料等。尤其是新加坡这样一个没有资源的小国,混凝土用的砂石全依赖进口,因此善加利用所有可以作为混凝土骨料的材料显得特别重要。与旧的混凝土骨料标准SS31相比,新的新加坡标准SSEN 12620涵盖了更广的范围,不仅包含了天然骨料,也包含了再生骨料及工业废料。新加坡的新混凝土补充标准SS544-2中更对再生骨料的定义及要求作了详细的规定。
SS EN 12620第3条款 中对混凝土再生骨料的定义: 机制骨料:对矿物原料进行工业加工(加热或其它过程)生成的矿物骨料; 再生骨料: 对原先用在建筑工程中的无机材料进行加工后生成的骨料。 SS544-1 第3.1条款中的定义: 再生骨料: 对原先用在建筑工程中的无机材料进行加工后生成的骨料; 再生混凝土骨料: 对原先用在建筑工程中的混凝土进行破碎后生成的骨料。SS EN206 第5.2.3.3条款中对回收骨料的定义: 从新拌混凝土清洗过程中回收的混凝土骨料。 SS 544-2规定了再生骨料的质量要求,见表9。
表9 混凝土用再生骨料的质量要求
SS 544-2限制粗再生混凝土骨料只能用于如表10所列的混凝土中:
表10 粗再生混凝土骨料用于混凝土中的限制
SS544-2第6.2.2条款中规定对RC20/25 to RC40/50混凝土,其再生粗骨料的用量不能超过粗骨料总量的20%。SS EN206-1中对回收骨料的限制:未分级的回收骨料不能超过总骨料的5%。对分级为粗细骨料的回收骨料,且骨料的种类不变时,则不受限制。
3.4. 利用好外加剂
混凝土的许多性能由外加剂来调节,利用好外加剂可以设计出水泥用量少,流动性好,强度高及密实耐久的混凝土,从而达到节省原材料,降低混凝土碳排放,减少人工及能耗的目的。表10是利用减水剂时混凝土可节省的水泥用量。
综上所述,低碳混凝土的设计主要要考虑到如下几点:
1)尽量使用掺合料水泥,普通建对普通建筑工程,选用II B-V 或III A水泥; 对地下工程及海港工程,选用IV B-V或III B水泥(表2及表7)。
2)利用好外加剂。
3)尽量利用再生骨料代替天然骨料。
4) 避免过度设计。
4. 耐久低碳混凝土的设计步骤
4.1. SS544-1 设计流程
图 2 是SS544-1 及 BS 8551-1 推荐的设计混凝土(Designed Concrete)的设计流程。
图2 设计混凝土(Designed Concrete)的设计流程
4.2. 应用举例
这是一个混凝土悬空楼板,混凝土要求泵送,用内置式振动器密实成型,表面磨平,有地毯。大楼柱子的混凝土是C32/40。
第 1 步,因为地板是有地毯的,所以没有耐磨要求,从 SS544-1 的表 A1 中,可以确定此地板的暴露等级是XC1。 暴露等级的确定也可参考图 3。因为没有化学侵蚀,可直接去第10 步。
图3 暴露等级
第10步,按 EN1990:混凝土结构的设计基础,本建筑属普通结构,使用寿命至少 50 年。从结构计算中,要求混凝土的强度等级为 C25/30。钢筋保护层的厚度为(20+5)mm。
第 11 步,最大骨料粒径选择 20mm, 钢筋混凝土的氯离子等级按 SS544-1,4.2A 选为Cl0.4。泵送混凝土的坍落度等级选为 S3。商品混凝土搅拌站必须有第三方认证。
第 12 步,从表 A.4 中,相应于 XC1 暴露等级,使用寿命至少 50 年的混凝土的耐久性要求为:强度等级C20/25, 最大水灰比 0.70, 最小水泥用量 240kg, 钢筋保护层厚度(15+5)mm, 表A.6 中的所有水泥种类都可使用。
第 13 步,因为本结构没有 XD 及 XS 暴露等级,所以 IIIB 及 IVB 水泥可以排除,抗硫酸盐水泥SRPC 也可排除。
第14 步,耐久要求(第 12 步)及结构设计(第10 步) 有差异。
第15 步,耐久性要求(C20/25, 20mm 保护层)比结构设计要求(C25/30, 25mm 保护层)来得低。对结构设计重新检查后,发现 C20/25, 20mm 保护层也能满足结构要求,原先的设计过于保守。
第16 步,最后,提交给商品混凝供应商的混凝土基本要求为:
a) 供应的混凝土必须符合 SS544-2 及SS EN206-1 的要求;
b) 混凝土强度等级:C20/25;
c) 最大水灰比:0.70, 最小水泥用量:240kg/m3;
d) 允许使用的水泥种类:I,II,IIIA(SS544-2:2008, 表1);
e) 最大骨料粒径: 20mm;
f) 氯离子等级: Cl 0.40;
g) 及 h)不适用;
i) 坍落度等级:S3.
第17 步,额外要求:
a) 生产厂必须有 SS ISO 9001 证书,
b) 骨料的干缩按 BS EN1367-4 测试时,应不大于 0.075%;
c) SS EN 12620 骨料的 Los Agneles 耐磨必须大于LA40。
第18 步,给供就商的有关资料:
混凝土要泵送,用插入式震动器成型,表面磨平。
第19 步,要供应商提供的资料:
a) 有没有用再生骨料,种类及掺量;
b) 再生骨料有无碱集料反应的危险?及测试证书。
5. 结论
a. 混凝土要求的设计必须按新的国家标准 SS EN206-1,SS544-1 及 SS544-2 进行。
b.设计并生产高性能耐久混凝土对混凝土工业的低碳低排放意义重大。
c.低碳耐久混凝土的设计可遵循如下原则:
尽量使用掺合料水泥,普通建对普通建筑工程,选用II B-V 或III A水泥对地下工程及海港工程,选用IV B-V或III B水泥(表2及表7)。
d.利用好外加剂。
e.尽量利用再生骨料代替天然骨料。
f.避免过度设计
g.混凝土的要求设计可按SS544-1及BS8500-1推荐的流程进行。