新型无熟料水泥混凝土的研究与应用.docx
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新型无熟料水泥混凝土的研究与应用
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
鉴定资料汇编
北京城建集团有限责任公司混凝土分公司
总目录
一、无熟料水泥及混凝土的研究与应用鉴定大纲
二、无熟料水泥及混凝土的研究与应用工作报告
三、无熟料水泥及混凝土的研究与应用技术报告
四、无熟料水泥及混凝土应用报告
五、无熟料水泥及混凝土生产技术规程
六、无熟料水泥企业标准
七、无熟料水泥混凝土检测报告
八、无熟料水泥混凝土工程应用证明
九、国内外同类技术比较
十、科技情报查新报告
鉴定文件之一
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
鉴定大纲
北京城建集团有限责任公司混凝土分公司
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
鉴定大纲
一、鉴定项目名称
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
二、鉴定形式及组织鉴定单位
1．鉴定形式：
专家评议
2．组织鉴定单位：
北京市建设委员会
三、鉴定内容
通过审查技术文件，对本成果技术水平的先进性与实用性及质量指标，应用前景做出评价。
四、会议审查技术文件
1．无熟料水泥及混凝土的研究与应用鉴定大纲
2．无熟料水泥及混凝土的研究与应用工作报告
3．无熟料水泥及混凝土的研究与应用技术报告
4．无熟料水泥及混凝土应用报告
5．无熟料水泥及混凝土生产技术规程
6．无熟料水泥企业标准
7．无熟料水泥混凝土检测报告
8．无熟料水泥混凝土的工程应用证明
9．国内外同类技术比较
10.科技情报查新报告
五、鉴定会议程序
1．通过鉴定委员会名单。
2．由鉴定委员会组织鉴定，通过鉴定大纲。
3．由课题组介绍该课题的工作、研究及应用报告。
4．文件审查与评价。
5．鉴定委员会提出意见。
6．鉴定委员会通过鉴定意见并签名。
7．会议结束。
鉴定文件之二
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
工作报告
北京城建集团有限责任公司混凝土分公司
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
工作报告
一、无熟料水泥及混凝土研究的必要性
传统的硅酸盐水泥混凝土由于其原材料烧制工艺复杂，排放大量二氧化碳、二氧化硫气体严重污染环境，而且混凝土耐久性指标出现诸多问题。
由于配制超高强、高性能混凝土技术要求高，操作困难，因此在经过近一个世纪的发展和完善之后，又面临新的挑战。
在这种条件下，研制和发展免烧结水泥基材和绿色高性能混凝土——无熟料水泥混凝土，适应建筑行业可持续发展的技术要求，已势在必行。
1、硅酸盐水泥及其混凝土面临的严重挑战
（1）、硅酸盐水泥生产的环境污染
我国硅酸盐水泥生产工艺相对落后，在全国近5亿吨水泥中，70%为立窑或小窑水泥，这些水泥生产厂家规模较小，没有与之相配套的技术和资金对水泥生产造成的粉尘、噪音、尾气进行处理，因此严重污染环境，危害人民的身心健康，破坏了自然生态环境。
国家为了减少这些污染，合理调整水泥行业的产业结构，采取了扶持扩建大型回转窑生产线，淘汰小立窑水泥厂的方针（在1999～2000年，淘汰小水泥厂1000多家）。
但是即使这样，对高标号水泥的生产仍然是供应不足。
因此消除水泥生产造成的环境污染，已是当务之急，而这些措施的出台势必引起水泥行业技术竞争和产品结构的调整。
（2）、硅酸盐水泥混凝土面临耐久性问题的挑战
用硅酸盐水泥混凝土建造的民宅、办公楼、桥梁等建筑设施，由于原材料、施工工艺、保养维护措施的不同等各种因素的影响，经过近半个世纪的风雨浊蚀，北京市内的立交桥、大型公用建筑均有不同程度的损伤。
经过专家会诊，钢筋锈蚀、碱—骨料反应、冻融循环、抗渗指标降低是引起这些损伤和破坏的罪魁祸首。
现在我们所能采取的措施也只能是修复。
对正在建设或准备筹建的项目，一般采用限制预拌混凝土碱含量、限制氯离子引入、掺膨胀剂等措施，但这些措施的采取并没有从根本上消除对混凝土耐久性的危害，特别是潮湿的工作环境中，即使少量的碱也可能引起碱骨料反应，而在露天的工作条件下，即使掺膨胀剂，混凝土也会出现微裂缝，抗渗性同样受到影响。
因此对耐久性指标要求较高的混凝土工程，如何改善硅酸盐水泥混凝土的性能仍然是一个重大的技术课题和难题。
（3）、用硅酸盐水泥配制超高强高性能混凝土面临技术难题，国内普通硅酸盐水泥配制混凝土强度最高可达100MPa以上。
但现实的施工条件下，大多数重点工程以及城区的在建项目均采用大流动性混凝土，在这种条件下，对高强度、大流动性混凝土的配制主要依赖高效减水剂和超细掺合料，从而达到泵送的目的，但这样做无形中增加了混凝土的生产成本。
另外由于水泥用量的增加，使混凝土硬化过程中水化热过高，在高层建筑的施工中经常引起堵泵现象，因此给施工造成很大的困难。
在这种条件下，如何采用一种新型的非烧结水泥基材生产一种低水化热、泵送性能好、成本低、耐久性好的高强、高性能混凝土，改善传统硅酸盐水泥混凝土存在的缺陷就显得十分必要。
2、无熟料水泥及混凝土研制开发的必要性
为了从根本上改变硅酸盐水泥生产混凝土所出现的各种问题，从可持续发展的角度考虑，我们采用无熟料水泥配制混凝土，就可以减少燃煤排放二氧化碳、二氧化硫等造成的污染；采用无熟料水泥配制混凝土，可以改善混凝土的抗冻性、抗渗性，消除碱—骨料反应和混凝土中的钢筋锈蚀现象，减少混凝土的碳化收缩，提高混凝土的耐久性指标。
特别是对于高强超高强混凝土，我们采用无熟料水泥生产技术后，由于无熟料水泥混凝土具有较低的水胶比、良好的流动性、低水化热﹑早强、快硬等特点，同时不需掺入泵送剂，为方便施工，降低成本，满足工程设计的不同要求，创造了良好的基础条件。
二、无熟料水泥及混凝土研究开发的可行性
1．无熟料水泥及混凝土（碱矿渣混凝土）的研究开发及应用，在国际上已有成功的例子，但无熟料水泥混凝土泵送施工尚无成功事例。
国内已开始在试验室研究无熟料水泥混凝土，但泵送无熟料水泥砼的研究还未开展。
前苏联是世界上开发和研究无熟料水泥混凝土最早、无熟料水泥混凝土产量最高、应用最普及的国家，从1962年开始批量生产，到1995年为止，前苏联已经在各种建筑工程中累计现场搅拌使用了300万立方米无熟料水泥混凝土，从1985年以来，现场搅拌无熟料水泥混凝土的年产量一直保持在30万立方米。
特别是在第二届全苏联碱矿渣混凝土学术讨论以后，无熟料水泥混凝土获得了迅速的推广应用，现在其应用范围几乎可以与硅酸盐水泥混凝土相提并论。
1989年，前苏联利别滋克市已成功地全部使用现场搅拌无熟料水泥混凝土建成了高22层的住宅楼，这标志着土木建筑工程中无熟料水泥混凝土已完全可以取代硅酸盐水泥混凝土。
2．在国内，以重庆建工学院蒲心诚教授为代表，安徽水利学院、南京化工学院及上海建材学院、河海大学都对无熟料水泥及混凝土的水化机制、原理及应用进行了多年的研究并取得了一定进展，认为无熟料水泥混凝土的宏观结构与普通硅酸盐混凝土基本相同，但其微观结构则有很大的差异。
其特点是无熟料水泥混凝土的结构致密，孔隙率低，且孔隙多为封闭的微孔，水泥石与集料的粘结十分牢固，水化产物中除了CaO-SiO2-H2O系统的水化物（沸石），无熟料水泥混凝土的这些结构特征赋予了这种混凝土以优越的物理力学性能，使之集高强、快硬、高抗渗、高抗冻、低水化热、高耐久性于一身，它的性能是目前大量使用的硅酸盐水泥所无法实现的，特别是无熟料水泥混凝土受荷破坏时，断裂面发生在水泥石和集料中，很少发生在它们的界面上，因此在物理力学性能及耐久性指标方面无熟料水泥混凝土具备承重结构材料的应用条件。
3．在开发应用方面，武汉钢铁公司科研所于八十年代初利用自产的碱矿渣水泥在试验室配制出了高标号无熟料水泥混凝土。
1986年南科院也开发和研究了这一材料，并将无熟料水泥混凝土现场搅拌应用于工程抢修和快速施工、高抗腐蚀等各种特殊要求的混凝土工程，取得了理想的成果。
1996年重庆建筑工程学院在试验室研制成功了无熟料水泥流态混凝土，可以做到初始坍落度（180～220）mm，坍落度二小时内无损失，三小时内损失很小，应当说这为无熟料水泥混凝土的发展又一次做出了不可估量的贡献，但是他们只是在试验室里配制出了一部分小样品，没有进行工业化试生产。
4．自20世纪80年代以来，预拌混凝土在国内迅速发展，无熟料水泥混凝土由于快凝快硬流变性能差的特点，使这项技术在预拌混凝土施工中一直无法应用。
我们研究泵送无熟料水泥混凝土是对国内外已有研究成果的继续和深入发展，在原有理论和实践的基础上，我们研制开发了无熟料水泥混凝土专用激发剂、缓凝剂、流化剂和稳定剂，实现了对无熟料水泥混凝土拌合物工作性能的有效控制，在现场施工过程中调整初凝（6～8）小时，终凝（8～12）小时，坍落度初始值（200～210）mm，五小时后保留值（180～210）mm。
综上所述，在现有理论基础上，借鉴国外无熟料水泥混凝土研究经验，通过我们自身对泵送混凝土各项技术指标的深入研究和调整，配制出了满足不同强度等级的无熟料水泥高性能混凝土。
三、项目的来源、研究工作目标及内容
本项目根据混凝土技术的发展和市场需求自选，由北京城建集团混凝土公司2000年3月组织立项，研究时间2000年3月至2000年12月。
研究目标确定如下：
1.使用矿渣粉和粉煤灰配制出425#～725#无熟料水泥基材。
2.无熟料水泥的性能指标满足
1）细度：
（380～420）m2/kg
2）凝结时间：
初凝（2～6）h
终凝（3～8）h
3）安定性：
合格
4）强度：
项目
3d
28d
抗折强度（MPa）
≥5.0
≥7.5
抗压强度（MPa）
≥21.0
≥50.0
5）标准稠度用水量：
（16～18.5）%
3.无熟料水泥混凝土的性能指标满足
1）拌合物指标
1、坍落度：
（200～230）mm扩展度：
≥500mm
2、含气量：
≤1.0%
3、容重：
（2400～2500）kg/m3
4、水胶比：
0.20～0.35
2）力学性能指标，检测以下几项
1、立方体抗压强度
2、轴心抗压强度
3、静力弹性模量
4、劈裂抗拉强度
5、抗折强度
3）耐久性指标，检测以下几项
1、抗冻性
2、抗渗性
3、收缩性
4、钢筋锈蚀
在对以上项目进行检测后，再实际工程中用矿渣粉配制无熟料水泥试生产300立方米C20～C50无熟料水泥混凝土进行应用，28天抗压强度不低于55MPa，所配制混凝土拌合物坍落度不低于200mm，五小时坍落度损失不大于5.0%，其它性能符合工程要求，然后制定产品企业标准，再逐步推广使用。
无熟料水泥混凝土，是一种高性能的优质混凝土，因其低水化热、良好的工作性、耐化学腐蚀性和后期强度的较高增长率，尤其适用于较高强度大体积的基础工程、高强度的柱及梁板浇筑工程。
该项技术的实施可促进无烧结熟料水泥混凝土的推广应用，提高混凝土工程的质量。
具有广阔的市场前景、经济环境和社会效益。
该技术大量利用矿渣、粉煤灰等工业废料，节省资源和能源，保护环境，适应各种工程需求，因此也被称之为绿色混凝土。
四、试验研究工作内容及成果
1.无熟料水泥的组成成份及其对混凝土性能的影响
1）矿渣粉的细度对水泥强度的影响
在试制的过程中，我们采用不同细度的矿渣粉，其细度由200m2/kg～700m2/kg，研究细度与强度之间的线性发展规律。
2）矿渣粉的活性，我们分别采用了碱性、中性、酸性三种矿渣粉进行了试验，确定矿渣粉的最佳掺量及其对水泥强度影响规律。
3）通过分别按Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰进行不同掺量的试验，对粉煤灰的合理掺量进行了研究。
4）激发剂选择两种复合使用，按不同的掺量及比例进行了优化，以确定最合理的激发剂用量。
5）缓凝剂和流化剂的选择，我们对二十多种电解质根据胶体双电层理论进行了研究，优选出合适的缓凝剂和流化剂，以达到预期的效果，从而解决无熟料水泥由于快凝而无法泵送的问题。
2.无熟料水泥及混凝土的试验研究内容：
1）混凝土的目标强度为C20～C60
2）用无熟料水泥配制泵送混凝土的方法
3）无熟料水泥混凝土的工作性能
4）无熟料水泥混凝土的力学性能
3.试验结果
1）在国内首次得到无熟料水泥及混凝土组成材料和合理配合比，并确定了生产工艺。
2）研制成功了用于C20～C60的无熟料水泥混凝土，并应用于现场施工，其主要性能为：
初凝（6～8）h
终凝（8～10）h
坍落度（190～220）mm
抗压强度（30～80）MPa
五、结论
1．该技术节省能源和资源、保护环境、适应现行建筑行业大体积浇筑高强大流动性混凝土等现代化生产为特征的无熟料水泥混凝土，符合时代发展要求。
2．无熟料水泥混凝土具有低需水量、低水化热、低收缩率、高强度等特点，适应于高性能混凝土发展的需要。
3．无熟料水泥混凝土的配制，不需要水泥和泵送剂，省去了水泥生产过程，减少了环境污染；省去了泵送剂配料，大大减少了采购、储存、检测、配料等过程产生错误的概率，有利于高性能混凝土质量的保证。
4．无熟料水泥混凝土适用于配制C40以上的混凝土，特别是大体积混凝土、地下工程、高耐久性要求的工程、柱梁等高强混凝土工程。
5．在经济上，无熟料水泥混凝土比普通硅酸盐水泥混凝土低，因此具有较强的市场竞争力。
鉴定文件之四
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
技术报告
北京城建集团有限责任公司混凝土分公司
无熟料水泥及混凝土的研究与应用
技术报告
一、无熟料水泥的组成及配比试验
无熟料水泥的主要原材料为矿渣、粉煤灰、激发剂、流化剂、缓凝剂和稳定剂等。
各组份之间的合理组合与匹配，以及与缓凝剂的相似相溶，是制备出微观结构布局合理、流动度和强度均最优的胶凝材料和混凝土的前提，同时对胶凝材料本身的用水量、凝结时间、保水性、强度、收缩性、水化热都产生不同程度的影响。
因此，我们必须对各种原材料的成分、物理力学性能指标，以及它们之间的组成和配比进行优化试验研究。
1．无熟料水泥的组成
1.1原材料
1.1.1矿渣粉
本研究使用的矿渣粉，其主要性能指标如下表：
成分
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
TiO2
首钢矿渣
33.56
11.40
0.33
40.39
11.20
0.57
0.57
1.34
鞍钢矿渣
35.80
13.40
0.47
41.20
10.70
0.32
0.41
0.95
本钢矿渣
32.40
12.50
0.53
43.2
8.70
0.44
0.51
1.0
凌钢矿渣
38.70
11.50
0.90
41.2
7.80
0.51
0.47
2.1
抚钢矿渣
32.40
10.95
0.85
40.27
10.70
0.90
0.35
1.3
表1矿渣化学成分表
1.1.2本研究所用粉煤灰产地及各项技术指标详见表2、表3。
成分
产地
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
TiO2
MnO2
Loss
北京东郊灰
51.96
32.61
5.61
2.61
0.63
0.78
0.17
1.12
0.06
3.46
元宝山灰
58.64
19.70
9.56
4.42
2.08
2.64
0.87
0.91
0.09
0.80
沈海煤灰
56.40
26.50
7.82
3.05
0.66
0.12
0.37
1.25
0.30
3.53
鞍钢热电灰
56.30
27.50
9.32
2.51
0.55
1.71
0.39
0.92
0.07
0.73
辽宁电厂灰
57.20
26.35
8.75
2.06
0.17
1.22
0.57
0.17
0.13
3.38
锦州电厂灰
48.90
36.51
7.64
2.53
0.95
1.03
0.72
1.05
0.01
0.66
阜新电厂灰
47.65
29.32
6.59
1.09
0.93
1.51
0.02
1.07
0.50
1.32
表2粉煤灰化学成分表
技术指标
元宝
山灰
北京
东郊灰
沈海
煤灰
鞍钢
热电灰
辽宁
电厂
锦州
电厂
阜新
电厂
分级标准
Ⅰ级
Ⅱ级
细度（0.045mm方孔筛筛余%）
6.0
18.0
6.0
5.4
5.0
7.2
16
12
20
需水量比（%）
94
103
98
97
93
97
102
95
105
烧失量（%）
0.89
3.46
3.53
0.73
3.38
0.66
1.32
5
8
含水量（%）
7.0
1.0
0.6
0.5
0.47
0.90
1.6
1
1
SO3（%）
0.68
6.96
0.72
0.65
0.41
0.51
1.20
3
3
活性率（%）
19.71
14.6
18.21
19.20
18.4
17.2
15.6
28d胶砂强度比（%）
96.0
78.2
94.0
97.20
98.0
93.0
81.5
≮75
≮62
表3粉煤灰技术指标
1.1.3激发剂
采用三种材料复合使用，其中R2CO3、R2SiO3含量分别为98%、99%；R2O•nSiO2，比重分别为0.90～1.03、1.6～1.8、2.4～2.6三种工业用品；缓凝剂FQ采用自己复合配制的专用激发剂。
1.2无熟料水泥各种原材料对水泥性能的影响
无熟料水泥主要成分为矿渣粉、粉煤灰和激发剂。
矿渣粉是无熟料水泥的主要成分，它具有很大的潜在反应活性，当细度超过400m2/kg时，能够在碱性激发剂的作用下，在表面能形成许多硅酸根离子，它们与钙离子一起溶于水，由于离子的扩散速度不一，因此在达到一定的浓度后在矿渣粉表面会形成低富硅层或在附近形成低C/S比的CSH层，随着激发作用由表及里，CSH层剥离，向液相空间转移，促进了胶体的大量形成，为浆体叠合形成沸石类水化产物创造条件。
粉煤灰的结构活性比矿渣要低一些，玻璃体也少，但是在高的碱性环境中，粉煤灰可以产生稳定增长的后期强度，同时粉煤灰能改善混凝土施工性能和力学性能、减少混凝土需水量、避免混凝土拌合物的离析、泌水、改善工作性、减少坍落度损失；掺粉煤灰还可以减少无熟料水泥混凝土的自收缩和干燥收缩，提高混凝土后期强度增长率和抗化学侵蚀的能力等。
激发剂在无熟料水泥水化过程中的激发作用主要是破坏硅氧网络，使矿渣结晶体、玻璃体发生解体，参与水泥水化反应。
激发剂中的含水R2O•nSiO2水解后形成ROH和含水硅胶，含水硅胶结合溶液中的Ca2+与OH-形成CSH，溶液PH值变化反过来又促进外加剂进一步水解，从而形成有利于水泥强度的CSH凝胶体。
缓凝剂则是通过无机盐离子对CSH胶体双电层的排斥和吸引控制水化反应速度，从而达到缓凝的目的。
1.2.1矿渣粉碱度对无熟料水泥强度的影响
由表中数据可知，当采用相同量的矿渣粉、激发剂时，对酸性矿渣粉的激发效果较差，对碱性矿渣的激发效果较好，其强度最大差将近一倍。
因此，制作无熟料水泥宜采用M0≥1.0的碱性矿渣。
对凝结时间而言，激发剂对矿渣的酸碱性影响不太大，对抗折强度的影响不大。
项目
碱度
矿渣（%）
激发剂—Ⅰ（%）
激发剂—Ⅱ（%）
初凝min
终凝min
强度（MPa）
抗压
抗折
7d
28d
7d
28d
0.79
90
5
5
48
96
36.5
50.1
8.8
9.7
0.85
90
5
5
47
90
42.7
58.3
8.9
11.2
0.90
90
5
5
45
92
41.9
53.7
8.7
11.7
1.00
90
5
5
49
97
52.5
63.4
9.3
11.5
1.02
90
5
5
48
95
60.7
79.6
9.6
11.0
1.15
90
5
5
48
90
59.5
85.4
9.2
11.5
1.20
90
5
5
47
90
82.5
95.0
9.9
11.7
表4碱度对无熟料水泥性能的影响
1.2.2矿渣粉的细度对无熟料水泥性能的影响
项目
比表面积m2/kg
矿渣（%）
激发剂—Ⅰ（%）
激发剂—Ⅱ（%）
初凝min
终凝min
强度（MPa）
抗压
抗折
7d
28d
7d
28d
200
90
5
5
70
150
21.3
40.7
5.9
10.2
300
90
5
5
55
120
35.2
46.1
7.2
11.5
400
90
5
5
45
90
41.7
62.7
8.7
11.5
500
90
5
5
30
85
72.3
89.7
9.5
11.7
表5细度对无熟料水泥性能的影响
由表5知，采用相同的激发剂，当矿渣粉细度由200m2/kg增大到500m2/kg时，初凝、终凝时间变短，抗压强度逐渐提高，对抗折强度的影响比较小。
1.2.3激发剂Ⅰ对无熟料水泥性能的影响
激发剂Ⅰ对无熟料水泥性能的影响主要表现在强度方面，影响因素是掺量和配比，具体试验数据详见表6。
通过表中数据知，当激发剂Ⅰ掺量小于2%时，它对矿渣的激发作用几乎很小；当超过2%达到5%时，激发作用非常明显，但它
项目
序号
矿渣（%）
激发剂—Ⅰ（%）
激发剂—Ⅱ（%）
初凝
min
终凝
min
强度（MPa）
抗压
抗折
7d
28d
7d
28d
1
94
1
5
45
90
17.6
36.4
7.2
9.5
2
93
2
5
48
95
21.3
42.9
8.1
9.7
3
92
3
5
49
96
35.2
47.6
8.4
10.4
4
91
4
5
50
90
41.7
62.5
7.6
9.8
5
90
5
5
45
92
57.6
72.9
9.8
10.7
表6激发剂Ⅰ对无熟料水泥性能的影响
对凝结时间的影响几乎不太大。
1.2.4激发剂Ⅱ对无熟料水泥性能的影响
激发剂Ⅱ对无熟料水泥性能的影响主要表现在凝结时间和强度两个方面。
产生这种影响的原因是比重、掺量和配比，具体数据详见表7。
项目
序号
矿渣（%）
激发剂—Ⅰ（%）
激发剂—Ⅱ（%）
初凝
min
终凝
min
强度（MPa）
抗压
抗折
7d
28d
7d
28d
1
94
5
1
45
95
29.5
39.5
5.8
8.5
2
93
5
2
40
96
30.5
47.5
6.9
8.2
3
92
5
3
41
96
37.8
59.4
7.3
9.4
4
91
5
4
39
90
42.7
65.3
8.1
10.7
5
90
5
5
38
96
62.9
82.7
9.2
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