1、从美国矿渣粉协会年度项目大奖看矿渣混凝土功能材料的应用与发展从美国矿渣粉协会年度项目大奖看矿渣混凝土功能材料的应用与发展-建筑论文从美国矿渣粉协会年度项目大奖看矿渣混凝土功能材料的应用与发展 陈恩义 李体祯 （昂国企业有限公司） 前言 矿渣混凝土功能材料是目前业界对高炉矿渣粉的另一个称谓，也是对矿渣粉作为混凝土生产中的功能性调节材料的诠释。近年来，中国矿渣粉行业发展迅猛。据笔者不完全统计，截至2013年底，国内已建成立磨矿渣粉生产线225条，矿渣粉年产能达1.3亿吨以上。从矿渣粉的生产能力和实际产量来看，中国已属世界第一。 根据目前的发展势头，预计到2015年或以后，中国矿渣粉的生产能力将高达
2、2.2亿吨，几乎可以完全消化同期钢铁企业所排放的水渣。国家统计局资料显示，2013年中国累计生铁产量为7.09亿吨，按照生铁产量的30%为水渣量计算，预计约有2.1亿吨的可利用水渣，可生产矿渣粉2亿吨左右。 在装备方面，有近一半的生产厂家采用从德国或日本进口的先进大型立磨。近年来由于国内装备技术大幅提升，新建矿粉厂大多采用国产立磨或外资在国内独资生产的立磨。中国矿渣粉生产装备的整体水平已处于世界前列。但与欧、美、日等发达国家相比，中国矿渣粉行业的发展还不够成熟，存在较多不足。尤其是在产品的优质化应用与研发、市场开拓、宣传教育，包括行业组织建设、技术交流、信息共享等方面，还有很大的进步空间。 2
3、014年4月27日，中国混凝土与水泥制品协会矿渣混凝土功能材料分会（简称“矿渣粉分会”）成立大会在北京召开，标志着中国矿渣粉行业迈上了一个新的台阶、进入了一个新的发展阶段。笔者希望，广大矿渣粉从业者能在协会的大家庭内，与用户一道共同努力，推动中国的矿渣粉行业向健康和优质化方向发展。 及时借鉴国际上好的做法和成功经验，是推动国内矿渣粉行业发展的一条捷径。下面是笔者整理的关于美国矿渣粉协会（Slag Cement Association, SCA）及其评选的“2013年度项目大奖（2013 Project of the Year Awards）”获奖项目介绍，以期与各位同行分享与探讨。 1 关于美
4、国矿渣粉协会 美国矿渣粉协会成立于2001年，是由Ash Grove CementCompany、ESSROC、Holcim（US）Inc.、La farge Nor thAmerica、Lehigh Cement Co.、St. Marys Cement Inc.（U.S.）、Vulcan Materials等大型水泥企业联合成立的行业性组织。协会成员遍布美国各地，在多地设有分支结构。其成员公司已占据美国混凝土市场和矿渣粉市场份额的90%以上、水泥产量的75%以上。该协会在信息交流、技术推广、宣传教育等多方面都处于领先地位，是国际上最有影响力的矿渣粉行业组织之一，在多个领域引领行业发展。 协
5、会致力于推广和促进用户对矿渣粉的认识和增加矿渣粉的使用，以及行业信息和生产技术高质化和资源化。通过持续不断的研究、宣传和教育，提供行业信息和生产技术给成员公司和潜在的加盟企业，教导人们正确使用矿渣粉，传播矿渣粉的性能优势和对社会的贡献，提高矿渣粉在水泥和混凝土等建筑材料中的使用率，从而推动矿渣粉行业的进步和发展。 协会每年都会组织一次年度优秀矿渣粉应用项目评选，并在年度大会上进行颁奖，同时将获奖项目情况刊登在行业期刊、协会网站上，为相关业者进行介绍和宣传。 2 “2013年度项目大奖”及获奖项目介绍 2014年3月25日，美国混凝土学会（ACI）2014年春季大会在美国内华达州里诺市召开。大会
6、期间，美国矿渣粉协会（SCA）在ACI 233（用于混凝土与砂浆中的矿渣粉）委员会的专题会议上，颁发了“2013年度项目大奖”，奖励那些优秀、有创新性的矿渣粉应用项目。2013年，共有9个项目获此殊荣，它们分别在建筑设计、耐久性、绿色环保、高性能、创新性应用和可持续发展等六大类别的评选中胜出。 （1）建筑设计（Architectural Design） 迈阿密佩雷斯艺术博物馆 （Prez Art Museum Miami） 迈阿密佩雷斯艺术博物馆的前身为迈阿密艺术博物馆（Miami Art Museum），由迈阿密市政府、劳德代尔堡（Fort Lauderdale）郡政府、迈阿密-戴德（Mia
7、mi-Dade）郡政府和私人捐助者出资合作建造，由普利兹克建筑奖（Pritzker Prize）得主赫尔佐格和德梅隆建筑事务所（Herzog de Meuron）设计。迈阿密佩雷斯艺术博物馆建成后，博物馆公园（Museum Park）便成为了迈阿密的文化中心。博物馆为三层建筑，坐落在高台上，拥有18,600m2的艺术展示空间。整个三层建筑都被巨大的顶棚遮蔽着，顶棚下面还有遮阳走廊和广场。该项目使用50%的矿渣粉替代硅酸盐水泥，不但可以满足设计师对最终饰面混凝土颜色的要求，还能提供足够的强度，同时减少混凝土的环境足迹（EnvironmentalFootprint）。迈阿密佩雷斯艺术博物馆如图1所
8、示。 （2）耐久性（Durability） 俄亥俄州运输部杰斐逊郡维修设施 （Ohio Department of Transportation Jefferson CountyMaintenance Facility） 俄亥俄州运输部位于杰斐逊县（Jefferson County）的维修设施与在韦恩县（Wayne County）的一个类似项目，代表了该州交通运输部维修设施建设未来的发展方向。项目采用150mm厚混凝土路面替代传统的沥青路面。2013年7月8月期间，该项目中用于铺设路面、地面及墙面的矿渣混凝土使用量超过了3060m3。上述混凝土采用矿渣粉、硅酸盐水泥和硅灰的三组分胶凝材料体系，
9、确保了建筑结构的强度和耐久性。 在该项目混凝土采用的三组分胶凝材料体系中，矿渣粉的掺量分别为20%和40%；其中矿渣粉掺量40%的混凝土，28天强度高达62MPa，用于除冰盐储仓的墙面；矿渣粉掺量为20%的混凝土，28天强度达到45MPa，用于铺筑路面。在上述三组分胶凝材料体系中，矿渣粉的应用不但可以改善混凝土的施工性能、凝结时间和外观装饰性能，还可以增加混凝土的强度，降低渗透性，提高结构的耐久性。俄亥俄州运输部杰斐逊郡维修设施如图2所示。 （3）绿色环保设计（Green Design） 旧金山公共事业委员会总部（San Francisco PublicUtilities Commission
10、 Headquarters） 旧金山公共事业委员会总部最初的设计为钢架结构。 后来为了节省10 0 0万美元的成本，同时在同一分区中增加一个楼层，原本的设计改成了混凝土结构。该建筑共13层，总面积25780m2。为了减少二氧化碳的排放量，达到绿色能源与环境设计先锋奖（Leadership in Energy andEnvironment Design, LEED）的白金评级，该项目总共使用了6种混凝土配合比，采用单掺矿渣粉或矿渣粉与粉煤灰双掺组合的技术方案。 用于楼面板、立柱和隔水墙的混凝土采用了掺40%矿渣粉、30%粉煤灰和硅酸盐水泥的三组分胶凝材料体系，其90天强度达到55MPa。悬空的后
11、张法预应力楼板则采用了掺65%矿渣粉的混凝土（不掺粉煤灰），其3天强度达到31MPa，满足预应力钢筋的张拉和切割要求。该配比的混凝土也满足对后张预应力楼板56天41MPa的设计抗压强度要求，同时提高了施工速度。 创新的结构设计、混凝土材料与配比的创新以及相关的建造技术为该项目荣获LEED评级白金大奖提供了强有力的支持。旧金山公共事业委员会总部如图3所示。 （4）高性能（High-Performance） 世贸中心一号楼（One World Trade Center） 世贸中心一号楼是具有世界级象征意义的建筑。楼高104层，加上天线，总高度达到541m，是纽约最高的摩天大楼，它将混凝土的应用拓展
12、到了极致。高性能混凝土的判断标准包括：大体积混凝土施工过程中的低水化热、结构的高强度和抗爆性、良好的泵送与施工性能、减少环境足迹以实现可持续发展。世贸中心一号楼的一个独特设计是它的高强混凝土中心轴结构，其强度高达97MPa。该中心轴结构可以抵御爆炸和高强度的冲击，在危急时刻保持建筑结构的完整性，以确保大楼内人员可以安全撤离。 在进行大量的试验研究基础上，为了达到世贸中心一号大楼多种基础和结构的性能要求，以及世贸中心（WorldTrade Center）纪念馆和博物馆大型混凝土的施工要求，数种掺加矿渣粉的高性能混凝土被开发出来。其中，用于建筑下部的混凝土采用了掺52%矿渣粉的四组分（矿渣粉、硅酸
13、盐水泥、粉煤灰和硅灰）胶凝材料体系，以便很好地控制水化热，同时满足97MPa的设计强度要求。世贸中心一号的建设规模宏大，分多个施工段进行，多家混凝土供应商和两个大型矿渣粉供应商为项目建设提供了支持。纽约世贸中心一号楼如图4所示。 威拉米特河大桥（Willamette River Bridge） 威拉米特河大桥是俄勒冈州尤金市附近连接I5走廊的纽带。2002年，原建于1961年的桥体出现剪切裂缝，促使政府在修建临时大桥的同时，制定了修建南北两座新桥的计划。新桥建设开始于2009年夏，到2013年中期，605m长的北桥和536m长的南桥竣工。 为了降低大体积桥墩底座混凝土结构的水化热，同时满足俄勒
14、冈州运输部对桥面板使用基于性能要求的“可替代的”高性能混凝土的要求，矿渣粉在该项目中得到广泛应用。对于大体积桥墩基础混凝土，使用掺量60%的矿渣粉可以同时满足低水化热和强度的要求，其56天强度超过了43MPa。桥拱在河中央交汇的地方被称为“破冰点（TheIce Breaker）”，配筋非常致密，普通混凝土很难进行振捣浇筑。于是，一种掺矿渣粉的“自密实”混凝土被开发出来，用于上述破冰点的浇筑，未留下任何气孔。对于桥面板，采用Knife River公司提供的掺矿渣粉30%的混凝土。根据AASHTO T 277（用电通量评价混凝土抗氯离子渗透能力的标准测试方法），该混凝土的90天测试值小于1000库
15、仑。上述配比混凝土具备很好的产品质量、耐久性、强度、外观和泵送性。威拉米特河大桥（俄勒冈州尤金市）如图5所示。 （5）创新性应用（Innovative Application） 杉点游乐园“看门人”过山车（Cedar Point AmusementPark Gate Keeper Roller Coaster） “看门人”过山车，是游客进入俄亥俄州桑达斯基市（Sandusky, OH）杉点游乐园看到的第一个过山车。实际上，每位进入游乐园的游客都必须经过支撑“看门人”过山车的两个巨大立柱。这两个立柱高（地面上）7.3m，由掺50%矿渣粉混凝土建造而成，用来支撑这个世界上最高的翼式过山车的高塔部分
16、。 大体积混凝土立柱采用一次性整体浇筑方法，因此其中的水化热是一个重点关注的问题。此外，柱底部混凝土结构在浇筑过程中要有足够的强度增长，以避免模板发生过载。为满足这两个要求，工程中使用了3种不同配比的混凝土，即：III型硅酸盐水泥（早强型）+25%矿渣粉混凝土，用于立柱下部01.8m的建造；III型硅酸盐水泥+50%矿渣粉混凝土，用于立柱中部1.8m3.6m的建造；I型硅酸盐水泥+50%矿渣粉混凝土，用于最后3.6m的建造。 为了避免大体积混凝土柱体结构产生温度裂缝，混凝土结构的温度热峰值要求不能超过70，混凝土结构的核心温度与边缘温度的最大差值不能超过20。 该项目混凝土的28天强度要求为2
17、8MPa。而实际上，上述3种混凝土的平均28天强度达到了4 0MPa。另一方面，由于建设工期短，整个项目必须在春季游乐园重新向公众开放前竣工，所以施工速度也成为该项目的一个重点。使用矿渣粉可以有效地控制水化热，不再需要使用冷却管对混凝土内部进行冷却，从而节省了时间和成本。杉点游乐园“看门人”过山车（俄亥俄州桑达斯基市）如图6所示。 机械动力公司高速平衡设备（“旋转测验室”） （Mechanical Dynamics and Analysis High-SpeedBalance Facility（MDA“Spin Cell”） 位于密苏里州圣路易斯市南部的机械动力公司（MDA）高速平衡设备的“旋
18、转测验室”修建于2013年初，长约30m。需要重新组装的大型电气涡轮发电机（如在火力发电厂内的电气涡轮发电机）都会通过铁路运到上述测试室，与外部发动机驱动的传动轴连接，进行超容测试。测验室内几乎为真空，通过喷油进行润滑和冷却，受测试发电机产生的电流通过大型接地设备耗散。为了防止由于发电机爆炸或解体引起的残片飞溅，测验室要求必须是至少1.5m厚的高配筋率钢筋混凝土结构。在这种情况下，就需要使用大掺量自密实矿渣混凝土来实现。 如此厚的混凝土墙，实际意味着上述测试室整体已经构成一个大体积混凝土结构了，包括其地下的储油罐和泵站部分。筒状测验室的混凝土墙最小厚度为1.5m，而底部结构厚度达到2.4m。使
19、用矿渣粉可以有效降低混凝土的水化热，确保自密实混凝土有更好的工作性能，能够流入并自行填满如此厚密的呈三维空间排列的钢筋缝隙，同时保证有足够的强度。 尽管规定的混凝土设计强度是35MPa，但相关单位要求并最终使用了强度相对较高的混凝土。项目最后使用的混凝土是：I/II型低碱硅酸盐水泥+100级矿渣粉，两者的比例是2575，采用10mm粒径石灰石，天然细骨料同时掺加钢纤维。混凝土28天强度超过了50MPa。机械动力公司的高速平衡设备（密苏里州圣路易斯市）如图7所示。 （6）可持续发展（Sustainability） 俄亥俄州运输部10-0281项目（ODOT Project 10-0281） 俄亥
20、俄州运输部10 - 0 2 81项目是对I R-75/ I R- 475号州际公路立交桥的改造。该项目包括：P r o M e d i c aParkway新立交桥的建设、6座老桥的修复和重建、4座新桥的建设、1130m长的现浇混凝土挡土墙的建设、4个隔音墙的建设和完成3.4km的IR-475号州际公路路面的更新。在项目中，有18个独立桥面的浇筑，使用矿渣混凝土5080m3。另外，约4590m3的矿渣混凝土用于桥梁辅助结构的修筑。 项目中使用的混凝土采用了25%矿渣粉+25%粉煤灰+硅酸盐水泥的三组分胶凝材料体系。该混凝土满足工程的各项设计性能指标要求：28天抗压强度达到31MPa、6%2%的
21、含气量、10 0mm20 0mm的坍落度和最大氯离子渗透值小于1500库仑。经过对9670m3混凝土进行的390次性能测试结果显示：混凝土的28天平均抗压强度达到45MPa，含气量为6%，坍落度为160mm。按照ASTMC1202方法测试混凝土抗氯离子渗透性能，结果为752库仑。超过200次的7天强度测试均值为39MPa。这种混凝土配比质量稳定、可行，为项目提供了超出标准要求的强度和耐久性，同时实现了低环境足迹。俄亥俄州运输部10-0281项目ProMedica大桥桥面（俄亥俄州托莱多市）如图8所示。 美国海岸警卫队总部 （U.S. Coast Guard Headquarters） 美国海岸
22、警卫队总部，坐落在华盛顿特区圣伊丽莎白医院西校区的旧址。该项目建设包括：一栋能容纳3860名员工的11层办公楼、一个74320m2的9层停车车库、一个中央公用设施厂房和一个国家级运营中心（NationalOperations Center）。项目总耗资4.35亿美元，共使用了1682 0 0 m3混凝土和136 0 0万吨的钢筋。施工方Cla rkConcrete公司连续42周平均每周浇筑混凝土2675m3。其中，最大的单个混凝土浇筑量是2140m3，在14个小时内完成对2.4m厚的板式基础的浇筑。 施工方Clark Concrete公司为项目建造了19km长的基础墙和48590m2的板式基础
23、。矿渣粉的使用帮助该项目获得LEED的黄金评级。其他的一些绿色环保设计元素还包括：37160m2的绿化屋顶、植物墙面系统、日照热量获得最小化和日光照明最大化的方位设计等。为了达到严苛的防爆要求，设计方要求在大部分的架空混凝土楼板下修筑了0.9m高的高强混凝土悬挂围墙。矿渣粉的使用同时也被用来降低因碱硅酸反应活性骨料而引起的潜在性膨胀（破坏）。美国海岸警卫队总部（华盛顿特区）如图9所示。 结语 从上述美国矿渣粉协会评选出的2013年度优秀矿渣粉应用项目的简介及相应的矿渣粉应用情况介绍，我们可以看出，矿渣粉因其良好的性能功效和生态环保功效在美国已获得广泛使用，应用领域非常广，包括多种设施和重要工程
24、；高性能矿渣粉应该是“优质矿渣粉+功能性设计与应用”。 所谓优质矿渣粉是指：原材优质、稳定，采用现代化大型立式辊压粉磨设备加工生产，具有GB/ T 18 0 4 6（S95）或ASTM C898（Grade 100）及其以上级别的粒化高炉矿渣粉。 矿渣粉的功能性设计与应用指的是，矿渣粉的性能功效、生态环保功效以及成本功效的设计与应用。总的来看，矿渣粉的性能功效主要表现在：一是高后期强度，抗压和抗折强度高，有防爆、抗爆的功效；二是低水化热，减少温度裂缝；三是抗腐蚀性，降低氯离子渗透性，也可降低硫酸盐的侵蚀；四是抗碱硅反应，防止混凝土结构膨胀型破坏。 此外，大掺量矿渣混凝土的性能优点还包括：工作性
25、能好、泵送性好、低坍落度等。同时，大掺量矿渣混凝土还有很好的饰面性能，颜色浅白，使建筑结构外表美观。矿渣粉的生态环保功效主要表现在：一是资源再生、增值利用；二是低二氧化碳及其他污染物排放；三是低能耗；四是高耐久性，减少建筑垃圾；五是可持续发展，低环境足迹。 此外，矿渣粉可用于生产“施工者友好型”的低铬水泥。矿渣粉的日光反射率较高，可以减缓“城市热岛效应”。矿渣粉是世界公认的绿色环保建材产品，矿渣粉的应用是美国LEED、英国BREEAM、日本CASBEE、新加坡Green Mark和中国“绿三星”等“绿色建筑评估体系”的重要考察因素。 对于成本功效，在成熟市场如欧洲和北美地区市场等，由于矿渣粉价
26、格与水泥价格大体相当，同时有相关政策和标准的规定要求，矿渣粉的成本功效大多不是业者使用矿渣粉的动因或决定因素，使用者更注重建材（矿渣粉）的性能功效和生态环保功效。但在发展中国家市场，矿渣粉价格相对水泥价格低出较多，大部分需求最主要的考虑因素还是矿渣粉的成本功效。 中国市场具有明显的多样性。目前中国市场对于矿渣粉的需求大体处于成本功效和性能功效，并有生态环保功效诉求的多元转换阶段。 我们相信，随着行业和市场本身的发展、人们意识的增强和政府的重视，中国矿渣粉行业和市场将进入全面提升阶段。根据不同的建筑要求、环境要求以及功能要求，更多性能功效与生态环保功效兼具的大掺量矿渣混凝土将被开发和使用。 中国作为世界上最大的建筑材料生产和使用的国家，建筑材料的高质化、高性能化十分重要。如何利用低碳环保建材，对于我们的生存与生活环境至关重要。更好地开发和应用矿渣粉的性能功效和生态环保功效，具有积极的现实意义。
