原材料變化對商品混凝土性能的影響概述

卻漢生，鄒振華，葉朝衛(wèi)，文俊強

（北京正華混凝土有限責任公司，北京　100162）

原材料變化對商品混凝土性能的影響概述

卻漢生，鄒振華，葉朝衛(wèi)，文俊強

（北京正華混凝土有限責任公司，北京100162）

本文概述了近年來混凝土原材料的變化趨勢以及其對商品混凝土性能帶來的影響，對商品混凝土相關企業(yè)如何應對這些變化，提出了相應措施。

原材料；商品混凝土；變化趨勢

混凝土的歷史從 19 世紀中期誕生了混凝土與鋼筋混凝土算起，至今已有 150 多年了，而混凝土成為商品混凝土是近現(xiàn)代的產(chǎn)物。我國的商品混凝土始于 20 世紀 70 年代，獲得蓬勃發(fā)展始于 1987 年“全國商品混凝土協(xié)會成立大會”的召開，此后商品混凝土經(jīng)歷了持續(xù)二十多年的快速增長，產(chǎn)量增加了上百倍。據(jù)統(tǒng)計，2014 年全年我國商品混凝土產(chǎn)量超過 15 億立方[1]。

混凝土發(fā)展到今天，水泥、摻合料、外加劑、骨料等原材料均發(fā)生了很大的變化，而且隨著科學技術的進步日益發(fā)展。本文將從混凝土四種基本原材料變化的角度分析其對當今商品混凝土的影響及未來商品混凝土的發(fā)展趨勢。

1　原材料變化

1.1水泥

現(xiàn)代水泥發(fā)展的兩個主要成果：高強熟料的燒成和熟料細化粉磨技術。其中高強熟料的燒成使得熟料中 C3S 礦物含量增多；而粉磨技術的提高使得水泥細度明顯加大。

如今燒成技術相當完善，水泥熟料中的阿利特礦物比例明顯提高，阿利特是水泥強度的主要提供者，也是早期強度的主要貢獻者，部分熟料中阿利特含量最高可達 60%，此熟料可以稱為高強熟料。此外，粉磨工藝技術不斷提高，水泥熟料可以粉磨得很細，充分有效地利用熟料的潛在活性，提高水泥的強度。兩種技術都使得水泥熟料的早期強度顯著提高，這樣就可以增加水泥中混合材的摻加量，減少能源資源消耗；可以在冬季施工項目中少加或者不加早強劑或防凍劑，減少鋼筋混凝土結(jié)構中氯離子和堿的引入；可以提早拆除模板，提高模板的使用效率，也提高混凝土的早期性能。

然而，水泥混凝土材料本身區(qū)別于其他材料的特征之一是，其會不斷生長、不斷增加強度和密實度。過度開發(fā)其強度，導致其強度集中出現(xiàn)在早期，而后期強度發(fā)展緩慢，勢必會對其耐久性產(chǎn)生一定影響。

有研究表明[2]，對檢測過的大約 200 座結(jié)構，從小的、單跨的橋梁，到大的、多跨橋梁，建成 3～30 年不等時間里出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。有足夠的證據(jù)表明：在 1930 年以后建造的混凝土結(jié)構使用壽命不如在那以前的。例如：檢查時在 1930 年以前建造的橋梁 67% 完好，而 1930 年后建造的僅27% 尚完好。除了施工技術改變以外，原因之一是 1930 年以后水泥粉磨工藝的提升，使水泥的細度發(fā)生變化。

1.2摻合料

商品混凝土中的礦物摻合料主要包括粉煤灰和礦粉，它們起著從根本上改變了傳統(tǒng)混凝土的性能。在商品混凝土中加入較大量的磨細礦粉和粉煤灰，可以起到降低溫升、改善工作性、增進后期強度、改善混凝土內(nèi)部結(jié)構、提高耐久性、節(jié)約資源等作用。其中，某些礦物細摻合料還能起到抑制堿－骨料反應的作用，改善混凝土的微結(jié)構和許多重要性能，且還具有節(jié)約能源、保護資源和減小環(huán)境污染等多重意義，因此礦物摻合料在混凝土中的比例逐漸增大。

以粉煤灰為例，我國粉煤灰混凝土技術發(fā)展主要有兩個方面的內(nèi)容：首先是高摻量粉煤灰混凝土的應用，在多數(shù)標準和規(guī)程中，水泥和混凝土中粉煤灰的摻量都限制在 40% 以下，有的結(jié)構混凝土規(guī)程限制還要嚴格一些；其次是高性能粉煤灰混凝土的開發(fā)。粉煤灰混凝土可以作為一種高性能混凝土所特需的復合材料組分來使用，因此粉煤灰玻璃珠便是相當理想的顆粒性復合材料。

有文獻[3]對摻有占總膠凝材料用量 51%～56% 粉煤灰的工程結(jié)構使用十年后的現(xiàn)場性能調(diào)查，結(jié)果顯示粉煤灰混凝土表現(xiàn)出比普通混凝土更好的現(xiàn)場長期性能，認為即使是大摻量也可以成功的用于結(jié)構混凝土中，并認為某些規(guī)范對粉煤灰用量所設的限制是偏于保守的。近幾年來大量的粉煤灰用于制備高性能混凝土，如首都國際機場新航站樓使用了近 2萬噸粉煤灰，長江三峽工程[4]使用了粉煤灰 170 萬噸。新中央電視臺大樓的底板工程也采用了粉煤灰摻量 40% 的混凝土。

然而，礦物摻合料的利用也出現(xiàn)很大的地域差異，混凝土技術不發(fā)達的地區(qū)受傳統(tǒng)觀念的影響，礦物摻合料的摻量受到限制，資源得不到充分利用。混凝土技術發(fā)達地區(qū)往往出現(xiàn)優(yōu)質(zhì)礦物摻合料供不應求的局面，商品混凝土企業(yè)需要提高進價才能買到合格的礦物摻合料，且需要嚴格檢查其進場試驗，防止供貨商以次充好，以假亂真。

1.3外加劑

現(xiàn)代混凝土不再是一種簡單的水泥、礦物摻合料、水和骨料的混合物，而通常含有越來越多使混凝土具備特定品質(zhì)的、特定功能的化學外加劑。減水劑是最為常見、用量最大的化學外加劑。減水劑的應用是混凝土技術發(fā)展過程中的一個重要的里程碑，應用它可以配制出流動性滿足施工需要且水灰比低、強度高的高強混凝土；可以配制出自行流動、成型密實的自密實混凝土；可以配制出充分滿足不同工程特定性能需要、勻質(zhì)性良好的高性能混凝土。

減水劑從最初萘系減水劑發(fā)展為聚羧酸高性能減水劑，從單一減水功能發(fā)展為多功能的復合型減水劑。現(xiàn)代減水劑的特點是將不同功能化學添加劑復配于減水劑中，使減水劑具備特殊功能。如需提升混凝土拌合物的和易性和抗凍融能力，則引入引氣劑；如需增加混凝土拌合物的凝結(jié)時間，則引入緩凝組分；如要保證混凝土拌合物長距離運輸，保證混凝土拌合物的坍落度損失率，則引入保坍組分；如原材料砂石中含泥量超標，為保證聚羧酸的有效使用率，則需引入抗泥組分；如配合比中需降低膠材及水泥用量，且保證混凝土強度不降低，則需引入增效劑。但是，多種組分的復合給配合比設計和生產(chǎn)時的儲存與計量帶來復雜性。同時外加劑與水泥、摻合料之間存在相容性問題，規(guī)模生產(chǎn)前需要通過試驗進行評價。

1.4骨料

通常骨料要占混凝土體積的 65%～80%，是混凝土非常重要的原材料。然而，隨著很多地區(qū)禁止開采河砂，細骨料河砂資源越來越緊缺。目前混凝土企業(yè)所用砂的質(zhì)量越來越差，要么細度模數(shù)低，要么含泥量高，嚴重影響混凝土的性能。此外，機制砂的出現(xiàn)從一定程度上緩解了細骨料的短缺狀況，但一般破碎的機制砂顆粒形狀、級配都不盡如人意。粗骨料方面、優(yōu)質(zhì)的碎石、卵石資源也越來越少，表現(xiàn)在級配不合理，針片狀含量高等，這些對于商品混凝土企業(yè)都會形成很大的壓力。

在混凝土配合比設計中很多人認為：粗骨料最大粒徑越大、砂率越小，所配制的混凝土越好。事實并非如此，骨料最大粒徑雖大，但小顆粒（5～10mm 或 5～15mm）很少甚至沒有，填充其空隙需要的砂漿量并不能減少，同時還會帶來一些副作用，如新拌混凝土易于離析、泌水，硬化混凝土耐沖擊和疲勞強度降低且對耐久性不利。

級配就是將不同粒徑分布的骨料顆粒混合，以盡量減小混凝土的空隙率，從而減少漿體用量，同時拌和后的混凝土運送過程不易發(fā)生分離。理想的骨料級配即：大顆粒骨料堆積的間隙，由小顆粒粗骨料填充；小顆粒粗骨料的間隙再由細骨料填充；由漿體填充骨料密實堆積體的空隙，并在其表面形成潤滑層，使拌合物具有滿足施工需要的工作度，各級骨料的優(yōu)選級配形成完全致密體，滿足設計要求的強度。

2　應對措施

混凝土原材料的變化將對混凝土的生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響，混凝土相關企業(yè)要有充分的準備應對這些變化。

（1）水泥早強化和顆粒超細化是混凝土開裂的主要原因之一。然而，目前水泥的早強化和超細化的趨勢尚未改變。為此，在設計混凝土配合比中，應使用收縮性能較小的聚羧酸減水劑，而在大體積混凝土的配合比中需要考慮引入抗裂組分，如膨脹劑、抗裂防水劑等，防止混凝土開裂破壞。

（2）礦物摻合料的大摻量化是混凝土又一發(fā)展趨勢，畢竟礦物摻合料是工業(yè)副產(chǎn)物，其產(chǎn)量有限。隨著礦物摻合料大規(guī)模的應用，一些地區(qū)相繼出現(xiàn)了粉煤灰礦渣短缺現(xiàn)象。為此，尋找這些原料的替代品也是混凝土企業(yè)的當務之急。關于磨細石灰石粉代替粉煤灰礦粉甚至水泥的研究已經(jīng)開展了很多年，做一些試驗配合比的儲備是混凝土企業(yè)的明智之舉。

（3）水泥與外加劑的匹配性是生產(chǎn)合格混凝土產(chǎn)品的必要條件，當今外加劑多是復配型的外加劑，多種組分共同作用可能導致混凝土的工作性出現(xiàn)問題。混凝土企業(yè)有必要開展外加劑的復配試驗工作，這是控制混凝土質(zhì)量的有效措施。

（4）對骨料的顆粒級配進行詳細分析，并引入混凝土的配合比設計中，這樣才能生產(chǎn)出級配優(yōu)良、工作性良好、結(jié)構致密、高強的水泥混凝土產(chǎn)品。然而，現(xiàn)在混凝土配合比設計中很少考慮顆粒級配這一參數(shù)影響，導致配制出的混凝土產(chǎn)品工作性和強度出現(xiàn)問題。

3　小結(jié)

混凝土已經(jīng)產(chǎn)生了一百余年，混凝土技術已經(jīng)日趨成熟，很難產(chǎn)生巨大的技術革新，然而組成混凝土的原材料卻在悄然發(fā)生著改變。因此，針對原材料的改變而引起的混凝土性能的改變需要引起相當?shù)闹匾暎瑹o論原材料的性能、材料之間的相容性和顆粒級配等問題都是混凝土生產(chǎn)中要重點考慮的因素。

[1] 中國混凝土網(wǎng)．2014 年中國各省市商品混凝土產(chǎn)量及增長情況，2015．

[2] Building Durable Structures in The 21st Century．CI. Mar，2001．

[3] Dunstan M R H，Cripwell J B，Thomas M D A and Harrison D J.Ash．Silica Fume，Slag and NaturalPozzolans in Concrete，Proceeding Fourth International Conference，1992．

[4] 儲傳英．三峽工程混凝土原材料研究，中國水利水電出版社，1999.4．

［通訊地址］北京市大興區(qū)西紅門鎮(zhèn)振亞莊村（100162）

卻漢生（1973—），男，工程師，北京正華混凝土有限責任公司常務副總經(jīng)理，研究方向混凝土新技術開發(fā)及企業(yè)運營管理。