混凝土怎么了？

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近年來(lái)，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度更快、數(shù)量更多、路橋更長(zhǎng)，交通更便捷……港珠澳跨海工程、南盤江特大橋、青藏鐵路等一批具有代表性的現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)紛紛創(chuàng)造世界之最。所有這些都與材料科學(xué)與工程技術(shù)分不開(kāi)，其中，最突出的當(dāng)屬混凝土。

為什么受傷的總是混凝土？

什么是混凝土？人們首先認(rèn)識(shí)的是由砂石、水和水泥拌和的混合物，以及用其制成梁、板、墻、柱、樁、墩、管、筒、拱、殼、大塊體等結(jié)構(gòu)構(gòu)件與部件灰色冷冰冰的人工石。其實(shí)，后者才是混凝土的最終產(chǎn)品，而前者只是一種拌和物，并不是產(chǎn)品。就好比把小麥磨成粉，用水混合揉成面團(tuán)，并不能稱之為饅頭、面條或其他產(chǎn)品。重提這個(gè)道理，是因?yàn)榻陙?lái)筆者看到網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)常有人吐槽：為什么“受傷的總是混凝土？”這里說(shuō)的“受傷”者實(shí)際上只是生產(chǎn)混凝土拌和物的人。

現(xiàn)在，混凝土拌和物對(duì)工程的要求比過(guò)去有了更寬的適應(yīng)性，運(yùn)到工地大都沒(méi)有被拒收。但是，打完的混凝土經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、顏色不對(duì)、強(qiáng)度不夠、表面出現(xiàn)麻坑、砂線等，一旦出現(xiàn)這些問(wèn)題，就糾紛不止：施工方抱怨混凝土用陰陽(yáng)配合比；混凝土拌和物供應(yīng)商抱怨施工方亂加水、不好好振搗、不養(yǎng)護(hù)；混凝土人抱怨水泥太細(xì)，后期強(qiáng)度不增長(zhǎng)，摻和料摻不進(jìn)，水泥人抱怨買家要求水泥早期、后期強(qiáng)度都高；要求水化熱低而強(qiáng)度高……所以，網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了“現(xiàn)在技術(shù)水平高了，混凝土倒做不好了，究竟是進(jìn)步了還是退步了？”的質(zhì)疑。筆者認(rèn)為實(shí)際情況說(shuō)是“走三步、退兩步”。

隨著改革開(kāi)放的持續(xù)推進(jìn)，起步較晚的中國(guó)混凝土取得了飛速發(fā)展。我國(guó)混凝土前輩黃大能先生幾十年前就有個(gè)愿望：在中國(guó)推行預(yù)拌混凝土。黃先生的這個(gè)愿望如今得以實(shí)現(xiàn)。然而，任何舉措都有得必有失：當(dāng)出現(xiàn)一種傾向時(shí)，必然會(huì)隱含著另一種傾向，當(dāng)前的預(yù)拌混凝土確實(shí)存在一些問(wèn)題。

隨著我國(guó)機(jī)械制造和電子工業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)預(yù)拌混凝土發(fā)展的計(jì)量、攪拌、運(yùn)輸?shù)裙に嚧蟠筮M(jìn)步，高效減水劑的普遍使用和發(fā)展改變了混凝土的一切：高強(qiáng)、高流態(tài)、高程泵送、狹窄空間澆筑等。一方面，拌和物勻質(zhì)性提高，施工方便，因振搗不善而造成的缺陷得以避免，建設(shè)速度大大加快。另一方面，從總體上看，從業(yè)人員的素質(zhì)低，質(zhì)量管理和控制水平差，以致于混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量事故和裂縫比過(guò)去出現(xiàn)得更多，因質(zhì)量引發(fā)的供需雙方的糾紛也更多了。

港珠澳跨海工程?hào)|人工島的清水混凝土建造物

除了這些問(wèn)題，還存在不少隱患，比如混凝土配合比的報(bào)告大部分失真；混凝土拌和料運(yùn)到工地后，加水現(xiàn)象普遍；10年前混凝土的骨料都用水洗，現(xiàn)在一部分砂子含泥量高達(dá)7%等。由此看來(lái)，不是進(jìn)步不進(jìn)步的問(wèn)題，而是有得必有失。

圖1 傳統(tǒng)30MPa混凝土強(qiáng)度發(fā)展

圖2 初期強(qiáng)度越高，發(fā)展余地越小

水泥和混凝土的強(qiáng)度越來(lái)越高好不好？

20世紀(jì)70年代水泥最高標(biāo)號(hào)是500#，相當(dāng)于現(xiàn)在強(qiáng)度等級(jí)的32.5；現(xiàn)在52.5的水泥從強(qiáng)度來(lái)說(shuō)相當(dāng)于20年前的625#水泥。但是，過(guò)去規(guī)定水泥的儲(chǔ)存期為三個(gè)月，而今不再提儲(chǔ)存期，因?yàn)閮?chǔ)存期不到一個(gè)月后，52.5水泥的強(qiáng)度就會(huì)和42.5水泥的強(qiáng)度相差無(wú)幾，而且用戶反映“不好用了”。

有了高效減水劑，實(shí)現(xiàn)混凝土的高強(qiáng)已經(jīng)不是難事，混凝土得以應(yīng)用到高層和大跨結(jié)構(gòu)。人們對(duì)高強(qiáng)混凝土覺(jué)得還不夠過(guò)癮，崇拜和追求“超高強(qiáng)”“特超高強(qiáng)”。混凝土7天甚至3天，強(qiáng)度就能達(dá)到28天設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的100%，但是后期強(qiáng)度不增長(zhǎng)了，開(kāi)裂敏感性增大了，對(duì)缺陷的自愈能力下降了，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性又將如何保證？

如圖1所示，傳統(tǒng)的混凝土強(qiáng)度正常發(fā)展規(guī)律：相對(duì)于28天的100%，3天約30%；7天約60%。如圖2所示，C50以上的混凝土強(qiáng)度3天就可達(dá)約70%，14天可達(dá)90%；如果混凝土7天強(qiáng)度就達(dá)到100%，則到了28天就增長(zhǎng)得很少，甚至幾乎不增長(zhǎng)；如果3天就達(dá)到100%，則7天還能長(zhǎng)一點(diǎn)，28天就基本不長(zhǎng)了，甚至?xí)箍s。

美國(guó)威斯康辛大學(xué)從1910年開(kāi)始了50年水泥凈漿、砂漿和混凝土的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，澆筑了室內(nèi)和室外混凝土，分別于1910年、1923年和1937年3個(gè)不同時(shí)間成型了5000多個(gè)試件，并于1975年發(fā)表了這些試件觀測(cè)50年的結(jié)果：1923年用透氣法高細(xì)度配制的水泥混凝土28天強(qiáng)度為21兆帕，25年強(qiáng)度達(dá)到52兆帕；1937年用當(dāng)時(shí)的快硬水泥配制的混凝土28天強(qiáng)度為35兆帕，5年達(dá)到53兆帕，10年后強(qiáng)度開(kāi)始倒縮，25年強(qiáng)度就倒縮至45兆帕，比水化慢的混凝土25年的強(qiáng)度還低。當(dāng)時(shí)的快硬水泥與當(dāng)今美國(guó)的I型水泥和II型水泥礦物組成與細(xì)度相當(dāng)（硅酸三鈣C3S的含量為57%，勃氏比表面積為每千克380平方米，我國(guó)的常用水泥也如此）。

凡是提高早期強(qiáng)度的措施對(duì)混凝土后期性能都會(huì)有損害，這已是國(guó)內(nèi)外專家的共識(shí)。前國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)主席、德國(guó)混凝土專家Rupert Springenschmid（魯珀特·施普林根施米德）證明：控制混凝土12小時(shí)抗壓強(qiáng)度不超過(guò)6兆帕，就可以避免混凝土的早期開(kāi)裂。我國(guó)混凝土專家黃士元經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論：可用混凝土24小時(shí)抗壓強(qiáng)度不超過(guò)12兆帕來(lái)控制混凝土的早期開(kāi)裂，如圖3所示。

圖3 混凝土初期和早期抗壓強(qiáng)度和開(kāi)裂敏感性的關(guān)系

高強(qiáng)度是為了減小構(gòu)件斷面，例如高度一定的混凝土柱子，強(qiáng)度越高，柱子可做得越細(xì)，但是，柱子的高度與其最小斷面尺寸的比例還受“壓桿穩(wěn)定”問(wèn)題的限制（如圖4所示）。對(duì)一定高度的柱子來(lái)說(shuō)，有最小斷面的要求，也就是說(shuō)，對(duì)強(qiáng)度的要求是有限的。

圖4 壓桿穩(wěn)定問(wèn)題示意

業(yè)界反映的水泥現(xiàn)在“不好用”，應(yīng)當(dāng)說(shuō)主要是用戶誤導(dǎo)的結(jié)果。由于提高混凝土強(qiáng)度的要求，100多年來(lái)水泥的發(fā)展目標(biāo)除了降低能耗之外，主要就是追求強(qiáng)度。從煅燒工藝上提高熟料強(qiáng)度已取得成效，但是畢竟有限，當(dāng)前水泥強(qiáng)度的提高還離不開(kāi)粉磨得過(guò)細(xì)和五花八門的助磨劑、增強(qiáng)劑。于是，在為混凝土提高強(qiáng)度的同時(shí)，也帶來(lái)了損害耐久性的隱患。所以，從用戶這里轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念是關(guān)鍵。

綜上所述，混凝土的發(fā)展有利有弊、有得有失，我們應(yīng)當(dāng)看見(jiàn)并盡量避免或減少弊和失，取得更大的進(jìn)步，盡量避免進(jìn)一步退兩步。

混凝土行業(yè)的出路在哪里？

進(jìn)入“第四次工業(yè)革命”時(shí)代，材料科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展應(yīng)向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、綠色化、智能化等高質(zhì)量方向邁進(jìn)。混凝土行業(yè)也應(yīng)如此。

標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化

每一步達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。在英國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前言中有一句聲明：“遵照英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不能免除其法律責(zé)任”。也就是說(shuō)工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)以自己的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)根據(jù)工程具體情況采用高于標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求的指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的指標(biāo)都是最低要求。規(guī)范要求平板型混凝土構(gòu)件(如道面、場(chǎng)坪、大體積基礎(chǔ))在保濕到接近初凝時(shí)搓抹2遍至3遍，某工程技術(shù)人員搓抹5遍至6遍，掌握的時(shí)機(jī)是“收水即抹，抹不動(dòng)為止”。這就叫“好好做”。

由于原材料供應(yīng)的困難，行業(yè)感到混凝土拌和物配合比很難做，目前大多數(shù)情況是“有什么料就用什么料”，但很難保證工程質(zhì)量。市場(chǎng)規(guī)律是有人買就有人賣，也就是說(shuō)，買方必須有要求。這一局面導(dǎo)致做混凝土的對(duì)原材料要求越來(lái)越低，為了低成本，寧可使用低質(zhì)量砂石，用增加膠凝材料用量和用水量的手段保證強(qiáng)度與施工性，實(shí)際上犧牲的是減少開(kāi)裂敏感性的漿骨比。這就叫“不好好做”。現(xiàn)在，混凝土業(yè)界都抱怨水泥顆粒太細(xì)、水化熱大、水化過(guò)快，不能保證混凝土后期強(qiáng)度。而水泥生產(chǎn)者“我行我素”，因?yàn)橘I方并不拒購(gòu)。設(shè)想一下，如果買方全部堅(jiān)持要求，賣方還能有恃無(wú)恐嗎？

智能化、綠色化

2017年，我國(guó)扣除損耗后所用的混凝土總量約為77億噸，堪稱“混凝土大國(guó)”。

混凝土因用量巨大而必須簡(jiǎn)單，又因簡(jiǎn)單而必然復(fù)雜；另一方面，因?yàn)楹?jiǎn)單而地位低下，又因復(fù)雜而至今只達(dá)到了機(jī)械化的水平，連自動(dòng)化都談不上。現(xiàn)在混凝土拌和物的輸送由獨(dú)輪小車發(fā)展到罐車；澆注由吊斗發(fā)展成泵送，剩下的最大難題是勞動(dòng)強(qiáng)度很大的振搗。有人建議開(kāi)發(fā)“懶漢混凝土”來(lái)解決勞動(dòng)力問(wèn)題，其結(jié)果必然增大硬化后的開(kāi)裂敏感性，不利于混凝土結(jié)構(gòu)工程的耐久性。現(xiàn)代工業(yè)制造越來(lái)越多地需要跨界甚至跨國(guó)、跨學(xué)科、跨部門進(jìn)行。進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，智能化是特點(diǎn)之一，制作出智能化的混凝土振搗棒應(yīng)該不是幻想。

從混凝土材料方面來(lái)說(shuō)，預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)也有待于智能化以避免人為的系統(tǒng)誤差。例如是否能以拌和物配合比設(shè)計(jì)和調(diào)整的智能化，代替目前的人工調(diào)整？是否能在線檢測(cè)砂石表面附著水量并及時(shí)自動(dòng)調(diào)整拌和水量？是否能自動(dòng)測(cè)定砂石表觀密度與飽和面干含水率？怎樣做到拌和物質(zhì)量的自檢等？

世界各國(guó)混凝土規(guī)范的技術(shù)不盡相同，歐美國(guó)家的相關(guān)規(guī)范編制過(guò)程較為復(fù)雜，且符合標(biāo)準(zhǔn)是執(zhí)行過(guò)程中的最低要求。

綠色化其實(shí)是個(gè)管理問(wèn)題，包括攪拌站的排放和污染的防治及清潔生產(chǎn)。從多數(shù)攪拌站來(lái)看，首先要整治的是砂石的堆放。目前最多做到的是“料棚”，有頂無(wú)墻；好一點(diǎn)的是有頂有墻的庫(kù)；效果最好的用于分級(jí)堆放的密封倉(cāng)，可謂鳳毛麟角。

集約化

向企業(yè)轉(zhuǎn)型的混凝土行業(yè)之所以“受傷的總是我”，主要原因是未形成規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)。水泥則不同，全國(guó)只有一個(gè)水泥協(xié)會(huì)，40年來(lái)形成了多家規(guī)模化的大集團(tuán)，現(xiàn)在水泥界雖然也有很多這樣那樣的問(wèn)題，但是該行業(yè)前十家上市公司已經(jīng)起到了行業(yè)龍頭的作用。而混凝土行業(yè)則沒(méi)有“擰成一股繩”，要么被水泥企業(yè)收購(gòu)，要么依附于建設(shè)集團(tuán)，混凝土攪拌站并沒(méi)有被當(dāng)成是整個(gè)工程系統(tǒng)中一個(gè)核心的車間來(lái)管理，賺錢壓力大，但技術(shù)提高不足。比如，某建設(shè)集團(tuán)在全國(guó)有100多個(gè)攪拌站，但是因“鞭長(zhǎng)莫及”而得不到進(jìn)一步的成長(zhǎng)和提高。水泥企業(yè)下屬的攪拌站多被當(dāng)成“銷售渠道”，對(duì)混凝土所需要的水泥的品質(zhì)沒(méi)有話語(yǔ)權(quán)。這樣的局面導(dǎo)致無(wú)法轉(zhuǎn)型升級(jí)，整天疲于應(yīng)付供貨，無(wú)暇提高科技含量、科技水平。

混凝土工程一體化、集約化的實(shí)現(xiàn)可以有不同的方式：第一種是水泥企業(yè)在生產(chǎn)線上增加“混凝土試配車間”和“攪拌車間”，由水泥廠和攪拌站共同負(fù)責(zé)，真正按混凝土需要生產(chǎn)、按規(guī)律檢測(cè)，再向下延伸到拌和物售后服務(wù)，協(xié)助成型工藝的質(zhì)量控制；第二種是建設(shè)部門管理攪拌站，直接參與工程質(zhì)量的管控，也可以由砂石或外加劑企業(yè)做混凝土。后面兩種的難度主要在于膠凝材料的來(lái)源。不管哪一種模式，都應(yīng)當(dāng)有管理和檢查的制度，有定期提高質(zhì)量的制度，要求并考核研究成果，力求做出自己的品牌。

多樣化

健康市場(chǎng)的標(biāo)志不是自由市場(chǎng)，而是有法制管理的、優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)、充分尊重用戶。商品多樣化，有人買就有人賣。土木工程不是朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，也不是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，而是永恒的產(chǎn)業(yè)。混凝土作為土木產(chǎn)業(yè)最大宗的材料亦當(dāng)如是，應(yīng)適應(yīng)市場(chǎng)的多樣化。

目前，雖然我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高潮已近尾聲，但基本建設(shè)尚未飽和，比如農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)改造、邊遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)等，對(duì)于混凝土仍有大量需求，混凝土行業(yè)仍任重而道遠(yuǎn)。

（本文整理自《再談中國(guó)混凝土向何處去——有進(jìn)有退是正常發(fā)展的規(guī)律》一文，有刪減。）