水工混凝土膠凝材料定義的探討

朱 丹，田 軍，張 全

(中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

水工大體積混凝土由于水化熱溫升使得混凝土內部溫度高于表面溫度，當內外溫差過大時容易產生溫度裂縫。為了減少混凝土水化熱溫升，在混凝土配合比設計中往往都會盡可能降低混凝土用水量并摻入一定數量的摻合料。水工碾壓混凝土具有施工速度快，水化熱溫升低的特性。20世紀80年代開始，粉煤灰作為水工混凝土摻合料逐步得到廣泛應用，20世紀90年代中期，三峽工程開始將Ⅰ級粉煤灰作為功能性材料使用，推動了水工混凝土的技術進步。

在混凝土行業將混凝土(砂漿)拌制時摻入的能改善混凝土(砂漿)性能的礦物質材料稱為摻合料，而水泥行業將水泥粉磨時摻入的礦物質材料稱為混合材料。兩者對于混凝土來說本質上是一樣的，區別在于一個是后摻一個是先摻礦物質材料。

隨著我國水電工程建設的進展，大江大河施工條件和供貨條件好的水電工程基本建完，很多上游在建、待建工程因運輸距離遠，粉煤灰等活性摻合料運到工地的價格遠遠高于水泥等當地材料。因此，科研、設計、施工單位針對水工混凝土出現的這一新問題，開展了大量試驗和工程應用研究，豐富了水工混凝土摻合料的種類，解決了邊遠地區水工混凝土缺乏摻合料的難題。國內當地材料成功用作水工混凝土摻合料的有凝灰巖、火山灰、磷礦渣、石灰石粉、雙摻料(鐵礦渣+石灰石粉，鋼渣+石灰石粉)、石粉等。由于不同的水工規范對膠凝材料或摻合料的定義不同，給非活性摻合料的使用帶來一定的影響，同時對落實“一帶一路”倡議，中國標準走向世界有不利影響(標準的協調性差)。本文從比較不同水工標準對膠凝材料的定義入手，借鑒國家標準和其他行業標準，以及工程實際配合比實例，提出對水工混凝土膠凝材料定義的看法，僅供同行參考。

1 水工規范對膠凝材料定義的差異

DL/T5144-2015《水工混凝土施工規范》[1]中的2.1.4條定義的摻合料為“拌制凝土或砂漿時摻入的粉煤灰、硅灰、礦渣粉、石灰石粉等礦物質材料”；第2.1.5條定義的膠凝材料用量為“每立方米混凝土中水泥和摻合料質量的總和”。結合這兩條可以看出，除了將人們熟悉的具有一定活性的材料定義為膠凝材料外，還將“石灰石粉”定義為膠凝材料。SL677-2014《水工混凝土施工規范》[2]的相關摻合料、膠凝材料定義與DL/T5144-2015《水工混凝土施工規范》[1]基本一致。

DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技術規范》[3]中的第3.0.1條定義的膠凝材料為“混凝土原材料中具有膠結作用的水泥和粉煤灰、硅灰、磨細礦渣粉、磷渣粉、天然火山灰等礦物摻合料的總稱”。從這里可以看出，該標準強調了“具有膠結作用”的材料，只把能夠水化(含二次水化)的材料作為膠凝材料。

DL/T5330-2015《水工混凝土配合比設計規程》[4]中的第2.1.12條定義的摻合料為“拌制混凝土或砂漿時摻入的粉煤灰、礦渣粉、磷渣粉、硅粉、石灰石粉、天然火山灰等礦物質材料”。第2.1.14 條定義的膠凝材料為“混凝土或砂漿中水泥及摻合料的總稱”。該標準除了增加磷渣粉作為摻合料外，其他與DL/T5144-2015《水工混凝土施工規范》定義一致。

SL314-2004《碾壓混凝土壩設計規范》[5]中的第2.0.4 條定義的摻合料為“指為改善混凝土性能、減少水泥用量而摻入混凝土中的活性或非活性礦物質材料”。該標準與上述標準不同，將非活性礦物質材料歸入到摻合料中，大大擴展了摻合料的范圍，不僅僅是“石灰石粉”一種非活性礦物質。由于該標準沒有給出膠凝材料的定義，可以理解為“只要礦物質材料中的有害成分少到不足以影響混凝土性能，均可作為混凝土摻合料使用，進而可以作為膠凝材料對待”。

從上述5個水工混凝土標準可以看出，其區別在于非活性摻合料是不是可以作為膠凝材料對待。SL314-2004《碾壓混凝土壩設計規范》[5]可以理解為將非活性礦物質材料作為膠凝材料對待；DL/T5144-2015《水工混凝土施工規范》、SL677-2014《水工混凝土施工規范》[2]、DL/T5330-2015《水工混凝土配合比設計規程》[4]三個規范將石灰石粉作為膠凝材料對待；DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技術規范》[3]只將有活性的摻合料作為膠凝材料對待。

對非活性摻和料在同一行業的標準中文字表述上的差異，不僅會影響到實際工程應用，還將影響中國標準走向世界，應引起相關部門予以重視并及時完善。

2 國家標準和行業標準對膠凝材料的定義

GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[6]中5.2.4條對非活性混合材料的定義為“活性指標分別低于GB/T203、GB/T18046、GB/T1596、GB/T2847標準要求的粒化高爐礦渣、粒化高爐礦渣粉、粉煤灰、火山灰質混合材料，石灰石和砂巖，其中石灰石中的三氧化二鋁含量(質量分數)應不大于2.5%”。

GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[6]對通用硅酸鹽水泥的定義為“以硅酸鹽水泥熟料和石膏，及規定的混合材料制成的水硬性膠凝材料”。其中普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥和混合硅酸鹽水泥均允許摻入不超過水泥質量8%的非活性混合材料(符合5.2.4要求)替代活性混合材料。

JC/T 600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》[7]中3.1條對石灰石硅酸鹽水泥的定義為“以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏以及一定比例的石灰石磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為石灰石硅酸鹽水泥”。石灰石的質量分數為：10%

GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》[8]中的第4.3.3條規定“石灰石粉用量應計入膠凝材料用量”。

JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》[8]中的第2.0.3條定義膠凝材料為“混凝土中水泥和活性礦物摻合料的總稱”；但5.0.3條又規定“配合比計算時，應將石灰石粉用量計入膠凝材料用量”。

普通硅酸鹽水泥中允許摻入不超過8%的石灰巖和砂巖，石灰石水泥中允許摻入最多不超過25%的石灰巖，水泥中摻入非活性混合材后，誰也不會認為它不是膠凝材料；GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》[8]雖然在術語中沒有給出膠凝材料的定義，但正文中明確了配合比計算時應將石灰石粉用量計入膠凝材料用量；JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》[9]雖然在術語中認為水泥和活性礦物摻合料是膠凝材料，但后面的的條文又規定“在配合比計算時，應將石灰石粉計入膠凝材料用量”。

上述4個標準可以看出，摻入非活性混合材的水泥，只要非活性混合材料摻量在標準規定的范圍，制成的水泥都是水硬性膠凝材料；JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》[9]和GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》[8]都將石灰石粉計入膠凝材料用量。因此，非活性摻合料(混合材料)在這里都理解為膠凝材料。

3 實際工程應用

在實際工程中將石灰石粉、輝綠巖石粉作為膠凝材料使用的典型工程有：柬埔寨甘再水電站工程，幾內亞蘇阿皮蒂水電站工程。柬埔寨甘再和幾內亞蘇阿皮蒂水電站工程使用的部分三級配碾壓混凝土施工配合比膠凝材料用量見表1[10]、表2。

表1 柬埔寨甘再水電站工程使用的部分碾壓混凝土膠凝材料用量表

表2 幾內亞蘇阿皮蒂水電站工程使用的部分碾壓混凝土膠凝材料用量表

若只將水泥和粉煤灰作為膠凝材料，則表1中序號為4、5、6的配合比膠凝材料用量分別只有105、94、73 kg/m3，水膠比則分別為0.82、0.93、1.30；同樣表2中序號為2的配合比膠凝材料用量為123 kg/m3，水膠比為0.79，均不滿足水工碾壓施工規范膠凝材料用量不宜低于130 kg/m3和水膠比不宜大于0.65的建議值。

實際工程中，根據表1和表2配合比進行施工的柬埔寨甘再水電站及幾內亞蘇阿皮蒂水電站的壩體混凝土，機口取樣的結果見表3和表4。

表3 柬埔寨甘再水電站工程機口檢測結果表MPa

設計強度等級抗壓強度最大最小平均軸拉強度最大最小平均抗滲C18015W433.815.423.23.181.411.92≥W5

表4 幾內亞蘇阿皮蒂水電站工程機口檢測結果表 MPa

從表3及表4的結果看，混凝土均滿足設計性能指標要求且施工性能良好。

由此可見，若不將非活性摻合料算作膠凝材料，很難滿足現行規范對最低膠凝材料用量的要求和最大水膠比的限制，不利于非活性摻合料的推廣和應用。

因此，應將石粉等非活性摻合料作為膠凝材料看待。

4 結 語

1)同一行業的技術標準對膠凝材料的定義不同，不利于非活性摻合料的推廣和應用，也不利于中國標準走出國門。相關部門注意行業標準的協調性。

2)大部分水工混凝土技術標準認可石灰巖石粉作為膠凝材料使用，但對其他巖石生產的石粉沒有予以肯定。應將石灰巖石粉應用的經驗推廣到其他巖石種類，以利于就地取材(特別是海外工程)，只要石粉能改善混凝土工作性能而又不影響混凝土設計性能指標。

3)水泥行業用適量非活性的石灰巖、砂巖作為混合材制成的水泥稱作水硬性膠凝材料，混凝土行業是否也應明確將石灰巖、砂巖以及其他不影響水泥(混凝土)性能的石料磨成的石粉作為膠凝材料。

4)工程實踐也證明采用石灰巖石粉、輝綠巖石粉作為膠凝材料是可行的，相關研究單位還應加大研究力度，進一步拓寬石粉的巖石應用種類。