混凝土單位用水量與混凝土質量和成本的關系

陳永禮，尹小文，陳名山，朱生平，孫曙光，馬霞，葛慎為，朱承勇，張奮，王雷，邵品榮

（1. 珠海市錦龍混凝土有限公司；2. 海南光名混凝土有限公司；3. 江蘇金峰水泥集團有限公司溧陽市金世紀混凝土有限公司；4. 江蘇誠州混凝土有限公司；5. 溧陽市瀨江混凝土有限公司；6. 揚州迪業混凝土有限公司；7. 揚州市永浩新型建材有限公司；8. 鎮江亨威混凝土有限公司；9. 惠州森洛克材料科技有限公司）

0 前言

住建部和工信部發文：高性能混凝土作為重要的綠色建材，對提高工程質量，降低工程全壽命周期的綜合成本具有重要的意義。商品混凝土企業配制和生產高性能混凝土將成為混凝土發展的方向。

以往的混凝土試驗室的配合比設計常常重視強度，忽視了混凝土施工性和耐久性這兩個重要指標，也錯誤地將水膠比控制作為生產高性能混凝土的唯一要求。但因為施工性不好，混凝土在工地普遍被加水，結果犧牲了混凝土強度和耐久性。

本文作者來自不同的混凝土公司，他們的試驗應用證明：用好的減水劑，可以控制和減少混凝土單位用水量，做到少用水泥，多用摻合料，才能生產真正意義上的，具有強度、施工和易性及耐久性的高性能混凝土。同時亦能降低商品混凝土企業的生產成本。

混凝土生產過程中有兩個用水量的概念：（1）水膠比：水與膠凝材料之比；（2）混凝土單位用水量：每立方米混凝土中用水量。“水膠比”不考慮水泥用量，只關注水膠比與強度的關系。所以常常為了強度多用水泥，相應也增加了用水量。結果強度有了，裂縫也有了，耐久性沒有了。

而我們在確保強度的前提下強調混凝土單位用水量。減少每立方混凝土用水量，就能盡可能地減少水泥用量，減少裂縫，實現混凝土強度和耐久性并存，同時降低混凝土生產成本。

1 混凝土單位用水量對混凝土質量和成本的重要性

2001 年的國際混凝土會議已經把混凝土的耐久性放在重要的地位。會上多位專家明確指出：“混凝土耐久性可以用控制水膠比的辦法實現是錯誤的”。因為用水量對混凝土控制開裂至關重要：減少了用水量，在保持強度相同的條件下，可隨之相應降低膠凝材料的用量，從而減少混凝土的溫度收縮、自身收縮和干縮，使控制開裂獲得耐久性。

會議同時認為：選擇混凝土配和比的標準也必須進行一次重大的變革。Malhota 教授指出：一個對混凝土結構早期開裂起主導因素的原因，那就是為了滿足現代高速施工所采用高、早強水泥及其混凝土拌合物。

許多專家和學者在這方面都有很多論述和經驗之談：

P.K Mehta 教授建議首先在規范方面應該強調：若結構有耐久性要求，混凝土配和比需要以耐久性要求為準。且水泥用量不宜過大，單位用水量不宜過大，還可以添加礦粉、粉煤灰等礦物添加劑，來降低水化熱、強度，早期彈性模量。這是為什么當摻入礦物外加劑（如50% 粉煤灰）混凝土在控制裂縫和保持較好抗滲性上做的較好。

P.K Mehta 教授還指出：最關鍵的是過細的水泥導致絕大部分水化反應都在混凝土澆筑早期完成，導致混凝土后期強度增長緩慢，有的甚至 7 天以后強度就不增長了。要知道，優秀的混凝土應該是隨著時間增長強度始終緩慢增加的。長期強度上不去，就會給未來的性能退化埋下伏筆。

另外 Metha 教授在最新版的《混凝土微觀結構、性能與材料》中也提到用水量的問題。這本書吸取了一些新的研究成果，比如加拿大研究的大摻量粉煤灰、低用水量混凝土，其粉煤灰摻量 57%～58%，抗凍融循環能達到 1000 次以上。

廉惠珍教授提到（混凝土配和比設計）應遵循三個原則：其中第二個是用水量，這個用水量原則也可以稱之為漿骨比最小原則，在保證混凝土強度和工作性的前提下，盡量少用水、少用灰、多用骨料，這樣才能減少混凝土的收縮開裂，保證混凝土的體積穩定性。用水量其實反映的是漿骨比參數。用水量越大，用灰量也越大，混凝土里面的漿體總量也越大。

覃維祖教授在井岡山論壇“關于高性能混凝土與超高性能混凝土技術進展”的演講中提出：在保持混凝土強度不變的情況下，減少混凝土單位用水量，減少水泥用量，達到消除混凝土裂縫的效果。覃教授在演講中舉了杭州灣大橋 C40 承臺以及滬昆鐵路貴州段鐵道床板C40 混凝土的實例，在大幅降低混凝土單位用水量，大幅減少水泥用量的情況下，工程從有裂縫變成不出現裂縫，提高了混凝土的耐久性，并總結實例的共同點為：（1）C30、C40 的常用混凝土；（2）每立方混凝土的砂石用量超過 1800kg/m3；（3）粗骨料必須采用二級配；（4）礦物摻合料至少要大于 50%；（5）混凝土單位用水量低于 140kg/m3，最好是低于 130kg/m3。

聞寶聯教授也在其文章中提出：用水量的多少直接影響了水膠比的大小，進而影響了強度的高低。用水過多引起裂縫、蜂窩、馬面等問題，又會降低混凝土的耐久性能。眾所周知，降低用水量可以提高混凝土的強度及耐久性的同時，節約部分成本。因此在生產過程中應該要嚴格控制。

冷發光教授提出：耐久性的混凝土要重視相應的耐久性指標，應該作為強制條例執行，其它性能參數推薦執行。混凝土配合比的設計中應重視單方用水量這個重要指標，其它參數可以自由選擇。

以上國內外的專家、教授、學者都指出了混凝土單位用水量這個指標的重要性。控制、降低混凝土單位用水量可以直接影響到強度，提高混凝土的耐久性。還可以減少水泥用量降低混凝土的成本，減少碳排放。

2 如何實現降低混凝土單位用水量

降低混凝土單位用水量對基礎材料要求：

（1）選擇 C3A 含量低、磨細度低的、適應性好的水泥，也就是標準稠度用水量低的水泥。

（2）選擇活性高，用水量低的優質礦粉。

（3）選擇優質的粉煤灰，最好是Ⅰ級、Ⅱ級灰。

（4）選擇級配好的，含粉、泥量少的砂石。

（5）選擇適應性好、高減水的外加劑。

上述選擇都很重要。市場上現有的混凝土基礎材料幾乎沒有讓商品混凝土企業選擇的余地。首先水泥廠為了降低成本、增加利潤都采用高鋁的配方導致水泥 C3A高，水泥摻合料多變和磨細度高也是商品混凝土企業無法改變的現狀。其次，為了保護生態環境，河砂不準采挖了，機制砂不能水洗了，生產混凝土用砂石普遍含泥、含粉量不穩定。再者，磨細粉煤灰也不純粹了，成分、活性都不穩定。基礎材料如此，商品混凝土企業要實現降低混凝土單位用水量只能依靠減水劑。

萘系減水劑因為生產過程中的環境問題和其本身的使用局限性使用量越來越少，有些地方（北京）甚至已經禁止使用。一般聚羧酸高效減水劑因為對保水性和砂石泥粉的敏感，許多商品混凝土企業也很抗拒。但因聚羧酸減水劑環保、高減水的特性，還是成為商品混凝土的首選。關鍵是減水劑企業必須研制符合、適應混凝土基礎材料使用的，具有減水、保坍、防泌水、抗泥等功能的聚羧酸減水劑。因為，使用具有前述功能的減水劑才可以增加減水劑和摻合料用量，進而達到減少水泥和混凝土單位用水量的目的。

“智慧型聚羧酸高性能減水劑”是近年推出的具有自養護功能的，抗泥粉、防泌水、保坍比較理想的減水劑。在混凝土基礎材料不理想、不穩定時，使用“智慧型聚羧酸高性能減水劑”能大幅減少用水量和水泥用量，保持混凝土坍落度和混凝土施工和易性，實現強度保證和持續增長。

3 減少混凝土單位用水量的試驗和應用案例

3.1 減少收縮，減少裂縫

覃維祖教授在“井岡山論壇”上展示了杭州灣大橋和滬昆鐵路貴州段鐵道床板 C40 混凝土，在減少混凝土單位用水量設計前后的混凝土裂縫變化，清楚說明減少混凝土單位用水量對減少裂縫的重要性，詳見表 1 和表 2。

表 2 滬昆鐵路貴州段鐵道床板混凝土調整前后配比

表 1、表 2 作為國家重點工程，混凝土基礎材料很好。工程原有裂縫，在調整單位用水量（減少用水量，降低水泥用量）后，裂縫沒有了。

3.2 解決長期強度不增長的問題

表 1 杭州灣大橋混凝土調整前后配合比及性能

表 3 無錫華璞砼 C30 試配情況

表 4 江蘇誠州混凝土有限公司 C30 試配情況

表 5 揚州迪業砼 C30 試配情況

表 6 海南海口光名混凝土有限公司混凝土試配情況

表 7 無錫華璞砼 C30 試配情況

P.KMehta 教授說：優秀的混凝土應該是隨著時間增長強度始終緩慢增加的。長期強度上不去，就會給未來的性能退化埋下伏筆。通過調整配合比，減少混凝土單位用水量和水泥用量，使用智慧型聚羧酸高效減水劑，混凝土狀態改善，60 天、90 天強度增長正常（表 3～5）。從表 3～5 數據看到：試配中使用他牌減水劑，配合比未作單位用水量調整，60 天強度倒縮。

3.3 降低成本

水泥是商品混凝土企業的成本大頭，是混凝土膠凝材料中用量最多、價錢最貴的材料。但是它除了貢獻強度，沒有其他優點。我們通過大幅降低混凝土單位用水量，減少了水泥用量，不僅保證了混凝土質量，還降低了商品混凝土企業成本（表 6～12），增加了企業的競爭力。

表 6 中所列 2 號配比比 1 號試配每立方混凝土節省19.7 元，混凝土和易性、強度改善，同時解決了河沙資源緊張的問題。

表 7 使用 KFDN 減水劑，減少混凝土用水量和水泥，每立方混凝土節省13.5元，混凝土狀態和強度滿意。表 8 每立方混凝土節省 20.5 元。表 9 用磨細石灰石粉替代粉煤灰以及部分水泥和礦粉，用 KFDN 減水劑，坍落度和擴展度 2 小時保持滿意，混凝土成本節省31.1 元。從表 10、11、12 中可以看到：水泥用量與強度的關系并不成正比。用對減水劑就有條件減水，減水泥，降低混凝土成本。

3.4 減少碳排放

表 8 江蘇誠州混凝土有限公司混凝土試配情況

表 9 珠海錦龍混凝土有限公司混凝土試配情況

表 10 鎮江欣會混凝土有限公司混凝土試配情況

表 11 江蘇溧陽市瀨江混凝土有限公司混凝土試配情況

表 12 常州溧陽聯星砼有限公司混凝土試配情況

表 13 香港水下樁混凝土

水泥在燒制過程中產生大量的碳排放。據統計數據，生產 1t 水泥產生 750kg 碳排放，加上運輸過程中產生的碳排放，商品混凝土企業使用 1t 水泥大約產生1000kg 碳排放。如果能夠在保持混凝土質量時減少使用水泥，這將是對環境質量的貢獻，對人類生存質量的貢獻。

表 13 要求 28 天強度 60MPa，24 小時坍落度不少于 150mm。配比中摻合料占全部膠凝材料的 65%，水泥占 35%。坍落度和強度符合要求。大幅減少水泥用量，也就是大幅減少了碳排放。

表 14 混凝土設計強度 C60。配比中 1# 水泥用量為膠凝總量的 66%，2# 水泥用量為膠凝總量的 40%，兩組 2 小時坍落度和擴展度都能保持，混凝土強度達標。1# 強度富余太多，2# 強度滿意更經濟。比一般 C60 混凝土大幅減少水泥用量，也就是大幅減少了碳排放。

表 15 為 C30 混凝土。因為擔心強度不夠 1# 試配水泥用量比較保守，28d 強度好，但 60d 強度回縮。2# 試配更換減水劑后減少水泥用量 70kg，增加煤灰 40kg，總膠凝材料減少 30kg，用水量減少 55kg。2# 試配成本節約 20.5 元，和易性更好（坍落度擴展度理想），28天強度比 1# 試配高 5MPa，60 天強度還有大幅增長。對該公司來說，每方減 70kg 水泥是對減少碳排放的很大貢獻。

表 14 香港高強混凝土

表15 江蘇誠州混凝土有限公司

以上 15 張表說明了幾個非常重要的事實：首先，混凝土強度不完全依賴水泥，不是水泥越多強度越高；其次，摻合料部分替代水泥是完全可以的；再者，合適的減水劑對減少混凝土單位用水量至關重要；最重要的是，減少混凝土單位用水量有利于混凝土質量和成本。

4 結語

高性能混凝土必須強調強度和耐久性并存。混凝土裂縫對耐久性是致命的。而減少（消除）裂縫的技術原則是：減少混凝土單位用水量（減少用水量和水泥用量）。

在目前混凝土基礎材料不穩定情況下，低強度等級混凝土的施工和易性控制更是難題。選擇適合的減水劑在解決上述問題的同時幫助商品混凝土企業降低成本，增加效益，更可為節能減排作貢獻。