如何正确理解“高性能混凝土”并设计混凝土配合比

阎培渝

（清华大学土木工程系，北京 100084）

中国民航机场建设集团公司国际事务部副总经理杨文科先生最近出版了一本著作《现代混凝土科学的问题与研究》，并从 2012 年第七期开始在《商品混凝土》杂志上连载。该书提出了大量似是而非的论点，吸引人们注意。

因全书的内容太多，不能一一评述，在此挑一两个重要问题，与杨先生商榷。

1 什么是“高性能混凝土”

《现代混凝土科学的问题与研究》中对于高性能混凝土有大量负面评价，认为“它是用降低工程质量和耐久性为代价，向降低劳动强度和提高工程进度两个指标投降的一种混凝土”（该书 P141）。在本书第一章“混凝土的灵魂——配合比”中，将高性能混凝土定义为与干硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土对应的一种混凝土，也就是大流动性混凝土（表 1-4）。

上述观点说明，杨先生根本没有理解高性能混凝土的内涵。让我们重温一下美国混凝土学会（ACI）关于高性能混凝土的正式定义：“高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，采用传统的原材料和一般的拌和、浇筑与养护方法，往往不能大量地生产出这种混凝土。所指特性例如：易于浇筑，振捣不离析，早强，长期力学性能，抗渗性、密实性，低水化温升，韧性，体积稳定性，恶劣环境下的较长寿命”。所以高性能混凝土不是混凝土的一个品种而是强调混凝土的“性能”（performance），或者说是一种质量目标。对不同的工程，高性能混凝土有不同的强调重点，即“特殊性能组合”。任何一种混凝土，当它达到性能要求并且均质性好时，就是高性能混凝土。当我们修建混凝土路面时，所使用的干硬性混凝土的性能达到设计要求，工程质量很好，这种混凝土难道就不是“高性能混凝土”吗？高性能混凝土是整个工程建设全部环节协调配合得到的优质混凝土，不是只要有配合比就能生产，而是由包括原材料控制、拌合物生产与整个施工过程来实现的。由于要求混凝土结构的耐久性，混凝土在符合具体工程的各项具体性能要求的同时，必须是体积稳定的、匀质的。杨先生给出的工程案例中，性能达不到设计要求的混凝土根本不是“高性能混凝土”，而是质量不达标的劣质混凝土。

2 何谓“旧的配合比理论”与“现代混凝土配合比理论”

杨先生提及，近二百年来，三种混凝土配合比设计理论方法分别是“比表面积法”、“最大密度法”和“魏矛斯断档级配法”。认为旧的混凝土配合比设计理论指导不了现代混凝土的配合比设计。这三种方法主要涉及混凝土用骨料的品质和用量，单纯依靠这三种方法，是做不出一个混凝土配合比的。混凝土配合比设计的理论基础还需要包含更多内容。

传统混凝土与现代混凝土之间没有截然的界限。现在生产的混凝土与数十年前相比，在材料组成和性能表现上有很大变化，但依据的基本理论是一脉相传的。迄今为止，混凝土配合比的设计最主要的理论依据是多孔材料的孔隙率与其强度成负相关关系。具体到混凝土，就是混凝土的强度在一定范围内与水胶比成负线性关系。杨先生想凭自己有限的工程经验推翻这个理论，是不可能的。虽然表 1-2 给出了一些干硬性混凝土的抗折强度与水灰比无关的例子，但如果在更大的范围内进行数据分析统计，我们会发现，1918 年 Abrams提出的混凝土强度的水灰比定则仍然是成立的。当混凝土试配强度较低时，采取的首要调整措施，不是如杨先生所说，增加水泥用量，而是降低水胶比。不论是 100 年以前，还是现在，总是根据设计要求的混凝土强度等级和耐久性调整混凝土水胶比。并不是说，由于有了高效减水剂，现在混凝土使用的水胶比就低了。而是现在要求的混凝土强度等级提高了，所以水胶比必须低。

杨先生思考了现代混凝土配合比理论（应该是“配合比设计理论”），提出需要坚持的三个重要原则：坍落度、粗骨料、水泥用量。在此基础上，提出了混凝土配合比设计的步骤：1）确定混凝土的工作性（在此杨先生将高性能混凝土排在塑性混凝土后面，意指高性能混凝土是大流动性混凝土，前已论述了杨先生基本认识的错误）；2）确定混凝土单方容重；3）确定胶凝材料用量；4）确定粗骨料用量；然后就可以确定砂率和用水量了。

根据这三项重要原则，杨先生提出应优先使用低坍落度的混凝土，优先使用大粒径的骨料，并尽可能降低水泥用量。现在的工程实践中，尽可能降低水泥用量的原则是大家都遵循的，尽管原因不尽相同。而混凝土的工作性是由建筑结构形式和施工方法决定的，并不是由混凝土生产商控制，混凝土的工作性只能在很有限的范围内调整。同样，骨料粒径的选用也有很多限制条件，如配制高强混凝土或自密实混凝土，就必须使用小粒径粗骨料。一般情况下，应该是先根据需要的工作性选择用水量和砂率，根据强度等级确定水胶比，然后计算胶凝材料和骨料的用量。这牵涉到配合比的经济性问题，如果先确定胶凝材料的用量，就不好评价配合比的经济性了。

在杨先生给出的确定胶凝材料用量的原则中，规定了干硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土和高性能混凝土的水泥用量。按照所给的范围，如果配制塑性高强混凝土，水泥（胶凝材料）用量可能不够，如果配制塑性低强混凝土，水泥（胶凝材料）用量可能多了，经济性不好。此处杨先生给高性能混凝土规定了一个很高的水泥（胶凝材料）用量，默认高性能混凝土是高强混凝土，还给高性能混凝土规定了一个最低的容重和粗骨料用量。杨先生概念中高性能混凝土就是大流动性高强混凝土，这明显是错误的。

按照杨先生给出的混凝土配合比设计步骤，不能设计出一个配合比，因还差一个需要根据强度—水胶比定则确定的参数：水胶比，没有这个参数，用水量无法确定。

现行混凝土配合比设计方法国内外都差不多，需要综合考虑混凝土的工作性、强度和耐久性、经济性。其设计流程如下：

• 根据施工方式确定混凝土的工作性；

• 选择骨料最大尺寸：需要考虑钢筋间距、板厚、强度等级和工作性；

• 根据拌合物工作性选择用水量；

• 根据混凝土强度等级和耐久性要求选择或计算水胶比；

• 根据用水量和水胶比计算胶凝材料用量；

• 根据经验或实验结果确定胶凝材料中水泥与辅助性胶凝材料的比例；

• 根据混凝土容重、用水量和胶凝材料用量，计算骨料用量；

• 根据工作性选择砂率；

• 计算粗细骨料用量；

• 试配调整。

国外多使用单粒级骨料，没有砂、石的区别，就不需要确定砂率，直接按经验选择各粒级骨料的量。

随着混凝土技术的发展和材料的变化，混凝土配合比设计过程中所需要的经验参数在不断变化，但基本设计思路和流程没有改变。在现行配合比设计思路指导下，大量优质的、具有各种性能的混凝土被生产出来，建成了现在的繁华都市。现在混凝土生产过程中出现的很多问题，是未能科学地使用混凝土原材料、一味追求经济效益、野蛮施工等原因造成的。不能将其完全推给混凝土配合比设计理论。

杨先生提出的三个“旧的配合比理论和现代混凝土的不适应性”是不对的。现行混凝土配合比设计方法中，从没有说，砂率与强度有关。砂率主要影响工作性，水胶比才是决定强度的主要因素。杨先生说水灰比与强度无关，是违反基本科学原理的错误观点。在现行配合比设计方法中，水泥用量本就不是决定强度的主要参数。当需要配制高强混凝土时，水胶比降低，但为保证拌合物的工作性，用水量有一下限，这样胶凝材料用量自然就增加了。

3 “假凝”的概念辨析

本书第六章讨论了混凝土“假凝”。在此杨先生混淆了“假凝”与“速凝”两个概念。从杨先生提供的案例所表现出的现象，可知所讨论的是速凝，而不是假凝。所谓“假凝”，是指水泥中石膏为半水石膏或无水石膏，加水后迅速变为二水石膏，导致拌合物失去流动性。此时水泥尚未水化，因此没有热量放出。假凝的拌合物经过重新搅拌，可以恢复流动性。“速凝”指水泥迅速水化，放出大量热量，混凝土凝结成刚性固体，不能再次恢复流动性。

在下结论前，应该搞清楚基本理论，以免误导读者。