原材料变化对商品混凝土性能的影响概述

卻汉生，邹振华，叶朝卫，文俊强

（北京正华混凝土有限责任公司，北京　100162）

原材料变化对商品混凝土性能的影响概述

卻汉生，邹振华，叶朝卫，文俊强

（北京正华混凝土有限责任公司，北京100162）

本文概述了近年来混凝土原材料的变化趋势以及其对商品混凝土性能带来的影响，对商品混凝土相关企业如何应对这些变化，提出了相应措施。

原材料；商品混凝土；变化趋势

混凝土的历史从 19 世纪中期诞生了混凝土与钢筋混凝土算起，至今已有 150 多年了，而混凝土成为商品混凝土是近现代的产物。我国的商品混凝土始于 20 世纪 70 年代，获得蓬勃发展始于 1987 年“全国商品混凝土协会成立大会”的召开，此后商品混凝土经历了持续二十多年的快速增长，产量增加了上百倍。据统计，2014 年全年我国商品混凝土产量超过 15 亿立方[1]。

混凝土发展到今天，水泥、掺合料、外加剂、骨料等原材料均发生了很大的变化，而且随着科学技术的进步日益发展。本文将从混凝土四种基本原材料变化的角度分析其对当今商品混凝土的影响及未来商品混凝土的发展趋势。

1　原材料变化

1.1水泥

现代水泥发展的两个主要成果：高强熟料的烧成和熟料细化粉磨技术。其中高强熟料的烧成使得熟料中 C3S 矿物含量增多；而粉磨技术的提高使得水泥细度明显加大。

如今烧成技术相当完善，水泥熟料中的阿利特矿物比例明显提高，阿利特是水泥强度的主要提供者，也是早期强度的主要贡献者，部分熟料中阿利特含量最高可达 60%，此熟料可以称为高强熟料。此外，粉磨工艺技术不断提高，水泥熟料可以粉磨得很细，充分有效地利用熟料的潜在活性，提高水泥的强度。两种技术都使得水泥熟料的早期强度显著提高，这样就可以增加水泥中混合材的掺加量，减少能源资源消耗；可以在冬季施工项目中少加或者不加早强剂或防冻剂，减少钢筋混凝土结构中氯离子和碱的引入；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区别于其他材料的特征之一是，其会不断生长、不断增加强度和密实度。过度开发其强度，导致其强度集中出现在早期，而后期强度发展缓慢，势必会对其耐久性产生一定影响。

有研究表明[2]，对检测过的大约 200 座结构，从小的、单跨的桥梁，到大的、多跨桥梁，建成 3～30 年不等时间里出现各种质量问题。有足够的证据表明：在 1930 年以后建造的混凝土结构使用寿命不如在那以前的。例如：检查时在 1930 年以前建造的桥梁 67% 完好，而 1930 年后建造的仅27% 尚完好。除了施工技术改变以外，原因之一是 1930 年以后水泥粉磨工艺的提升，使水泥的细度发生变化。

1.2掺合料

商品混凝土中的矿物掺合料主要包括粉煤灰和矿粉，它们起着从根本上改变了传统混凝土的性能。在商品混凝土中加入较大量的磨细矿粉和粉煤灰，可以起到降低温升、改善工作性、增进后期强度、改善混凝土内部结构、提高耐久性、节约资源等作用。其中，某些矿物细掺合料还能起到抑制碱－骨料反应的作用，改善混凝土的微结构和许多重要性能，且还具有节约能源、保护资源和减小环境污染等多重意义，因此矿物掺合料在混凝土中的比例逐渐增大。

以粉煤灰为例，我国粉煤灰混凝土技术发展主要有两个方面的内容：首先是高掺量粉煤灰混凝土的应用，在多数标准和规程中，水泥和混凝土中粉煤灰的掺量都限制在 40% 以下，有的结构混凝土规程限制还要严格一些；其次是高性能粉煤灰混凝土的开发。粉煤灰混凝土可以作为一种高性能混凝土所特需的复合材料组分来使用，因此粉煤灰玻璃珠便是相当理想的颗粒性复合材料。

有文献[3]对掺有占总胶凝材料用量 51%～56% 粉煤灰的工程结构使用十年后的现场性能调查，结果显示粉煤灰混凝土表现出比普通混凝土更好的现场长期性能，认为即使是大掺量也可以成功的用于结构混凝土中，并认为某些规范对粉煤灰用量所设的限制是偏于保守的。近几年来大量的粉煤灰用于制备高性能混凝土，如首都国际机场新航站楼使用了近 2万吨粉煤灰，长江三峡工程[4]使用了粉煤灰 170 万吨。新中央电视台大楼的底板工程也采用了粉煤灰掺量 40% 的混凝土。

然而，矿物掺合料的利用也出现很大的地域差异，混凝土技术不发达的地区受传统观念的影响，矿物掺合料的掺量受到限制，资源得不到充分利用。混凝土技术发达地区往往出现优质矿物掺合料供不应求的局面，商品混凝土企业需要提高进价才能买到合格的矿物掺合料，且需要严格检查其进场试验，防止供货商以次充好，以假乱真。

1.3外加剂

现代混凝土不再是一种简单的水泥、矿物掺合料、水和骨料的混合物，而通常含有越来越多使混凝土具备特定品质的、特定功能的化学外加剂。减水剂是最为常见、用量最大的化学外加剂。减水剂的应用是混凝土技术发展过程中的一个重要的里程碑，应用它可以配制出流动性满足施工需要且水灰比低、强度高的高强混凝土；可以配制出自行流动、成型密实的自密实混凝土；可以配制出充分满足不同工程特定性能需要、匀质性良好的高性能混凝土。

减水剂从最初萘系减水剂发展为聚羧酸高性能减水剂，从单一减水功能发展为多功能的复合型减水剂。现代减水剂的特点是将不同功能化学添加剂复配于减水剂中，使减水剂具备特殊功能。如需提升混凝土拌合物的和易性和抗冻融能力，则引入引气剂；如需增加混凝土拌合物的凝结时间，则引入缓凝组分；如要保证混凝土拌合物长距离运输，保证混凝土拌合物的坍落度损失率，则引入保坍组分；如原材料砂石中含泥量超标，为保证聚羧酸的有效使用率，则需引入抗泥组分；如配合比中需降低胶材及水泥用量，且保证混凝土强度不降低，则需引入增效剂。但是，多种组分的复合给配合比设计和生产时的储存与计量带来复杂性。同时外加剂与水泥、掺合料之间存在相容性问题，规模生产前需要通过试验进行评价。

1.4骨料

通常骨料要占混凝土体积的 65%～80%，是混凝土非常重要的原材料。然而，随着很多地区禁止开采河砂，细骨料河砂资源越来越紧缺。目前混凝土企业所用砂的质量越来越差，要么细度模数低，要么含泥量高，严重影响混凝土的性能。此外，机制砂的出现从一定程度上缓解了细骨料的短缺状况，但一般破碎的机制砂颗粒形状、级配都不尽如人意。粗骨料方面、优质的碎石、卵石资源也越来越少，表现在级配不合理，针片状含量高等，这些对于商品混凝土企业都会形成很大的压力。

在混凝土配合比设计中很多人认为：粗骨料最大粒径越大、砂率越小，所配制的混凝土越好。事实并非如此，骨料最大粒径虽大，但小颗粒（5～10mm 或 5～15mm）很少甚至没有，填充其空隙需要的砂浆量并不能减少，同时还会带来一些副作用，如新拌混凝土易于离析、泌水，硬化混凝土耐冲击和疲劳强度降低且对耐久性不利。

级配就是将不同粒径分布的骨料颗粒混合，以尽量减小混凝土的空隙率，从而减少浆体用量，同时拌和后的混凝土运送过程不易发生分离。理想的骨料级配即：大颗粒骨料堆积的间隙，由小颗粒粗骨料填充；小颗粒粗骨料的间隙再由细骨料填充；由浆体填充骨料密实堆积体的空隙，并在其表面形成润滑层，使拌合物具有满足施工需要的工作度，各级骨料的优选级配形成完全致密体，满足设计要求的强度。

2　应对措施

混凝土原材料的变化将对混凝土的生产产生很大的影响，混凝土相关企业要有充分的准备应对这些变化。

（1）水泥早强化和颗粒超细化是混凝土开裂的主要原因之一。然而，目前水泥的早强化和超细化的趋势尚未改变。为此，在设计混凝土配合比中，应使用收缩性能较小的聚羧酸减水剂，而在大体积混凝土的配合比中需要考虑引入抗裂组分，如膨胀剂、抗裂防水剂等，防止混凝土开裂破坏。

（2）矿物掺合料的大掺量化是混凝土又一发展趋势，毕竟矿物掺合料是工业副产物，其产量有限。随着矿物掺合料大规模的应用，一些地区相继出现了粉煤灰矿渣短缺现象。为此，寻找这些原料的替代品也是混凝土企业的当务之急。关于磨细石灰石粉代替粉煤灰矿粉甚至水泥的研究已经开展了很多年，做一些试验配合比的储备是混凝土企业的明智之举。

（3）水泥与外加剂的匹配性是生产合格混凝土产品的必要条件，当今外加剂多是复配型的外加剂，多种组分共同作用可能导致混凝土的工作性出现问题。混凝土企业有必要开展外加剂的复配试验工作，这是控制混凝土质量的有效措施。

（4）对骨料的颗粒级配进行详细分析，并引入混凝土的配合比设计中，这样才能生产出级配优良、工作性良好、结构致密、高强的水泥混凝土产品。然而，现在混凝土配合比设计中很少考虑颗粒级配这一参数影响，导致配制出的混凝土产品工作性和强度出现问题。

3　小结

混凝土已经产生了一百余年，混凝土技术已经日趋成熟，很难产生巨大的技术革新，然而组成混凝土的原材料却在悄然发生着改变。因此，针对原材料的改变而引起的混凝土性能的改变需要引起相当的重视，无论原材料的性能、材料之间的相容性和颗粒级配等问题都是混凝土生产中要重点考虑的因素。

[1] 中国混凝土网．2014 年中国各省市商品混凝土产量及增长情况，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] 储传英．三峡工程混凝土原材料研究，中国水利水电出版社，1999.4．

［通讯地址］北京市大兴区西红门镇振亚庄村（100162）

卻汉生（1973—），男，工程师，北京正华混凝土有限责任公司常务副总经理，研究方向混凝土新技术开发及企业运营管理。