混凝土怎么了？

文

近年来，我国交通基础设施建设速度更快、数量更多、路桥更长，交通更便捷……港珠澳跨海工程、南盘江特大桥、青藏铁路等一批具有代表性的现代钢筋混凝土结构纷纷创造世界之最。所有这些都与材料科学与工程技术分不开，其中，最突出的当属混凝土。

为什么受伤的总是混凝土？

什么是混凝土？人们首先认识的是由砂石、水和水泥拌和的混合物，以及用其制成梁、板、墙、柱、桩、墩、管、筒、拱、壳、大块体等结构构件与部件灰色冷冰冰的人工石。其实，后者才是混凝土的最终产品，而前者只是一种拌和物，并不是产品。就好比把小麦磨成粉，用水混合揉成面团，并不能称之为馒头、面条或其他产品。重提这个道理，是因为近年来笔者看到网络上经常有人吐槽：为什么“受伤的总是混凝土？”这里说的“受伤”者实际上只是生产混凝土拌和物的人。

现在，混凝土拌和物对工程的要求比过去有了更宽的适应性，运到工地大都没有被拒收。但是，打完的混凝土经常出现裂缝、颜色不对、强度不够、表面出现麻坑、砂线等，一旦出现这些问题，就纠纷不止：施工方抱怨混凝土用阴阳配合比；混凝土拌和物供应商抱怨施工方乱加水、不好好振捣、不养护；混凝土人抱怨水泥太细，后期强度不增长，掺和料掺不进，水泥人抱怨买家要求水泥早期、后期强度都高；要求水化热低而强度高……所以，网络上出现了“现在技术水平高了，混凝土倒做不好了，究竟是进步了还是退步了？”的质疑。笔者认为实际情况说是“走三步、退两步”。

随着改革开放的持续推进，起步较晚的中国混凝土取得了飞速发展。我国混凝土前辈黄大能先生几十年前就有个愿望：在中国推行预拌混凝土。黄先生的这个愿望如今得以实现。然而，任何举措都有得必有失：当出现一种倾向时，必然会隐含着另一种倾向，当前的预拌混凝土确实存在一些问题。

随着我国机械制造和电子工业的发展，适应预拌混凝土发展的计量、搅拌、运输等工艺大大进步，高效减水剂的普遍使用和发展改变了混凝土的一切：高强、高流态、高程泵送、狭窄空间浇筑等。一方面，拌和物匀质性提高，施工方便，因振捣不善而造成的缺陷得以避免，建设速度大大加快。另一方面，从总体上看，从业人员的素质低，质量管理和控制水平差，以致于混凝土结构的质量事故和裂缝比过去出现得更多，因质量引发的供需双方的纠纷也更多了。

港珠澳跨海工程东人工岛的清水混凝土建造物

除了这些问题，还存在不少隐患，比如混凝土配合比的报告大部分失真；混凝土拌和料运到工地后，加水现象普遍；10年前混凝土的骨料都用水洗，现在一部分砂子含泥量高达7%等。由此看来，不是进步不进步的问题，而是有得必有失。

图1 传统30MPa混凝土强度发展

图2 初期强度越高，发展余地越小

水泥和混凝土的强度越来越高好不好？

20世纪70年代水泥最高标号是500#，相当于现在强度等级的32.5；现在52.5的水泥从强度来说相当于20年前的625#水泥。但是，过去规定水泥的储存期为三个月，而今不再提储存期，因为储存期不到一个月后，52.5水泥的强度就会和42.5水泥的强度相差无几，而且用户反映“不好用了”。

有了高效减水剂，实现混凝土的高强已经不是难事，混凝土得以应用到高层和大跨结构。人们对高强混凝土觉得还不够过瘾，崇拜和追求“超高强”“特超高强”。混凝土7天甚至3天，强度就能达到28天设计强度值的100%，但是后期强度不增长了，开裂敏感性增大了，对缺陷的自愈能力下降了，混凝土结构的耐久性又将如何保证？

如图1所示，传统的混凝土强度正常发展规律：相对于28天的100%，3天约30%；7天约60%。如图2所示，C50以上的混凝土强度3天就可达约70%，14天可达90%；如果混凝土7天强度就达到100%，则到了28天就增长得很少，甚至几乎不增长；如果3天就达到100%，则7天还能长一点，28天就基本不长了，甚至会倒缩。

美国威斯康辛大学从1910年开始了50年水泥净浆、砂浆和混凝土的实验计划，浇筑了室内和室外混凝土，分别于1910年、1923年和1937年3个不同时间成型了5000多个试件，并于1975年发表了这些试件观测50年的结果：1923年用透气法高细度配制的水泥混凝土28天强度为21兆帕，25年强度达到52兆帕；1937年用当时的快硬水泥配制的混凝土28天强度为35兆帕，5年达到53兆帕，10年后强度开始倒缩，25年强度就倒缩至45兆帕，比水化慢的混凝土25年的强度还低。当时的快硬水泥与当今美国的I型水泥和II型水泥矿物组成与细度相当（硅酸三钙C3S的含量为57%，勃氏比表面积为每千克380平方米，我国的常用水泥也如此）。

凡是提高早期强度的措施对混凝土后期性能都会有损害，这已是国内外专家的共识。前国际材料与结构研究实验联合会主席、德国混凝土专家Rupert Springenschmid（鲁珀特·施普林根施米德）证明：控制混凝土12小时抗压强度不超过6兆帕，就可以避免混凝土的早期开裂。我国混凝土专家黄士元经过试验得出结论：可用混凝土24小时抗压强度不超过12兆帕来控制混凝土的早期开裂，如图3所示。

图3 混凝土初期和早期抗压强度和开裂敏感性的关系

高强度是为了减小构件断面，例如高度一定的混凝土柱子，强度越高，柱子可做得越细，但是，柱子的高度与其最小断面尺寸的比例还受“压杆稳定”问题的限制（如图4所示）。对一定高度的柱子来说，有最小断面的要求，也就是说，对强度的要求是有限的。

图4 压杆稳定问题示意

业界反映的水泥现在“不好用”，应当说主要是用户误导的结果。由于提高混凝土强度的要求，100多年来水泥的发展目标除了降低能耗之外，主要就是追求强度。从煅烧工艺上提高熟料强度已取得成效，但是毕竟有限，当前水泥强度的提高还离不开粉磨得过细和五花八门的助磨剂、增强剂。于是，在为混凝土提高强度的同时，也带来了损害耐久性的隐患。所以，从用户这里转变传统观念是关键。

综上所述，混凝土的发展有利有弊、有得有失，我们应当看见并尽量避免或减少弊和失，取得更大的进步，尽量避免进一步退两步。

混凝土行业的出路在哪里？

进入“第四次工业革命”时代，材料科学与工程技术的发展应向标准化、规范化、绿色化、智能化等高质量方向迈进。混凝土行业也应如此。

标准化、规范化

每一步达到现行标准的要求。在英国相关标准的前言中有一句声明：“遵照英国标准不能免除其法律责任”。也就是说工程技术人员应当以自己的专业知识和经验根据工程具体情况采用高于标准、规范要求的指标，标准、规范的指标都是最低要求。规范要求平板型混凝土构件(如道面、场坪、大体积基础)在保湿到接近初凝时搓抹2遍至3遍，某工程技术人员搓抹5遍至6遍，掌握的时机是“收水即抹，抹不动为止”。这就叫“好好做”。

由于原材料供应的困难，行业感到混凝土拌和物配合比很难做，目前大多数情况是“有什么料就用什么料”，但很难保证工程质量。市场规律是有人买就有人卖，也就是说，买方必须有要求。这一局面导致做混凝土的对原材料要求越来越低，为了低成本，宁可使用低质量砂石，用增加胶凝材料用量和用水量的手段保证强度与施工性，实际上牺牲的是减少开裂敏感性的浆骨比。这就叫“不好好做”。现在，混凝土业界都抱怨水泥颗粒太细、水化热大、水化过快，不能保证混凝土后期强度。而水泥生产者“我行我素”，因为买方并不拒购。设想一下，如果买方全部坚持要求，卖方还能有恃无恐吗？

智能化、绿色化

2017年，我国扣除损耗后所用的混凝土总量约为77亿吨，堪称“混凝土大国”。

混凝土因用量巨大而必须简单，又因简单而必然复杂；另一方面，因为简单而地位低下，又因复杂而至今只达到了机械化的水平，连自动化都谈不上。现在混凝土拌和物的输送由独轮小车发展到罐车；浇注由吊斗发展成泵送，剩下的最大难题是劳动强度很大的振捣。有人建议开发“懒汉混凝土”来解决劳动力问题，其结果必然增大硬化后的开裂敏感性，不利于混凝土结构工程的耐久性。现代工业制造越来越多地需要跨界甚至跨国、跨学科、跨部门进行。进入工业4.0时代，智能化是特点之一，制作出智能化的混凝土振捣棒应该不是幻想。

从混凝土材料方面来说，预拌混凝土的生产也有待于智能化以避免人为的系统误差。例如是否能以拌和物配合比设计和调整的智能化，代替目前的人工调整？是否能在线检测砂石表面附着水量并及时自动调整拌和水量？是否能自动测定砂石表观密度与饱和面干含水率？怎样做到拌和物质量的自检等？

世界各国混凝土规范的技术不尽相同，欧美国家的相关规范编制过程较为复杂，且符合标准是执行过程中的最低要求。

绿色化其实是个管理问题，包括搅拌站的排放和污染的防治及清洁生产。从多数搅拌站来看，首先要整治的是砂石的堆放。目前最多做到的是“料棚”，有顶无墙；好一点的是有顶有墙的库；效果最好的用于分级堆放的密封仓，可谓凤毛麟角。

集约化

向企业转型的混凝土行业之所以“受伤的总是我”，主要原因是未形成规模化的产业。水泥则不同，全国只有一个水泥协会，40年来形成了多家规模化的大集团，现在水泥界虽然也有很多这样那样的问题，但是该行业前十家上市公司已经起到了行业龙头的作用。而混凝土行业则没有“拧成一股绳”，要么被水泥企业收购，要么依附于建设集团，混凝土搅拌站并没有被当成是整个工程系统中一个核心的车间来管理，赚钱压力大，但技术提高不足。比如，某建设集团在全国有100多个搅拌站，但是因“鞭长莫及”而得不到进一步的成长和提高。水泥企业下属的搅拌站多被当成“销售渠道”，对混凝土所需要的水泥的品质没有话语权。这样的局面导致无法转型升级，整天疲于应付供货，无暇提高科技含量、科技水平。

混凝土工程一体化、集约化的实现可以有不同的方式：第一种是水泥企业在生产线上增加“混凝土试配车间”和“搅拌车间”，由水泥厂和搅拌站共同负责，真正按混凝土需要生产、按规律检测，再向下延伸到拌和物售后服务，协助成型工艺的质量控制；第二种是建设部门管理搅拌站，直接参与工程质量的管控，也可以由砂石或外加剂企业做混凝土。后面两种的难度主要在于胶凝材料的来源。不管哪一种模式，都应当有管理和检查的制度，有定期提高质量的制度，要求并考核研究成果，力求做出自己的品牌。

多样化

健康市场的标志不是自由市场，而是有法制管理的、优质优价、充分尊重用户。商品多样化，有人买就有人卖。土木工程不是朝阳产业，也不是夕阳产业，而是永恒的产业。混凝土作为土木产业最大宗的材料亦当如是，应适应市场的多样化。

目前，虽然我国的基础设施建设高潮已近尾声，但基本建设尚未饱和，比如农村乡镇改造、边远地区建设等，对于混凝土仍有大量需求，混凝土行业仍任重而道远。

（本文整理自《再谈中国混凝土向何处去——有进有退是正常发展的规律》一文，有删减。）