原材料品質(zhì)變化對于混凝土性能的影響

  導讀

  本文討論了近年來混凝土原材料品質(zhì)的變化、出現(xiàn)的一些新材料，及其對混凝土性能的影響。如何基于現(xiàn)在的原材料品質(zhì)，生產(chǎn)出合格的混凝土，是混凝土生產(chǎn)企業(yè)需要面對的挑戰(zhàn)?；炷列袠I(yè)不能重回老路，而是必須適應原材料現(xiàn)狀，發(fā)展對應的配制技術，滿足建筑結構與施工的要求。研發(fā)新的材料必須以不損害混凝土結構的長期性能和安全性為前提。

  前言

  我國長期持續(xù)的建設高潮，使混凝土的生產(chǎn)量越來越大，大量優(yōu)質(zhì)的天然資源和工業(yè)廢渣被用于生產(chǎn)水泥、礦物摻和料和砂石骨料。隨著自然資源逐漸枯竭，以及環(huán)境保護措施的不斷加強，天然資源的開采利用受到越來越多的限制，工業(yè)廢渣的供應也日漸緊張。此外，水泥生產(chǎn)技術的進步以及用戶的要求使水泥的品質(zhì)也發(fā)生了很大變化，上游工業(yè)生產(chǎn)方式的改變使工業(yè)廢渣的品質(zhì)發(fā)生變化，種種變化導致生產(chǎn)混凝土所用的原材料品質(zhì)也發(fā)生了很大的變化。

  混凝土結構性能和施工方式的改變使對于混凝土性能的要求也發(fā)生了變化。現(xiàn)在要求混凝土具有優(yōu)良的流變性能，宜于超遠程超高層泵送；要求混凝土具有優(yōu)良的力學性能，高強早強；要求混凝土具有優(yōu)良的體積穩(wěn)定性，不易開裂；要求混凝土具有優(yōu)良的耐久性，能夠抵抗外界有害介質(zhì)的侵蝕，具有較長使用壽命?；炷辽a(chǎn)企業(yè)則需要嚴格控制生產(chǎn)成本，不愿使用價高的優(yōu)質(zhì)原材料。

  目前業(yè)主與施工企業(yè)對混凝土的抱怨主要集中在高流態(tài)混凝土的施工性能不好、開裂敏感性高的問題上。為了解決這個問題，一些行業(yè)主管部門試圖制定一些技術文件，規(guī)范混凝土原材料的品質(zhì)，從而提高混凝土質(zhì)量，降低結構開裂的風險?；炷辽a(chǎn)企業(yè)對于原材料現(xiàn)狀很無奈，只能采用不符合標準要求的原材料。為了控制混凝土生產(chǎn)成本，滿足結構驗收要求，市場上出現(xiàn)了各種各樣的新材料和技術，幫助混凝土生產(chǎn)企業(yè)解決難題。

  本文試圖分析混凝土原材料品質(zhì)變化的原因，討論基于現(xiàn)有原材料，生產(chǎn)高性能混凝土的途徑。

  1、膠凝材料品質(zhì)的變化

  1.1 水泥品質(zhì)的變化

  自上世紀八十年代以來，硅酸鹽水泥的生產(chǎn)發(fā)生了革命性的變革?，F(xiàn)在絕大多數(shù)硅酸鹽水泥熟料是用窯外分解窯燒成的，水泥則是由輥壓機-選粉機系統(tǒng)生產(chǎn)的，生產(chǎn)方式的改變導致水泥熟料礦物組成和水泥顆粒級配發(fā)生改變?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)速高的窯外分解窯能夠煅燒高飽和比高鋁氧率的生料，生產(chǎn)的熟料中C3S和C3A含量高，其熟料的強度高。水泥的粉磨系統(tǒng)效率高，提高粉磨細度并不需要額外增加很多電耗。輥壓機生產(chǎn)出的水泥顆粒均齊，粒度分布范圍小。

  采用現(xiàn)在的水泥生產(chǎn)裝備，水泥廠生產(chǎn)高細度的高強早強水泥所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益比較好，因此一些大的水泥企業(yè)鼓吹取消低強度等級的水泥。由于水泥熟料強度高，生產(chǎn)P·O42.5普通硅酸鹽水泥時，適量超出國家標準允許的混合材摻加量，水泥的強度仍然能夠達標。目前國家標準并不強制檢查水泥中的混合材摻量，因此許多水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥中的混合材都是超標的。當水泥廠生產(chǎn)P·O32.5復合硅酸鹽水泥時，通過提高水泥的細度，能夠更多地摻加混合材，從而降低水泥的生產(chǎn)成本?，F(xiàn)行國家標準規(guī)定了四種允許的混合材。但是許多地方缺少足夠的合法的混合材資源，一些水泥廠就使用標準禁用的工業(yè)廢渣作為混合材。這些摻加非法混合材生產(chǎn)的水泥，其物理力學性能與合格的水泥沒有明顯差異，但其中一些重金屬和放射性元素的含量需要嚴格控制（否則會留下隱患），然而水泥廠和混凝土生產(chǎn)商大多不重視，或有意回避。

  水泥組成和顆粒級配的變化導致其性能隨之發(fā)生變化?，F(xiàn)在的水泥早期強度高，但長期強度增長率低，這種強度發(fā)展規(guī)律導致水泥的水化熱高，早期放熱速率大，開裂敏感性高。為了降低混凝土的溫升、減小開裂敏感性、改善耐久性，一些混凝土的技術規(guī)程和標準規(guī)定，配制混凝土所用水泥的C3A含量不得高于8%，比表面積不大于350m2/kg。有人提議，生產(chǎn)專用水泥來滿足某行業(yè)的特殊需求。雖然這些措施有科學根據(jù)，但在實際工程應用時不可操作。C3A含量是基于熟料化學組成計算出來的，誤差較大；水泥廠并不告訴用戶水泥中的混合材摻量，用戶無法得知水泥中C3A含量。因此規(guī)定水泥中的C3A含量限值沒有意義。

  現(xiàn)代化的水泥生產(chǎn)線產(chǎn)能很大。為了控制水泥品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率，要求生產(chǎn)平穩(wěn)進行，不可能為了某個特殊需求，而短暫改變生產(chǎn)工藝參數(shù)。小批量生產(chǎn)特殊的專用水泥，成本很高，建設方難于接受。如果建設專用水泥生產(chǎn)線，而水泥不能長途運輸，不能長期存儲，大量專用水泥不能及時在當?shù)劁N售，則水泥廠無法組織生產(chǎn)。云南曾建成年產(chǎn)180萬噸的道路水泥生產(chǎn)線，但因當?shù)厥袌霾唤邮苓@種水泥，最終只能轉(zhuǎn)產(chǎn)普通硅酸鹽水泥，一些專門為道路水泥生產(chǎn)準備的工藝裝備和引進的生產(chǎn)技術都沒能夠發(fā)揮作用。

  現(xiàn)在再想走回頭路，讓水泥廠生產(chǎn)較粗的水泥是不現(xiàn)實的。業(yè)主和施工方都要求加快施工速度，要求混凝土快凝早強。為了滿足這一要求，混凝土生產(chǎn)商也要求水泥具有高早強性能，而提高水泥細度是降低成本的技術途徑。業(yè)主不關心混凝土是否易于開裂，他們認為這是混凝土生產(chǎn)商應該解決的問題。在各方需求和經(jīng)濟利益的驅(qū)使下，水泥的細度越來越高是不可逆轉(zhuǎn)的潮流。即使建工行業(yè)標準規(guī)定了水泥的細度上限，但水泥生產(chǎn)不受建工行業(yè)標準的束縛，建設項目只能使用水泥廠大量生產(chǎn)的高細度水泥。導致混凝土結構開裂，水泥只是一個影響因素。只要調(diào)整混凝土配合比，有效控制施工過程，是能夠消除高細度水泥的不利影響、制備不開裂的混凝土結構的。

  1.2 礦物摻和料品質(zhì)的變化

  近年來，常用的礦物摻和料的品質(zhì)也發(fā)生了很大變化。變化最明顯的是粉煤灰。由于環(huán)保要求的提高和清潔空氣行動的開展，發(fā)電廠的煙氣需要經(jīng)過脫硫脫硝后排放。而脫硫脫硝產(chǎn)生的廢渣部分被混進了粉煤灰，會影響粉煤灰的性能。由于優(yōu)質(zhì)粉煤灰的供應量減少，出現(xiàn)了經(jīng)過粉磨處理的磨細粉煤灰。這種粉煤灰細度可以滿足應用要求，但球形顆粒量較少，粉煤灰特有的潤滑效應就減小了。因許多地區(qū)粉煤灰短缺，導致粉煤灰的品質(zhì)不能得到保證，性能變化大，這給混凝土的穩(wěn)定生產(chǎn)帶來一定的困難。

  礦渣粉的品質(zhì)也在下降。一些地區(qū)只有S75級礦渣粉供應，一些S95級礦渣粉的7d活性達不到標準要求。另外，也有高活性的超細礦渣粉供應，用于高強混凝土的生產(chǎn)。這種超細礦渣粉的水化熱甚至比普通硅酸鹽水泥還高。使用這種超細礦渣粉，不能降低混凝土的溫升，其開裂敏感性也高，需要特別引起注意。

  廣義上來說，含有非晶態(tài)的硅鋁質(zhì)組分的材料都可以作為礦物摻和料使用?，F(xiàn)在各種各樣的固體工業(yè)廢渣都用于混凝土配制。使用這些新的礦物摻和料，混凝土的力學性能是可以滿足設計要求的，但是其長期性能還需要系統(tǒng)的研究工作來檢驗。尤其是一些重金屬的冶煉渣，需要關注其殘留的重金屬元素滲析特性，以及對人體健康的長期影響。在使用惰性礦物摻和料（如石灰石粉）配制混凝土時，要關注混凝土的長期強度增長率。如果混凝土的長期強度增長率低，則結構的安全系數(shù)就會降低。

  2、骨料品質(zhì)的變化

  為了保護環(huán)境，砂石開采越來越受到限制，很多地方已經(jīng)禁止開采山石和河砂。由于天然砂石來源逐漸減少，人工砂的供應不斷增加，導致混凝土的配合比和性能也發(fā)生了變化。

  現(xiàn)在混凝土工業(yè)所使用的砂石原料，絕大多數(shù)都達不到國家標準要求的品質(zhì)。粗骨料的級配不合理，空隙率高。細骨料的含泥量嚴重超標，級配不好，含石率高。許多中砂去除超徑顆粒后，其細度模數(shù)大大降低。使用這樣的骨料，混凝土的膠凝材料和減水劑用量必然會增加，導致和易性不好，工作性損失快，強度較低，對混凝土的各種性能都有不利影響。部分地區(qū)甚至使用風化程度較高的砂石，這對混凝土性能的不利影響就更大了。

  沿海地區(qū)大量使用海砂。海砂如果清洗干凈，氯鹽含量得到嚴格控制，就是一種優(yōu)質(zhì)的原料。但是目前的問題是真正洗干凈的海砂不多。使用氯鹽含量超標的海砂會給鋼筋混凝土結構的耐久性帶來非常嚴重的危害。由氯鹽導致的鋼筋銹蝕一旦發(fā)生，結構物難于維修加固，最終只能拆除，這將給國民經(jīng)濟發(fā)展帶來很大的負面影響。

  天然砂的供應越來越緊張，人工砂和尾礦砂的用量越來越多。尾礦砂的細度偏細，需要與天然砂搭配使用。目前市場供應的人工砂粒形較差，扁平狀顆粒較多；中間粒徑的含量較低，級配不合理；石粉含量高。這樣的人工砂質(zhì)量較差。我國當前能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的人工砂，但成本較高，市場接受程度低。實際上，使用優(yōu)質(zhì)的人工砂石，雖然砂石成本高，但是可以減少膠凝材料用量，混凝土強度高，混凝土的總體成本并不高。阿聯(lián)酋使用四種單粒級的骨料，組成理想的級配曲線，在配制高強混凝土時，其膠凝材料用量比我國類似強度等級的混凝土少約100kg/m3，密度都在2450kg/m3以上。在2014年第一屆全國混凝土技能大賽上，使用優(yōu)質(zhì)骨料，按照混凝土攪拌站常用的配合比進行試配，其28d強度大多比設計強度高10MPa～20MPa。

  3、減水劑的變化

  高效減水劑是現(xiàn)代混凝土不可缺少的重要組分。預拌混凝土所用的減水劑基本組分已逐漸從萘系轉(zhuǎn)變?yōu)榫埕人嵯怠＞埕人嵯禍p水劑減水率高，工作性保持性好，性能易于調(diào)整。使用聚羧酸系減水劑配制高強、自密實混凝土已不是難事，超遠程超高層泵送的成功案例也越來越多，將C100混凝土泵送到1000m高度，建設千米高的建筑已不是夢想。聚羧酸系減水劑對于原材料品質(zhì)比較敏感。當砂石含泥量增加，減水劑的減水效果就明顯降低，減水劑與膠凝材料的相容性也會變差。這一方面要求混凝土攪拌站提高原材料控制水平，保持砂石的品質(zhì)穩(wěn)定性；另一方面也促使減水劑生產(chǎn)商開發(fā)出對劣質(zhì)砂石適應性高的減水劑。使用聚羧酸系減水劑配制的混凝土拌合物有流動性“返大”現(xiàn)象。剛出機的拌合物流動性小于運輸?shù)浆F(xiàn)場的拌合物。這是因為聚羧酸系減水劑具有緩釋效應，其作用效果需要一定時間才能達到最佳。對于超高層泵送的混凝土，因其流動性大，運輸?shù)浆F(xiàn)場的混凝土常有輕微離析。雖然理論上認為離析的混凝土難于泵送，但現(xiàn)場泵機操作工人認為這樣的混凝土才適于泵送。理論與實踐的差異也會促使我們進行深入的研究。

  4、功能性材料的變化與使用

  現(xiàn)代混凝土除了減水劑外，還可能使用具有特殊功能的材料。這些材料用量小，但是對混凝土的性能具有很大的影響。近年來，除了傳統(tǒng)的功能性外加劑外，一些新的功能材料也在不斷出現(xiàn)。

  混凝土膨脹劑是用量最大的功能性材料。使用混凝土膨脹劑配制的補償收縮混凝土可廣泛用于大體積混凝土基礎、剛性防水屋面、后澆帶等結構部位。我國混凝土膨脹劑的年用量達百萬噸以上，可配制約3000萬m3混凝土?；炷僚蛎泟┯勺畛醯牧蜾X酸鹽型膨脹劑演變?yōu)檠趸}-硫鋁酸鹽復合膨脹劑，現(xiàn)在又有氧化鎂膨脹劑出現(xiàn)。這三種膨脹劑性能不同。硫鋁酸鹽型膨脹劑膨脹率低，落差大，性能較差。氧化鈣-硫鋁酸鹽復合膨脹劑的膨脹率高，作用迅速，性能優(yōu)于硫鋁酸鹽型膨脹劑；但存在作用時間與膠凝材料水化硬化時間不易匹配、后期干縮大等缺點。

  氧化鎂膨脹劑作用緩慢持續(xù)，過去主要用于大體積的水工結構，現(xiàn)在剛開始嘗試用于普通工業(yè)與民用建筑工程。

  混凝土膨脹劑的主要問題是假冒偽劣產(chǎn)品太多。配制好的混凝土到達現(xiàn)場后，無法檢驗是否摻加了足量合格的膨脹劑，因為施工方不驗收補償收縮混凝土的膨脹性能，而影響結構開裂的因素又太多，所以膨脹劑生產(chǎn)廠商可以供應偽劣產(chǎn)品，混凝土攪拌站也可以少摻甚至不摻膨脹劑。施工方對于補償收縮混凝土的性能了解不夠，混凝土澆筑后養(yǎng)護不到位。各種因素混合到一起，一旦出現(xiàn)質(zhì)量事故難于分清責任。由于補償收縮混凝土拌合物的工作性損失快，難于澆筑，對養(yǎng)護要求高，導致一些混凝土生產(chǎn)商與使用方認為，使用補償收縮混凝土反而容易開裂。實際上，種種亂象都是施工管理不到位所致。只要嚴格監(jiān)管所有環(huán)節(jié)，補償收縮混凝土的性能是可以得到保證并發(fā)揮其應有功能的。

  為了降低混凝土的收縮，避免結構開裂，近年來出現(xiàn)了諸如減縮劑、內(nèi)養(yǎng)護劑等新型功能性材料。其中，嘗試較多的并開始在實際工程中試用的材料是作為內(nèi)養(yǎng)護劑使用的高吸水性樹脂（SAP）。在混凝土拌制過程中適量添加SAP與水，可明顯改善混凝土的收縮性能，降低開裂風險。但是如何添加SAP是一個難題，需要根據(jù)攪拌站的具體情況來確定。

  今天，在嚴酷環(huán)境中建造建筑物或有特殊要求的建筑物越來越多，對建筑物的耐久性要求相應提高。為了制備高耐久性的混凝土，需要調(diào)整混凝土配合比，有時也需要添加一些功能性材料。比如，為了提高混凝土的抗凍性，需要添加引氣劑；為了抵抗鋼筋銹蝕，需要添加阻銹劑。這些材料的作用機理都是比較成熟的，經(jīng)過大量實踐證明是有效的。現(xiàn)在有一些混凝土防腐劑，主要為了抵抗硫酸鹽腐蝕。這些防腐劑的組分不明，作用機理不清楚，長期效果未得到驗證，應慎重選用。實際上，只要增加礦物摻和料用量，降低水膠比，就能明顯改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性。至于混凝土增效劑等，則對混凝土的長期性能有不利的影響，降低混凝土結構的安全性，是一種違反可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品，不應鼓勵其發(fā)展。

  結論

  混凝土原材料品質(zhì)發(fā)生了很大變化，也出現(xiàn)了許多新的材料，這導致混凝土的性能發(fā)生變化，也導致混凝土的配制技術發(fā)生變化?；炷列袠I(yè)不能重回老路，而必須適應新的變化，發(fā)展對應的配制技術，以滿足建筑結構與施工的要求。研發(fā)新材料必須以不損害混凝土結構的長期性能和安全性為前提。