原材料品質(zhì)變化對(duì)于混凝土性能的影響

  導(dǎo)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(duì)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(duì)的挑戰(zhàn)?；炷列袠I(yè)不能重回老路，而是必須適應(yīng)原材料現(xiàn)狀，發(fā)展對(duì)應(yīng)的配制技術(shù)，滿足建筑結(jié)構(gòu)與施工的要求。研發(fā)新的材料必須以不損害混凝土結(jié)構(gòu)的長期性能和安全性為前提。

  前言

  我國長期持續(xù)的建設(shè)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(hù)措施的不斷加強(qiáng)，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(yīng)也日漸緊張。此外，水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)性能和施工方式的改變使對(duì)于混凝土性能的要求也發(fā)生了變化?，F(xiàn)在要求混凝土具有優(yōu)良的流變性能，宜于超遠(yuǎn)程超高層泵送；要求混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能，高強(qiáng)早強(qiáng)；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(yán)格控制生產(chǎn)成本，不愿使用價(jià)高的優(yōu)質(zhì)原材料。

  目前業(yè)主與施工企業(yè)對(duì)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(gè)問題，一些行業(yè)主管部門試圖制定一些技術(shù)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(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險(xiǎn)。混凝土生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于原材料現(xiàn)狀很無奈，只能采用不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的原材料。為了控制混凝土生產(chǎn)成本，滿足結(jié)構(gòu)驗(yàn)收要求，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種各樣的新材料和技術(shù)，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(jì)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(jī)-選粉機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)的，生產(chǎn)方式的改變導(dǎo)致水泥熟料礦物組成和水泥顆粒級(jí)配發(fā)生改變。現(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(qiáng)度高。水泥的粉磨系統(tǒng)效率高，提高粉磨細(xì)度并不需要額外增加很多電耗。輥壓機(jī)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(xì)度的高強(qiáng)早強(qiáng)水泥所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益比較好，因此一些大的水泥企業(yè)鼓吹取消低強(qiáng)度等級(jí)的水泥。由于水泥熟料強(qiáng)度高，生產(chǎn)P·O42.5普通硅酸鹽水泥時(shí)，適量超出國家標(biāo)準(zhǔn)允許的混合材摻加量，水泥的強(qiáng)度仍然能夠達(dá)標(biāo)。目前國家標(biāo)準(zhǔn)并不強(qiáng)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(biāo)的。當(dāng)水泥廠生產(chǎn)P·O32.5復(fù)合硅酸鹽水泥時(shí)，通過提高水泥的細(xì)度，能夠更多地?fù)郊踊旌喜模瑥亩档退嗟纳a(chǎn)成本?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(yán)格控制（否則會(huì)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(jí)配的變化導(dǎo)致其性能隨之發(fā)生變化?，F(xiàn)在的水泥早期強(qiáng)度高，但長期強(qiáng)度增長率低，這種強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律導(dǎo)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(shù)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)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(xué)根據(jù)，但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)不可操作。C3A含量是基于熟料化學(xué)組成計(jì)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(jìn)行，不可能為了某個(gè)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(shè)方難于接受。如果建設(shè)專用水泥生產(chǎn)線，而水泥不能長途運(yùn)輸，不能長期存儲(chǔ)，大量專用水泥不能及時(shí)在當(dāng)?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(dāng)?shù)厥袌?chǎng)不接受這種水泥，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(zhǔn)備的工藝裝備和引進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)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(shí)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(qiáng)。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(qiáng)性能，而提高水泥細(xì)度是降低成本的技術(shù)途徑。業(yè)主不關(guān)心混凝土是否易于開裂，他們認(rèn)為這是混凝土生產(chǎn)商應(yīng)該解決的問題。在各方需求和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，水泥的細(xì)度越來越高是不可逆轉(zhuǎn)的潮流。即使建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了水泥的細(xì)度上限，但水泥生產(chǎn)不受建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的束縛，建設(shè)項(xiàng)目只能使用水泥廠大量生產(chǎn)的高細(xì)度水泥。導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂，水泥只是一個(gè)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(xì)度水泥的不利影響、制備不開裂的混凝土結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jìn)了粉煤灰，會(huì)影響粉煤灰的性能。由于優(yōu)質(zhì)粉煤灰的供應(yīng)量減少，出現(xiàn)了經(jīng)過粉磨處理的磨細(xì)粉煤灰。這種粉煤灰細(xì)度可以滿足應(yīng)用要求，但球形顆粒量較少，粉煤灰特有的潤滑效應(yīng)就減小了。因許多地區(qū)粉煤灰短缺，導(dǎo)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(jí)礦渣粉供應(yīng)，一些S95級(jí)礦渣粉的7d活性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，也有高活性的超細(xì)礦渣粉供應(yīng)，用于高強(qiáng)混凝土的生產(chǎn)。這種超細(xì)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(xì)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(xué)性能是可以滿足設(shè)計(jì)要求的，但是其長期性能還需要系統(tǒng)的研究工作來檢驗(yàn)。尤其是一些重金屬的冶煉渣，需要關(guān)注其殘留的重金屬元素滲析特性，以及對(duì)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?xí)r，要關(guān)注混凝土的長期強(qiáng)度增長率。如果混凝土的長期強(qiáng)度增長率低，則結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)就會(huì)降低。

  2、骨料品質(zhì)的變化

  為了保護(hù)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(yīng)不斷增加，導(dǎo)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(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的品質(zhì)。粗骨料的級(jí)配不合理，空隙率高。細(xì)骨料的含泥量嚴(yán)重超標(biāo)，級(jí)配不好，含石率高。許多中砂去除超徑顆粒后，其細(xì)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(huì)增加，導(dǎo)致和易性不好，工作性損失快，強(qiáng)度較低，對(duì)混凝土的各種性能都有不利影響。部分地區(qū)甚至使用風(fēng)化程度較高的砂石，這對(duì)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(yán)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(biāo)的海砂會(huì)給鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性帶來非常嚴(yán)重的危害。由氯鹽導(dǎo)致的鋼筋銹蝕一旦發(fā)生，結(jié)構(gòu)物難于維修加固，最終只能拆除，這將給國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來很大的負(fù)面影響。

  天然砂的供應(yīng)越來越緊張，人工砂和尾礦砂的用量越來越多。尾礦砂的細(xì)度偏細(xì)，需要與天然砂搭配使用。目前市場(chǎng)供應(yīng)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(jí)配不合理；石粉含量高。這樣的人工砂質(zhì)量較差。我國當(dāng)前能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的人工砂，但成本較高，市場(chǎng)接受程度低。實(shí)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(qiáng)度高，混凝土的總體成本并不高。阿聯(lián)酋使用四種單粒級(jí)的骨料，組成理想的級(jí)配曲線，在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，其膠凝材料用量比我國類似強(qiáng)度等級(jí)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(jìn)行試配，其28d強(qiáng)度大多比設(shè)計(jì)強(qiáng)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(yù)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?。聚羧酸系減水劑減水率高，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(qiáng)、自密實(shí)混凝土已不是難事，超遠(yuǎn)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(shè)千米高的建筑已不是夢(mèng)想。聚羧酸系減水劑對(duì)于原材料品質(zhì)比較敏感。當(dāng)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(huì)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(duì)劣質(zhì)砂石適應(yīng)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(dòng)性“返大”現(xiàn)象。剛出機(jī)的拌合物流動(dòng)性小于運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的拌合物。這是因?yàn)榫埕人嵯禍p水劑具有緩釋效應(yīng)，其作用效果需要一定時(shí)間才能達(dá)到最佳。對(duì)于超高層泵送的混凝土，因其流動(dòng)性大，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的混凝土常有輕微離析。雖然理論上認(rèn)為離析的混凝土難于泵送，但現(xiàn)場(chǎng)泵機(jī)操作工人認(rèn)為這樣的混凝土才適于泵送。理論與實(shí)踐的差異也會(huì)促使我們進(jìn)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(duì)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(bǔ)償收縮混凝土可廣泛用于大體積混凝土基礎(chǔ)、剛性防水屋面、后澆帶等結(jié)構(gòu)部位。我國混凝土膨脹劑的年用量達(dá)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(fù)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(fù)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(shí)間與膠凝材料水化硬化時(shí)間不易匹配、后期干縮大等缺點(diǎn)。

  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(jié)構(gòu)，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(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，無法檢驗(yàn)是否摻加了足量合格的膨脹劑，因?yàn)槭┕し讲或?yàn)收補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹性能，而影響結(jié)構(gòu)開裂的因素又太多，所以膨脹劑生產(chǎn)廠商可以供應(yīng)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(duì)于補(bǔ)償收縮混凝土的性能了解不夠，混凝土澆筑后養(yǎng)護(hù)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(zé)任。由于補(bǔ)償收縮混凝土拌合物的工作性損失快，難于澆筑，對(duì)養(yǎng)護(hù)要求高，導(dǎo)致一些混凝土生產(chǎn)商與使用方認(rèn)為，使用補(bǔ)償收縮混凝土反而容易開裂。實(shí)際上，種種亂象都是施工管理不到位所致。只要嚴(yán)格監(jiān)管所有環(huán)節(jié)，補(bǔ)償收縮混凝土的性能是可以得到保證并發(fā)揮其應(yīng)有功能的。

  為了降低混凝土的收縮，避免結(jié)構(gòu)開裂，近年來出現(xiàn)了諸如減縮劑、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑等新型功能性材料。其中，嘗試較多的并開始在實(shí)際工程中試用的材料是作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(fēng)險(xiǎn)。但是如何添加SAP是一個(gè)難題，需要根據(jù)攪拌站的具體情況來確定。

  今天，在嚴(yán)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(duì)建筑物的耐久性要求相應(yīng)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(shí)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(jī)理都是比較成熟的，經(jīng)過大量實(shí)踐證明是有效的?，F(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(jī)理不清楚，長期效果未得到驗(yàn)證，應(yīng)慎重選用。實(shí)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(duì)混凝土的長期性能有不利的影響，降低混凝土結(jié)構(gòu)的安全性，是一種違反可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品，不應(yīng)鼓勵(lì)其發(fā)展。

  結(jié)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(dǎo)致混凝土的性能發(fā)生變化，也導(dǎo)致混凝土的配制技術(shù)發(fā)生變化?；炷列袠I(yè)不能重回老路，而必須適應(yīng)新的變化，發(fā)展對(duì)應(yīng)的配制技術(shù)，以滿足建筑結(jié)構(gòu)與施工的要求。研發(fā)新材料必須以不損害混凝土結(jié)構(gòu)的長期性能和安全性為前提。