專家視角：中國混凝土向何處去？（一）

隨著我國的改革開放，起步很晚的中國的混凝土取得了飛速的發(fā)展。我國混凝土前輩黃大能先生30年前就有個愿望：在中國推行預拌混凝土。黃先生這個愿望現今已得以實現，我國混凝土工程已經蓬勃發(fā)展起來。然而，任何舉措都有得必有失：當出現一種傾向時，必然會隱含著另一種傾向。我們在做我們的前人沒有做過的事，盡管外國人做過，未必符合我們的國情，前進中出現一些問題是正常的。發(fā)現問題，才能去解決問題而繼續(xù)前進。只能見陽光，見不得陰影，就是諱疾忌醫(yī)。科學地分析行業(yè)發(fā)展中出現的問題，找出原因并加于解決才是正確的態(tài)度而當前的預拌混凝土確實存在一些問題。

一、現在的混凝土工程質量是進步了還是退步了？

隨著我國機、電和電子工業(yè)的發(fā)展，適應預拌混凝土的發(fā)展的計量、攪拌、運輸等工藝大大地進步，高效減水劑的普遍使用和發(fā)展改變了混凝土的一切：高強、高流態(tài)、高程泵送、在狹窄空間的澆筑等等，都已成為可能和現實；拌和物勻質性提高，施工方便，因振搗不善而造成的缺陷得以避免，建設速度大大地加快。另一方面，從總體上看，從業(yè)人員的素質低，質量管理和控制水平差，以致混凝土結構的質量事故和裂縫比過去出現得多了，因質量而造成供需雙方的糾紛多了。即使眼前沒有發(fā)生問題，也已存在不少隱患：混凝土配合比的報告大部分失真；混凝土拌和料運到工地后，加水現象普遍；10年前混凝土的骨料都用水洗，現在一部分砂子含泥量高達7%，等等。看來，不是進步不進步的問題，而是有得必有失！

二、水泥和混凝土的強度越來越高是進步了還是退步了？

1. 上世紀70年代水泥最高標號是500#，相當于現在強度等級的32.5；現在52.5的水泥從強度來說相當于20年前的625#水泥。但是，過去規(guī)定水泥的儲存期為三個月；而今不再提儲存期，除了必要性外，重要的在于，儲存期不到一個月后，52.5水泥的強度就會和42.5水泥的強度相差無幾，而且用戶反映“不好用了”。

2. 有了高效減水劑，實現混凝土的高強已經不是難事，混凝土得以用到高層和大跨結構。人們對高強混凝土覺得還不夠過癮，時尚的是崇拜和追求“超高強”、“特超高強”?；炷?天甚至3天，強度達到28天設計強度值的100%，一般都能做到，但是后期強度不增長了，開裂敏感性增大了，對缺陷的自愈能力下降了，混凝土結構的耐久性又將如何保證？由圖1和圖2中可見強度不同的混凝土強度發(fā)展歷程的差別。

圖1是傳統(tǒng)的混凝土強度正常發(fā)展規(guī)律：相對于28天的100%，3天約30%；7天約60%。圖2中，C50以上的混凝土強度3天就可達約70%，14天可達90%；如果混凝土7天強度就達到100%，則到了28天就增長的很少，甚至幾乎不增長；如果3天就達100%，則7天還能長一點，28天就基本不長了，甚至會倒縮。

美國的Withy在威斯康辛大學從1910年開始了50年水泥凈漿、砂漿和混凝土的實驗計劃，澆筑了室內和室外混凝土。分別于1910年、1923年和1937年3個不同時間成型了5000多個試件。Washa和Wendt于1975年發(fā)表了這些試件觀測50年的結果。結果是：1923年用Blaine細度為5775px2/kg的水泥配制的混凝土28天強度為21MPa，25年強度達到52MPa；1937年用當時的快硬水泥配制的混凝土28天強度為35MPa，5年達到53MPa，10年后強度開始倒縮，25年強度就倒縮至45MPa，比水化慢的混凝土25年強度還低。當時的快硬水泥與當今美國的I型水泥和II型水泥礦物組成與細度相當（C3S為57%，勃氏比表面積為380m2/kg，我國常用水泥也如此）。（見圖3）

3.凡是提高早期強度的措施對混凝土后期性能都會有損害，這已是國內外專家的共識[1] [2]。前RILEM主席、德國混凝土專家Rupert Springenschmid證明控制混凝土12小時抗壓強度不超過6MPa，就可以避免混凝土的早期開裂[3]；我國混凝土專家黃士元經過試驗得出結論：可用混凝土24小時抗壓強度不超過12MPa來控制混凝土的早期開裂。（見圖4）

圖4 混凝土初期和早期抗壓強度和開裂敏感性的關系 圖5 壓桿穩(wěn)定問題示意

4. 高強是為了減小構件斷面，例如高度一定的混凝土柱子，強度越高，柱子可做得越細，但是，柱子的高度與其最小斷面尺寸的比例還受“壓桿穩(wěn)定”問題的限制（見圖5的示意）。對一定高度的柱子來說，有個最小斷面的要求，也就是說，對強度的要求是有限的。有人說，“目前房屋建筑應用的超高強混凝土達到180MPa”，這有必要嗎？

看來不是進步不進步的問題，而是有利必有弊，各有各的用途，需要具體問題具體對待。

5. 水泥現在“不好用”，應當說主要是用戶誤導的結果。由于提高混凝土的強度的要求，100多年來水泥的發(fā)展目標除了降低能耗之外，主要就是追求強度。從煅燒工藝上提高熟料強度已取得成效，但是畢竟有限，當前水泥強度的提高還離不開粉磨得過細和五花八門的助磨劑、增強劑。于是在為混凝土提高強度的同時，也帶來了損害耐久性的隱患。解鈴還須系鈴人！關鍵的是需要從用戶這里轉變傳統(tǒng)的觀念。

6. 無論如何，既然有利有弊、有得有失，我們總是應當看見并盡量避免或減少弊和失，取得更大的進步，盡量避免進一步退兩步。

三、預拌混凝土的苦樂歷程

擺脫手工業(yè)操作，實現工業(yè)化生產，是社會生產發(fā)展的必由之路和必然規(guī)律，因此預拌混凝土的發(fā)展是混凝土工業(yè)進步的重要標志。預拌混凝土推廣的初期曾經“暴利”過一時，1996年時的北京，按北京市公布的預算定額預拌混凝土出廠價格和1995年下半年《價格參考信息》公布增加的水泥價差及砂石價差計算，并取上限，包括原材料價格和運費、原材料8%的損耗、廠站管理費(含人工費)及動力機械費、兩稅一費及計劃利潤，另考慮高強度混凝土所提高的技術含量而增加的管理費和附加利潤，等等，所計算的C60混凝土價格為570.64元，C50價格為425元，而實際上當時市場供應的價格從表1可見一斑。

在表1中，十幾年前實際計算的價格所含利潤至少有20%，而市場銷售后的平均（除去最高價1100元）利潤超過300元/m3，最高價的利潤可近500元/m3!1996年上海寶鋼申包混凝土公司C30 混凝土成本是300多元/m3，售價為660～680元/m3 ，利潤約50%。這在當時是很誘人的，使人們趨之若鶩，紛紛擠向這個“能發(fā)財”的獨木橋，“有條件的上，沒條件的也上”，潮起潮涌，泥沙俱下?，F在大城市的攪拌站數量比那時翻了幾倍，良莠不齊，造成“僧多粥少”，時至今日，由于惡性競爭造成部分攪拌站“難以度日”，混凝土價格一降再降，每立方米有幾元的利潤也好，賠本也撐著。結果造成預拌混凝土行業(yè)由樂變苦?，F在使混凝土攪拌站苦惱和無奈的還有甲方的嚴重拖欠款，與監(jiān)理、質檢站的矛盾，規(guī)范的限制。

更重要的是原材料無法控制：不知道水泥里摻了什么，摻了多少；砂石已經基本上沒有質量符合標準的產品出廠了，使強度越低的混凝土越難打，用水量（水泥用量）居高不下；以C30混凝土為例，用水量普遍大于175kg/m3，近年來甚至達到200kg/m3，C30以下泵送混凝土普遍嚴重離析、泌水?；炷聊途眯詥栴}確實潛在著隱患。

表1 1995～1996年北京市部分高強預拌混凝土價格（元/m3）

四、造成上述狀況的原因很復雜，大多不是技術問題，首先是對混凝土認識的誤區(qū)和利益的驅使。

1、有了預拌混凝土后，施工人員越來越不懂得混凝土了，施工中正確的澆筑和振搗也由此 而被忽視。當前普遍使用高效減水劑和礦物摻和料的混凝土拌和物具有觸變性，看似很黏的拌和物在振搗和泵送的動力作用下，仍會流動得很順暢?，F在澆筑混凝土的一線工人對此并不認識，誤以為會難澆筑。以至于預拌混凝土運到工地后，幾乎沒有不往里加水的；如今澆筑混凝土很多是由“專業(yè)隊”承包，對工程質量既不必關心，也沒有責任，“打一槍換一個地方”，不讓加水就撂挑子走人。施工人員不得不行此“加水”的無奈之舉。然而混凝土工認為不加水的拌和物難打也有其道理：重要工程的實踐證明，凡是使用剛購買的新泵，坍落度130～150mm的混凝土都能很順利地泵送，而且不泌水、不離析，而今所使用的泵，為了省錢，往往不及時更換泵機，泵壓自然會不足?；炷恋纳a和施工的各自獨立，造成新的行業(yè)隔離，這種生產關系對生產力的影響已經很明顯了。設想一下，混凝土攪拌站是否可以這樣來做一種有償的售后服務？──自己成立一個施工的“混凝土專業(yè)隊”，招收有一定文化（例如高中畢業(yè)）的混凝土工，認真進行培訓和管理，取代當前那些并不懂混凝土的“專業(yè)隊”，在售出混凝土后，同時承包混凝土的澆筑、振搗和養(yǎng)護。

2. 人們認為攪拌站技術簡單，投資少，門檻低。有的老板認為“混凝土有什么了不起？不就是和泥嘛”！門檻的形成，其實是由人的感覺而設置的。越需要投資大的，越令人感覺門檻高；越是不熟悉而新發(fā)展的，人們越會認為其門檻高。實際上任何專業(yè)都可能有很低的門檻，關鍵在于對品質和質量有怎樣的要求。有的專業(yè)越不懂越覺得神秘莫測，進門后才知道不過如此。對混凝土，越不懂，膽越大；越懂得，膽越小。很多事是想做就能做，但是能做好就難了，關鍵是標準，是你心中所設的門檻。從技術來說，預拌混凝土的門檻并不低，而是因人們對混凝土認識的誤區(qū)而設置的門檻過低。其實任何行業(yè)都有不同的門檻，關鍵是如何要求。計算機技術應當是高科技了，但是在一些大城市以“攢電腦”、“攢手機”為生的成千上萬“打工仔”、“打工妹”，大多數并非計算機專業(yè)出身，最多是高中畢業(yè)。從工藝上，混凝土看似簡單，簡單得“……通常認為任何站在那里沒事干的人都能直接就去澆筑或搗實混凝土”[4]；但這是客觀的要求：必須使用地方可得的原材料和盡量簡單的加工工藝，以適合于最大宗建筑材料使用的需要。否則，如果將原材料提純、精加工，那就會使大多數工程承受不起，而只能用于“精品”的工程。也正因這種簡單，就造成混凝土從宏觀到微觀各層次多相、非均質的復雜性。復雜得至今無法建立實驗室指標試驗結果和復雜的現場條件下混凝土行為的相關關系；原材料性能指標的微小變化、質量的波動和與環(huán)境的差異、操作的差異，以及時間的推移，都會造成混凝土微結構的變化而明顯影響拌和物與結構物的宏觀行為。直到今天，還沒有任何手段能夠確切地了解混凝土內部在不同條件下究竟發(fā)生了什么、將會發(fā)生什么。因此混凝土具有微結構和性能不確定與不確知性，是一種混沌體系（非線性體系），具有“蝴蝶效應”──初始參數微小的變化可能引起最終結果的巨大偏差，即“差之毫厘，失之千里”?；炷烈灿写爽F象，例如完全相同配合比的混凝土，使用針片狀顆粒為5%的石子時，拌和物可以順利泵送而自密實；當石子針片狀顆粒為7%時，只增加2個百分點，就發(fā)生堵泵。因此，不能用線性思維進行混凝土工程。

五、礦物摻和料使用的誤區(qū)首先也來自利益的驅使。

混凝土生產人員在老板不斷降低成本的壓力下，對礦物摻和料，從過去的不敢用，到現在的“膽大妄為”──由于高效減水劑的普遍使用，混凝土的強度滿足設計要求已不是難事，只要把水膠比降下來，不分場合，什么都敢摻、多少都敢摻。但是問題不在于強度。請看一例：

清華大學李飛用3種水膠比和普通硅酸鹽水泥，分別摻入不同量粉煤灰，按膠凝材料與砂1∶3制作砂漿試件；成型1天后拆模，置于相對濕度60±5%、溫度20±3℃的自然空氣中，分別于3天、7天、28天、90天、1年，自端頭切除約25px后，用酚酞試劑檢測其碳化（這里權且使用“碳化”的名詞）深度。3種水膠比的試件在3天時基本上都無明顯碳化表現（因為混凝土濕度下降需要時間），7天開始已顯現。圖6所示為自然碳化90天和365天的結果。試件斷面為40×40 mm2，可見，當水膠比0.5時，摻20%的粉煤灰，1年的碳化深度平均就超過10mm；對C30來說，目前用得最多的水膠比為0.45左右，則1年的碳化深度估計可達10mm左右。對于目前厚度只有100～150mm的房屋樓板來說，其鋼筋的混凝土保護層厚度一般只有15mm，如果粉煤灰摻量不是20%，而是30%、40%，甚至更多，則會是什么樣的后果呢？當然這是比較極端的結果，因為同樣水膠比和粉煤灰摻量，用于混凝土時，會比圖6所示的結果好些，如果養(yǎng)護時間長一些，就會有更大的改善。

以上均指處于《混凝土耐久性設計規(guī)范》劃分的I類環(huán)境的混凝土結構，因為碳化和鋼筋銹蝕的條件是不同的，如果常年大部分時間環(huán)境相對濕度不超過70%，則對鋼筋銹蝕而劣化的威脅就不大，但是碳化引起的收縮和干燥收縮的疊加會增大混凝土的收縮(見圖7)[2]，而導致增加結構混凝土開裂的敏感性，影響結構物的適用性與增大混凝土劣化的速率。對于有凍融循環(huán)作用（II類）和海水、氯鹽（Ⅲ類、Ⅳ類）及其他化學腐蝕性作用（V類）的環(huán)境，摻用礦物摻和料的混凝土早期（28天以前為早期，7天以前為初期）孔隙率隨礦物摻和料摻量的增加而增大，如果過早接觸環(huán)境作用，則會提前遭到劣化，影響結構耐久性。因此，應根據環(huán)境特點、養(yǎng)護期長短、初次接觸環(huán)境作用時混凝土的齡期、混凝土表面處理情況等條件確定礦物摻和料的種類和摻量，或者根據礦物摻和料種類及摻量確定養(yǎng)護制度及允許初次接觸環(huán)境作用的時間。對于完全處于氧氣不足的水下或地下的結構，則礦物摻和料可以摻到最大量。此外，不同的礦物摻和料有不同的特性和不同的作用機理，并不是怎么摻都行的。例如近來在我國剛流行起在混凝土中摻石灰石粉，使用者主要的目的還是為了降低成本，而對水化碳硫硅酸鈣的腐蝕并不了解。當構件處于含硫酸鹽的腐蝕環(huán)境（或者混凝土中含有反應剩余的石膏），有水的存在、溫度低于15℃的條件，會生成沒有膠凝性的CaCO3?CaSiO3?CaSO4?15H2O（thaumasite硅灰石膏），使混凝土軟化。這個問題的第一次報道是美國公路研究委員會，直到上世紀90年代以后，在歐、美及南非國家也發(fā)現不少此類破壞，人們才開始注意。2002年在英國首次舉行“碳硫硅鈣石型硫酸鹽腐蝕”國際會議，表明對該問題的系統(tǒng)研究剛剛開始[5]。二十幾年前我國前南京工學院張春梅在加拿大做訪問學者時，曾做過用磨細石灰石粉提高混凝土早期強度的實驗研究，證明摻量 2%是有效的，可早期生成針狀水化碳鋁酸鈣（3CaO?Al2O3?3CaCO3?32H2O），提高早期強度。但因多量CaCO3可能引起硅灰石膏的生成，加拿大規(guī)范規(guī)定石灰石粉摻量不超過5%。我國有些攪拌站尚無大量試驗研究數據支持的情況下，只憑抗壓強度，不分場合，將石灰石粉摻到20%以上，是很不慎重的。至于其他尚無規(guī)范依據的各種工業(yè)廢渣都有其各自的利弊，更不能不問情由，只要抗壓強度滿足要求就敢用。有很多“好東西”也需要“會用”。

六、混凝土配合比設計只要原理清楚，原則明確，不需要訂規(guī)范

我國現行《混凝土配合比設計》的國家標準仍然使用Bolomy 公式，按強度計算水灰比。在美國有人曾建議以強度為基礎確定混凝土配合比，“因為耐久性試驗作為常規(guī)方法成本太高，而且也太費時間?！薄斑@是很大的倒退，因為強度變化可能與耐久性變化很不一致。此外，利用比較細的水泥、某些外加劑以及特殊的養(yǎng)護方法所得到的7天或28天強度無論如何都不能代表混凝土的質量?！?[2]而且，由于高效減水劑和礦物摻和料的大量使用，用了近100年的Bolomy公式已不再適用。據說目前我國JGJ 55 -2002《普通混凝土配合比設計規(guī)程》正在進行修訂。其實“混凝土配合比設計”首先是要明確配合比的原理和配制原則，至于具體設計方法、步驟不必制定成規(guī)范。由于原材料變化的影響很大，混凝土的配制很大程度上要依靠經驗進行試配。在實驗室工作多年、肯鉆研、有經驗的技術人員可以在合理的原則下發(fā)揮自己的專業(yè)才能，創(chuàng)造自己特有的有效方法。用規(guī)范規(guī)定一種方法則會限制技術人員的能動性和創(chuàng)造性。瀏覽國外發(fā)達國家的混凝土配合比設計方法，可發(fā)現其各有千秋。我們可以也應當從基本原理出發(fā)，在混凝土技術規(guī)范中規(guī)定混凝土配合比設計的原則。

當前我國配合比設計存在的問題主要是：

1.在理論上，最大密實度的混凝土拌和物由水填充膠凝材料空隙形成水泥漿；再由水泥漿填充砂子空隙形成水泥砂漿；最后由砂漿填充石子空隙形成混凝土。這就是計算混凝土配合比的絕對密實體積法，簡稱絕對體積法。過去，混凝土強度等級范圍較窄，在不使用高效減水劑和礦物摻和料時，這樣計算出的1m3混凝土的質量和實際試配出的拌和物質量大體吻合，約為2400kg，隨強度的提高密度增加不大。為簡便起見，使用“假定容重法”被普遍使用。本世紀以來，因礦物摻和料的普遍使用，混凝土強度范圍增寬，不同礦物摻和料的密度和水泥密度的差別、低強度等級和高強度等級用水量的不同，還用“假定容重法”時，就使混凝土實際體積不準確；漿體體積也變化不定，會影響硬化混凝土的體積穩(wěn)定性。目前全世界只有我國使用“假定容重法”，顯然應當改變。有人說：“反正混凝土試配時都要根據實測調整密度，假定多少都沒有關系?！毙枰⒁獾氖强偯芏日{整后，不能保證漿骨比不變。

2.在計算混凝土配合比時，所使用的骨料，全世界只有我國除水工結構外，考慮的是絕干狀態(tài)：試配時，將砂子烘∕炒至絕干，測出其含水率，然后從所確定的拌和水中扣除砂子中的水。當含水未飽和的砂子投入拌和料中后，砂子又要吸水，于是拌和物流動性不足，又要調整水量，往往要調整數次。試配時如此，生產中質量控制的難度更大。調來調去，以致出場拌和物的用水量成為不可知。飽和面干骨料中所含的水不參與水化和混凝土微結構的形成，也不參與混凝土的拌和，是屬于骨料本身的一部分，只會在混凝土硬化后自由水減少后才能出來對界面起養(yǎng)護作用。

3.從全國范圍來看，混凝土配制的水平差別很大，主要是概念不清楚造成的。例如我國曾有過規(guī)范規(guī)定粉煤灰的摻入使用“超量取代法”，原本是為了降低實際水膠比，但是卻被現在許多人用來掩人耳目：超量部分用以代砂，則配合比中粉煤灰摻量就不會超過當前管理部門的規(guī)定──管理部門往往并不清楚為什么要摻粉煤灰、摻多少有什么影響，例如一律規(guī)定摻量不大于25%，他們中有人說，粉煤灰不是水泥，所以不能多代水泥，代砂可以。實際上從顆粒尺寸來說，粉煤灰確實不是砂。在水泥廠，摻混合材的水泥也是水泥，把混合材挪個地方到混凝土，怎么就不認了呢？粉煤灰不能代砂，因為所起作用不同。例如當水膠比不變時，灰砂比的變化和水泥的水化無關；而粉煤灰摻量變化則會影響水泥的水化。即使是砂，磨細到水泥的細度后也就不再是砂了。由于“代砂”的概念不清，有些人計算混凝土的水灰比（實際上應當是水膠比）時，就不把超量那部分粉煤灰計算進去，還有人把粉煤灰摻量按粉煤灰用量和水泥用量之比計算，這就造成配合比設計和質量控制的混亂。實際上不管算在哪里，粉煤灰總是會參與水泥漿體及其與砂石界面微結構形成的，而這個微結構和水有關，計算混凝土的水膠比必須計入全部水泥和礦物摻和料。此外超量取代法也忽視了漿骨比變化對混凝土質量的影響。（未完待續(xù)）