原材料品质变化对于混凝土性能的影响
水泥 阎培渝 黄磊 2017-07-31
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导读
本文讨论了近年来混凝土原材料品质的变化、出现的一些新材料，及其对混凝土性能的影响。如何基于现在的原材料品质，生产出合格的混凝土，是混凝土生产企业需要面对的挑战。混凝土行业不能重回老路，而是必须适应原材料现状，发展对应的配制技术，满足建筑结构与施工的要求。研发新的材料必须以不损害混凝土结构的长期性能和安全性为前提。
前言
我国长期持续的建设高潮，使混凝土的生产量越来越大，大量优质的天然资源和工业废渣被用于生产水泥、矿物掺和料和砂石骨料。随着自然资源逐渐枯竭，以及环境保护措施的不断加强，天然资源的开采利用受到越来越多的限制，工业废渣的供应也日渐紧张。此外，水泥生产技术的进步以及用户的要求使水泥的品质也发生了很大变化，上游工业生产方式的改变使工业废渣的品质发生变化，种种变化导致生产混凝土所用的原材料品质也发生了很大的变化。
混凝土结构性能和施工方式的改变使对于混凝土性能的要求也发生了变化。现在要求混凝土具有优良的流变性能，宜于超远程超高层泵送；要求混凝土具有优良的力学性能，高强早强；要求混凝土具有优良的体积稳定性，不易开裂；要求混凝土具有优良的耐久性，能够抵抗外界有害介质的侵蚀，具有较长使用寿命。混凝土生产企业则需要严格控制生产成本，不愿使用价高的优质原材料。
目前业主与施工企业对混凝土的抱怨主要集中在高流态混凝土的施工性能不好、开裂敏感性高的问题上。为了解决这个问题，一些行业主管部门试图制定一些技术文件，规范混凝土原材料的品质，从而提高混凝土质量，降低结构开裂的风险。混凝土生产企业对于原材料现状很无奈，只能采用不符合标准要求的原材料。为了控制混凝土生产成本，满足结构验收要求，市场上出现了各种各样的新材料和技术，帮助混凝土生产企业解决难题。
本文试图分析混凝土原材料品质变化的原因，讨论基于现有原材料，生产高性能混凝土的途径。
1、胶凝材料品质的变化
1.1 水泥品质的变化
自上世纪八十年代以来，硅酸盐水泥的生产发生了革命性的变革。现在绝大多数硅酸盐水泥熟料是用窑外分解窑烧成的，水泥则是由辊压机-选粉机系统生产的，生产方式的改变导致水泥熟料矿物组成和水泥颗粒级配发生改变。现在转速高的窑外分解窑能够煅烧高饱和比高铝氧率的生料，生产的熟料中C3S和C3A含量高，其熟料的强度高。水泥的粉磨系统效率高，提高粉磨细度并不需要额外增加很多电耗。辊压机生产出的水泥颗粒均齐，粒度分布范围小。
采用现在的水泥生产装备，水泥厂生产高细度的高强早强水泥所产生的经济效益比较好，因此一些大的水泥企业鼓吹取消低强度等级的水泥。由于水泥熟料强度高，生产P·O42.5普通硅酸盐水泥时，适量超出国家标准允许的混合材掺加量，水泥的强度仍然能够达标。目前国家标准并不强制检查水泥中的混合材掺量，因此许多水泥厂生产的普通硅酸盐水泥中的混合材都是超标的。当水泥厂生产P·O32.5复合硅酸盐水泥时，通过提高水泥的细度，能够更多地掺加混合材，从而降低水泥的生产成本。现行国家标准规定了四种允许的混合材。但是许多地方缺少足够的合法的混合材资源，一些水泥厂就使用标准禁用的工业废渣作为混合材。这些掺加非法混合材生产的水泥，其物理力学性能与合格的水泥没有明显差异，但其中一些重金属和放射性元素的含量需要严格控制（否则会留下隐患），然而水泥厂和混凝土生产商大多不重视，或有意回避。
水泥组成和颗粒级配的变化导致其性能随之发生变化。现在的水泥早期强度高，但长期强度增长率低，这种强度发展规律导致水泥的水化热高，早期放热速率大，开裂敏感性高。为了降低混凝土的温升、减小开裂敏感性、改善耐久性，一些混凝土的技术规程和标准规定，配制混凝土所用水泥的C3A含量不得高于8%，比表面积不大于350m2/kg。有人提议，生产专用水泥来满足某行业的特殊需求。虽然这些措施有科学根据，但在实际工程应用时不可操作。C3A含量是基于熟料化学组成计算出来的，误差较大；水泥厂并不告诉用户水泥中的混合材掺量，用户无法得知水泥中C3A含量。因此规定水泥中的C3A含量限值没有意义。
现代化的水泥生产线产能很大。为了控制水泥品质，提高生产效率，要求生产平稳进行，不可能为了某个特殊需求，而短暂改变生产工艺参数。小批量生产特殊的专用水泥，成本很高，建设方难于接受。如果建设专用水泥生产线，而水泥不能长途运输，不能长期存储，大量专用水泥不能及时在当地销售，则水泥厂无法组织生产。云南曾建成年产180万吨的道路水泥生产线，但因当地市场不接受这种水泥，最终只能转产普通硅酸盐水泥，一些专门为道路水泥生产准备的工艺装备和引进的生产技术都没能够发挥作用。
现在再想走回头路，让水泥厂生产较粗的水泥是不现实的。业主和施工方都要求加快施工速度，要求混凝土快凝早强。为了满足这一要求，混凝土生产商也要求水泥具有高早强性能，而提高水泥细度是降低成本的技术途径。业主不关心混凝土是否易于开裂，他们认为这是混凝土生产商应该解决的问题。在各方需求和经济利益的驱使下，水泥的细度越来越高是不可逆转的潮流。即使建工行业标准规定了水泥的细度上限，但水泥生产不受建工行业标准的束缚，建设项目只能使用水泥厂大量生产的高细度水泥。导致混凝土结构开裂，水泥只是一个影响因素。只要调整混凝土配合比，有效控制施工过程，是能够消除高细度水泥的不利影响、制备不开裂的混凝土结构的。
1.2 矿物掺和料品质的变化
近年来，常用的矿物掺和料的品质也发生了很大变化。变化最明显的是粉煤灰。由于环保要求的提高和清洁空气行动的开展，发电厂的烟气需要经过脱硫脱硝后排放。而脱硫脱硝产生的废渣部分被混进了粉煤灰，会影响粉煤灰的性能。由于优质粉煤灰的供应量减少，出现了经过粉磨处理的磨细粉煤灰。这种粉煤灰细度可以满足应用要求，但球形颗粒量较少，粉煤灰特有的润滑效应就减小了。因许多地区粉煤灰短缺，导致粉煤灰的品质不能得到保证，性能变化大，这给混凝土的稳定生产带来一定的困难。
矿渣粉的品质也在下降。一些地区只有S75级矿渣粉供应，一些S95级矿渣粉的7d活性达不到标准要求。另外，也有高活性的超细矿渣粉供应，用于高强混凝土的生产。这种超细矿渣粉的水化热甚至比普通硅酸盐水泥还高。使用这种超细矿渣粉，不能降低混凝土的温升，其开裂敏感性也高，需要特别引起注意。
广义上来说，含有非晶态的硅铝质组分的材料都可以作为矿物掺和料使用。现在各种各样的固体工业废渣都用于混凝土配制。使用这些新的矿物掺和料，混凝土的力学性能是可以满足设计要求的，但是其长期性能还需要系统的研究工作来检验。尤其是一些重金属的冶炼渣，需要关注其残留的重金属元素渗析特性，以及对人体健康的长期影响。在使用惰性矿物掺和料（如石灰石粉）配制混凝土时，要关注混凝土的长期强度增长率。如果混凝土的长期强度增长率低，则结构的安全系数就会降低。
2、骨料品质的变化
为了保护环境，砂石开采越来越受到限制，很多地方已经禁止开采山石和河砂。由于天然砂石来源逐渐减少，人工砂的供应不断增加，导致混凝土的配合比和性能也发生了变化。
现在混凝土工业所使用的砂石原料，绝大多数都达不到国家标准要求的品质。粗骨料的级配不合理，空隙率高。细骨料的含泥量严重超标，级配不好，含石率高。许多中砂去除超径颗粒后，其细度模数大大降低。使用这样的骨料，混凝土的胶凝材料和减水剂用量必然会增加，导致和易性不好，工作性损失快，强度较低，对混凝土的各种性能都有不利影响。部分地区甚至使用风化程度较高的砂石，这对混凝土性能的不利影响就更大了。
沿海地区大量使用海砂。海砂如果清洗干净，氯盐含量得到严格控制，就是一种优质的原料。但是目前的问题是真正洗干净的海砂不多。使用氯盐含量超标的海砂会给钢筋混凝土结构的耐久性带来非常严重的危害。由氯盐导致的钢筋锈蚀一旦发生，结构物难于维修加固，最终只能拆除，这将给国民经济发展带来很大的负面影响。
天然砂的供应越来越紧张，人工砂和尾矿砂的用量越来越多。尾矿砂的细度偏细，需要与天然砂搭配使用。目前市场供应的人工砂粒形较差，扁平状颗粒较多；中间粒径的含量较低，级配不合理；石粉含量高。这样的人工砂质量较差。我国当前能够生产高质量的人工砂，但成本较高，市场接受程度低。实际上，使用优质的人工砂石，虽然砂石成本高，但是可以减少胶凝材料用量，混凝土强度高，混凝土的总体成本并不高。阿联酋使用四种单粒级的骨料，组成理想的级配曲线，在配制高强混凝土时，其胶凝材料用量比我国类似强度等级的混凝土少约100kg/m3，密度都在2450kg/m3以上。在2014年第一届全国混凝土技能大赛上，使用优质骨料，按照混凝土搅拌站常用的配合比进行试配，其28d强度大多比设计强度高10MPa～20MPa。
3、减水剂的变化
高效减水剂是现代混凝土不可缺少的重要组分。预拌混凝土所用的减水剂基本组分已逐渐从萘系转变为聚羧酸系。聚羧酸系减水剂减水率高，工作性保持性好，性能易于调整。使用聚羧酸系减水剂配制高强、自密实混凝土已不是难事，超远程超高层泵送的成功案例也越来越多，将C100混凝土泵送到1000m高度，建设千米高的建筑已不是梦想。聚羧酸系减水剂对于原材料品质比较敏感。当砂石含泥量增加，减水剂的减水效果就明显降低，减水剂与胶凝材料的相容性也会变差。这一方面要求混凝土搅拌站提高原材料控制水平，保持砂石的品质稳定性；另一方面也促使减水剂生产商开发出对劣质砂石适应性高的减水剂。使用聚羧酸系减水剂配制的混凝土拌合物有流动性“返大”现象。刚出机的拌合物流动性小于运输到现场的拌合物。这是因为聚羧酸系减水剂具有缓释效应，其作用效果需要一定时间才能达到最佳。对于超高层泵送的混凝土，因其流动性大，运输到现场的混凝土常有轻微离析。虽然理论上认为离析的混凝土难于泵送，但现场泵机操作工人认为这样的混凝土才适于泵送。理论与实践的差异也会促使我们进行深入的研究。
4、功能性材料的变化与使用
现代混凝土除了减水剂外，还可能使用具有特殊功能的材料。这些材料用量小，但是对混凝土的性能具有很大的影响。近年来，除了传统的功能性外加剂外，一些新的功能材料也在不断出现。
混凝土膨胀剂是用量最大的功能性材料。使用混凝土膨胀剂配制的补偿收缩混凝土可广泛用于大体积混凝土基础、刚性防水屋面、后浇带等结构部位。我国混凝土膨胀剂的年用量达百万吨以上，可配制约3000万m3混凝土。混凝土膨胀剂由最初的硫铝酸盐型膨胀剂演变为氧化钙-硫铝酸盐复合膨胀剂，现在又有氧化镁膨胀剂出现。这三种膨胀剂性能不同。硫铝酸盐型膨胀剂膨胀率低，落差大，性能较差。氧化钙-硫铝酸盐复合膨胀剂的膨胀率高，作用迅速，性能优于硫铝酸盐型膨胀剂；但存在作用时间与胶凝材料水化硬化时间不易匹配、后期干缩大等缺点。
氧化镁膨胀剂作用缓慢持续，过去主要用于大体积的水工结构，现在刚开始尝试用于普通工业与民用建筑工程。
混凝土膨胀剂的主要问题是假冒伪劣产品太多。配制好的混凝土到达现场后，无法检验是否掺加了足量合格的膨胀剂，因为施工方不验收补偿收缩混凝土的膨胀性能，而影响结构开裂的因素又太多，所以膨胀剂生产厂商可以供应伪劣产品，混凝土搅拌站也可以少掺甚至不掺膨胀剂。施工方对于补偿收缩混凝土的性能了解不够，混凝土浇筑后养护不到位。各种因素混合到一起，一旦出现质量事故难于分清责任。由于补偿收缩混凝土拌合物的工作性损失快，难于浇筑，对养护要求高，导致一些混凝土生产商与使用方认为，使用补偿收缩混凝土反而容易开裂。实际上，种种乱象都是施工管理不到位所致。只要严格监管所有环节，补偿收缩混凝土的性能是可以得到保证并发挥其应有功能的。
为了降低混凝土的收缩，避免结构开裂，近年来出现了诸如减缩剂、内养护剂等新型功能性材料。其中，尝试较多的并开始在实际工程中试用的材料是作为内养护剂使用的高吸水性树脂（SAP）。在混凝土拌制过程中适量添加SAP与水，可明显改善混凝土的收缩性能，降低开裂风险。但是如何添加SAP是一个难题，需要根据搅拌站的具体情况来确定。
今天，在严酷环境中建造建筑物或有特殊要求的建筑物越来越多，对建筑物的耐久性要求相应提高。为了制备高耐久性的混凝土，需要调整混凝土配合比，有时也需要添加一些功能性材料。比如，为了提高混凝土的抗冻性，需要添加引气剂；为了抵抗钢筋锈蚀，需要添加阻锈剂。这些材料的作用机理都是比较成熟的，经过大量实践证明是有效的。现在有一些混凝土防腐剂，主要为了抵抗硫酸盐腐蚀。这些防腐剂的组分不明，作用机理不清楚，长期效果未得到验证，应慎重选用。实际上，只要增加矿物掺和料用量，降低水胶比，就能明显改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。至于混凝土增效剂等，则对混凝土的长期性能有不利的影响，降低混凝土结构的安全性，是一种违反可持续发展的产品，不应鼓励其发展。
结论
混凝土原材料品质发生了很大变化，也出现了许多新的材料，这导致混凝土的性能发生变化，也导致混凝土的配制技术发生变化。混凝土行业不能重回老路，而必须适应新的变化，发展对应的配制技术，以满足建筑结构与施工的要求。研发新材料必须以不损害混凝土结构的长期性能和安全性为前提。
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