宋教授课堂：混凝土原材料、配制、标准规范

宋教授课堂：混凝土原材料、配制、标准规范

前言

所谓现代混凝土可以定义为由于高效减水剂发展和广泛使用而带来根本性变化的多组分混凝土。由于利用高效减水剂，混凝土的水胶比显著降低，因此矿物掺合料得到广泛的应用。

拌和物流变性成为一个重要问题，屈服剪切应力和塑性黏度的合理匹配和协调决定着混凝土拌合物的良好施工性能。混凝土工程建设对混凝土强度等级的要求越来越高，获得高强度的混凝土要比以往容易。现代混凝土强度的决定性因素是水胶比，现代混凝土强度对胶凝材料活性的依赖明显降低；骨料的强度也不一定必须高于混凝土。对混凝土强度构成的认识需要更新。

典型环境中混凝土结构的耐久性越来越受到关注和重视。在这样一个混凝土新技术平台上，我们似乎觉得混凝土的新世界新颖和陌生，过去许多我们熟悉的理念和经典解释正受到质疑、冲击或否定。在混凝土经历技术革命的关键时期，在混凝土产业走向新常态和进行供给侧改革的大背景下，现代混凝土技术和产业存在许多问题、困惑和瓶颈，同时也存在着机会和广阔发展空间。如何认识和解决这些问题，如何实现产业转型升级，提升混凝土工程质量，我们需要从思考现代混凝土存在的问题起步。

砂石骨料呼唤新的技术体系

中国巨大的建设规模还将继续，配制混凝土的天然砂石在许多地方也已十分紧缺，采挖河砂已经严重毁损河床生态，禁采禁挖越来越严格，这个路子走不通了。机制砂石在许多地区成为主力骨料供应源。但是问题是目前机制砂石存在质量问题，已经严重制约着混凝土技术效果，影响着混凝土工程质量。

由于现代混凝土对于混凝土新拌性能要求不断提高，建设工程对于大流态、自密实、高程泵送混凝土的需求量持续增大，客观上对于骨料品质的要求提高，而工程建设所能够获得的骨料品质下降。这里的原因一是优质天然骨料资源减少和枯竭，例如河砂过粗或过细，适合预拌混凝土的良好级配的二区中砂供应严重不足，同时河砂含泥量普遍高，以北京为例，河砂含泥量在3% ～ 11% 。另一个重要原因是机制砂石的加工质量不好，尤其是机制砂问题更严重。

机制砂石的问题主要体现在以下几个方面：

首先，我国粗骨料目前还存在的主要质量问题是粒形不好，级配也不良，这与我国骨料针片状定义和指标要求过宽有关。级配不良体现在松堆孔隙率高。

第二，机制砂质量差，问题多。

1) 粒形不好，针片状过多。

2) 细度模数偏大，生产的机制砂细度模数多为3.4 以上。而配制混凝土细度模数最好在 2.3 ～3.1。

3) 级配不合理，颗粒级配多为两头大中间小，粗、细颗粒多，中间颗粒少。即便级配符合二区，大部分也不理想。

4) 对于机制砂石粉的控制合理，机制砂高吸附性石粉含量偏高。

5) 含石率过高。例如，新疆地区供应的建筑用砂指的是 8mm以下的颗粒，有时含石率高达 30%以上。

6) 使用风化严重的泥质砂岩或其他山岩加工机制砂。

如何解决机制砂石质量问题？

机制砂石质量差的主要原因一是对于高品质骨料没有明确的技术界定，相关标准要求过于宽泛或者说不适应现代混凝土对骨料的品质要求。例如关于机制砂良好的级配范围是什么? 是二区吗? 显然不能这么说，我们采用符合二区但级配不同的多个砂样进行试验，混凝土拌合物和易性相差很大。

根源是以累计筛余为技术指标范围导致各个粒径区的砂可以没有也可以很多，存在明显缺陷。再如机制砂没有颗粒形状的要求，这样不经过整形的机制砂就会合法进入建筑砂市场。另一个原因是长期以来业内对于机制砂石加工的技术难度没有充分认识，目前可以稳定生产高品质机制砂石的设备和工艺很少，不能满足市场的需求。

解决机制砂石质量问题的主要思路在于：

首先，建立高品质骨料的定义和技术体系。编制高品质骨料的相关产品标准，引导行业优质优价。提出用分计筛余替代累计筛余作为骨料级配评价的技术指标；定义粗骨料不规则颗粒和机制砂片状颗粒，利用条形孔筛法进行含量检测；探讨用比粒度代替细度模数作为细骨料细度指标，理由是与砂的表面积相关性好。

第二，加快砂石加工设备和工艺的研究和应用，推进不同岩种高品质骨料示范生产线的建设。

第三，迅速培养一批了解现代混凝土的砂石行业技术和管理人才。

1现代胶凝材料该向何处去？

几十年来，水泥科技的发展以追求生产节能和水泥的早期强度( 3 d 和 28 d) 为目标，水泥的 3 d 和 28 d 强度指标得到了很大的提高，但对混凝土拌合物和易性、结构抗裂性能及耐久性也带来了不利影响。特别是“高细度、高 C3 S 和 C3 A 含量、高碱”所谓的“三高”水泥对混凝土产生的不利影响应该说是很明显的。例如从水泥矿物组成的巨大变化，我们可见一斑。下表是 50 年前水泥的矿物组成。

而现在的水泥熟料矿物 C3 S 已经接近 60% 。过去水泥细度 80 微米筛筛余一般在 4% ～ 6% 很普遍，现在大多低于 1% ，以比表面积表征，常超过350 m2 / kg，甚至 400 m2 / kg 以上。这样导致的问题是与外加剂相容性差，混凝土开裂敏感性大。

现今高效减水剂的应用已经很普遍，混凝土的水胶比经常低于 0.40、甚至 0.30，在这样的条件下，混凝土强度对凝胶的数量要求有所下降。换句话说对胶凝材料的活性要求有所下降。但水泥业在某种程度上却仍将强度作为唯一重要的技术指标，认为高强度等级的水泥才是好水泥。取消了 32.5 等级，希望生产52.5、62.5、甚至 72.5 等级的水泥。而混凝土的现实是 32.5 的水泥能配 C60 混凝土，42. 5 的水泥能配 C80 混凝土，52.5 的水泥能配 C100 混凝土。也就是说水泥的强度对于混凝土已经没有过去那么重要了。在现实工程中，混凝土结构开裂频繁，有人说“都是那水泥惹的祸”，追求强度的水泥给混凝土带来的困惑必须得到解决。

如果水泥行业继续走细磨、高早强之路，混凝土行业可以自主开发符合现代混凝土工程要求的系列胶凝材料。这其中的关键技术在于胶凝材料的组成和级配、石膏的匹配。技术目标是活性满足混凝土工程要求，具有良好的与外加剂的相容性，开裂敏感性低，特定环境中的耐久性好。当然目前混凝土生产中较大比例掺加矿物掺合料可以有效缓解水泥造成的问题，但是匀质性差、石膏含量低、管理难度大等问题不易解决。至于粉磨和加工工艺也是应该加快研究的重点。

当前，石灰石粉、金属尾矿微粉等开始作为新型掺合料应用于混凝土值得重视，利用石灰石粉良好的分散性、金属尾矿微粉比重大不易上浮等优点，与传统掺合料进行复合协同，可以开发出新型复合掺合料和胶凝材料。胶凝材料的发展，必须树立大胶凝材料的概念，必须将非活性物质涵盖进来。水泥的内涵应该更新和拓展，那种认为只有具有胶凝活性的物质才是胶凝材料的观点是狭义的、陈旧的。

我们将比水泥还细和水泥一起形成水泥石结构的非活性粉体排除在胶凝材料之外不符合现代混凝土的客观现实。其实现代胶凝材料中可以有高活性物质、低活性物质，还可以有非活性物质，活性满足混凝土在一定水胶比条件下对强度保证即可。现代混凝土对胶凝材料的要求不仅是活性，还有良好的需水行为、开裂敏感性和相应环境中的耐久性，所以要有“大视野”。

3现代混凝土配制技术的原则

基于十几年的技术进展与实践，现代混凝土的制备技术应注重以下原则。

1) 绿色高性能混凝土配制过程中宜遵循三低的技术路线，即“低水泥、低水胶比、低单位体积用水量”。

2) 现代预拌混凝土配合比设计中宜秉持“高等级混凝土粉体不宜过多，中低等级混凝土粉体不宜过少”的原则。

3) 预拌混凝土配合比设计必须考虑原材料品质，宜以用水量和耐久性为设计路线，水胶比可以依据胶凝材料组成和工程对于强度、耐久性要求进行选择而不一定计算。

4) 基于合理胶凝材料组成的高品质的砂石骨料。