宋少民：現(xiàn)代混凝土——混凝土行業(yè)新常態(tài)

  “新常態(tài)”一詞已然成為近兩年我國(guó)的新詞、熱詞、高頻詞，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了新常態(tài)，在“2015中國(guó)水泥網(wǎng)年會(huì)暨百?gòu)?qiáng)榜頒獎(jiǎng)典禮”之“延伸產(chǎn)業(yè)鏈專場(chǎng)”上，北京建筑大學(xué)建材學(xué)科負(fù)責(zé)人、教授宋少民提出：我國(guó)混凝土行業(yè)，正在經(jīng)歷著一次深刻的技術(shù)革命，也進(jìn)入了新常態(tài)——可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代混凝土的廣泛應(yīng)用，目前，行業(yè)正在逐漸提出、形成現(xiàn)代混凝土知識(shí)體系。宋少民在報(bào)告中對(duì)現(xiàn)代混凝土的概念、特征以及骨料、高性能混凝土等做了詳細(xì)的介紹。

現(xiàn)代混凝土的概念

  現(xiàn)代混凝土是由高效減水劑發(fā)展和廣泛使用而帶來(lái)根本性變化的多組分混凝土。外加劑技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，把傳統(tǒng)混凝土推上了一個(gè)現(xiàn)代混凝土的新技術(shù)平臺(tái)。

  現(xiàn)代混凝土的特征

  1、流變性

  現(xiàn)代混凝土較傳統(tǒng)混凝土有了很大的變化，從流變性來(lái)看，建筑施工對(duì)混凝土拌和物的和易性要求越來(lái)越高，預(yù)拌混凝土要滿足坍落度和擴(kuò)展度的要求。以大流態(tài)為主體，拌和物流變性成為一個(gè)重要問(wèn)題。對(duì)于混凝土拌和物來(lái)講，有兩個(gè)重要的參數(shù)：屈服剪切應(yīng)力、粘度，這兩個(gè)指標(biāo)能不能協(xié)調(diào)好，決定著拌和物的狀態(tài)好不好，光有很大的坍落度不行，還得有個(gè)適度的粘度跟它相匹配。

  2、強(qiáng)度

  多年以來(lái)，對(duì)于混凝土，很多人總是在不斷地追求高強(qiáng)度，甚至直到現(xiàn)在，一些主管部門(mén)仍然希望發(fā)展高強(qiáng)度混凝土，但是，混凝土等級(jí)越高并不是好事情。而決定現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度的因素，也已經(jīng)發(fā)生了變化，我們對(duì)混凝土強(qiáng)度構(gòu)成的認(rèn)識(shí)必須更新，現(xiàn)代混凝土對(duì)膠凝材料活性依賴明顯降低。膠凝材料活對(duì)早期強(qiáng)度有一定的影響，但是對(duì)現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度起根本性作用的是水膠比。

  低水膠比下，混凝土產(chǎn)生所要求的強(qiáng)度對(duì)水化產(chǎn)物的需求量在降低，而且也沒(méi)有條件形成更多的水化產(chǎn)物。這樣的背景下，獲得同樣強(qiáng)度，膠凝材料的組成可以有一個(gè)相對(duì)較大的范圍。

  現(xiàn)代混凝土強(qiáng)度的構(gòu)成：從整體上說(shuō)，混凝土是高度復(fù)雜的非均質(zhì)多相體，其內(nèi)部的相互作用力主要的是范德華力，影響作用力大小的因素具有對(duì)立統(tǒng)一的關(guān)系；水泥水化后生成的凝膠體是由納米級(jí)大小的凝膠粒子組成的，互相之間產(chǎn)生較大的吸引力，把粗的、結(jié)晶態(tài)的、本身強(qiáng)度高的其它粒子膠結(jié)在一起組成產(chǎn)生強(qiáng)度的整體，這應(yīng)當(dāng)就是硅酸鹽水泥膠凝性的本質(zhì)；水泥漿體中納米尺度單元的尺寸多樣化無(wú)序團(tuán)聚的粒子群賦予混凝土的強(qiáng)度；顆粒越細(xì)，粒子間距離越近，相互間吸引力越大；骨料界面的粘結(jié)效果對(duì)強(qiáng)度的構(gòu)成具有顯著影響。

  在第一屆全國(guó)大學(xué)生混凝土設(shè)計(jì)大賽中，要求的目標(biāo)任務(wù)是C40混凝土，47個(gè)代表隊(duì)有著47種配比方法，水泥最高用量400多，最低140，但是所有的強(qiáng)度統(tǒng)統(tǒng)達(dá)標(biāo)，可以看出，現(xiàn)代混凝土技術(shù)的復(fù)雜性，現(xiàn)代混凝土可以選擇的技術(shù)方案也非常豐富。

  3、摻合料

  減水劑的普遍使用，可以在保持混凝土拌合物工作性不變的前提下，大幅度改變其水膠比，獲得不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。水膠比降低，使得低活性、非活性摻和料得以廣泛應(yīng)用。

  因此，膠凝材料不再是以水泥為唯一組分或絕對(duì)組分，而是由水泥和摻和料組成。所以我們需要樹(shù)立大膠凝材料的概念，要有一個(gè)“大”代表格局的意識(shí)，混凝土中使用的，絕不僅僅是水泥熟料，而是大膠凝材料，也就是水泥和大量的礦物摻合料。

  膠凝材料的活性（早期活性）應(yīng)依據(jù)混凝土強(qiáng)度要求給予滿足，高活性物質(zhì)與低活性物質(zhì)的比例不是一成不變的?，F(xiàn)代膠凝材料必須滿足良好的需水行為、強(qiáng)度、高體積穩(wěn)定性、耐久性。礦物摻合料的合理使用必須考慮具體的應(yīng)用與環(huán)境。

  4、骨料

  骨料是混凝土中最穩(wěn)當(dāng)?shù)慕M分，骨料的質(zhì)量在很大程度上決定著混凝土配合比設(shè)計(jì)的路線。耐久性好的混凝土用最少量的漿體和最大量的骨料，骨料越好，就走低漿路線，骨料不好，就走高漿路線。大自然是我們最好的老師，他雖無(wú)言，但時(shí)刻示范和引領(lǐng)我們，需要我們有悟性。山石河卵歷經(jīng)億萬(wàn)年但能夠穩(wěn)定存在告誡我們：增大混凝土中骨料的比例是提高耐久性的關(guān)鍵技術(shù)原則。

  骨料對(duì)混凝土的和易性、體積穩(wěn)定性、耐久性、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性都有影響，因此必須足夠重視骨料，砂石質(zhì)量好，就可以有效控制漿量，進(jìn)而降低水泥用量。

  越來(lái)越多的研究表明現(xiàn)代混凝土的強(qiáng)度和骨料強(qiáng)度沒(méi)有直接關(guān)系，因此在選擇料源時(shí)應(yīng)綜合考慮骨料的品質(zhì)而不是強(qiáng)度。

骨料與現(xiàn)代混凝土的關(guān)系

  現(xiàn)代混凝土中，骨料的作用也發(fā)生了變化，低流動(dòng)性混凝土需要骨料作骨架，傳遞應(yīng)力，因而更看重骨料強(qiáng)度；當(dāng)混凝土對(duì)和易性要求越來(lái)越高的時(shí)候，混凝土對(duì)砂石的質(zhì)量要求更看重級(jí)配、粒形等方面。既然滿足施工要求是硬指針，質(zhì)量不好的骨料，必然漿骨比大，這樣既不經(jīng)濟(jì)，對(duì)硬化性能也有不利影響。

  人對(duì)于與大自然的關(guān)系是從“人定勝天”向“天人合一，自然為重”轉(zhuǎn)換的時(shí)候了。山石河卵的存在歷史悠長(zhǎng)，其耐久性不言而喻。我們?cè)谥苽浠炷習(xí)r盡可能使骨料比例增大，符合古人“天人合一、法天師地”的哲學(xué)思想。老子說(shuō)：天地不仁，以萬(wàn)物為芻狗。告戒我們應(yīng)該體恤、敬重世間萬(wàn)物。高質(zhì)量加工機(jī)制砂石，能夠很好地服務(wù)于混凝土，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)物壽命。就是做到物盡其用，“以萬(wàn)物為芻狗”。

骨料產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇和問(wèn)題

  我國(guó)正在經(jīng)歷著規(guī)?？涨暗幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)。而我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式為主體，混凝土用量接近世界年產(chǎn)量的60%，砂石骨料消耗量巨大，生態(tài)、資源受到嚴(yán)重影響和挑戰(zhàn)。如果這樣沉重的代價(jià)不能換來(lái)好的技術(shù)效果和建筑物的長(zhǎng)壽命，我們將貽害子孫。

  不少地區(qū)的天然砂資源已近枯竭，隨著基本建設(shè)日益發(fā)展和農(nóng)田、河道環(huán)境保護(hù)措施的逐步加強(qiáng)，我國(guó)不少地區(qū)出現(xiàn)天然砂資源緊張或限制采挖！質(zhì)量日益下降，而價(jià)格大幅上漲，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土用砂供需矛盾突出。因此機(jī)制砂擔(dān)當(dāng)主力砂源大勢(shì)所趨。做好機(jī)制砂是當(dāng)前混凝土行業(yè)的一件大事。細(xì)骨料的質(zhì)量不僅直接影響新拌混凝土的工作性，影響混凝土的漿骨比，最終影響混凝土的耐久性。隨著優(yōu)質(zhì)河砂資源的枯竭，機(jī)制砂已經(jīng)和正在成為混凝土生產(chǎn)的主要砂源。

  圍繞機(jī)制砂加工產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，我們面臨一個(gè)重大機(jī)會(huì)，如果做得好，中國(guó)混凝土骨料的質(zhì)量將實(shí)現(xiàn)跨躍性提高，這對(duì)中國(guó)混凝土產(chǎn)業(yè)和結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量具有戰(zhàn)略意義。

  目前我國(guó)骨料存在著一些問(wèn)題，粗骨料主要是粒形問(wèn)題；河砂細(xì)度偏細(xì)，含泥量高；機(jī)制砂顆粒形狀不好，含石率高；級(jí)配不合理，兩頭大中間小。

表1 中外關(guān)于粗骨料針片顆粒定義的區(qū)別

  我國(guó)粗骨料粒形不好主要是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)要求太低，表1可以看出，我們和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的差別。在這樣的前提下，即使標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)控制一樣，骨料粒形的實(shí)際情況卻大不相同。

  我國(guó)機(jī)制砂也存在著很多質(zhì)量問(wèn)題：1、粒形不好，片狀過(guò)多。細(xì)度模數(shù)偏大；2、降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)多為3.0 以上，而配制混凝土細(xì)度模數(shù)最好在2.6 -3.0；3、級(jí)配不合理，顆粒級(jí)配多為兩頭大中間小，人工砂的級(jí)配區(qū)最好為2 區(qū)，各級(jí)篩余一定要符合標(biāo)準(zhǔn)要求；4、洗走石粉的問(wèn)題。目前，壹些混凝土用戶不了解石粉與粘土的區(qū)別壹味要求洗去石粉的做法是錯(cuò)誤的。亞甲藍(lán)值-機(jī)制砂分級(jí)和控制石粉含量的重要指標(biāo)；5、嚴(yán)格選擇母巖，禁止用風(fēng)化嚴(yán)重的泥質(zhì)砂巖或其他山巖加工機(jī)制砂?？刂妻k法就是檢測(cè)其堅(jiān)固性與壓碎指標(biāo)， 不合格的不能使用。

正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)代混凝土骨料

  骨料是混凝土技術(shù)和質(zhì)量控制的上游環(huán)節(jié)，我國(guó)砂石質(zhì)量差，級(jí)配不合理、空隙率高，粒形不好，不僅影響混凝土拌合物和易性，對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性都帶來(lái)不利影響。

  現(xiàn)代混凝土骨料的品質(zhì)要求，首先不是強(qiáng)度，重要的是使用級(jí)配和粒形良好的骨料可以得到較小用水量的拌和物。當(dāng)然，作為細(xì)骨料還有河砂含泥量和清洗海砂的氯離子含量問(wèn)題。

  由于我國(guó)粗骨料針片狀顆粒的定義過(guò)寬，目前我們有必要在此指標(biāo)之外針對(duì)粗骨料提出非常不規(guī)則顆粒的概念和檢測(cè)方法，并逐漸引入標(biāo)準(zhǔn)。

  不同強(qiáng)度巖石粗骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響不同，圖1、圖2、圖3是玄武巖和石灰?guī)r對(duì)混凝土強(qiáng)度影響試驗(yàn)對(duì)比，玄武巖巖石強(qiáng)度遠(yuǎn)高于石灰?guī)r，一般用于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土中。那么，為什么玄武巖骨料混凝土強(qiáng)度高呢？主要是表面織構(gòu)特征，玄武巖的界面好，圖4是石灰?guī)r和玄武巖界面在顯微鏡下的樣子，因此玄武巖骨料混凝土強(qiáng)度高。

圖1

圖2

圖3

圖4顯微鏡下石灰?guī)r和玄武巖界面

  關(guān)于機(jī)制砂的級(jí)配問(wèn)題，顆粒的粒徑分布對(duì)混凝土拌和物的工作性！離析和泵送性能起著很重要的作用。許多專家認(rèn)為，相比間斷分布的混合物而言，均一分布的混合物具有更好的工作性能。

  機(jī)制砂級(jí)配不良是普遍存在的，原因是眾多機(jī)制砂設(shè)備制造廠商不注重研究機(jī)制砂制備配套工藝。只能生產(chǎn)圓錐破、豎軸沖擊破等主力設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不考慮級(jí)配和石粉含量調(diào)整與控制工藝及設(shè)備，這樣的骨料設(shè)備企業(yè)是沒(méi)有能力保證用戶生產(chǎn)出級(jí)配、粒形良好的機(jī)制砂的。目前放眼砂石加工設(shè)備企業(yè)，敢說(shuō)有這個(gè)能力的并不多！

  我國(guó)機(jī)制砂粒形不好，片狀顆粒多的情況也普遍存在，這里有個(gè)問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有這方面的技術(shù)要求。如果說(shuō)國(guó)際上都沒(méi)有這個(gè)要求，顯然不是理由。為提高我國(guó)機(jī)制砂產(chǎn)品質(zhì)量，我們有必要提出機(jī)制砂片狀顆粒的概念與檢測(cè)方法。機(jī)制砂片狀顆粒是指最小一維尺寸小于該粒徑所屬范圍平均粒徑0.45倍的顆粒，粒徑范圍在1.18以上，用篩分法檢測(cè)最適用。

  那么，什么樣的骨料才算是高品質(zhì)呢？表２列出了高品質(zhì)骨料的技術(shù)要求。

表2 高品質(zhì)骨料的技術(shù)要求

霧里看花的高性能混凝土

  關(guān)于對(duì)高性能混凝土認(rèn)識(shí)和理解的討論和質(zhì)疑比較多，一度有人提議取消高性能混凝土的稱謂。有人認(rèn)為高強(qiáng)混凝土才是高性能混土，有人認(rèn)為大流態(tài)混凝土才是高性能混土，有人認(rèn)為大摻量摻和料混凝土才是高性能混土，還有人認(rèn)為其實(shí)所謂的高性能混土就是裂縫混凝土。

  高性能混凝土是混凝土技術(shù)進(jìn)步過(guò)程中的一個(gè)載體和推手，既要嚴(yán)肅、科學(xué)地對(duì)待，又不要因噎廢食，談虎色變。現(xiàn)在不是要討論是否沿用高性能混凝土這個(gè)詞，而是要討論如何在合適語(yǔ)境中準(zhǔn)確地使用這個(gè)概念，從而避免一些不必要的誤解和無(wú)謂的爭(zhēng)論。

  利用好高性能混凝土第一是有利于提高混凝土質(zhì)量、有利于提高建筑品質(zhì)；第二是在第一個(gè)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，有利于節(jié)約環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。高性能混凝土的多種定義確實(shí)迷人雙眼，但浮云蔽日終有時(shí)，應(yīng)該相信目前我們正在接近正確和合理的目標(biāo)。

  高性能混凝土要點(diǎn)：1、高性能混凝土不是混凝土的一個(gè)品種；2、不是混凝土攪拌站可以獨(dú)立生產(chǎn)的；3、是在結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)；4、高性能混凝土是要提高成本的；5、高性能混凝土必須高勻質(zhì)性；6、特定環(huán)境中良好的體積穩(wěn)定性和耐久性；7、高性能混凝土制備中注重控制漿骨比；8、施工是實(shí)現(xiàn)高性能砼最后、最重要的環(huán)節(jié)；9、高性能混凝土要工程所需要的特定高性能；10、高性能混凝土注重配合比優(yōu)化。

  高性能混凝土不一定高強(qiáng)，不一定大流態(tài)，也不一定大比例摻加摻合料，高性能混凝土是一場(chǎng)從材料到結(jié)構(gòu)的科學(xué)革命，是基于現(xiàn)代混凝土技術(shù)平臺(tái)，需要建立新的范式。

  兩部委發(fā)文推廣高性能混凝土，關(guān)于高性能混凝土的定義：以工程設(shè)計(jì)和施工對(duì)混凝土性能的特點(diǎn)要求為總體目標(biāo)，合理選用優(yōu)質(zhì)原材料，摻加外加劑和合理?yè)搅康牡V物摻和料，采用較低的水膠比并優(yōu)化配合比，通過(guò)綠色和預(yù)拌生產(chǎn)方式及嚴(yán)格的施工措施，具有優(yōu)異綜合性能的混凝土。該定義中提出優(yōu)質(zhì)原材料的要求，這一點(diǎn)我們必須給予高度重視，為我們推動(dòng)高品質(zhì)骨料加工吹響了集結(jié)號(hào)。

結(jié)語(yǔ)與啟示

  混凝土產(chǎn)業(yè)應(yīng)該遵循優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的市場(chǎng)規(guī)則，鼓勵(lì)骨料加工業(yè)采用高品質(zhì)骨料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)。粗骨料利用單粒級(jí)在攪拌站分別存貯計(jì)量，控制不規(guī)則骨料含量；細(xì)骨料執(zhí)行更嚴(yán)格的級(jí)配技術(shù)要求，并在級(jí)配合格基礎(chǔ)上控制細(xì)度模數(shù)。機(jī)制砂提出片狀顆粒概念、檢測(cè)方法以及技術(shù)指標(biāo)。

  希望大家不要輕視高品質(zhì)骨料生產(chǎn)的技術(shù)和工藝難度，不要忘記我國(guó)目前可以稱得上高品質(zhì)的骨料加工線屈指可數(shù)。同時(shí)鼓勵(lì)混凝土行業(yè)領(lǐng)袖型企業(yè)和水泥混凝土大型集團(tuán)把建設(shè)或合作建設(shè)高品質(zhì)骨料加工基地作為重要戰(zhàn)略目標(biāo)，示范和引領(lǐng)砂石行業(yè)，促進(jìn)混凝土行業(yè)水平整體提升。

  我們必須以推進(jìn)高性能混凝土應(yīng)用為契機(jī)，在混凝土產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大背景下，必須有所作為。推動(dòng)中國(guó)由混凝土大國(guó)走向混凝土強(qiáng)國(guó)。這不僅需要新技術(shù)，更需要更新觀念。有人說(shuō)“得混凝土者的天下”需要認(rèn)真思考，其實(shí)混凝土產(chǎn)業(yè)的內(nèi)涵很大。面對(duì)蓬勃發(fā)展的混凝土產(chǎn)業(yè)，水泥行業(yè)何去何從，值得思考！

  水泥行業(yè)是面向混凝土的粉體、骨料向前走，還是生產(chǎn)硅酸鹽水泥，讓水泥更“純粹”，這個(gè)選擇的權(quán)利當(dāng)然在于水泥行業(yè)，但是水泥行業(yè)不可能左右混凝土產(chǎn)業(yè)迅猛向前的腳步，融入中國(guó)混凝土產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的洪流中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈延伸應(yīng)該是明智的選擇！

  現(xiàn)代混凝土的魅力就在于他有太多的問(wèn)題需要我們?nèi)ニ伎?、研究和?shí)踐。外國(guó)人說(shuō)中國(guó)人是最能模仿別人的民族，說(shuō)：“you are always follow us”。水泥和混凝土行業(yè)應(yīng)該鼓勵(lì)更多學(xué)者、企業(yè)家、工程技術(shù)人人員勇于質(zhì)疑、勤于思考、大膽探索和實(shí)踐。中國(guó)是現(xiàn)代混凝土最大的舞臺(tái)，中國(guó)人理所當(dāng)然是主角，是引領(lǐng)者。中國(guó)混凝土的路在我們腳下！