宋少民：现代混凝土——混凝土行业新常态

  “新常态”一词已然成为近两年我国的新词、热词、高频词，我国的经济发展已经进入了新常态，在“2015中国水泥网年会暨百强榜颁奖典礼”之“延伸产业链专场”上，北京建筑大学建材学科负责人、教授宋少民提出：我国混凝土行业，正在经历着一次深刻的技术革命，也进入了新常态——可持续发展的现代混凝土的广泛应用，目前，行业正在逐渐提出、形成现代混凝土知识体系。宋少民在报告中对现代混凝土的概念、特征以及骨料、高性能混凝土等做了详细的介绍。

现代混凝土的概念

  现代混凝土是由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。外加剂技术的开发和应用，把传统混凝土推上了一个现代混凝土的新技术平台。

  现代混凝土的特征

  1、流变性

  现代混凝土较传统混凝土有了很大的变化，从流变性来看，建筑施工对混凝土拌和物的和易性要求越来越高，预拌混凝土要满足坍落度和扩展度的要求。以大流态为主体，拌和物流变性成为一个重要问题。对于混凝土拌和物来讲，有两个重要的参数：屈服剪切应力、粘度，这两个指标能不能协调好，决定着拌和物的状态好不好，光有很大的坍落度不行，还得有个适度的粘度跟它相匹配。

  2、强度

  多年以来，对于混凝土，很多人总是在不断地追求高强度，甚至直到现在，一些主管部门仍然希望发展高强度混凝土，但是，混凝土等级越高并不是好事情。而决定现代混凝土强度的因素，也已经发生了变化，我们对混凝土强度构成的认识必须更新，现代混凝土对胶凝材料活性依赖明显降低。胶凝材料活对早期强度有一定的影响，但是对现代混凝土强度起根本性作用的是水胶比。

  低水胶比下，混凝土产生所要求的强度对水化产物的需求量在降低，而且也没有条件形成更多的水化产物。这样的背景下，获得同样强度，胶凝材料的组成可以有一个相对较大的范围。

  现代混凝土强度的构成：从整体上说，混凝土是高度复杂的非均质多相体，其内部的相互作用力主要的是范德华力，影响作用力大小的因素具有对立统一的关系；水泥水化后生成的凝胶体是由纳米级大小的凝胶粒子组成的，互相之间产生较大的吸引力，把粗的、结晶态的、本身强度高的其它粒子胶结在一起组成产生强度的整体，这应当就是硅酸盐水泥胶凝性的本质；水泥浆体中纳米尺度单元的尺寸多样化无序团聚的粒子群赋予混凝土的强度；颗粒越细，粒子间距离越近，相互间吸引力越大；骨料界面的粘结效果对强度的构成具有显着影响。

  在第一届全国大学生混凝土设计大赛中，要求的目标任务是C40混凝土，47个代表队有着47种配比方法，水泥最高用量400多，最低140，但是所有的强度统统达标，可以看出，现代混凝土技术的复杂性，现代混凝土可以选择的技术方案也非常丰富。

  3、掺合料

  减水剂的普遍使用，可以在保持混凝土拌合物工作性不变的前提下，大幅度改变其水胶比，获得不同强度等级的混凝土。水胶比降低，使得低活性、非活性掺和料得以广泛应用。

  因此，胶凝材料不再是以水泥为唯一组分或绝对组分，而是由水泥和掺和料组成。所以我们需要树立大胶凝材料的概念，要有一个“大”代表格局的意识，混凝土中使用的，绝不仅仅是水泥熟料，而是大胶凝材料，也就是水泥和大量的矿物掺合料。

  胶凝材料的活性（早期活性）应依据混凝土强度要求给予满足，高活性物质与低活性物质的比例不是一成不变的。现代胶凝材料必须满足良好的需水行为、强度、高体积稳定性、耐久性。矿物掺合料的合理使用必须考虑具体的应用与环境。

  4、骨料

  骨料是混凝土中最稳当的组分，骨料的质量在很大程度上决定着混凝土配合比设计的路线。耐久性好的混凝土用最少量的浆体和最大量的骨料，骨料越好，就走低浆路线，骨料不好，就走高浆路线。大自然是我们最好的老师，他虽无言，但时刻示范和引领我们，需要我们有悟性。山石河卵历经亿万年但能够稳定存在告诫我们：增大混凝土中骨料的比例是提高耐久性的关键技术原则。

  骨料对混凝土的和易性、体积稳定性、耐久性、强度、经济性都有影响，因此必须足够重视骨料，砂石质量好，就可以有效控制浆量，进而降低水泥用量。

  越来越多的研究表明现代混凝土的强度和骨料强度没有直接关系，因此在选择料源时应综合考虑骨料的品质而不是强度。

骨料与现代混凝土的关系

  现代混凝土中，骨料的作用也发生了变化，低流动性混凝土需要骨料作骨架，传递应力，因而更看重骨料强度；当混凝土对和易性要求越来越高的时候，混凝土对砂石的质量要求更看重级配、粒形等方面。既然满足施工要求是硬指针，质量不好的骨料，必然浆骨比大，这样既不经济，对硬化性能也有不利影响。

  人对于与大自然的关系是从“人定胜天”向“天人合一，自然为重”转换的时候了。山石河卵的存在历史悠长，其耐久性不言而喻。我们在制备混凝土时尽可能使骨料比例增大，符合古人“天人合一、法天师地”的哲学思想。老子说：天地不仁，以万物为刍狗。告戒我们应该体恤、敬重世间万物。高质量加工机制砂石，能够很好地服务于混凝土，实现节能减排，延长混凝土结构物寿命。就是做到物尽其用，“以万物为刍狗”。

骨料产业的机遇和问题

  我国正在经历着规模空前的基础设施建设。而我国的建筑结构以钢筋混凝土结构形式为主体，混凝土用量接近世界年产量的60%，砂石骨料消耗量巨大，生态、资源受到严重影响和挑战。如果这样沉重的代价不能换来好的技术效果和建筑物的长寿命，我们将贻害子孙。

  不少地区的天然砂资源已近枯竭，随着基本建设日益发展和农田、河道环境保护措施的逐步加强，我国不少地区出现天然砂资源紧张或限制采挖！质量日益下降，而价格大幅上涨，进而导致混凝土用砂供需矛盾突出。因此机制砂担当主力砂源大势所趋。做好机制砂是当前混凝土行业的一件大事。细骨料的质量不仅直接影响新拌混凝土的工作性，影响混凝土的浆骨比，最终影响混凝土的耐久性。随着优质河砂资源的枯竭，机制砂已经和正在成为混凝土生产的主要砂源。

  围绕机制砂加工产业的迅速发展，我们面临一个重大机会，如果做得好，中国混凝土骨料的质量将实现跨跃性提高，这对中国混凝土产业和结构工程质量具有战略意义。

  目前我国骨料存在着一些问题，粗骨料主要是粒形问题；河砂细度偏细，含泥量高；机制砂颗粒形状不好，含石率高；级配不合理，两头大中间小。

表1 中外关于粗骨料针片颗粒定义的区别

  我国粗骨料粒形不好主要是因为标准要求太低，表1可以看出，我们和英国标准的差别。在这样的前提下，即使标准中的指标控制一样，骨料粒形的实际情况却大不相同。

  我国机制砂也存在着很多质量问题：1、粒形不好，片状过多。细度模数偏大；2、降低生产成本，生产的机制砂细度模数多为3.0 以上，而配制混凝土细度模数最好在2.6 -3.0；3、级配不合理，颗粒级配多为两头大中间小，人工砂的级配区最好为2 区，各级筛余一定要符合标准要求；4、洗走石粉的问题。目前，壹些混凝土用户不了解石粉与粘土的区别壹味要求洗去石粉的做法是错误的。亚甲蓝值-机制砂分级和控制石粉含量的重要指标；5、严格选择母岩，禁止用风化严重的泥质砂岩或其他山岩加工机制砂。控制办法就是检测其坚固性与压碎指标， 不合格的不能使用。

正确认识现代混凝土骨料

  骨料是混凝土技术和质量控制的上游环节，我国砂石质量差，级配不合理、空隙率高，粒形不好，不仅影响混凝土拌合物和易性，对混凝土力学性能和耐久性都带来不利影响。

  现代混凝土骨料的品质要求，首先不是强度，重要的是使用级配和粒形良好的骨料可以得到较小用水量的拌和物。当然，作为细骨料还有河砂含泥量和清洗海砂的氯离子含量问题。

  由于我国粗骨料针片状颗粒的定义过宽，目前我们有必要在此指标之外针对粗骨料提出非常不规则颗粒的概念和检测方法，并逐渐引入标准。

  不同强度岩石粗骨料对混凝土强度的影响不同，图1、图2、图3是玄武岩和石灰岩对混凝土强度影响试验对比，玄武岩岩石强度远高于石灰岩，一般用于高强预应力混凝土中。那么，为什么玄武岩骨料混凝土强度高呢？主要是表面织构特征，玄武岩的界面好，图4是石灰岩和玄武岩界面在显微镜下的样子，因此玄武岩骨料混凝土强度高。

图1

图2

图3

图4显微镜下石灰岩和玄武岩界面

  关于机制砂的级配问题，颗粒的粒径分布对混凝土拌和物的工作性！离析和泵送性能起着很重要的作用。许多专家认为，相比间断分布的混合物而言，均一分布的混合物具有更好的工作性能。

  机制砂级配不良是普遍存在的，原因是众多机制砂设备制造厂商不注重研究机制砂制备配套工艺。只能生产圆锥破、竖轴冲击破等主力设备是远远不够的，不考虑级配和石粉含量调整与控制工艺及设备，这样的骨料设备企业是没有能力保证用户生产出级配、粒形良好的机制砂的。目前放眼砂石加工设备企业，敢说有这个能力的并不多！

  我国机制砂粒形不好，片状颗粒多的情况也普遍存在，这里有个问题是标准中没有这方面的技术要求。如果说国际上都没有这个要求，显然不是理由。为提高我国机制砂产品质量，我们有必要提出机制砂片状颗粒的概念与检测方法。机制砂片状颗粒是指最小一维尺寸小于该粒径所属范围平均粒径0.45倍的颗粒，粒径范围在1.18以上，用筛分法检测最适用。

  那么，什么样的骨料才算是高品质呢？表２列出了高品质骨料的技术要求。

表2 高品质骨料的技术要求

雾里看花的高性能混凝土

  关于对高性能混凝土认识和理解的讨论和质疑比较多，一度有人提议取消高性能混凝土的称谓。有人认为高强混凝土才是高性能混土，有人认为大流态混凝土才是高性能混土，有人认为大掺量掺和料混凝土才是高性能混土，还有人认为其实所谓的高性能混土就是裂缝混凝土。

  高性能混凝土是混凝土技术进步过程中的一个载体和推手，既要严肃、科学地对待，又不要因噎废食，谈虎色变。现在不是要讨论是否沿用高性能混凝土这个词，而是要讨论如何在合适语境中准确地使用这个概念，从而避免一些不必要的误解和无谓的争论。

  利用好高性能混凝土第一是有利于提高混凝土质量、有利于提高建筑品质；第二是在第一个内涵的基础上，有利于节约环保和可持续发展。高性能混凝土的多种定义确实迷人双眼，但浮云蔽日终有时，应该相信目前我们正在接近正确和合理的目标。

  高性能混凝土要点：1、高性能混凝土不是混凝土的一个品种；2、不是混凝土搅拌站可以独立生产的；3、是在结构中实现的目标；4、高性能混凝土是要提高成本的；5、高性能混凝土必须高匀质性；6、特定环境中良好的体积稳定性和耐久性；7、高性能混凝土制备中注重控制浆骨比；8、施工是实现高性能砼最后、最重要的环节；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优化。

  高性能混凝土不一定高强，不一定大流态，也不一定大比例掺加掺合料，高性能混凝土是一场从材料到结构的科学革命，是基于现代混凝土技术平台，需要建立新的范式。

  两部委发文推广高性能混凝土，关于高性能混凝土的定义：以工程设计和施工对混凝土性能的特点要求为总体目标，合理选用优质原材料，掺加外加剂和合理掺量的矿物掺和料，采用较低的水胶比并优化配合比，通过绿色和预拌生产方式及严格的施工措施，具有优异综合性能的混凝土。该定义中提出优质原材料的要求，这一点我们必须给予高度重视，为我们推动高品质骨料加工吹响了集结号。

结语与启示

  混凝土产业应该遵循优质优价的市场规则，鼓励骨料加工业采用高品质骨料技术标准进行生产。粗骨料利用单粒级在搅拌站分别存贮计量，控制不规则骨料含量；细骨料执行更严格的级配技术要求，并在级配合格基础上控制细度模数。机制砂提出片状颗粒概念、检测方法以及技术指标。

  希望大家不要轻视高品质骨料生产的技术和工艺难度，不要忘记我国目前可以称得上高品质的骨料加工线屈指可数。同时鼓励混凝土行业领袖型企业和水泥混凝土大型集团把建设或合作建设高品质骨料加工基地作为重要战略目标，示范和引领砂石行业，促进混凝土行业水平整体提升。

  我们必须以推进高性能混凝土应用为契机，在混凝土产业转型升级的大背景下，必须有所作为。推动中国由混凝土大国走向混凝土强国。这不仅需要新技术，更需要更新观念。有人说“得混凝土者的天下”需要认真思考，其实混凝土产业的内涵很大。面对蓬勃发展的混凝土产业，水泥行业何去何从，值得思考！

  水泥行业是面向混凝土的粉体、骨料向前走，还是生产硅酸盐水泥，让水泥更“纯粹”，这个选择的权利当然在于水泥行业，但是水泥行业不可能左右混凝土产业迅猛向前的脚步，融入中国混凝土产业可持续发展的洪流中，实现产业链延伸应该是明智的选择！

  现代混凝土的魅力就在于他有太多的问题需要我们去思考、研究和实践。外国人说中国人是最能模仿别人的民族，说：“you are always follow us”。水泥和混凝土行业应该鼓励更多学者、企业家、工程技术人人员勇于质疑、勤于思考、大胆探索和实践。中国是现代混凝土最大的舞台，中国人理所当然是主角，是引领者。中国混凝土的路在我们脚下！