原材料變化對(duì)商品混凝土性能的影響概述

混凝土的歷史從19世紀(jì)中期誕生了混凝土與鋼筋混凝土算起，至今已有150多年了，而混凝土成為商品混凝土是近現(xiàn)代的產(chǎn)物。我國的商品混凝土始于20世紀(jì)70年代，獲得蓬勃發(fā)展始于1987年“全國商品混凝土協(xié)會(huì)成立大會(huì)”的召開，此后商品混凝土經(jīng)歷了持續(xù)二十多年的快速增長，產(chǎn)量增加了上百倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全年我國商品混凝土產(chǎn)量超過15億立方?；炷涟l(fā)展到今天，水泥、摻合料、外加劑、骨料等原材料均發(fā)生了很大的變化，而且隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步日益發(fā)展。本文將從混凝土四種基本原材料變化的角度分析其對(duì)當(dāng)今商品混凝土的影響及未來商品混凝土的發(fā)展趨勢。1原材料變化1.1水泥現(xiàn)代水泥發(fā)展的兩個(gè)主要成果：高強(qiáng)熟料的燒成和熟料細(xì)化粉磨技術(shù)。其中高強(qiáng)熟料的燒成使得熟料中C3S礦物含量增多；而粉磨技術(shù)的提高使得水泥細(xì)度明顯加大。如今燒成技術(shù)相當(dāng)完善，水泥熟料中的阿利特礦物比例明顯提高，阿利特是水泥強(qiáng)度的主要提供者，也是早期強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者，部分熟料中阿利特含量最高可達(dá)60%，此熟料可以稱為高強(qiáng)熟料。此外，粉磨工藝技術(shù)不斷提高，水泥熟料可以粉磨得很細(xì)，充分有效地利用熟料的潛在活性，提高水泥的強(qiáng)度。兩種技術(shù)都使得水泥熟料的早期強(qiáng)度顯著提高，這樣就可以增加水泥中混合材的摻加量，減少能源資源消耗；可以在冬季施工項(xiàng)目中少加或者不加早強(qiáng)劑或防凍劑，減少鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子和堿的引入；可以提早拆除模板，提高模板的使用效率，也提高混凝土的早期性能。然而，水泥混凝土材料本身區(qū)別于其他材料的特征之一是，其會(huì)不斷生長、不斷增加強(qiáng)度和密實(shí)度。過度開發(fā)其強(qiáng)度，導(dǎo)致其強(qiáng)度集中出現(xiàn)在早期，而后期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，勢必會(huì)對(duì)其耐久性產(chǎn)生一定影響。有研究表明，對(duì)檢測過的大約200座結(jié)構(gòu)，從小的、單跨的橋梁，到大的、多跨橋梁，建成3～30年不等時(shí)間里出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。有足夠的證據(jù)表明：在1930年以后建造的混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命不如在那以前的。例如：檢查時(shí)在1930年以前建造的橋梁67%完好，而1930年后建造的僅27%尚完好。除了施工技術(shù)改變以外，原因之一是1930年以后水泥粉磨工藝的提升，使水泥的細(xì)度發(fā)生變化。1.2摻合料商品混凝土中的礦物摻合料主要包括粉煤灰和礦粉，它們起著從根本上改變了傳統(tǒng)混凝土的性能。在商品混凝土中加入較大量的磨細(xì)礦粉和粉煤灰，可以起到降低溫升、改善工作性、增進(jìn)后期強(qiáng)度、改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提高耐久性、節(jié)約資源等作用。其中，某些礦物細(xì)摻合料還能起到抑制堿－骨料反應(yīng)的作用，改善混凝土的微結(jié)構(gòu)和許多重要性能，且還具有節(jié)約能源、保護(hù)資源和減小環(huán)境污染等多重意義，因此礦物摻合料在混凝土中的比例逐漸增大。以粉煤灰為例，我國粉煤灰混凝土技術(shù)發(fā)展主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容：首先是高摻量粉煤灰混凝土的應(yīng)用，在多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中，水泥和混凝土中粉煤灰的摻量都限制在40%以下，有的結(jié)構(gòu)混凝土規(guī)程限制還要嚴(yán)格一些；其次是高性能粉煤灰混凝土的開發(fā)。粉煤灰混凝土可以作為一種高性能混凝土所特需的復(fù)合材料組分來使用，因此粉煤灰玻璃珠便是相當(dāng)理想的顆粒性復(fù)合材料。有文獻(xiàn)[3]對(duì)摻有占總膠凝材料用量51%～56%粉煤灰的工程結(jié)構(gòu)使用十年后的現(xiàn)場性能調(diào)查，結(jié)果顯示粉煤灰混凝土表現(xiàn)出比普通混凝土更好的現(xiàn)場長期性能，認(rèn)為即使是大摻量也可以成功的用于結(jié)構(gòu)混凝土中，并認(rèn)為某些規(guī)范對(duì)粉煤灰用量所設(shè)的限制是偏于保守的。近幾年來大量的粉煤灰用于制備高性能混凝土，如首都國際機(jī)場新航站樓使用了近2萬噸粉煤灰，長江三峽工程[4]使用了粉煤灰170萬噸。新中央電視臺(tái)大樓的底板工程也采用了粉煤灰摻量40%的混凝土。然而，礦物摻合料的利用也出現(xiàn)很大的地域差異，混凝土技術(shù)不發(fā)達(dá)的地區(qū)受傳統(tǒng)觀念的影響，礦物摻合料的摻量受到限制，資源得不到充分利用?；炷良夹g(shù)發(fā)達(dá)地區(qū)往往出現(xiàn)優(yōu)質(zhì)礦物摻合料供不應(yīng)求的局面，商品混凝土企業(yè)需要提高進(jìn)價(jià)才能買到合格的礦物摻合料，且需要嚴(yán)格檢查其進(jìn)場試驗(yàn)，防止供貨商以次充好，以假亂真。1.3外加劑現(xiàn)代混凝土不再是一種簡單的水泥、礦物摻合料、水和骨料的混合物，而通常含有越來越多使混凝土具備特定品質(zhì)的、特定功能的化學(xué)外加劑。減水劑是最為常見、用量最大的化學(xué)外加劑。減水劑的應(yīng)用是混凝土技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)重要的里程碑，應(yīng)用它可以配制出流動(dòng)性滿足施工需要且水灰比低、強(qiáng)度高的高強(qiáng)混凝土；可以配制出自行流動(dòng)、成型密實(shí)的自密實(shí)混凝土；可以配制出充分滿足不同工程特定性能需要、勻質(zhì)性良好的高性能混凝土。減水劑從最初萘系減水劑發(fā)展為聚羧酸高性能減水劑，從單一減水功能發(fā)展為多功能的復(fù)合型減水劑?，F(xiàn)代減水劑的特點(diǎn)是將不同功能化學(xué)添加劑復(fù)配于減水劑中，使減水劑具備特殊功能。如需提升混凝土拌合物的和易性和抗凍融能力，則引入引氣劑；如需增加混凝土拌合物的凝結(jié)時(shí)間，則引入緩凝組分；如要保證混凝土拌合物長距離運(yùn)輸，保證混凝土拌合物的坍落度損失率，則引入保坍組分；如原材料砂石中含泥量超標(biāo)，為保證聚羧酸的有效使用率，則需引入抗泥組分；如配合比中需降低膠材及水泥用量，且保證混凝土強(qiáng)度不降低，則需引入增效劑。但是，多種組分的復(fù)合給配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)的儲(chǔ)存與計(jì)量帶來復(fù)雜性。同時(shí)外加劑與水泥、摻合料之間存在相容性問題，規(guī)模生產(chǎn)前需要通過試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。1.4骨料通常骨料要占混凝土體積的65%～80%，是混凝土非常重要的原材料。然而，隨著很多地區(qū)禁止開采河砂，細(xì)骨料河砂資源越來越緊缺。目前混凝土企業(yè)所用砂的質(zhì)量越來越差，要么細(xì)度模數(shù)低，要么含泥量高，嚴(yán)重影響混凝土的性能。此外，機(jī)制砂的出現(xiàn)從一定程度上緩解了細(xì)骨料的短缺狀況，但一般破碎的機(jī)制砂顆粒形狀、級(jí)配都不盡如人意。粗骨料方面、優(yōu)質(zhì)的碎石、卵石資源也越來越少，表現(xiàn)在級(jí)配不合理，針片狀含量高等，這些對(duì)于商品混凝土企業(yè)都會(huì)形成很大的壓力。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中很多人認(rèn)為：粗骨料最大粒徑越大、砂率越小，所配制的混凝土越好。事實(shí)并非如此，骨料最大粒徑雖大，但小顆粒（5～10mm或5～15mm）很少甚至沒有，填充其空隙需要的砂漿量并不能減少，同時(shí)還會(huì)帶來一些副作用，如新拌混凝土易于離析、泌水，硬化混凝土耐沖擊和疲勞強(qiáng)度降低且對(duì)耐久性不利。級(jí)配就是將不同粒徑分布的骨料顆?；旌?，以盡量減小混凝土的空隙率，從而減少漿體用量，同時(shí)拌和后的混凝土運(yùn)送過程不易發(fā)生分離。理想的骨料級(jí)配即：大顆粒骨料堆積的間隙，由小顆粒粗骨料填充；小顆粒粗骨料的間隙再由細(xì)骨料填充；由漿體填充骨料密實(shí)堆積體的空隙，并在其表面形成潤滑層，使拌合物具有滿足施工需要的工作度，各級(jí)骨料的優(yōu)選級(jí)配形成完全致密體，滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。2應(yīng)對(duì)措施混凝土原材料的變化將對(duì)混凝土的生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響，混凝土相關(guān)企業(yè)要有充分的準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)這些變化。（1）水泥早強(qiáng)化和顆粒超細(xì)化是混凝土開裂的主要原因之一。然而，目前水泥的早強(qiáng)化和超細(xì)化的趨勢尚未改變。為此，在設(shè)計(jì)混凝土配合比中，應(yīng)使用收縮性能較小的聚羧酸減水劑，而在大體積混凝土的配合比中需要考慮引入抗裂組分，如膨脹劑、抗裂防水劑等，防止混凝土開裂破壞。（2）礦物摻合料的大摻量化是混凝土又一發(fā)展趨勢，畢竟礦物摻合料是工業(yè)副產(chǎn)物，其產(chǎn)量有限。隨著礦物摻合料大規(guī)模的應(yīng)用，一些地區(qū)相繼出現(xiàn)了粉煤灰礦渣短缺現(xiàn)象。為此，尋找這些原料的替代品也是混凝土企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。關(guān)于磨細(xì)石灰石粉代替粉煤灰礦粉甚至水泥的研究已經(jīng)開展了很多年，做一些試驗(yàn)配合比的儲(chǔ)備是混凝土企業(yè)的明智之舉。（3）水泥與外加劑的匹配性是生產(chǎn)合格混凝土產(chǎn)品的必要條件，當(dāng)今外加劑多是復(fù)配型的外加劑，多種組分共同作用可能導(dǎo)致混凝土的工作性出現(xiàn)問題?；炷疗髽I(yè)有必要開展外加劑的復(fù)配試驗(yàn)工作，這是控制混凝土質(zhì)量的有效措施。（4）對(duì)骨料的顆粒級(jí)配進(jìn)行詳細(xì)分析，并引入混凝土的配合比設(shè)計(jì)中，這樣才能生產(chǎn)出級(jí)配優(yōu)良、工作性良好、結(jié)構(gòu)致密、高強(qiáng)的水泥混凝土產(chǎn)品。然而，現(xiàn)在混凝土配合比設(shè)計(jì)中很少考慮