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2012年第12期 Beton Chinese Edition Ready-mixed Concrete 商品混凝土 71 博文天地 如何正确理解 “高性能混凝土”并设计混凝土配合比 阎培渝 (清华大学土木工程系,北京 100084) 摘 要本文就混凝土科学技术的几个基本理论问题与杨文科先生讨论。高性能混凝土不是具体的混凝土品种,凡是满足特 定性能要求并且均质性好的混凝土都是高性能混凝土。现行混凝土配合比设计方法基本满足现代混凝土的要求,能够设计出工 作性、力学性能、耐久性和经济性均满足要求的混凝土配合比。杨文科对于现行混凝土配合比设计方法的质疑没有科学根据。 他提出的混凝土配合比设计流程不可行。杨文科关于混凝土假凝的定义是错误的。 关键词高性能混凝土;配合比设计;假凝 中国民航机场建设集团公司国际事务部副总经理杨文 科先生最近出版了一本著作现代混凝土科学的问题与研 究,并从 2012 年第七期开始在商品混凝土杂志上连 载。该书提出了大量似是而非的论点,吸引人们注意。 因全书的内容太多,不能一一评述,在此挑一两个重要 问题,与杨先生商榷。 1 什么是“高性能混凝土” 现代混凝土科学的问题与研究中对于高性能混凝土 有大量负面评价,认为“它是用降低工程质量和耐久性为代 价,向降低劳动强度和提高工程进度两个指标投降的一种混 凝土”(该书 P141)。在本书第一章“混凝土的灵魂配 合比”中,将高性能混凝土定义为与干硬性混凝土、半干硬 性混凝土、塑性混凝土对应的一种混凝土,也就是大流动性 混凝土(表 1-4)。 上述观点说明,杨先生根本没有理解高性能混凝土的 内涵。让我们重温一下美国混凝土学会(ACI)关于高性能 混凝土的正式定义:“高性能混凝土是符合特殊性能组合和 匀质性要求的混凝土,采用传统的原材料和一般的拌和、浇 筑与养护方法,往往不能大量地生产出这种混凝土。所指特 性例如:易于浇筑,振捣不离析,早强,长期力学性能,抗 渗性、密实性,低水化温升,韧性,体积稳定性,恶劣环境 下的较长寿命”。所以高性能混凝土不是混凝土的一个品种 而是强调混凝土的“性能”(performance),或者说是一 种质量目标。对不同的工程,高性能混凝土有不同的强调重 点,即“特殊性能组合”。任何一种混凝土,当它达到性能 要求并且均质性好时,就是高性能混凝土。当我们修建混凝 土路面时,所使用的干硬性混凝土的性能达到设计要求,工 程质量很好,这种混凝土难道就不是“高性能混凝土”吗? 高性能混凝土是整个工程建设全部环节协调配合得到的优质 混凝土,不是只要有配合比就能生产,而是由包括原材料控 制、拌合物生产与整个施工过程来实现的。由于要求混凝土 结构的耐久性,混凝土在符合具体工程的各项具体性能要求 的同时,必须是体积稳定的、匀质的。杨先生给出的工程案 例中,性能达不到设计要求的混凝土根本不是“高性能混凝 土”,而是质量不达标的劣质混凝土。 2 何谓“旧的配合比理论”与“现代混凝土配合比 理论” 杨先生提及,近二百年来,三种混凝土配合比设计理 论方法分别是“比表面积法”、“最大密度法”和“魏矛斯 断档级配法”。认为旧的混凝土配合比设计理论指导不了现 代混凝土的配合比设计。这三种方法主要涉及混凝土用骨料 的品质和用量,单纯依靠这三种方法,是做不出一个混凝土 配合比的。混凝土配合比设计的理论基础还需要包含更多内 容。 传统混凝土与现代混凝土之间没有截然的界限。现在生 产的混凝土与数十年前相比,在材料组成和性能表现上有很 大变化,但依据的基本理论是一脉相传的。迄今为止,混凝 土配合比的设计最主要的理论依据是多孔材料的孔隙率与其 强度成负相关关系。具体到混凝土,就是混凝土的强度在一 定范围内与水胶比成负线性关系。杨先生想凭自己有限的工 程经验推翻这个理论,是不可能的。虽然表 1-2 给出了一些 干硬性混凝土的抗折强度与水灰比无关的例子,但如果在更 大的范围内进行数据分析统计,我们会发现,1918 年 Abrams 提出的混凝土强度的水灰比定则仍然是成立的。当混凝土试 配强度较低时,采取的首要调整措施,不是如杨先生所说, 增加水泥用量,而是降低水胶比。不论是 100 年以前,还是 现在,总是根据设计要求的混凝土强度等级和耐久性调整混 凝土水胶比。并不是说,由于有了高效减水剂,现在混凝土 使用的水胶比就低了。而是现在要求的混凝土强度等级提高 了,所以水胶比必须低。 杨先生思考了现代混凝土配合比理论(应该是“配合比 设计理论”),提出需要坚持的三个重要原则:坍落度、粗 骨料、水泥用量。在此基础上,提出了混凝土配合比设计的 步骤:1)确定混凝土的工作性(在此杨先生将高性能混凝 土排在塑性混凝土后面,意指高性能混凝土是大流动性混凝 土,前已论述了杨先生基本认识的错误);2)确定混凝土单 Beton Chinese Edition Ready-mixed Concrete 2012年第12期 商品混凝土 72 博文天地 方容重;3)确定胶凝材料用量;4)确定粗骨料用量;然后 就可以确定砂率和用水量了。 根据这三项重要原则,杨先生提出应优先使用低坍落 度的混凝土,优先使用大粒径的骨料,并尽可能降低水泥用 量。现在的工程实践中,尽可能降低水泥用量的原则是大家 都遵循的,尽管原因不尽相同。而混凝土的工作性是由建筑 结构形式和施工方法决定的,并不是由混凝土生产商控制, 混凝土的工作性只能在很有限的范围内调整。同样,骨料粒 径的选用也有很多限制条件,如配制高强混凝土或自密实混 凝土,就必须使用小粒径粗骨料。一般情况下,应该是先根 据需要的工作性选择用水量和砂率,根据强度等级确定水胶 比,然后计算胶凝材料和骨料的用量。这牵涉到配合比的经 济性问题,如果先确定胶凝材料的用量,就不好评价配合比 的经济性了。 在杨先生给出的确定胶凝材料用量的原则中,规定了干 硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土和高性能混凝土 的水泥用量。按照所给的范围,如果配制塑性高强混凝土, 水泥(胶凝材料)用量可能不够,如果配制塑性低强混凝 土,水泥(胶凝材料)用量可能多了,经济性不好。此处杨 先生给高性能混凝土规定了一个很高的水泥(胶凝材料)用 量,默认高性能混凝土是高强混凝土,还给高性能混凝土规 定了一个最低的容重和粗骨料用量。杨先生概念中高性能混 凝土就是大流动性高强混凝土,这明显是错误的。 按照杨先生给出的混凝土配合比设计步骤,不能设计出 一个配合比,因还差一个需要根据强度水胶比定则确定的 参数:水胶比,没有这个参数,用水量无法确定。 现行混凝土配合比设计方法国内外都差不多,需要综合 考虑混凝土的工作性、强度和耐久性、经济性。其设计流程 如下: 根据施工方式确定混凝土的工作性; 选择骨料最大尺寸:需要考虑钢筋间距、板厚、强 度等级和工作性; 根据拌合物工作性选择用水量; 根据混凝土强度等级和耐久性要求选择或计算水胶 比; 根据用水量和水胶比计算胶凝材料用量; 根据经验或实验结果确定胶凝材料中水泥与辅助性 胶凝材料的比例; 根据混凝土容重、用水量和胶凝材料用量,计算骨 料用量; 根据工作性选择砂率; 计算粗细骨料用量; 试配调整。 国外多使用单粒级骨料,没有砂、石的区别,就不需要 确定砂率,直接按经验选择各粒级骨料的量。 随着混凝土技术的发展和材料的变化,混凝土配合比 设计过程中所需要的经验参数在不断变化,但基本设计思路 和流程没有改变。在现行配合比设计思路指导下,大量优质 的、具有各种性能的混凝土被生产出来,建成了现在的繁华 都市。现在混凝土生产过程中出现的很多问题,是未能科学 地使用混凝土原材料、一味追求经济效益、野蛮施工等原因 造成的。不能将其完全推给混凝土配合比设计理论。 杨先生提出的三个“旧的配合比理论和现代混凝土的 不适应性”是不对的。现行混凝土配合比设计方法中,从没 有说,砂率与强度有关。砂率主要影响工作性,水胶比才是 决定强度的主要因素。杨先生说水灰比与强度无关,是违反 基本科学原理的错误观点。在现行配合比设计方法中,水泥 用量本就不是决定强度的主要参数。当需要配制高强混凝土 时,水胶比降低,但为保证拌合物的工作性,用水量有一下 限,这样胶凝材料用量自然就增加了。 3 “假凝”的概念辨析 本书第六章讨论了混凝土“假凝”。在此杨先生混淆 了“假凝”与“速凝”两个概念。从杨先生提供的案例所表 现出的现象,可知所讨论的是速凝,而不是假凝。所谓“假 凝”,是指水泥中石膏为半水石膏或无水石膏,加水后迅速 变为二水石膏,导致拌合物失去流动性。此时水泥尚未水 化,因此没有热量放出。假凝的拌合物经过重新搅拌,可以 恢复流动性。“速凝”指水泥迅速水化,放出大量热量,混 凝土凝结成刚性固体,不能再次恢复流动性。 在下结论前,应该搞清楚基本理论,以免误导读者。 作者简介阎培渝(1955),男,博士,教授,博士生 导师,主要研究领域:胶凝材料与混凝土。 通讯地址北京清华大学土木工程系(100084) 水泥行业没有长期过剩风险 分析人士认为,水泥行业产能利用率相对来说还是比较 平稳的,基本上是处于 73% 左右的水平,明年整个行业的产 能利用率预期基本上是在 73% 这样的水平,处于一个正常的 区间。73% 是正常的,70% 以下属于濒临不正常的状态。水 泥产能利用率整体是处于比较正常的区间,这个行业没有长 期产能过剩的风险,所以我们也看到水泥板块,大家对它的 关注度会更高一些。 做出没有长期过剩风险的判断,最大的理由就是,这几 年整个水泥行业淘汰落后产能还是比较的切实去推进的,从 2010 年到 2012 年,每年淘汰落后产能差不多都在 1 亿吨、 1.5 亿吨,今年有 2.7 亿吨这样的一个高水平,所以这个行业 虽然有新的产能出来,但是把旧的落后的产能淘汰掉,那这 个行业整个的产能扩张相对来说不太严重。 来源:中国广播网
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