如何正確理解“高性能混凝土”并設計混凝土配合比

閻培渝

（清華大學土木工程系，北京 100084）

中國民航機場建設集團公司國際事務部副總經理楊文科先生最近出版了一本著作《現代混凝土科學的問題與研究》，并從 2012 年第七期開始在《商品混凝土》雜志上連載。該書提出了大量似是而非的論點，吸引人們注意。

因全書的內容太多，不能一一評述，在此挑一兩個重要問題，與楊先生商榷。

1 什么是“高性能混凝土”

《現代混凝土科學的問題與研究》中對于高性能混凝土有大量負面評價，認為“它是用降低工程質量和耐久性為代價，向降低勞動強度和提高工程進度兩個指標投降的一種混凝土”（該書 P141）。在本書第一章“混凝土的靈魂——配合比”中，將高性能混凝土定義為與干硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土對應的一種混凝土，也就是大流動性混凝土（表 1-4）。

上述觀點說明，楊先生根本沒有理解高性能混凝土的內涵。讓我們重溫一下美國混凝土學會（ACI）關于高性能混凝土的正式定義：“高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質性要求的混凝土，采用傳統的原材料和一般的拌和、澆筑與養護方法，往往不能大量地生產出這種混凝土。所指特性例如：易于澆筑，振搗不離析，早強，長期力學性能，抗滲性、密實性，低水化溫升，韌性，體積穩定性，惡劣環境下的較長壽命”。所以高性能混凝土不是混凝土的一個品種而是強調混凝土的“性能”（performance），或者說是一種質量目標。對不同的工程，高性能混凝土有不同的強調重點，即“特殊性能組合”。任何一種混凝土，當它達到性能要求并且均質性好時，就是高性能混凝土。當我們修建混凝土路面時，所使用的干硬性混凝土的性能達到設計要求，工程質量很好，這種混凝土難道就不是“高性能混凝土”嗎？高性能混凝土是整個工程建設全部環節協調配合得到的優質混凝土，不是只要有配合比就能生產，而是由包括原材料控制、拌合物生產與整個施工過程來實現的。由于要求混凝土結構的耐久性，混凝土在符合具體工程的各項具體性能要求的同時，必須是體積穩定的、勻質的。楊先生給出的工程案例中，性能達不到設計要求的混凝土根本不是“高性能混凝土”，而是質量不達標的劣質混凝土。

2 何謂“舊的配合比理論”與“現代混凝土配合比理論”

楊先生提及，近二百年來，三種混凝土配合比設計理論方法分別是“比表面積法”、“最大密度法”和“魏矛斯斷檔級配法”。認為舊的混凝土配合比設計理論指導不了現代混凝土的配合比設計。這三種方法主要涉及混凝土用骨料的品質和用量，單純依靠這三種方法，是做不出一個混凝土配合比的。混凝土配合比設計的理論基礎還需要包含更多內容。

傳統混凝土與現代混凝土之間沒有截然的界限。現在生產的混凝土與數十年前相比，在材料組成和性能表現上有很大變化，但依據的基本理論是一脈相傳的。迄今為止，混凝土配合比的設計最主要的理論依據是多孔材料的孔隙率與其強度成負相關關系。具體到混凝土，就是混凝土的強度在一定范圍內與水膠比成負線性關系。楊先生想憑自己有限的工程經驗推翻這個理論，是不可能的。雖然表 1-2 給出了一些干硬性混凝土的抗折強度與水灰比無關的例子，但如果在更大的范圍內進行數據分析統計，我們會發現，1918 年 Abrams提出的混凝土強度的水灰比定則仍然是成立的。當混凝土試配強度較低時，采取的首要調整措施，不是如楊先生所說，增加水泥用量，而是降低水膠比。不論是 100 年以前，還是現在，總是根據設計要求的混凝土強度等級和耐久性調整混凝土水膠比。并不是說，由于有了高效減水劑，現在混凝土使用的水膠比就低了。而是現在要求的混凝土強度等級提高了，所以水膠比必須低。

楊先生思考了現代混凝土配合比理論（應該是“配合比設計理論”），提出需要堅持的三個重要原則：坍落度、粗骨料、水泥用量。在此基礎上，提出了混凝土配合比設計的步驟：1）確定混凝土的工作性（在此楊先生將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動性混凝土，前已論述了楊先生基本認識的錯誤）；2）確定混凝土單方容重；3）確定膠凝材料用量；4）確定粗骨料用量；然后就可以確定砂率和用水量了。

根據這三項重要原則，楊先生提出應優先使用低坍落度的混凝土，優先使用大粒徑的骨料，并盡可能降低水泥用量。現在的工程實踐中，盡可能降低水泥用量的原則是大家都遵循的，盡管原因不盡相同。而混凝土的工作性是由建筑結構形式和施工方法決定的，并不是由混凝土生產商控制，混凝土的工作性只能在很有限的范圍內調整。同樣，骨料粒徑的選用也有很多限制條件，如配制高強混凝土或自密實混凝土，就必須使用小粒徑粗骨料。一般情況下，應該是先根據需要的工作性選擇用水量和砂率，根據強度等級確定水膠比，然后計算膠凝材料和骨料的用量。這牽涉到配合比的經濟性問題，如果先確定膠凝材料的用量，就不好評價配合比的經濟性了。

在楊先生給出的確定膠凝材料用量的原則中，規定了干硬性混凝土、半干硬性混凝土、塑性混凝土和高性能混凝土的水泥用量。按照所給的范圍，如果配制塑性高強混凝土，水泥（膠凝材料）用量可能不夠，如果配制塑性低強混凝土，水泥（膠凝材料）用量可能多了，經濟性不好。此處楊先生給高性能混凝土規定了一個很高的水泥（膠凝材料）用量，默認高性能混凝土是高強混凝土，還給高性能混凝土規定了一個最低的容重和粗骨料用量。楊先生概念中高性能混凝土就是大流動性高強混凝土，這明顯是錯誤的。

按照楊先生給出的混凝土配合比設計步驟，不能設計出一個配合比，因還差一個需要根據強度—水膠比定則確定的參數：水膠比，沒有這個參數，用水量無法確定。

現行混凝土配合比設計方法國內外都差不多，需要綜合考慮混凝土的工作性、強度和耐久性、經濟性。其設計流程如下：

? 根據施工方式確定混凝土的工作性；

? 選擇骨料最大尺寸：需要考慮鋼筋間距、板厚、強度等級和工作性；

? 根據拌合物工作性選擇用水量；

? 根據混凝土強度等級和耐久性要求選擇或計算水膠比；

? 根據用水量和水膠比計算膠凝材料用量；

? 根據經驗或實驗結果確定膠凝材料中水泥與輔助性膠凝材料的比例；

? 根據混凝土容重、用水量和膠凝材料用量，計算骨料用量；

? 根據工作性選擇砂率；

? 計算粗細骨料用量；

? 試配調整。

國外多使用單粒級骨料，沒有砂、石的區別，就不需要確定砂率，直接按經驗選擇各粒級骨料的量。

隨著混凝土技術的發展和材料的變化，混凝土配合比設計過程中所需要的經驗參數在不斷變化，但基本設計思路和流程沒有改變。在現行配合比設計思路指導下，大量優質的、具有各種性能的混凝土被生產出來，建成了現在的繁華都市。現在混凝土生產過程中出現的很多問題，是未能科學地使用混凝土原材料、一味追求經濟效益、野蠻施工等原因造成的。不能將其完全推給混凝土配合比設計理論。

楊先生提出的三個“舊的配合比理論和現代混凝土的不適應性”是不對的。現行混凝土配合比設計方法中，從沒有說，砂率與強度有關。砂率主要影響工作性，水膠比才是決定強度的主要因素。楊先生說水灰比與強度無關，是違反基本科學原理的錯誤觀點。在現行配合比設計方法中，水泥用量本就不是決定強度的主要參數。當需要配制高強混凝土時，水膠比降低，但為保證拌合物的工作性，用水量有一下限，這樣膠凝材料用量自然就增加了。

3 “假凝”的概念辨析

本書第六章討論了混凝土“假凝”。在此楊先生混淆了“假凝”與“速凝”兩個概念。從楊先生提供的案例所表現出的現象，可知所討論的是速凝，而不是假凝。所謂“假凝”，是指水泥中石膏為半水石膏或無水石膏，加水后迅速變為二水石膏，導致拌合物失去流動性。此時水泥尚未水化，因此沒有熱量放出。假凝的拌合物經過重新攪拌，可以恢復流動性。“速凝”指水泥迅速水化，放出大量熱量，混凝土凝結成剛性固體，不能再次恢復流動性。

在下結論前，應該搞清楚基本理論，以免誤導讀者。