現代混凝土技術是一把雙刃劍

黃天勇，王棟民

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京 100083）

1 引言

混凝土的歷史可以追溯到古老的年代。古羅馬人通過將石灰與火山灰混合制成水硬性水泥，再將其與石頭、砂子和水混合制成最古老的混凝土。1824 年波特蘭水泥出現，混凝土開始得到廣泛的應用。在將近 190 年的現代混凝土發展過程中，主要經歷了普通混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土三個階段。近二三十年，現代混凝土技術飛速發展，然而卻經常出現開裂、剝落、膨脹、強度下降而使建筑結構發生破壞甚至倒塌等現象。

科學技術是“雙刃劍”的說法已有時日，現代混凝土技術屬于科學技術的一部分，因而現代混凝土技術也可以說是一把雙刃劍。如何利用現代混凝土技術這把雙刃劍，使之為人類社會服務，已成為混凝土行業必須要關注和解決的問題。本文論述了現代混凝土技術的現狀及出現的問題，從而提出了未來現代混凝土技術的發展方向，充分利用現代混凝土技術，提高混凝土的利用，為我國經濟可持續發展做出應有的貢獻。

2 現代混凝土技術的特點[1]

傳統混凝土一般由水泥、砂、石、水四種原料拌和而成；而現代混凝土除了上述四種原料外，還需要摻加礦物摻合料和多種化學外加劑，其組分可以達到十種以上，某些組分的摻量只有膠凝材料用量的萬分之幾。現代混凝土是以工業化生產的預拌混凝土為代表，以高效減水劑和礦物摻合料的大規模使用為特征。現代混凝土減小了混凝土強度對水泥強度的依賴，拌合物的流變性能更加突出，保證混凝土結構耐久性的要求日益增強，在生產和使用過程中需滿足可持續發展的原則。現代混凝土最重要的特征是具有高的均質性，至于是否一定包含某特定組分，具有某個特定的性能，則完全由工程實際需要而定。

3 現代混凝土技術是把雙刃劍

雙刃劍的具體指向是人的三大關系，即人與自然的關系、人與人的關系，以及人與自身的關系。所謂科學技術的雙刃劍就是：人利用一部分自然反對另一部分自然；一部分人反對另一部分人；人反對自身[2]。

3.1 人與自然的關系

混凝土為我國的水利工程、交通工程、建筑工程等建設提供了堅實的物資保證，在我國城市化建設和大規模的基礎設施建設中功不可沒。然而水泥混凝土行業屬于高消耗、高污染、低產出的行業。據了解，2012 年我國水泥產量達 21.84億噸，而生產 1 噸的水泥熟料，可產生 1 噸 CO2、0.74 公斤SO2和 130 公斤粉塵，消耗 1.3 噸的石灰石資源，還要消耗大量的電、煤、水等資源，同時，開采、運輸及耗能對環境的影響也是巨大的[3]。加之混凝土中砂石的消耗，可以想象混凝土行業對生態環境的威脅是巨大的。隨著現代混凝土技術的發展，我國從節約資源和能源、減少污染的角度出發，努力提高水泥生產技術水平，改變水泥生產工藝，生產優質高強度等級水泥來減少混凝土中水泥用量，積極利用高爐礦渣、粉煤灰、石灰石粉等工業廢渣生產水泥以及在混凝土中替代水泥，降低了消耗量，提高資源和能源的利用率，降低了水泥混凝土的污染量，從而也促進了我國經濟長期并可持續發展。現代混凝土技術正在改變水泥混凝土高消耗、高污染、低產出的現狀，也正在充分調動和發揮這把雙刃劍的正面作用。

3.2 人與人的關系

一項工程的完成涉及到了多方人員的參與，其中包括混凝土原材料生產商、商品混凝土生產商、設計人員、施工人員、監理人員以及管理人員等。設計人員、施工人員、監理人員以及管理人員對于混凝土的要求僅僅是強度，特別是管理人員和施工人員最為看重的就是早期強度，因為混凝土的早期強度提高了不僅可以縮短模版的利用周期，而且可以縮短建筑工程的整個工期，因而商品混凝土生產商為了迎合這些要求，就會要求混凝土原材料生產商提供能夠提高混凝土早期強度的原材料。以水泥廠商為例，為了能夠提供能夠生產出混凝土早期強度高的水泥，就主要通過將水泥磨得更細，提高水泥比表面積，增加 C3A、C3S 的含量。然而此種做法的后果是使得混凝土流變性能下降、收縮增加、水化熱增大、抗化學腐蝕性下降、后期強度增長小和容易開裂等缺點。出現這樣的問題，最主要的就是由于參與各方僅僅看重自己的利益，為了利益不惜以損害社會的安全和可持續發展。維納富曾指出：“只有實現世界大同，不存在相互沖突的利益集團，才有可能全面抑制科學的負面作用，充分調動和發揮科學的正面作用。但是，這個目標的實現，假設有可能，也是非常非常遙遠甚至是遙遙無期的。”[2]同時英國混凝土專家 Neville 曾說：“一個人當然不可能具備所有必要的知識，因此設計者可以簡單地咨詢材料專家，然而，除了少數特例外，大多數結構工程師對混凝土行為都缺乏必要的了解；材料專家又多是一些純粹的科學家，對結構的問題缺乏了解，結果他們不知道什么問題要回答，而設計人也不知道要問些什么。”這就證明一項工程的建成，各方參與人員對于不同學科知識的了解是不足的，也因此造成了各自僅僅是按照自己學科進行指導工程的建造，進而造成了工程并沒有能夠完全發揮其應有的作用，反而浪費了資源、人力和金錢等，這樣的結果是誰都不愿意看到的。著名組織管理學家巴納德認為“溝通交流是把一個組織中的成員聯系在一起，以實現共同目標的手段”。因而加強工程參與人員的學科交流是促進現代混凝土技術發展一個重要的手段。因此只有工程參與人員對于現代混凝土有了一定程度的認識和了解，才能夠使得為了一個共同的目標而努力，建造出造福人類的工程。

3.3 人與自身

人類對于客觀事物的認識是不斷發展的，因而與人的認識和行為有關的科學技術也是發展的。現代混凝土技術隨著人的認識也是發展的，混凝土的發展經歷的幾個階段如下：塑性混凝土－高強混凝土－流態混凝土－流態高強混凝土－高性能混凝土[4]。2000 多年以前的古羅馬用石灰加火山灰做膠凝材料的混凝土建造的萬神殿等建筑物，至今仍在供游人參觀，這種最早的混凝土的不足之處是凝結得非常緩慢，早期強度極低。1824 年在英國首先出現了硅酸鹽水泥，因此有了近代的混凝土，最后發展到外加劑和礦物摻合料的加入，從而有了現代的混凝土。然而混凝土的發展并沒有使得混凝土的使用壽命增加，反而頻繁出現混凝土建筑的開裂破壞甚至倒塌等現象，這不得不引起反思。加拿大的 Aitcin說過，在水泥混凝土生產過程中，無論出于何種原因，每次只改變一個參數，就不僅需要回答其經濟性和接受標準，更要回答這種改變對混凝土的質量會產生什么樣的結果[5]。隨著現代混凝土技術的發展，混凝土的組分也越來越多，每一個組分對于混凝土的影響都是及其重要的，因此現代混凝土技術的發展應該遵循否定之否定的規律，在技術不斷進步的同時，應該注重其質量的提高。

4 現代混凝土技術的發展方向

4.1 工業廢渣作為礦物摻合料的充分利用

礦物摻合料已經成為現代混凝土中不可缺少的組分。雖然對礦物摻合料進行了大量的研究，但總體深度不夠，研究缺乏一定的系統性與整體性，其制備和應用缺乏系統的理論指導，實際使用還存在較多問題。不同的工業廢渣因化學組成、顆粒群分布等方面存在較大差異，要把工業廢渣十分有效地用作礦物摻合料，就必須對其加工處理。人們已認識到，礦物摻合料細度影響到其各種潛在性能能否充分發揮，但盲目追求細度帶來了高能耗，而且僅作簡單的超細粉磨并不能十分有效地發揮礦物摻合料的各種效應。因為水泥粒子間不能形成充分的緊密堆積是由于小粒徑顆粒含量較少，而現有的處理方式忽視了礦物摻合料粒子顆粒群與水泥粒子顆粒群間的粒徑匹配問題，其制備出的礦物摻合料大部分粒徑分布較寬，礦物摻合料的摻加在引入小粒徑顆粒的同時也帶入了大粒徑顆粒，而大粒徑摻合料顆粒并不能有效促進體系的緊密堆積，且大粒徑礦物摻合料顆粒生成的二次水化產物占其自身的分數體積相對較小，在水泥石內不易被粘結，所以利用現有處理設備制備礦物摻合料，除設備本身能耗較高外，還需消耗額外的對膠凝材料粒子形成初始緊密堆積無益的能耗，而且還不能有效發揮礦物摻合料的各種效應[6]。因此，必須對現有摻合料制備技術進行改進或革新，同時開發不同工業廢渣的利用以及其復合使用也是一個重要的發展方向。

4.2 化學外加劑的充分利用

化學外加劑被認為是繼鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土技術以后的第三次混凝土技術大突破[7]。摻入化學外加劑可以改善新拌水泥基材料的工作性能、提高硬化后水泥基材料的物理力學性能和耐久性、節省生產能耗、保護環境等[8]。因而有人預測“混凝土技術的新進展取決于外加劑的有效應用，而不是水泥生產的進步”，化學外加劑已經成為現代混凝土不可缺少的第五組分。化學外加劑的種類很多，如減水劑、緩凝劑、速凝劑、早強劑、引氣劑等。由于單一外加劑能改善混凝土的某種性能，而混凝土的其他性能即使在比較好的條件下也只能保持原有水平，而利用復合外加劑，可以發揮外加劑各組分的疊加效果，改善水泥體系的綜合性能，消除或減輕單一外加劑的一些副作用，并提高外加劑技術的經濟效益，所以對于復合外加劑的研究開發，將成為發展混凝土外加劑的重要發展方向之一。為適應綠色高性能混凝土發展的需要，混凝土外加劑也應向綠色化方向努力。在生產混凝土外加劑所用的有機化工原料中，很多成分具有毒性，如工業萘、蒽、馬來酸酐、苯酚、水楊酸、甲醛等。由于工藝條件的限制，外加劑產品中必然含有某些上述游離材料，揮發到空氣中將對人體產生危害。研究降低外加劑產品中游離有機物質的合成技術，尤其要控制游離甲醛、游離苯酚含量和氨釋放量在安全界限內；研究如何利用工、農業副產品生產混凝土外加劑也將是混凝土外加劑發展的重要方向之一。

4.3 再生混凝土的大力發展

我國每年產生的廢棄混凝土達到 1.6 億多噸，而且每年以 8% 左右的速度增加，這樣就帶來兩個嚴重問題：一是由于大量的砂石這種原始自然資源被消耗，長期以往會導致資源匱乏；二是由于城市自身的“新陳代謝”，大量的拆遷、改建使得建筑垃圾大量堆積[9]。骨料是混凝土的骨架，在很大程度上決定著混凝土主要的工作性、硬化混凝土的力學性能以及其耐久性。而再生骨料具有孔隙率高、吸水性大、強度低等特征，這與天然骨料的性質相差較大，因此導致再生混凝土應用受到極大的限制。然而再生混凝土是能夠從技術上解決廢棄混凝土出路的問題，因此還需要對其進行深入的研究，從而使之真正地應用起來。對再生混凝土主要有以下兩個方面需要進行大量的研究：改變再生混凝土破碎工藝，從再生混凝土的微觀結構入手提高再生混凝土的各項性能；發展適合再生混凝土的配合比、施工工藝。

4.4 現代混凝土的多性能化發展

隨著現代混凝土技術的發展，礦物摻合料和化學外加劑的廣泛應用，混凝土的高性能化、結構功能一體化和高耐久性的技術水平隨之不斷提升和發展。我國仍處在建設的熱潮之中，對于混凝土的需求量穩定增長，而不同建筑物、構筑物對于混凝土的性能要求卻有所不同，例如超高層建筑物需要的是超高層泵送混凝土，鋼筋密集、低噪音量的建筑物需要自密實混凝土，城市地標性建筑物需要高性能耐久性混凝土等。因此如何利用現代混凝土技術發展多性能化的現代混凝土，從而適應不同建筑物和構筑物的要求，成為現代混凝土發展的重要方向之一。

5 展望

近二三十年，我國混凝土行業取得了輝煌的成績，為我國基礎設施建設做出了巨大貢獻，在實現混凝土行業可持續發展所要求的節約能源、保護環境、文明施工、結構耐久等幾個方面也取得了長足的進步，而且在混凝土材料科學、施工技術、學術研究、經營管理等很多方面都取得了極大發展，為我國混凝土行業持續健康發展奠定了堅實的基礎。因此如何利用好現代混凝土技術這把雙刃劍是十分重要的，在未來發展過程中，我們應該采用正確的途徑和思想去推進混凝土技術的健康發展，使之為人類造福。

[1]閻培渝．現代混凝土的特點[J]．混凝土，2009.1:3-5.

[2]呂乃基．科學技術之“雙刃劍”[J]．哲學研究，2011.7:103-108.

[3]王華．水泥我國可持續發展的雙刃劍[J]．建筑，2005.3:51-53.

[4]王棟民．高性能膨脹混凝土（HPEC）組成、結構與性能的研究[D]．中國建筑材料科學研究院. 2002.8．

[5]廉慧珍，閻培渝．土木工程中的哲理和混凝土工程技術發展的關系[J]。建筑技術，2003.1:10-14．

[6]陳益民，賀行洋，李永鑫等．礦物摻合料研究進展及存在的問題[J]．材料導報，2008, 8(8):28-31．

[7]陳建奎編著．混凝土外加劑的原理與應用[M]．北京:中國計劃出版社，1999.12．

[8]熊大玉， 王小虹編著．混凝土外加劑[M]．北京:化學工業出版社，2002.1.

[9]朱紅兵，趙耀，雷學文等．再生混凝土研究現狀及研究建議[J]．公路工程，2013, 2(1):98-102．