混凝土怎么了？

文

近年來，我國交通基礎設施建設速度更快、數量更多、路橋更長，交通更便捷……港珠澳跨海工程、南盤江特大橋、青藏鐵路等一批具有代表性的現代鋼筋混凝土結構紛紛創造世界之最。所有這些都與材料科學與工程技術分不開，其中，最突出的當屬混凝土。

為什么受傷的總是混凝土？

什么是混凝土？人們首先認識的是由砂石、水和水泥拌和的混合物，以及用其制成梁、板、墻、柱、樁、墩、管、筒、拱、殼、大塊體等結構構件與部件灰色冷冰冰的人工石。其實，后者才是混凝土的最終產品，而前者只是一種拌和物，并不是產品。就好比把小麥磨成粉，用水混合揉成面團，并不能稱之為饅頭、面條或其他產品。重提這個道理，是因為近年來筆者看到網絡上經常有人吐槽：為什么“受傷的總是混凝土？”這里說的“受傷”者實際上只是生產混凝土拌和物的人。

現在，混凝土拌和物對工程的要求比過去有了更寬的適應性，運到工地大都沒有被拒收。但是，打完的混凝土經常出現裂縫、顏色不對、強度不夠、表面出現麻坑、砂線等，一旦出現這些問題，就糾紛不止：施工方抱怨混凝土用陰陽配合比；混凝土拌和物供應商抱怨施工方亂加水、不好好振搗、不養護；混凝土人抱怨水泥太細，后期強度不增長，摻和料摻不進，水泥人抱怨買家要求水泥早期、后期強度都高；要求水化熱低而強度高……所以，網絡上出現了“現在技術水平高了，混凝土倒做不好了，究竟是進步了還是退步了？”的質疑。筆者認為實際情況說是“走三步、退兩步”。

隨著改革開放的持續推進，起步較晚的中國混凝土取得了飛速發展。我國混凝土前輩黃大能先生幾十年前就有個愿望：在中國推行預拌混凝土。黃先生的這個愿望如今得以實現。然而，任何舉措都有得必有失：當出現一種傾向時，必然會隱含著另一種傾向，當前的預拌混凝土確實存在一些問題。

隨著我國機械制造和電子工業的發展，適應預拌混凝土發展的計量、攪拌、運輸等工藝大大進步，高效減水劑的普遍使用和發展改變了混凝土的一切：高強、高流態、高程泵送、狹窄空間澆筑等。一方面，拌和物勻質性提高，施工方便，因振搗不善而造成的缺陷得以避免，建設速度大大加快。另一方面，從總體上看，從業人員的素質低，質量管理和控制水平差，以致于混凝土結構的質量事故和裂縫比過去出現得更多，因質量引發的供需雙方的糾紛也更多了。

港珠澳跨海工程東人工島的清水混凝土建造物

除了這些問題，還存在不少隱患，比如混凝土配合比的報告大部分失真；混凝土拌和料運到工地后，加水現象普遍；10年前混凝土的骨料都用水洗，現在一部分砂子含泥量高達7%等。由此看來，不是進步不進步的問題，而是有得必有失。

圖1 傳統30MPa混凝土強度發展

圖2 初期強度越高，發展余地越小

水泥和混凝土的強度越來越高好不好？

20世紀70年代水泥最高標號是500#，相當于現在強度等級的32.5；現在52.5的水泥從強度來說相當于20年前的625#水泥。但是，過去規定水泥的儲存期為三個月，而今不再提儲存期，因為儲存期不到一個月后，52.5水泥的強度就會和42.5水泥的強度相差無幾，而且用戶反映“不好用了”。

有了高效減水劑，實現混凝土的高強已經不是難事，混凝土得以應用到高層和大跨結構。人們對高強混凝土覺得還不夠過癮，崇拜和追求“超高強”“特超高強”。混凝土7天甚至3天，強度就能達到28天設計強度值的100%，但是后期強度不增長了，開裂敏感性增大了，對缺陷的自愈能力下降了，混凝土結構的耐久性又將如何保證？

如圖1所示，傳統的混凝土強度正常發展規律：相對于28天的100%，3天約30%；7天約60%。如圖2所示，C50以上的混凝土強度3天就可達約70%，14天可達90%；如果混凝土7天強度就達到100%，則到了28天就增長得很少，甚至幾乎不增長；如果3天就達到100%，則7天還能長一點，28天就基本不長了，甚至會倒縮。

美國威斯康辛大學從1910年開始了50年水泥凈漿、砂漿和混凝土的實驗計劃，澆筑了室內和室外混凝土，分別于1910年、1923年和1937年3個不同時間成型了5000多個試件，并于1975年發表了這些試件觀測50年的結果：1923年用透氣法高細度配制的水泥混凝土28天強度為21兆帕，25年強度達到52兆帕；1937年用當時的快硬水泥配制的混凝土28天強度為35兆帕，5年達到53兆帕，10年后強度開始倒縮，25年強度就倒縮至45兆帕，比水化慢的混凝土25年的強度還低。當時的快硬水泥與當今美國的I型水泥和II型水泥礦物組成與細度相當（硅酸三鈣C3S的含量為57%，勃氏比表面積為每千克380平方米，我國的常用水泥也如此）。

凡是提高早期強度的措施對混凝土后期性能都會有損害，這已是國內外專家的共識。前國際材料與結構研究實驗聯合會主席、德國混凝土專家Rupert Springenschmid（魯珀特·施普林根施米德）證明：控制混凝土12小時抗壓強度不超過6兆帕，就可以避免混凝土的早期開裂。我國混凝土專家黃士元經過試驗得出結論：可用混凝土24小時抗壓強度不超過12兆帕來控制混凝土的早期開裂，如圖3所示。

圖3 混凝土初期和早期抗壓強度和開裂敏感性的關系

高強度是為了減小構件斷面，例如高度一定的混凝土柱子，強度越高，柱子可做得越細，但是，柱子的高度與其最小斷面尺寸的比例還受“壓桿穩定”問題的限制（如圖4所示）。對一定高度的柱子來說，有最小斷面的要求，也就是說，對強度的要求是有限的。

圖4 壓桿穩定問題示意

業界反映的水泥現在“不好用”，應當說主要是用戶誤導的結果。由于提高混凝土強度的要求，100多年來水泥的發展目標除了降低能耗之外，主要就是追求強度。從煅燒工藝上提高熟料強度已取得成效，但是畢竟有限，當前水泥強度的提高還離不開粉磨得過細和五花八門的助磨劑、增強劑。于是，在為混凝土提高強度的同時，也帶來了損害耐久性的隱患。所以，從用戶這里轉變傳統觀念是關鍵。

綜上所述，混凝土的發展有利有弊、有得有失，我們應當看見并盡量避免或減少弊和失，取得更大的進步，盡量避免進一步退兩步。

混凝土行業的出路在哪里？

進入“第四次工業革命”時代，材料科學與工程技術的發展應向標準化、規范化、綠色化、智能化等高質量方向邁進。混凝土行業也應如此。

標準化、規范化

每一步達到現行標準的要求。在英國相關標準的前言中有一句聲明：“遵照英國標準不能免除其法律責任”。也就是說工程技術人員應當以自己的專業知識和經驗根據工程具體情況采用高于標準、規范要求的指標，標準、規范的指標都是最低要求。規范要求平板型混凝土構件(如道面、場坪、大體積基礎)在保濕到接近初凝時搓抹2遍至3遍，某工程技術人員搓抹5遍至6遍，掌握的時機是“收水即抹，抹不動為止”。這就叫“好好做”。

由于原材料供應的困難，行業感到混凝土拌和物配合比很難做，目前大多數情況是“有什么料就用什么料”，但很難保證工程質量。市場規律是有人買就有人賣，也就是說，買方必須有要求。這一局面導致做混凝土的對原材料要求越來越低，為了低成本，寧可使用低質量砂石，用增加膠凝材料用量和用水量的手段保證強度與施工性，實際上犧牲的是減少開裂敏感性的漿骨比。這就叫“不好好做”。現在，混凝土業界都抱怨水泥顆粒太細、水化熱大、水化過快，不能保證混凝土后期強度。而水泥生產者“我行我素”，因為買方并不拒購。設想一下，如果買方全部堅持要求，賣方還能有恃無恐嗎？

智能化、綠色化

2017年，我國扣除損耗后所用的混凝土總量約為77億噸，堪稱“混凝土大國”。

混凝土因用量巨大而必須簡單，又因簡單而必然復雜；另一方面，因為簡單而地位低下，又因復雜而至今只達到了機械化的水平，連自動化都談不上。現在混凝土拌和物的輸送由獨輪小車發展到罐車；澆注由吊斗發展成泵送，剩下的最大難題是勞動強度很大的振搗。有人建議開發“懶漢混凝土”來解決勞動力問題，其結果必然增大硬化后的開裂敏感性，不利于混凝土結構工程的耐久性。現代工業制造越來越多地需要跨界甚至跨國、跨學科、跨部門進行。進入工業4.0時代，智能化是特點之一，制作出智能化的混凝土振搗棒應該不是幻想。

從混凝土材料方面來說，預拌混凝土的生產也有待于智能化以避免人為的系統誤差。例如是否能以拌和物配合比設計和調整的智能化，代替目前的人工調整？是否能在線檢測砂石表面附著水量并及時自動調整拌和水量？是否能自動測定砂石表觀密度與飽和面干含水率？怎樣做到拌和物質量的自檢等？

世界各國混凝土規范的技術不盡相同，歐美國家的相關規范編制過程較為復雜，且符合標準是執行過程中的最低要求。

綠色化其實是個管理問題，包括攪拌站的排放和污染的防治及清潔生產。從多數攪拌站來看，首先要整治的是砂石的堆放。目前最多做到的是“料棚”，有頂無墻；好一點的是有頂有墻的庫；效果最好的用于分級堆放的密封倉，可謂鳳毛麟角。

集約化

向企業轉型的混凝土行業之所以“受傷的總是我”，主要原因是未形成規模化的產業。水泥則不同，全國只有一個水泥協會，40年來形成了多家規模化的大集團，現在水泥界雖然也有很多這樣那樣的問題，但是該行業前十家上市公司已經起到了行業龍頭的作用。而混凝土行業則沒有“擰成一股繩”，要么被水泥企業收購，要么依附于建設集團，混凝土攪拌站并沒有被當成是整個工程系統中一個核心的車間來管理，賺錢壓力大，但技術提高不足。比如，某建設集團在全國有100多個攪拌站，但是因“鞭長莫及”而得不到進一步的成長和提高。水泥企業下屬的攪拌站多被當成“銷售渠道”，對混凝土所需要的水泥的品質沒有話語權。這樣的局面導致無法轉型升級，整天疲于應付供貨，無暇提高科技含量、科技水平。

混凝土工程一體化、集約化的實現可以有不同的方式：第一種是水泥企業在生產線上增加“混凝土試配車間”和“攪拌車間”，由水泥廠和攪拌站共同負責，真正按混凝土需要生產、按規律檢測，再向下延伸到拌和物售后服務，協助成型工藝的質量控制；第二種是建設部門管理攪拌站，直接參與工程質量的管控，也可以由砂石或外加劑企業做混凝土。后面兩種的難度主要在于膠凝材料的來源。不管哪一種模式，都應當有管理和檢查的制度，有定期提高質量的制度，要求并考核研究成果，力求做出自己的品牌。

多樣化

健康市場的標志不是自由市場，而是有法制管理的、優質優價、充分尊重用戶。商品多樣化，有人買就有人賣。土木工程不是朝陽產業，也不是夕陽產業，而是永恒的產業。混凝土作為土木產業最大宗的材料亦當如是，應適應市場的多樣化。

目前，雖然我國的基礎設施建設高潮已近尾聲，但基本建設尚未飽和，比如農村鄉鎮改造、邊遠地區建設等，對于混凝土仍有大量需求，混凝土行業仍任重而道遠。

（本文整理自《再談中國混凝土向何處去——有進有退是正常發展的規律》一文，有刪減。）