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(jīng)理楊文科先生最近出版了一本著作《現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(zhì)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(nèi)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(zhì)性要求的混凝土，采用傳統(tǒng)的原材料和一般的拌和、澆筑與養(yǎng)護方法，往往不能大量地生產(chǎn)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?jié)B性、密實性，低水化溫升，韌性，體積穩(wěn)定性，惡劣環(huán)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(diào)混凝土的“性能”（performance），或者說是一種質(zhì)量目標。對不同的工程，高性能混凝土有不同的強調(diào)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(zhì)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(zhì)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(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合得到的優(yōu)質(zhì)混凝土，不是只要有配合比就能生產(chǎn)，而是由包括原材料控制、拌合物生產(chǎn)與整個施工過程來實現(xiàn)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(wěn)定的、勻質(zhì)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(zhì)量不達標的劣質(zhì)混凝土。

2 何謂“舊的配合比理論”與“現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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?；炷僚浜媳仍O計的理論基礎還需要包含更多內(nèi)容。

傳統(tǒng)混凝土與現(xiàn)代混凝土之間沒有截然的界限?，F(xiàn)在生產(chǎn)的混凝土與數(shù)十年前相比，在材料組成和性能表現(xiàn)上有很大變化，但依據(jù)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(jù)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(nèi)與水膠比成負線性關系。楊先生想憑自己有限的工程經(jīng)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(nèi)進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，我們會發(fā)現(xiàn)，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(diào)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(xiàn)在，總是根據(jù)設計要求的混凝土強度等級和耐久性調(diào)整混凝土水膠比。并不是說，由于有了高效減水劑，現(xiàn)在混凝土使用的水膠比就低了。而是現(xiàn)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(xiàn)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(jù)這三項重要原則，楊先生提出應優(yōu)先使用低坍落度的混凝土，優(yōu)先使用大粒徑的骨料，并盡可能降低水泥用量?，F(xiàn)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(chǎn)商控制，混凝土的工作性只能在很有限的范圍內(nèi)調(diào)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(jù)需要的工作性選擇用水量和砂率，根據(jù)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(jīng)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(jīng)濟性了。

在楊先生給出的確定膠凝材料用量的原則中，規(guī)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(jīng)濟性不好。此處楊先生給高性能混凝土規(guī)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(guī)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(jù)強度—水膠比定則確定的參數(shù)：水膠比，沒有這個參數(shù)，用水量無法確定。

現(xiàn)行混凝土配合比設計方法國內(nèi)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(jīng)濟性。其設計流程如下：

? 根據(jù)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(jù)拌合物工作性選擇用水量；

? 根據(jù)混凝土強度等級和耐久性要求選擇或計算水膠比；

? 根據(jù)用水量和水膠比計算膠凝材料用量；

? 根據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶒灲Y果確定膠凝材料中水泥與輔助性膠凝材料的比例；

? 根據(jù)混凝土容重、用水量和膠凝材料用量，計算骨料用量；

? 根據(jù)工作性選擇砂率；

? 計算粗細骨料用量；

? 試配調(diào)整。

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

隨著混凝土技術的發(fā)展和材料的變化，混凝土配合比設計過程中所需要的經(jīng)驗參數(shù)在不斷變化，但基本設計思路和流程沒有改變。在現(xiàn)行配合比設計思路指導下，大量優(yōu)質(zhì)的、具有各種性能的混凝土被生產(chǎn)出來，建成了現(xiàn)在的繁華都市。現(xiàn)在混凝土生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的很多問題，是未能科學地使用混凝土原材料、一味追求經(jīng)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(xiàn)代混凝土的不適應性”是不對的。現(xiàn)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(xiàn)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(shù)。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(xiàn)出的現(xiàn)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?yōu)槎啵瑢е掳韬衔锸チ鲃有?。此時水泥尚未水化，因此沒有熱量放出。假凝的拌合物經(jīng)過重新攪拌，可以恢復流動性?！八倌敝杆嘌杆偎懦龃罅繜崃?，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。