以水泥的視角看混凝土的質量控制

封培然

（四川鑫統領科技有限公司技術中心，四川 眉山 620562）

混凝土是水泥作為建筑材料的延伸，從這個角度看混凝土是水泥的終端產品，相應的商品混凝土作為水泥生產的下游行業(yè)，也是水泥行業(yè)的主要服務對象，同時許多從事混凝土生產的人員也往往來源于水泥企業(yè)，越來越多的水泥企業(yè)正在進入混凝土行業(yè)，因此以水泥行業(yè)人員看混凝土的生產，既有客觀的一面，也有相互聯系的一面。水泥生產技術在經歷了一百多年的革新與進步后，今天的水泥技術已經建立了以預分解窯為基礎的新型干法水泥時代[1]，而作為水泥產品的應用端，混凝土的生產也進入了以化學外加劑和礦物摻合料為技術進步手段的新的高性能混凝土時代，但兩者分別朝著各自不同的方向發(fā)展：其中前者向大型化、規(guī)?；⒆詣踊确较虬l(fā)展，從而實現了水泥生產的均質高效；而應用后者的建筑工業(yè)有著朝功能化、集約化、商品化發(fā)展趨向。商品混凝土作為主要建筑材料也在隨著建筑的發(fā)展向規(guī)?；?、功能化和高性能化方向前進[2,3]。

本文通過對商品混凝土生產特點的觀察和研究，探討了普通商品混凝土質量控制中存在的問題及其未來的發(fā)展方向。商品混凝土又稱預拌混凝土，是現代混凝土的發(fā)展方向，它改變了原來建筑施工現場攪拌的方式，將生產地點由施工工地改為專門固定場所，實現了生產的專業(yè)化和規(guī)范化，物料的集中堆放和計算機自動化控制，但是不容忽視的是，商品混凝土生產方式的改變沒有改變其作為建筑物半成品的天然缺陷，正如水泥生產沒有解決其自身高溫度煅燒所需要大量能源一樣，因此商品混凝土真正成為終端產品將是未來混凝土生產的發(fā)展途徑，也是混凝土商品化的最終方向。

1 混凝土生產的特點

1.1 短流程

與水泥生產相比混凝土的生產明顯呈現流程短的特點，商品混凝土的生產流程可以簡單記為：原材料的準備→混凝土的攪拌→混凝土的運輸，其最重要的就是商品混凝土的攪拌。與水泥企業(yè)的生料制備、熟料燒成和水泥粉磨等過程相比，商品混凝土的生產十分簡單，這就造成混凝土的生產速度快、質量波動大、穩(wěn)定性差，造成這種現象的原因在于商品混凝土的生產存在以下缺陷：

1.1.1 原料無均化

水泥生產之所以能夠生產出均質穩(wěn)定的產品，在于水泥生產有良好的均化鏈，從礦山各品位礦石的搭配到原材料的預均化，生料的粉磨，生料均化庫的均化，均衡穩(wěn)定一直貫穿新型干法水泥生產的始終。對比混凝土生產，進廠原材料多為汽車運輸，堆放進攪拌站后不經過任何措施就開始使用，而且部分企業(yè)為了降低原材料資金占用甚至會保持很低的庫存，或者在生產旺季得不到足夠數量的原材料，造成砂石等原材料未經檢驗直接使用，嚴重違反了水泥企業(yè)通常要求的“先檢驗后使用”的基本原則。對于混凝土所使用的天然砂石等物料，由于本身物料粒度較大，資源礦山品質多變，制造設備簡陋，砂石等物料的礦物組成經常發(fā)生變化。同時石子經過簡單破碎，其中大部分有害雜質無法剔除，粘土等有害物質頻繁波動，圖1就是某公司石灰石粉亞甲基藍MB 值檢測結果的波動情況。實際上，多數商品混凝土企業(yè)并沒有自備礦山，上游砂石質量和數量無法控制和調整，而即使有礦山的攪拌站也很難做到大規(guī)模儲備性搭配開采。

對于固體物料，粒度越大，離析越大，越難以均化。對于天然砂石材料有均化設施的水泥企業(yè)尚且存在一定的波動，而使用未經均化的原料的商品混凝土企業(yè)的質量波動就更加劇烈了。

圖1 某公司連續(xù)十天的石灰石亞甲基藍 MB 值檢測結果

對于混凝土的其他原料也是如此，尤其是膠凝材料的波動傳遞效應更為明顯，沒有任何的緩沖和稀釋的余地?；炷列袠I(yè)對于這種質量波動毫無措施，或者在波動發(fā)生后采取消極的措施應對，如頻繁調整配合比等，這些質量管理極其粗放。

1.1.2 計量精度要求高

水泥企業(yè)和商混站的計量要求有相似的地方，那就是連續(xù)式計量，這種計量方式要求計量設備響應速度快、反饋迅速，自身能根據設定值快速調整。對于物料而言計量的量越大，相對誤差對結果的影響越小。水泥企業(yè)每小時的產量都在 100～500t 范圍內，因此計量結果相對準確。商品混凝土的生產每次計量后都需要攪拌，而物料攪拌的均勻性需要一定的攪拌時間與空間，物料攪拌均勻性的要求限制了攪拌機的攪拌容積，這樣每次混凝土攪拌站的計量都在 2～15t 范圍，與數百噸的水泥企業(yè)計量設備相比誤差明顯放大。對于混凝土這種短流程的生產工序，計量誤差對商品混凝土強度影響十分明顯，特別是對水灰比的稱量結果，因為預拌混凝土的水灰比與強度呈線性關系。生產中假定混凝土的水灰比是 0.5，如果原材料計量存在 3% 的誤差，同時原料水分存在3% 的波動，那么混凝土強度可以出現 20% 的波動，由此可知計量設備對混凝土生產的影響。

1.1.3 物料水分影響顯著

商品混凝土生產規(guī)模小，物料水分沒有通過烘干等途徑進行恒定，尤其對于天氣變化頻繁的季節(jié)。下雨的天氣很容易造成物料的飽和面吸水，在生產時若依然按照固定的用水量加入混凝土中，就會造成混凝土的水膠比偏大；相反在烈日下暴曬的物料由于水分損失，在混凝土攪拌過程中會吸收水分，造成混凝土中水膠比的減小，這些都會影響混凝土的和易性甚至后期硬化后的混凝土性能。

對比水泥生產過程，盡管原料也會有水分的存在，但是由于水泥在原料粉磨階段均會出現高溫環(huán)境，原料中的水分能夠快速蒸發(fā)，對產品的影響可以忽略不計，同時水泥的生產過程中規(guī)定物料最低的存儲量以保證系統運行時間內物料的連續(xù)供應，同時原料的存儲一般在庫內存放，避免外界天氣條件的影響，這一點非常值得預拌混凝土生產廠商借鑒，先進場先使用，后進場后使用的原則也非常必要。對于直接購買其它企業(yè)砂石資源的商品混凝土生產單位，除了要考核供應單位的資源品質外，還應考慮供應單位的生產能力、機械設備、生產工藝、長期質量變異系數等，減少原材料品質的波動。

水泥生產是連續(xù)穩(wěn)定的過程，而預拌混凝土則呈現流程短的特點，從生產穩(wěn)定的角度看商品混凝土的生產可以通過增加物料存儲，實現物料預均化等措施來保證質量的穩(wěn)定以及生產的均衡性，部分采用劣質材料的企業(yè)甚至可以建立上游材料的烘干、改性等工藝延長生產工藝流程。

1.2 多組分

與水泥生產相比混凝土的生產原料更加多樣化，它包括細集料、粗骨料、水泥、礦物摻合料、化學外加劑、水等六種組分，在現代混凝土中每種原材料都必不可少，相反水泥原料一般不超過 4 種，并且每種物料均為粒度 10～50mm 的固體顆粒，原材料種類和質量相對固定，以保證較好的配料穩(wěn)定性。預拌混凝土的組分數多，物料粒度相差較大，假設每種物料出現高低兩種波動，那么預拌混凝土將出現 2n 個結果，n≥6，即使是最普通的 n=6，就會出現 64 種不同的結果，這也就是做混凝土的配合比經常出現千差萬別的原因。物料種類多，必然會增加生產控制的難度，增加一種物料，生產控制的難度會增加一倍，也就存在增加一倍的質量波動風險。當出現質量問題時，分析問題出現的原因也會異常復雜，每種物料都是一個影響因素，在分析問題時，因素之間相互耦合，相互干擾，圖 2 就給出了混凝土原材料質量波動影響因素的因果圖示意圖，從圖中可以看出每一種原材料都存在多種影響混凝土質量的因素，包括礦物摻合料在內，尤其是化學外加劑種類繁多，每種外加劑都是一個影響因素，外加劑之間相互影響，因此組分數的增加無疑會增加質量控制的難度。

圖2 原材料質量波動的因果圖

混凝土的多組分是伴隨著混凝土應用朝著高強度方向發(fā)展而出現的，多組分理論在不斷地強調各組分之間相互配合，在膠凝材料發(fā)生化學反應的條件下，達到最緊密堆積，以保證混凝土早期強度的提升，然而多組分的相互配合在生產實踐中的一致性十分關鍵，即一旦按照試驗設定的混凝土配合比進行設計生產，必須保證生產實際的原材料與實驗室設計的原材料保持一致并長期穩(wěn)定，而原材料的波動往往造成一致性很難實現。從質量控制穩(wěn)定的角度看，多組分的風險十分明顯，盡量固定某種原材料和固定生產廠家是商品混凝土企業(yè)的基本要求，但是在進一步要求混凝土性能穩(wěn)定性時，減少混凝土生產的物料種類數將變得格外重要。

同時對于規(guī)模較大的商品混凝土攪拌站來說，為保證各個組分物料有足夠的儲存量和足夠多的儲庫，必然要求企業(yè)占地面積的增加，這意味著商混站的前期投資也在增加。企業(yè)為了降低投資往往要求多種材料共用一個儲庫，顯然物料種類數越多，各物料混合的風險越大，這也在增加混凝土質量控制的難度。

1.3 零庫存

商品混凝土的生產真正實現了零庫存，這是由其自身性質決定的。商品混凝土在加水攪拌后水化反應就開始進行，混凝土的可塑性能就開始逐步顯現，此時必須盡快將混凝土應用于建筑施工，否則將會降低混凝土的施工性能，這緣于新拌混凝土的和易性能對混凝土的施工質量至關重要，也對其硬化后的力學性質影響明顯，這一點與水泥企業(yè)的質量控制有明顯的不同。水泥企業(yè)質量管理規(guī)程明確規(guī)定禁止水泥在儲庫內上入下出，就是為了防止出磨水泥質量波動直接傳遞于出廠水泥，從而影響水泥使用性能和導致建筑工程質量事故，而商品混凝土的質量控制剛好相反，只要產品攪拌完成就必須盡快出廠，防止水泥水化的進行改變混凝土性能。

零庫存增加了商品混凝土質量控制的難度，對混凝土質量控制提出了苛刻的要求，同時由于商品混凝土零庫存的必然性，混凝土的質量波動沒有任何緩沖，導致混凝土質量波動的頻繁發(fā)生，因此解決混凝土質量波動的精力應該放在商品混凝土生產的前端，除去建立嚴格進廠檢驗制度和嚴格的質量在線控制以外，對商品混凝土質量波動的的預防與診斷必不可少，統計過程控制（Statistical Process Control，簡稱SPC）是過去國際大型電子產品跨國公司對零庫存和巨量電子器件質量控制的主要手段，它是在生產過程中的各個階段（工序）對產品質量進行實時監(jiān)控與評估，是一種預防性控制方法，在商品混凝土的質量控制中也可以借鑒其對生產過程的預防性控制，實現混凝土質量波動的提前預警，減小混凝土的施工質量的波動。

1.4 易感性

混凝土的易感性是指商品混凝土生產的各個環(huán)節(jié)受到周圍環(huán)境影響而產生變化的程度。商品混凝土自生產到使用，中間涉及許多環(huán)節(jié)，主要包括原料采購，原材料的存儲和計量，混凝土的攪拌、運輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護等，每個中間環(huán)節(jié)都會影響到混凝土的使用性能和最終的耐久性能，因此混凝土的易感性系數非常高，國內外大量的文獻都指明了上述各個階段的重要性以及不能合理處置造成的嚴重質量風險。本文僅就文獻提及較少的運輸作為例子，闡述混凝土的易感性。運輸過程涉及到溫度、濕度、時間等三個因素，正常的一天中，早晨溫度最低，相比中午來說，水泥水化速度較慢，即使較遠距離的運輸對混凝土質量的影響也不明顯，而中午時氣溫最高，即使加入足夠數量的化學外加劑也不能有效抑制水泥的水化進度，因此根據混凝土質量控制的需要，在一天中的高溫時段混凝土的運輸應該轉向距離較近的工地，或者適當增加外加劑中的緩凝成分；當然在中午時分在不太繁忙的交通線路上，適當增加車速、縮短運輸時間，以及增加攪拌運輸車外筒體灑水降溫等措施也是必要的。

當時間尺度延伸至一年時，在冬季的室外的最高溫度比夏季的室外溫度相差 30℃ 以上，因此冬季的混凝土運輸制度應該與夏季相區(qū)別，以防止混凝土溫度降低至 5℃ 以下，尤其是在更低溫度時段的混凝土汽車運輸，保證運輸過程中混凝土不因為熱量散失而遭受凍傷十分必要[4]。

運輸過程中濕度的變化主要體現在大風、暴雨等極端天氣的變化，混凝土運輸過程能否在短時間內運輸至施工工地使用受到多種因素的影響，既包括客觀的自然條件，也包括人為安排及工程進度等，往往存在部分混凝土運輸時長超過3h 以上，在運輸途中可能會出現天氣的極端變化，例如刮風、下雨等，混凝土攪拌運輸車周圍環(huán)境的變化直接影響內部混凝土的濕度變化，也就是造成其內部水分的流失或者增加，根據保羅米公式，R28=A·Rc（C/W-B），灰水比與混凝土 28d 抗壓強度呈線性關系，水分變化也就直接影響混凝土最終的強度，盡管較短時間的環(huán)境濕度變化對混凝土含水量影響不明顯，但是水分流失或增加對混凝土和易性的作用卻不容忽視。

商品混凝土運輸過程中路況的好壞也對混凝土質量有一定影響，這不僅是時間的長短，最重要的是混凝土骨料的離析，盡管運輸過程中混凝土在不停的攪拌，但在長期顛簸的路面，這種攪拌不足以抵消離析的影響，試驗結果證實，新拌混凝土與顛簸運輸后的混凝土強度相差 1MPa 以上。

混凝土自攪拌加水時起，水泥的水化就在進行，盡管由于緩凝劑的使用，抑制了水泥的快速水化，但水泥的水化并不會就此停止。隨著時間的推移，水泥水化的不斷深入，在混凝土運輸途中混凝土的各種性能處于動態(tài)變化中，這種時刻不停進行的化學方應以時間為函數表征，同時也受到周圍環(huán)境的約束?；炷恋囊赘行砸脖憩F在時間對其性能的作用，這是除去周圍環(huán)境條件波動對其性能的影響外的另一因素，也許使用敏感性更適合表述混凝土性能的波動。商品混凝土的運輸也可以比喻成新鮮蔬菜的運輸，即使在保質期內也可能產生“腐敗”，這無疑為混凝土的質量控制帶來了困難。運輸過程中外界環(huán)境的變化往往無法控制，時間長短也受到多種條件的制約，因此降低混凝土質量波動的措施主要是阻斷或者減小環(huán)境變化的影響，縮短運輸時間，以保證混凝土質量的穩(wěn)定性。

1.5 時效性

混凝土的時效性表現在混凝土性能隨時間變化的情況，即不同的時間混凝土的性能不同。作為一種普通的建筑材料，商品混凝土主要依靠其硬化后不斷增強的力學性能實現對建筑物的支撐與承載等，為了保證不同復雜結構混凝土構件的施工，混凝土必須有足夠的流動性和粘聚性?；炷亮W性能的獲得就是水泥持續(xù)水化由塑性狀態(tài)向水硬性材料轉變的過程，這個過程是水泥水化產物不斷填充混凝土空隙的過程，因此不同的時段施工作業(yè)對混凝土的性能要求不同，在可塑性階段必須有足夠的流動性、保水性、可泵性和粘聚性，在硬化階段必須有體積穩(wěn)定性、抗?jié)B性、強度增長性以及耐久性等，在可塑性的階段也只有 1～2 個小時，在此時間內混凝土必須到達工地并應用。顯然與水泥生產相比水泥就沒有時效性的問題，只要水泥能夠妥善密封，水泥可以保持 6個月以上繼續(xù)使用。

混凝土產品的時效性比較短，這與混凝土的濕化學反應緊密相連。圖 3 是混凝土坍落度與時間的關系。從圖中可以看出，隨著時間的推移，混凝土的流動性在逐步損失，混凝土時效性的控制就是在規(guī)定的時間內，將其澆筑施工應用，一般情況下 1 個小時內必須澆筑，澆筑完成時間夏季最長不應超過 3 小時，冬季最長不應超過 5 小時，這樣才能較好的保證混凝土生產質量，一旦超過時效必須進行混凝土的報廢處理。

圖3 不同時間的混凝土坍落度

2 混凝土質量控制的措施

針對混凝土生產與質量控制的特點，混凝土質量控制的措施主要是保證混凝土質量的均勻穩(wěn)定。過去僅僅通過控制某種物料的質量是不夠的，必須建立所有原材料的長期質量穩(wěn)定，監(jiān)控所有物料的質量變異系數。與水泥生產相比混凝土質量波動明顯，質量不穩(wěn)定變異系數大。保障建筑材料百分之百合格是商品混凝土質量控制的核心，在存在質量波動的前提下，只能依靠質量波動的下限來控制出廠混凝土質量，這就造成多余部分的混凝土強度的浪費，同時也造成各種物料的浪費。圖 4 就是混凝土質量控制的示意圖，它從側面說明保持質量穩(wěn)定，剔除偶然因素和減小異常因素的重要性。在符合商品混凝土生產工藝的特點上實施質量控制，即是所有混凝土技術人員努力的方向，尤其是水泥行業(yè)人員轉向混凝土生產領域的必須轉變質量控制思維，同時要積極融合水泥生產過程控制的有益經驗，顯然這是一個螺旋提升的質量管理創(chuàng)新過程。

2.1 延長流程增加均化

延長商品混凝土生產工藝流程就是為了保證混凝土質量的穩(wěn)定性和均勻性，對于各種砂石原料建立原料預均化堆場，既增加了物料存儲量，保證了物料較長時間質量的穩(wěn)定，同時物料的密閉堆放也減少了水分波動對混凝土質量的影響，延長生產流程的改造盡管增加了企業(yè)的占地面積，增加了布料機和取料機等附屬設備，但是它也增加了物料的存儲量和節(jié)省了人力，提高了企業(yè)自動化水平。對混凝土生產來講，通過上游的控制往往比控制下游更簡單、更主動，付出的成本最低，獲得的效益最好。上游資源的好壞決定著整個混凝土質量，過去國內混凝土質量的改進焦點集中在化學外加劑的研究上，而近些年來隨著砂石等原材料資源的枯竭，各種砂石都在變差，甚至在資源貧乏的區(qū)域開始使用非天然砂石，這些砂石中含有大量的雜質并且無法剔除，質量品位波動非常大，在實驗室的小樣試驗不能代表整體的樣本，預均化措施正好解決砂石的雜質波動問題，也保證建筑物按照既定壽命服役，質量的穩(wěn)定也減少很多材料的浪費。

圖4 混凝土質量控制原理

2.2 適當減少組分數

在采取砂石材料均化后，物料的存儲量得到大幅增加，但對于粉體物料來說沒有合適的措施進行大面積堆積均化而只能采用氣體均化，增加庫容，物料種類數越多計量越復雜，需要建立的儲存庫數量越多，精簡混凝土配料的物料組分數勢在必行。其原則就是保證水泥充分水化的情況下，實現物料的最緊密堆積和施工性能。對于原材料的砂石而言，連續(xù)級配砂能夠填充粗骨料孔隙，水泥能夠填充砂的孔隙，礦物摻合料能夠填充水泥的孔隙，這就形成了緊密堆積。并不是組分數越多緊密堆積的程度就越高，相反由于混凝土攪拌的時間有限，在大約 120s 的時間內物料很難攪拌均勻，經常出現的情況是使用硅灰配制高性能混凝土，而硅灰呈現團狀分布[5]，因此物料自身有良好的級配比通過攪拌混合達到緊密堆積更實用。減少組分數的前提就是要求物料必須級配良好。

2.3 合理安排，縮短環(huán)節(jié)時間

在混凝土攪拌之后，盡快的實現混凝土入模施工非常重要，在攪拌運輸環(huán)節(jié)占用的時間越長對混凝土施工性能改變越大，這是由混凝土的時效性和易感性決定的。商品混凝土入模之后，機械振搗，抹面覆蓋，定期澆水養(yǎng)護等同樣對混凝土質量有影響，但此時施工方的責任占更大的份額，在混凝土配合比設計良好時，盡快將按照配合比保證質量的混凝土送入施工方是商品混凝土企業(yè)能夠控制的，中間環(huán)節(jié)時間越短，混凝土性能發(fā)生變化的幾率越小，受到環(huán)境影響的程度越小，因此盡量減少人為的時間延誤，如道路不通暢、設備故障、吊裝速度慢、人員安排不合理等非技術性時間延長。對于天氣變化較快的地區(qū)，盡量減少輸送距離，增加必要的保溫或者降溫措施；對于夜間施工的工程，更應防止以料等工的情況。

積極改善商品混凝土攪拌條件，在縮短運輸及其它環(huán)節(jié)時間的同時，必須保證各組分物料的均勻攪拌，不能任意調整混凝土攪拌時間，只有充分攪拌才能實現混凝土各種物料的充分混合接觸，達到最密實堆積的目的。一部分企業(yè)往往縮短攪拌時間來加快生產速度，這對混凝土的質量波動危害更大，是得不償失的錯誤措施。在條件一般的路況上，商品混凝土運輸距離 10km 左右，最遠不超過 15km，混凝土運送至澆筑地點后，不離析、不分層、組成成分不發(fā)生變化，并保證坍落度偏差在 30mm 內，在要求坍落度越小時，坍落度的允許偏差越小[6]。

3 總結

相對水泥生產，商品混凝土的生產環(huán)節(jié)更多并大都在圍墻之外，因此商品混凝土的質量控制線路更長、更復雜，而及時性要求更高，但是通過穩(wěn)定前端原材料質量，完善混凝土配合比設計，加強運輸環(huán)節(jié)質量管理，進入施工模具內的混凝土就能得到保證。原材料質量的均衡穩(wěn)定是混凝土質量控制的基礎，將均化的理念引入混凝土是其質量穩(wěn)定的必然要求，而將 SPC 的預測功能應用在零庫存的混凝土質量上對其質量控制也非常有益，探索適合的商品混凝土質量控制方式對我國中小混凝土企業(yè)的改造升級十分重要，這也是改變不斷調整混凝土配合比來被動延遲質量控制的有力武器。改變過去混凝土質量控制依靠單獨控制某種物料的做法，在管理粗放和降低成本的利益驅動下，多種物料都能達到要求并且持續(xù)穩(wěn)定是不現實的，只有通過減少物料種類數，強化前端物料質量穩(wěn)定性，減少運輸環(huán)節(jié)時間消耗，合理施工，加強養(yǎng)護，建立規(guī)范的養(yǎng)護制度等措施，才能實現商品混凝土各個鏈條的有序運行和混凝土質量的持續(xù)穩(wěn)定。在商品混凝土向最終商品構件以前，保證混凝土向均質方向發(fā)展是建筑施工的必然。

[1]陳全德．新型干法水泥技術原理與應用[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，2004(2): 1-8．

[2]王驊．國內外混凝土行業(yè)現狀及發(fā)展趨勢[J]．混凝土世界，2010.1(7): 10-16．

[3]陳建奎．商品混凝土——現代混凝土的發(fā)展方向[J]．商品混凝土，2004(1): 2-6．

[4]劉克斌．建立對商品混凝土質量的控制[J]．建設監(jiān)理，2008(6): 76-77．

[5]江加標．用巖相分析方法診斷混凝土質量問題[J]．混凝土世界，2011(4): 48-52．

[6]李偉．商品混凝土生產運輸環(huán)節(jié)的質量控制[J]．福建建材，2010(5): 58-103．