混凝土單位用水量與混凝土質(zhì)量和成本的關(guān)系

陳永禮，尹小文，陳名山，朱生平，孫曙光，馬霞，葛慎為，朱承勇，張奮，王雷，邵品榮

（1. 珠海市錦龍混凝土有限公司；2. 海南光名混凝土有限公司；3. 江蘇金峰水泥集團(tuán)有限公司溧陽市金世紀(jì)混凝土有限公司；4. 江蘇誠州混凝土有限公司；5. 溧陽市瀨江混凝土有限公司；6. 揚(yáng)州迪業(yè)混凝土有限公司；7. 揚(yáng)州市永浩新型建材有限公司；8. 鎮(zhèn)江亨威混凝土有限公司；9. 惠州森洛克材料科技有限公司）

0 前言

住建部和工信部發(fā)文：高性能混凝土作為重要的綠色建材，對(duì)提高工程質(zhì)量，降低工程全壽命周期的綜合成本具有重要的意義。商品混凝土企業(yè)配制和生產(chǎn)高性能混凝土將成為混凝土發(fā)展的方向。

以往的混凝土試驗(yàn)室的配合比設(shè)計(jì)常常重視強(qiáng)度，忽視了混凝土施工性和耐久性這兩個(gè)重要指標(biāo)，也錯(cuò)誤地將水膠比控制作為生產(chǎn)高性能混凝土的唯一要求。但因?yàn)槭┕ば圆缓?，混凝土在工地普遍被加水，結(jié)果犧牲了混凝土強(qiáng)度和耐久性。

本文作者來自不同的混凝土公司，他們的試驗(yàn)應(yīng)用證明：用好的減水劑，可以控制和減少混凝土單位用水量，做到少用水泥，多用摻合料，才能生產(chǎn)真正意義上的，具有強(qiáng)度、施工和易性及耐久性的高性能混凝土。同時(shí)亦能降低商品混凝土企業(yè)的生產(chǎn)成本。

混凝土生產(chǎn)過程中有兩個(gè)用水量的概念：（1）水膠比：水與膠凝材料之比；（2）混凝土單位用水量：每立方米混凝土中用水量?！八z比”不考慮水泥用量，只關(guān)注水膠比與強(qiáng)度的關(guān)系。所以常常為了強(qiáng)度多用水泥，相應(yīng)也增加了用水量。結(jié)果強(qiáng)度有了，裂縫也有了，耐久性沒有了。

而我們?cè)诖_保強(qiáng)度的前提下強(qiáng)調(diào)混凝土單位用水量。減少每立方混凝土用水量，就能盡可能地減少水泥用量，減少裂縫，實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度和耐久性并存，同時(shí)降低混凝土生產(chǎn)成本。

1 混凝土單位用水量對(duì)混凝土質(zhì)量和成本的重要性

2001 年的國際混凝土?xí)h已經(jīng)把混凝土的耐久性放在重要的地位。會(huì)上多位專家明確指出：“混凝土耐久性可以用控制水膠比的辦法實(shí)現(xiàn)是錯(cuò)誤的”。因?yàn)橛盟繉?duì)混凝土控制開裂至關(guān)重要：減少了用水量，在保持強(qiáng)度相同的條件下，可隨之相應(yīng)降低膠凝材料的用量，從而減少混凝土的溫度收縮、自身收縮和干縮，使控制開裂獲得耐久性。

會(huì)議同時(shí)認(rèn)為：選擇混凝土配和比的標(biāo)準(zhǔn)也必須進(jìn)行一次重大的變革。Malhota 教授指出：一個(gè)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂起主導(dǎo)因素的原因，那就是為了滿足現(xiàn)代高速施工所采用高、早強(qiáng)水泥及其混凝土拌合物。

許多專家和學(xué)者在這方面都有很多論述和經(jīng)驗(yàn)之談：

P.K Mehta 教授建議首先在規(guī)范方面應(yīng)該強(qiáng)調(diào)：若結(jié)構(gòu)有耐久性要求，混凝土配和比需要以耐久性要求為準(zhǔn)。且水泥用量不宜過大，單位用水量不宜過大，還可以添加礦粉、粉煤灰等礦物添加劑，來降低水化熱、強(qiáng)度，早期彈性模量。這是為什么當(dāng)摻入礦物外加劑（如50% 粉煤灰）混凝土在控制裂縫和保持較好抗?jié)B性上做的較好。

P.K Mehta 教授還指出：最關(guān)鍵的是過細(xì)的水泥導(dǎo)致絕大部分水化反應(yīng)都在混凝土澆筑早期完成，導(dǎo)致混凝土后期強(qiáng)度增長緩慢，有的甚至 7 天以后強(qiáng)度就不增長了。要知道，優(yōu)秀的混凝土應(yīng)該是隨著時(shí)間增長強(qiáng)度始終緩慢增加的。長期強(qiáng)度上不去，就會(huì)給未來的性能退化埋下伏筆。

另外 Metha 教授在最新版的《混凝土微觀結(jié)構(gòu)、性能與材料》中也提到用水量的問題。這本書吸取了一些新的研究成果，比如加拿大研究的大摻量粉煤灰、低用水量混凝土，其粉煤灰摻量 57%～58%，抗凍融循環(huán)能達(dá)到 1000 次以上。

廉惠珍教授提到（混凝土配和比設(shè)計(jì)）應(yīng)遵循三個(gè)原則：其中第二個(gè)是用水量，這個(gè)用水量原則也可以稱之為漿骨比最小原則，在保證混凝土強(qiáng)度和工作性的前提下，盡量少用水、少用灰、多用骨料，這樣才能減少混凝土的收縮開裂，保證混凝土的體積穩(wěn)定性。用水量其實(shí)反映的是漿骨比參數(shù)。用水量越大，用灰量也越大，混凝土里面的漿體總量也越大。

覃維祖教授在井岡山論壇“關(guān)于高性能混凝土與超高性能混凝土技術(shù)進(jìn)展”的演講中提出：在保持混凝土強(qiáng)度不變的情況下，減少混凝土單位用水量，減少水泥用量，達(dá)到消除混凝土裂縫的效果。覃教授在演講中舉了杭州灣大橋 C40 承臺(tái)以及滬昆鐵路貴州段鐵道床板C40 混凝土的實(shí)例，在大幅降低混凝土單位用水量，大幅減少水泥用量的情況下，工程從有裂縫變成不出現(xiàn)裂縫，提高了混凝土的耐久性，并總結(jié)實(shí)例的共同點(diǎn)為：（1）C30、C40 的常用混凝土；（2）每立方混凝土的砂石用量超過 1800kg/m3；（3）粗骨料必須采用二級(jí)配；（4）礦物摻合料至少要大于 50%；（5）混凝土單位用水量低于 140kg/m3，最好是低于 130kg/m3。

聞寶聯(lián)教授也在其文章中提出：用水量的多少直接影響了水膠比的大小，進(jìn)而影響了強(qiáng)度的高低。用水過多引起裂縫、蜂窩、馬面等問題，又會(huì)降低混凝土的耐久性能。眾所周知，降低用水量可以提高混凝土的強(qiáng)度及耐久性的同時(shí)，節(jié)約部分成本。因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)該要嚴(yán)格控制。

冷發(fā)光教授提出：耐久性的混凝土要重視相應(yīng)的耐久性指標(biāo)，應(yīng)該作為強(qiáng)制條例執(zhí)行，其它性能參數(shù)推薦執(zhí)行?；炷僚浜媳鹊脑O(shè)計(jì)中應(yīng)重視單方用水量這個(gè)重要指標(biāo)，其它參數(shù)可以自由選擇。

以上國內(nèi)外的專家、教授、學(xué)者都指出了混凝土單位用水量這個(gè)指標(biāo)的重要性?？刂?、降低混凝土單位用水量可以直接影響到強(qiáng)度，提高混凝土的耐久性。還可以減少水泥用量降低混凝土的成本，減少碳排放。

2 如何實(shí)現(xiàn)降低混凝土單位用水量

降低混凝土單位用水量對(duì)基礎(chǔ)材料要求：

（1）選擇 C3A 含量低、磨細(xì)度低的、適應(yīng)性好的水泥，也就是標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量低的水泥。

（2）選擇活性高，用水量低的優(yōu)質(zhì)礦粉。

（3）選擇優(yōu)質(zhì)的粉煤灰，最好是Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)灰。

（4）選擇級(jí)配好的，含粉、泥量少的砂石。

（5）選擇適應(yīng)性好、高減水的外加劑。

上述選擇都很重要。市場(chǎng)上現(xiàn)有的混凝土基礎(chǔ)材料幾乎沒有讓商品混凝土企業(yè)選擇的余地。首先水泥廠為了降低成本、增加利潤都采用高鋁的配方導(dǎo)致水泥 C3A高，水泥摻合料多變和磨細(xì)度高也是商品混凝土企業(yè)無法改變的現(xiàn)狀。其次，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，河砂不準(zhǔn)采挖了，機(jī)制砂不能水洗了，生產(chǎn)混凝土用砂石普遍含泥、含粉量不穩(wěn)定。再者，磨細(xì)粉煤灰也不純粹了，成分、活性都不穩(wěn)定?；A(chǔ)材料如此，商品混凝土企業(yè)要實(shí)現(xiàn)降低混凝土單位用水量只能依靠減水劑。

萘系減水劑因?yàn)樯a(chǎn)過程中的環(huán)境問題和其本身的使用局限性使用量越來越少，有些地方（北京）甚至已經(jīng)禁止使用。一般聚羧酸高效減水劑因?yàn)閷?duì)保水性和砂石泥粉的敏感，許多商品混凝土企業(yè)也很抗拒。但因聚羧酸減水劑環(huán)保、高減水的特性，還是成為商品混凝土的首選。關(guān)鍵是減水劑企業(yè)必須研制符合、適應(yīng)混凝土基礎(chǔ)材料使用的，具有減水、保坍、防泌水、抗泥等功能的聚羧酸減水劑。因?yàn)椋褂镁哂星笆龉δ艿臏p水劑才可以增加減水劑和摻合料用量，進(jìn)而達(dá)到減少水泥和混凝土單位用水量的目的。

“智慧型聚羧酸高性能減水劑”是近年推出的具有自養(yǎng)護(hù)功能的，抗泥粉、防泌水、保坍比較理想的減水劑。在混凝土基礎(chǔ)材料不理想、不穩(wěn)定時(shí)，使用“智慧型聚羧酸高性能減水劑”能大幅減少用水量和水泥用量，保持混凝土坍落度和混凝土施工和易性，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度保證和持續(xù)增長。

3 減少混凝土單位用水量的試驗(yàn)和應(yīng)用案例

3.1 減少收縮，減少裂縫

覃維祖教授在“井岡山論壇”上展示了杭州灣大橋和滬昆鐵路貴州段鐵道床板 C40 混凝土，在減少混凝土單位用水量設(shè)計(jì)前后的混凝土裂縫變化，清楚說明減少混凝土單位用水量對(duì)減少裂縫的重要性，詳見表 1 和表 2。

表 2 滬昆鐵路貴州段鐵道床板混凝土調(diào)整前后配比

表 1、表 2 作為國家重點(diǎn)工程，混凝土基礎(chǔ)材料很好。工程原有裂縫，在調(diào)整單位用水量（減少用水量，降低水泥用量）后，裂縫沒有了。

3.2 解決長期強(qiáng)度不增長的問題

表 1 杭州灣大橋混凝土調(diào)整前后配合比及性能

表 3 無錫華璞砼 C30 試配情況

表 4 江蘇誠州混凝土有限公司 C30 試配情況

表 5 揚(yáng)州迪業(yè)砼 C30 試配情況

表 6 海南海口光名混凝土有限公司混凝土試配情況

表 7 無錫華璞砼 C30 試配情況

P.KMehta 教授說：優(yōu)秀的混凝土應(yīng)該是隨著時(shí)間增長強(qiáng)度始終緩慢增加的。長期強(qiáng)度上不去，就會(huì)給未來的性能退化埋下伏筆。通過調(diào)整配合比，減少混凝土單位用水量和水泥用量，使用智慧型聚羧酸高效減水劑，混凝土狀態(tài)改善，60 天、90 天強(qiáng)度增長正常（表 3～5）。從表 3～5 數(shù)據(jù)看到：試配中使用他牌減水劑，配合比未作單位用水量調(diào)整，60 天強(qiáng)度倒縮。

3.3 降低成本

水泥是商品混凝土企業(yè)的成本大頭，是混凝土膠凝材料中用量最多、價(jià)錢最貴的材料。但是它除了貢獻(xiàn)強(qiáng)度，沒有其他優(yōu)點(diǎn)。我們通過大幅降低混凝土單位用水量，減少了水泥用量，不僅保證了混凝土質(zhì)量，還降低了商品混凝土企業(yè)成本（表 6～12），增加了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

表 6 中所列 2 號(hào)配比比 1 號(hào)試配每立方混凝土節(jié)省19.7 元，混凝土和易性、強(qiáng)度改善，同時(shí)解決了河沙資源緊張的問題。

表 7 使用 KFDN 減水劑，減少混凝土用水量和水泥，每立方混凝土節(jié)省13.5元，混凝土狀態(tài)和強(qiáng)度滿意。表 8 每立方混凝土節(jié)省 20.5 元。表 9 用磨細(xì)石灰石粉替代粉煤灰以及部分水泥和礦粉，用 KFDN 減水劑，坍落度和擴(kuò)展度 2 小時(shí)保持滿意，混凝土成本節(jié)省31.1 元。從表 10、11、12 中可以看到：水泥用量與強(qiáng)度的關(guān)系并不成正比。用對(duì)減水劑就有條件減水，減水泥，降低混凝土成本。

3.4 減少碳排放

表 8 江蘇誠州混凝土有限公司混凝土試配情況

表 9 珠海錦龍混凝土有限公司混凝土試配情況

表 10 鎮(zhèn)江欣會(huì)混凝土有限公司混凝土試配情況

表 11 江蘇溧陽市瀨江混凝土有限公司混凝土試配情況

表 12 常州溧陽聯(lián)星砼有限公司混凝土試配情況

表 13 香港水下樁混凝土

水泥在燒制過程中產(chǎn)生大量的碳排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，生產(chǎn) 1t 水泥產(chǎn)生 750kg 碳排放，加上運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的碳排放，商品混凝土企業(yè)使用 1t 水泥大約產(chǎn)生1000kg 碳排放。如果能夠在保持混凝土質(zhì)量時(shí)減少使用水泥，這將是對(duì)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)，對(duì)人類生存質(zhì)量的貢獻(xiàn)。

表 13 要求 28 天強(qiáng)度 60MPa，24 小時(shí)坍落度不少于 150mm。配比中摻合料占全部膠凝材料的 65%，水泥占 35%。坍落度和強(qiáng)度符合要求。大幅減少水泥用量，也就是大幅減少了碳排放。

表 14 混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度 C60。配比中 1# 水泥用量為膠凝總量的 66%，2# 水泥用量為膠凝總量的 40%，兩組 2 小時(shí)坍落度和擴(kuò)展度都能保持，混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。1# 強(qiáng)度富余太多，2# 強(qiáng)度滿意更經(jīng)濟(jì)。比一般 C60 混凝土大幅減少水泥用量，也就是大幅減少了碳排放。

表 15 為 C30 混凝土。因?yàn)閾?dān)心強(qiáng)度不夠 1# 試配水泥用量比較保守，28d 強(qiáng)度好，但 60d 強(qiáng)度回縮。2# 試配更換減水劑后減少水泥用量 70kg，增加煤灰 40kg，總膠凝材料減少 30kg，用水量減少 55kg。2# 試配成本節(jié)約 20.5 元，和易性更好（坍落度擴(kuò)展度理想），28天強(qiáng)度比 1# 試配高 5MPa，60 天強(qiáng)度還有大幅增長。對(duì)該公司來說，每方減 70kg 水泥是對(duì)減少碳排放的很大貢獻(xiàn)。

表 14 香港高強(qiáng)混凝土

表15 江蘇誠州混凝土有限公司

以上 15 張表說明了幾個(gè)非常重要的事實(shí)：首先，混凝土強(qiáng)度不完全依賴水泥，不是水泥越多強(qiáng)度越高；其次，摻合料部分替代水泥是完全可以的；再者，合適的減水劑對(duì)減少混凝土單位用水量至關(guān)重要；最重要的是，減少混凝土單位用水量有利于混凝土質(zhì)量和成本。

4 結(jié)語

高性能混凝土必須強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度和耐久性并存?；炷亮芽p對(duì)耐久性是致命的。而減少（消除）裂縫的技術(shù)原則是：減少混凝土單位用水量（減少用水量和水泥用量）。

在目前混凝土基礎(chǔ)材料不穩(wěn)定情況下，低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的施工和易性控制更是難題。選擇適合的減水劑在解決上述問題的同時(shí)幫助商品混凝土企業(yè)降低成本，增加效益，更可為節(jié)能減排作貢獻(xiàn)。