水工混凝土與建工混凝土的對比分析論文
0 引言
眾所周知，建工、水工、港工、公路等行業(yè)使用的混凝土，因其功能、施工條件、服役環(huán)境等的差異，配制混凝土使用的原材料及其用量存在差異。例如，水工混凝土（ 本研究指主要用于水電水利工程擋水建筑物的普通混凝土）因必需承擔(dān)水壓力，體積龐大，少則數(shù)萬立方米，多則數(shù)十萬乃至數(shù)千萬立方米（ 如長江三峽工程的壩體混凝土澆筑量多達(dá)約 1 600 ×104m3[1]） ,配制時(shí)需要努力降低水泥用量，以減少混凝土的絕熱溫升值和提高混凝土的抗裂能力； 建工混凝土（ 本研究指主要用于工業(yè)與民用建筑工程主體結(jié)構(gòu)的普通混凝土） 因主要使用泵送施工，混凝土的流動(dòng)度要求高（ 一般為 100~220 mm） .但是，不同行業(yè)使用的混凝土，它們的主要原材料都是水泥、砂子、石子、水等，都需要混合、攪拌，所以，混凝土配合比的設(shè)計(jì)原理和方法是相通的，互相是可以借鑒的。
本研究對比分析了水工混凝土與建工混凝土的膠凝材料用量、摻合料和機(jī)制骨料的品質(zhì)要求、骨料的基準(zhǔn)含水狀態(tài)、強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)齡期、配合比的設(shè)計(jì)原則等，指出建工混凝土宜加大摻合料應(yīng)用力度、積極使用機(jī)制砂石料、探索使用以飽和面干狀態(tài)作為混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)砂石骨料的基準(zhǔn)含水狀態(tài)、延長強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)齡期和實(shí)踐強(qiáng)度與耐久性并重的混凝土配合比設(shè)計(jì)原則，供工程技術(shù)人員參考。
1 水工混凝土與建工混凝土的對比分析。
1.1 膠凝材料用量。
水工混凝土多為 C20、C25、C30 的素混凝土，強(qiáng)度等級(jí)不高，但抗?jié)B等級(jí)相對較高（ 多為 W6~W10） ,所以水膠比多為 0.45~0.55.配制水工混凝土的膠凝材料用量多為140~250 kg Nm3.DLNT 5330-2005《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（ 以下簡稱“DLNT 5330-2005”） 沒有膠凝材料最小用量的限制，但 DLNT 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》（ 以下簡稱“DLNT 5144-2001”） 規(guī)定“大體積內(nèi)部混凝土的膠凝材料用量不宜低于 140 kgNm3,水泥熟料含量不宜低于 70 kgNm3”.建工混凝土依據(jù) JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（ 以下簡稱“JGJ 55-2011”） 進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)混凝土種類和水膠比的不同，JGJ 55-2011 規(guī)定了不同的最小膠凝材料用量，見表 1.
根據(jù)有關(guān)部門對 2012 年全國預(yù)拌混凝土產(chǎn)量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國 C20、C25、C30 三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 63.7%.而這些等級(jí)的混凝土，與水工混凝土的常用強(qiáng)度等級(jí)一致，水膠比一般為 0.45~0.60.從表 1 可知，若設(shè)計(jì)相同強(qiáng)度等級(jí)的素混凝土，水工混凝土的最小膠凝材料用量比建工混凝土少 110~ 140 kgNm3（ 約少50%） .因此，建工混凝土的最小膠凝材料用量還可降低。
若按每立方米建工混凝土少用 10 kg 水泥、每噸水泥售價(jià)350 元、每生產(chǎn) 1 t 水泥排放 1 t CO2估算，以我國 2013 年預(yù)拌混凝土產(chǎn)量 11.696 億 m3計(jì)算[2],則每年可節(jié)約水泥1 169.6 萬 t,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益 41 億元，減少 CO2排放1 169.6萬 t,經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯而易見。
1.2 礦物摻合料的應(yīng)用和品質(zhì)要求。
水工混凝土雖然強(qiáng)度等級(jí)低，但體積龐大，對混凝土的絕熱溫升值要求嚴(yán)（ 一般控制 28 d 的絕熱溫升值不超過 30 ℃） ,并因長期承受水壓力，對抗?jié)B、抗凍等耐久性能要求也高。所以，設(shè)計(jì)水工混凝土的配合比時(shí)，為減少水泥用量，努力增加粉煤灰、硅灰、磷渣粉、石灰石粉等礦物摻合料的用量，以改善混凝土的性能。粉煤灰、硅灰、磷渣粉分別在 1959 年、1986 年、1994 年即被率先應(yīng)用于在河南三門峽水電站、湖北葛洲壩水利樞紐、云南昭通魚洞壩體混凝土中[3 -5].石灰石粉也從 20 世紀(jì) 90 年代初起，就在我國普定、巖灘、江埡、汾河二庫、白石、黃丹、龍灘 、漫灣 、大朝山、小灣等大中型水電工程中應(yīng)用[6].目前，粉煤灰已成為壩體混凝土必不可少的原材料。2008 年 5 月，在貴州光照水電站 13#~16#壩段、高程 745.50~748.90 m 處，澆筑了粉煤灰（ F 類） 摻量高達(dá) 70%（ 按占膠凝材料總用量的百分比計(jì)） 的三級(jí)配碾壓混凝土約1 500 m3; 2008 年7 月，貴州董箐水電站 1#壓力鋼管回填的 C20 泵送混凝土的粉煤灰摻量高達(dá) 60%; 貴州石椏子水電站從 2010 年 5 月 24 日起澆筑的三級(jí)配碾壓混凝土的粉煤灰摻量也高達(dá) 70%.另外，硅灰、磷渣粉、石灰石粉在水工混凝土的摻量已分別達(dá)到 5%~20%、30%~60%、30%左右，并形成了一系列水工混凝土摻用粉煤灰、磷渣粉、石灰石粉等礦物摻合料的技術(shù)規(guī)范。
建工行業(yè)對在混凝土中應(yīng)用摻合料研究活躍，但工程應(yīng)用起步較晚，技術(shù)進(jìn)步和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的空間大。在我國，粉煤灰應(yīng)用于建工混凝土始于上世紀(jì)六七十年代，但人們很長時(shí)間難以接受粉煤灰混凝土[3].并且，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際工程使用摻合料的情況看，建工行業(yè)的摻量總體比水工少。例如，JGJ 55-2011 規(guī)定，在使用普通硅酸鹽水泥澆筑基礎(chǔ)大體積混凝土?xí)r，粉煤灰（ F 類） 、硅灰、磷渣粉的最大摻量不宜超過 40%、10%、20%.可喜的是，遼寧、北京等地在近三年先后頒布了《混凝土礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，國家首次頒布的標(biāo)準(zhǔn) GBNT 50912-2013《鋼鐵渣粉混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》也從 2014 年 5 月 1 日起開始實(shí)施，建工行業(yè)首次發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn) JGNT 317-2011《混凝土用�；姞t磷渣粉》、JGJNT 308-2013《磷渣混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和 JGJNT 318-2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》又分別于 2011 年 10 月 1 日、2014 年 2 月 1 日和 2014年 10 月 1 日起實(shí)施。同時(shí)，隨著大中城市普遍推行預(yù)拌混凝土和國家、地方一系列促進(jìn)固體廢棄物綜合利用政策的1能的廣泛認(rèn)同，粉煤灰已逐漸成為生產(chǎn)預(yù)拌混凝土的重要原材料。還有，隨著超高層、大跨度建筑物的增多和高效減水劑的減水率提升，高強(qiáng)高性能混凝土的需求量上升和硅灰的增強(qiáng)效應(yīng)被人們所認(rèn)識(shí)，硅粉的應(yīng)用量也日益攀升。
現(xiàn)將現(xiàn)行建工行業(yè)、水電水利行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對粉煤灰、硅灰、磷渣粉、石灰石粉的技術(shù)要求匯總于表 2~5.從以上表格中的數(shù)據(jù)可知，建工行業(yè)、水電水利行業(yè)除對粉煤灰、硅灰的品質(zhì)要求相同外，對磷渣粉、石灰石粉的品質(zhì)要求存在差異。并且，總體而言，建工行業(yè)對磷渣粉的品質(zhì)要求比水工高，對石灰石粉的品質(zhì)要求比水工低。
例如，建工行業(yè)對磷渣粉的比表面積和活性指數(shù)的要求分別比水電水利行業(yè)高50 m2Nkg 和 10%,對石灰石粉的CaCO3含量和亞甲藍(lán)值的要求分別比水電水利行業(yè)低10%和 0.4 g Nkg.
另外，若建工行業(yè)加大礦物摻合料在混凝土（ 尤其是大體積混凝土） 的應(yīng)用力度，按每立方米混凝土多用 10kg摻合料和以我國 2013 年預(yù)拌混凝土產(chǎn)量 11.696 億 m3估算，則每年多消化固體廢棄物 1169.6 萬 m3,經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。
1.3 機(jī)制砂石料的應(yīng)用和品質(zhì)要求。
水電站因修建在深山峽谷地區(qū)，壩基和左右兩岸要求基巖穩(wěn)定。所以，水電站擁有天然的砂石料加工場。在我國，機(jī)制砂石料于 20 世紀(jì) 60 年就開始應(yīng)用于水工混凝土。早在 1963 年頒發(fā)的《水工建筑物混凝土及鋼筋混凝土施工技術(shù)暫行規(guī)范》，就對機(jī)制砂石料了提出了具體要求。
目前水電水利行業(yè)使用的規(guī)范 DLNT 5144-2001 對機(jī)制砂的主要品質(zhì)指標(biāo)規(guī)定為： 石粉含量 6%~18%、無泥塊存在、硫化物及硫酸鹽含量不超過 1%、云母含量不超過 2%、細(xì)度模數(shù)宜控制在 2.4~2.8 范圍內(nèi)、飽和面干含水率不宜超過 6%; 對機(jī)制碎石的主要品質(zhì)指標(biāo)規(guī)定為： 針片狀含量不超過 15%、以超遜徑篩檢驗(yàn)的超徑為 0、遜徑小于 2%、吸水率不超過 2.5%、D20 和 D40 粒徑級(jí)的含泥量不超過 1%、D80 和 D150（ D120） 粒徑級(jí)的含泥量不超過 0.5%、無泥塊存在。
建工行業(yè)使用機(jī)制砂石料生產(chǎn)混凝土，除貴州、云南等地因特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致天然砂石料資源稀少而使用較多外，我國建工行業(yè)總體起步晚，直到 2012 年才首次發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JGJNT241-2011《人工砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》。2014 年 5 月編制完成的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)制砂石生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程（ 報(bào)批稿） 》已提交，有望在 2015 年實(shí)施。表 6、7 中列出了建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JGJ 52-2006《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和 JGJNT 241-2011 對砂石料的要求。
但是，即使建工行業(yè)發(fā)布了人工砂的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，習(xí)慣了應(yīng)用天然砂的建工領(lǐng)域（ 特別是預(yù)拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)）仍然有人對使用機(jī)制砂拌制的混凝土憂心忡忡，或是僅接受由鵝卵石破碎的機(jī)制砂或與天然砂混用的混合砂（ 這種砂的外觀與天然砂很接近，易推廣） ,導(dǎo)致機(jī)制砂應(yīng)用步履蹣跚。
從表 6、7 和前述看出，建工混凝土用砂的石粉含量只有最高摻量限制，沒有最低摻量限制； 水工混凝土用砂的石粉含量有最低、最高摻量限制，且允許的最高摻量比建工行業(yè)高得多（ 水工碾壓混凝土中砂的石粉（ d≤0.16 mm顆粒） 含量控制值更是高達(dá) 12%~22%[7]） .從這一點(diǎn)講，水電水利行業(yè)很多年前就認(rèn)識(shí)并利用石粉的填充、密實(shí)作用和對混凝土拌合物和易性的改善作用。另外，建工混凝土在砂石料中允許存在少量泥塊，而水工混凝土不允許存在泥塊； 水工混凝土用砂子的細(xì)度模數(shù)、含水率控制比建工嚴(yán)格； 對于同強(qiáng)度等級(jí)混凝土而言，建工混凝土用石料的針片狀允許含量、含泥量比水工混凝土放得寬，且建工混凝土用石料沒有超遜徑和吸水率規(guī)定，而水工混凝土有嚴(yán)格限制。至于對云母、硫化物及硫酸鹽等有害物質(zhì)含量的限制，則兩行業(yè)的要求相同。
特別指出的是，為減少骨料顆粒之間的空隙體積、降低膠凝材料用量和提高混凝土的密實(shí)度，水電水利行業(yè)將粗骨料破碎成小石（ 粒徑 5~ 20 mm） 、中石（ 粒徑20~40 mm） 、大石 （ 粒徑 40 ~ 800 mm ） 、特大石 （ 粒徑 80 ~120 mm或 150 mm ） 四種粒級(jí)，且主張選用最大粒徑較大的粗骨料[8],而建工混凝土所用的粗骨料沒有這樣的生產(chǎn)和使用要求。
總體而言，水工混凝土對砂石料的品質(zhì)要求比建工混凝土高，其目的是盡量降低砂石料的空隙率、提高混凝土的密實(shí)度和努力減少膠凝材料的用量。
1.4 砂石料的基準(zhǔn)含水狀態(tài)。
水工混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)，對用水量及其波動(dòng)的`控制非常嚴(yán)格，其中要求砂石料以飽和面干狀態(tài)來計(jì)算用量。然而，建工混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)，砂石料是以干燥狀態(tài)為基準(zhǔn)。飽和面干狀態(tài)的砂子及石子，既不向混凝土拌合物中吸取水分，也不向混凝土拌合物中帶入水分，這有利于控制混凝土攪拌時(shí)的單位用水量波動(dòng)，從而減少混凝土的坍落度、強(qiáng)度、抗?jié)B等技術(shù)指標(biāo)的波動(dòng)，提高混凝土質(zhì)量的控制水平。
1.5 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)齡期。
水工混凝土因大量使用摻合料，早期強(qiáng)度低。尤其是摻入粉煤灰、磷渣粉的混凝土，雖早期低，但后期強(qiáng)度提高。所以，長期以來，水工混凝土強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)齡期為90 d.一般而言，粉煤灰混凝土 90 d 齡期的抗壓強(qiáng)度比28 d提高 35%~ 60%左右。因此，若混凝土的強(qiáng)度等級(jí)以90 d為設(shè)計(jì)齡期，則達(dá)到相同強(qiáng)度，可降低水泥用量約20%.實(shí)踐表明，以 90 d 作為設(shè)計(jì)齡期，不僅充分利用了混凝土的后期強(qiáng)度增長值，降低了水泥用量，節(jié)約了成本，促進(jìn)了摻合料在水工混凝土的應(yīng)用，而且明顯改善了混凝土的性能，尤其是耐久性。
然而，多年來，除個(gè)別工程外，建工混凝土強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)齡期一直為 28 d.在大力推行低碳、綠色發(fā)展的今天和未來，在摻合料必將越來越多地應(yīng)用于建工混凝土的大趨勢下，建議建工混凝土（ 尤其是使用粉煤灰、磷渣粉的混凝土） 的強(qiáng)度等級(jí)使用 60 d（ 甚至 90 d） 作為設(shè)計(jì)齡期。
1.6 混凝土配合比的設(shè)計(jì)原則。
為保障水工建筑物的長期安全運(yùn)行，水工混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，堅(jiān)持強(qiáng)度與耐久性并重的原則。即不僅要滿足抗壓強(qiáng)度要求，還要滿足極限拉伸值、抗壓彈性模量、徐變等力學(xué)指標(biāo)和絕熱溫升值、導(dǎo)溫、導(dǎo)熱、比熱、線膨脹系數(shù)等熱學(xué)指標(biāo)，以及要滿足抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、抗沖刷、抗碳化等耐久性指標(biāo)[8,9].在水工混凝土配合比設(shè)計(jì)的初選水膠比階段，即要求初選的水膠比，不僅要滿足設(shè)計(jì)對混凝土強(qiáng)度的要求，還應(yīng)不超過現(xiàn)行規(guī)范 DLNT 5144 規(guī)定的水膠比最大允許值（ 見表 8） 和滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的抗?jié)B、抗凍等級(jí)等要求[8].
由表 8 可見，在相同服役環(huán)境中，水工混凝土的水膠比最大允許值比 GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限為 50 年的建工混凝土結(jié)構(gòu)的最大水膠比要求嚴(yán)。
水工混凝土的強(qiáng)度與耐久性并重的配合比設(shè)計(jì)原則，為水工建筑物的長期安全運(yùn)行提供了重要的技術(shù)保障。該原則與 2014 年 8 月由住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)與信息化部聯(lián)合頒布的《關(guān)于推廣應(yīng)用高性能混凝土的若干意見（ 建標(biāo)[2014]117 號(hào)） 》規(guī)定的高性能混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念不謀而合�；蛘哒f，水工混凝土為建工混凝土（ 特別是高性能混凝土） 實(shí)踐“強(qiáng)度與耐久性并重”的設(shè)計(jì)理念積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
2 結(jié)論。
�。� 1） 建工混凝土宜加大粉煤灰、硅灰、礦渣、石灰石粉等摻合料的應(yīng)用力度，這不僅可以降低膠凝材料用量、減少水泥用量和改善混凝土的性能，還可加大固體廢棄物的綜合利用量，促進(jìn)資源節(jié)約和節(jié)能減排。
�。� 2） 建工混凝土應(yīng)積極使用機(jī)制砂，甚至可大膽探索人工級(jí)配粗骨料的應(yīng)用，這不僅可緩解天然砂石料資源日益枯竭、混凝土需求量越來越大的矛盾，還可降低膠凝材料用量和改善混凝土的性能。
�。� 3） 在設(shè)計(jì)建工混凝土的配合比時(shí)，建議逐步使用以飽和面干狀態(tài)作為砂石骨料的基準(zhǔn)含水狀態(tài)，以進(jìn)一步提高混凝土質(zhì)量的控制水平。
（ 4） 基于使用摻合料（ 特別是粉煤灰、磷渣粉） 的建工混凝土，建議其強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)計(jì)齡期從目前的28 d 延遲至60 d,甚至 90 d.
（ 5） 水工混凝土的強(qiáng)度與耐久性并重的配合比設(shè)計(jì)原則與工程應(yīng)用實(shí)例，對建工混凝土（ 特別是高性能混凝土）貫徹落實(shí)該原則具有較高的借鑒價(jià)值。
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