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約 1 600 ×104m3[1]） ,配制時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構的普通混凝土） 因主要使用泵送施工，混凝土的流動度要求高（ 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，混凝土配合比的設計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、摻合料和機制骨料的品質(zhì)要求、骨料的基準含水狀態(tài)、強度等級的設計齡期、配合比的設計原則等，指出建工混凝土宜加大摻合料應用力度、積極使用機制砂石料、探索使用以飽和面干狀態(tài)作為混凝土配合比設計時砂石骨料的基準含水狀態(tài)、延長強度等級的設計齡期和實踐強度與耐久性并重的混凝土配合比設計原則，供工程技術人員參考。
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，強度等級不高，但抗?jié)B等級相對較高（ 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計規(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計規(guī)程》（ 以下簡稱“JGJ 55-2011”） 進行配合比設計。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)有關部門對 2012 年全國預拌混凝土產(chǎn)量的調(diào)查統(tǒng)計，我國 C20、C25、C30 三個強度等級的混凝土產(chǎn)量占總產(chǎn)量的 63.7%.而這些等級的混凝土，與水工混凝土的常用強度等級一致，水膠比一般為 0.45~0.60.從表 1 可知，若設計相同強度等級的素混凝土，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350 元、每生產(chǎn) 1 t 水泥排放 1 t CO2估算，以我國 2013 年預拌混凝土產(chǎn)量 11.696 億 m3計算[2],則每年可節(jié)約水泥1 169.6 萬 t,產(chǎn)生經(jīng)濟效益 41 億元，減少 CO2排放1 169.6萬 t,經(jīng)濟效益、社會效益顯而易見。
1.2 礦物摻合料的應用和品質(zhì)要求。
水工混凝土雖然強度等級低，但體積龐大，對混凝土的絕熱溫升值要求嚴（ 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，設計水工混凝土的配合比時，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 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 70%（ 按占膠凝材料總用量的百分比計） 的三級配碾壓混凝土約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 60%; 貴州石椏子水電站從 2010 年 5 月 24 日起澆筑的三級配碾壓混凝土的粉煤灰摻量也高達 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規(guī)范。
建工行業(yè)對在混凝土中應用摻合料研究活躍，但工程應用起步較晚，技術進步和標準化發(fā)展的空間大。在我國，粉煤灰應用于建工混凝土始于上世紀六七十年代，但人們很長時間難以接受粉煤灰混凝土[3].并且，從技術標準和實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大體積混凝土時，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用技術規(guī)程》，國家首次頒布的標準 GBNT 50912-2013《鋼鐵渣粉混凝土應用技術規(guī)程》也從 2014 年 5 月 1 日起開始實施，建工行業(yè)首次發(fā)布的標準 JGNT 317-2011《混凝土用�；姞t磷渣粉》、JGJNT 308-2013《磷渣混凝土應用技術規(guī)程》和 JGJNT 318-2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規(guī)程》又分別于 2011 年 10 月 1 日、2014 年 2 月 1 日和 2014年 10 月 1 日起實施。同時，隨著大中城市普遍推行預拌混凝土和國家、地方一系列促進固體廢棄物綜合利用政策的1能的廣泛認同，粉煤灰已逐漸成為生產(chǎn)預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，高強高性能混凝土的需求量上升和硅灰的增強效應被人們所認識，硅粉的應用量也日益攀升。
現(xiàn)將現(xiàn)行建工行業(yè)、水電水利行業(yè)相關技術標準對粉煤灰、硅灰、磷渣粉、石灰石粉的技術要求匯總于表 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） 的應用力度，按每立方米混凝土多用 10kg摻合料和以我國 2013 年預拌混凝土產(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)濟效益、社會效益顯著。
1.3 機制砂石料的應用和品質(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，機制砂石料于 20 世紀 60 年就開始應用于水工混凝土。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暫行規(guī)范》，就對機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 對機制砂的主要品質(zhì)指標規(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%; 對機制碎石的主要品質(zhì)指標規(guī)定為： 針片狀含量不超過 15%、以超遜徑篩檢驗的超徑為 0、遜徑小于 2%、吸水率不超過 2.5%、D20 和 D40 粒徑級的含泥量不超過 1%、D80 和 D150（ D120） 粒徑級的含泥量不超過 0.5%、無泥塊存在。
建工行業(yè)使用機制砂石料生產(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)標準 JGJNT241-2011《人工砂混凝土應用技術規(guī)程》。2014 年 5 月編制完成的行業(yè)標準《機制砂石生產(chǎn)技術規(guī)程（ 報批稿） 》已提交，有望在 2015 年實施。表 6、7 中列出了建工行業(yè)標準 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗方法標準》和 JGJNT 241-2011 對砂石料的要求。
但是，即使建工行業(yè)發(fā)布了人工砂的應用技術規(guī)范，習慣了應用天然砂的建工領域（ 特別是預拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)）仍然有人對使用機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） ,導致機制砂應用步履蹣跚。
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 12%~22%[7]） .從這一點講，水電水利行業(yè)很多年前就認識并利用石粉的填充、密實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度模數(shù)、含水率控制比建工嚴格； 對于同強度等級混凝土而言，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，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、提高混凝土的密實度和努力減少膠凝材料的用量。
1.4 砂石料的基準含水狀態(tài)。
水工混凝土進行配合比設計和試驗時，對用水量及其波動的`控制非常嚴格，其中要求砂石料以飽和面干狀態(tài)來計算用量。然而，建工混凝土進行配合比設計和試驗時，砂石料是以干燥狀態(tài)為基準。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的單位用水量波動，從而減少混凝土的坍落度、強度、抗?jié)B等技術指標的波動，提高混凝土質(zhì)量的控制水平。
1.5 混凝土強度等級的設計齡期。
水工混凝土因大量使用摻合料，早期強度低。尤其是摻入粉煤灰、磷渣粉的混凝土，雖早期低，但后期強度提高。所以，長期以來，水工混凝土強度等級的設計齡期為90 d.一般而言，粉煤灰混凝土 90 d 齡期的抗壓強度比28 d提高 35%~ 60%左右。因此，若混凝土的強度等級以90 d為設計齡期，則達到相同強度，可降低水泥用量約20%.實踐表明，以 90 d 作為設計齡期，不僅充分利用了混凝土的后期強度增長值，降低了水泥用量，節(jié)約了成本，促進了摻合料在水工混凝土的應用，而且明顯改善了混凝土的性能，尤其是耐久性。
然而，多年來，除個別工程外，建工混凝土強度等級的設計齡期一直為 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） 的強度等級使用 60 d（ 甚至 90 d） 作為設計齡期。
1.6 混凝土配合比的設計原則。
為保障水工建筑物的長期安全運行，水工混凝土配合比設計時，堅持強度與耐久性并重的原則。即不僅要滿足抗壓強度要求，還要滿足極限拉伸值、抗壓彈性模量、徐變等力學指標和絕熱溫升值、導溫、導熱、比熱、線膨脹系數(shù)等熱學指標，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[8,9].在水工混凝土配合比設計的初選水膠比階段，即要求初選的水膠比，不僅要滿足設計對混凝土強度的要求，還應不超過現(xiàn)行規(guī)范 DLNT 5144 規(guī)定的水膠比最大允許值（ 見表 8） 和滿足設計規(guī)定的抗?jié)B、抗凍等級等要求[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《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定的設計使用年限為 50 年的建工混凝土結構的最大水膠比要求嚴。
水工混凝土的強度與耐久性并重的配合比設計原則，為水工建筑物的長期安全運行提供了重要的技術保障。該原則與 2014 年 8 月由住房與城鄉(xiāng)建設部、工業(yè)與信息化部聯(lián)合頒布的《關于推廣應用高性能混凝土的若干意見（ 建標[2014]117 號） 》規(guī)定的高性能混凝土的結構設計理念不謀而合�；蛘哒f，水工混凝土為建工混凝土（ 特別是高性能混凝土） 實踐“強度與耐久性并重”的設計理念積累了寶貴經(jīng)驗。
2 結論。
（ 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，促進資源節(jié)約和節(jié)能減排。
�。� 2） 建工混凝土應積極使用機制砂，甚至可大膽探索人工級配粗骨料的應用，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） 在設計建工混凝土的配合比時，建議逐步使用以飽和面干狀態(tài)作為砂石骨料的基準含水狀態(tài)，以進一步提高混凝土質(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，建議其強度等級的設計齡期從目前的28 d 延遲至60 d,甚至 90 d.
�。� 5） 水工混凝土的強度與耐久性并重的配合比設計原則與工程應用實例，對建工混凝土（ 特別是高性能混凝土）貫徹落實該原則具有較高的借鑒價值。
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