水工混凝土与建工混凝土的对比分析论文
0 引言
众所周知，建工、水工、港工、公路等行业使用的混凝土，因其功能、施工条件、服役环境等的差异，配制混凝土使用的原材料及其用量存在差异。例如，水工混凝土（ 本研究指主要用于水电水利工程挡水建筑物的普通混凝土）因必需承担水压力，体积庞大，少则数万立方米，多则数十万乃至数千万立方米（ 如长江三峡工程的坝体混凝土浇筑量多达约 1 600 ×104m3[1]） ,配制时需要努力降低水泥用量，以减少混凝土的绝热温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业与民用建筑工程主体结构的普通混凝土） 因主要使用泵送施工，混凝土的流动度要求高（ 一般为 100~220 mm） .但是，不同行业使用的混凝土，它们的主要原材料都是水泥、砂子、石子、水等，都需要混合、搅拌，所以，混凝土配合比的设计原理和方法是相通的，互相是可以借鉴的。
本研究对比分析了水工混凝土与建工混凝土的胶凝材料用量、掺合料和机制骨料的品质要求、骨料的基准含水状态、强度等级的设计龄期、配合比的设计原则等，指出建工混凝土宜加大掺合料应用力度、积极使用机制砂石料、探索使用以饱和面干状态作为混凝土配合比设计时砂石骨料的基准含水状态、延长强度等级的设计龄期和实践强度与耐久性并重的混凝土配合比设计原则，供工程技术人员参考。
1 水工混凝土与建工混凝土的对比分析。
1.1 胶凝材料用量。
水工混凝土多为 C20、C25、C30 的素混凝土，强度等级不高，但抗渗等级相对较高（ 多为 W6~W10） ,所以水胶比多为 0.45~0.55.配制水工混凝土的胶凝材料用量多为140~250 kg Nm3.DLNT 5330-2005《水工混凝土配合比设计规程》（ 以下简称“DLNT 5330-2005”） 没有胶凝材料最小用量的限制，但 DLNT 5144-2001《水工混凝土施工规范》（ 以下简称“DLNT 5144-2001”） 规定“大体积内部混凝土的胶凝材料用量不宜低于 140 kgNm3,水泥熟料含量不宜低于 70 kgNm3”.建工混凝土依据 JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》（ 以下简称“JGJ 55-2011”） 进行配合比设计。根据混凝土种类和水胶比的不同，JGJ 55-2011 规定了不同的最小胶凝材料用量，见表 1.
根据有关部门对 2012 年全国预拌混凝土产量的调查统计，我国 C20、C25、C30 三个强度等级的混凝土产量占总产量的 63.7%.而这些等级的混凝土，与水工混凝土的常用强度等级一致，水胶比一般为 0.45~0.60.从表 1 可知，若设计相同强度等级的素混凝土，水工混凝土的最小胶凝材料用量比建工混凝土少 110~ 140 kgNm3（ 约少50%） .因此，建工混凝土的最小胶凝材料用量还可降低。
若按每立方米建工混凝土少用 10 kg 水泥、每吨水泥售价350 元、每生产 1 t 水泥排放 1 t CO2估算，以我国 2013 年预拌混凝土产量 11.696 亿 m3计算[2],则每年可节约水泥1 169.6 万 t,产生经济效益 41 亿元，减少 CO2排放1 169.6万 t,经济效益、社会效益显而易见。
1.2 矿物掺合料的应用和品质要求。
水工混凝土虽然强度等级低，但体积庞大，对混凝土的绝热温升值要求严（ 一般控制 28 d 的绝热温升值不超过 30 ℃） ,并因长期承受水压力，对抗渗、抗冻等耐久性能要求也高。所以，设计水工混凝土的配合比时，为减少水泥用量，努力增加粉煤灰、硅灰、磷渣粉、石灰石粉等矿物掺合料的用量，以改善混凝土的性能。粉煤灰、硅灰、磷渣粉分别在 1959 年、1986 年、1994 年即被率先应用于在河南三门峡水电站、湖北葛洲坝水利枢纽、云南昭通鱼洞坝体混凝土中[3 -5].石灰石粉也从 20 世纪 90 年代初起，就在我国普定、岩滩、江垭、汾河二库、白石、黄丹、龙滩 、漫湾 、大朝山、小湾等大中型水电工程中应用[6].目前，粉煤灰已成为坝体混凝土必不可少的原材料。2008 年 5 月，在贵州光照水电站 13#~16#坝段、高程 745.50~748.90 m 处，浇筑了粉煤灰（ F 类） 掺量高达 70%（ 按占胶凝材料总用量的百分比计） 的三级配碾压混凝土约1 500 m3; 2008 年7 月，贵州董箐水电站 1#压力钢管回填的 C20 泵送混凝土的粉煤灰掺量高达 60%; 贵州石桠子水电站从 2010 年 5 月 24 日起浇筑的三级配碾压混凝土的粉煤灰掺量也高达 70%.另外，硅灰、磷渣粉、石灰石粉在水工混凝土的掺量已分别达到 5%~20%、30%~60%、30%左右，并形成了一系列水工混凝土掺用粉煤灰、磷渣粉、石灰石粉等矿物掺合料的技术规范。
建工行业对在混凝土中应用掺合料研究活跃，但工程应用起步较晚，技术进步和标准化发展的空间大。在我国，粉煤灰应用于建工混凝土始于上世纪六七十年代，但人们很长时间难以接受粉煤灰混凝土[3].并且，从技术标准和实际工程使用掺合料的情况看，建工行业的掺量总体比水工少。例如，JGJ 55-2011 规定，在使用普通硅酸盐水泥浇筑基础大体积混凝土时，粉煤灰（ F 类） 、硅灰、磷渣粉的最大掺量不宜超过 40%、10%、20%.可喜的是，辽宁、北京等地在近三年先后颁布了《混凝土矿物掺合料应用技术规程》，国家首次颁布的标准 GBNT 50912-2013《钢铁渣粉混凝土应用技术规程》也从 2014 年 5 月 1 日起开始实施，建工行业首次发布的标准 JGNT 317-2011《混凝土用粒化电炉磷渣粉》、JGJNT 308-2013《磷渣混凝土应用技术规程》和 JGJNT 318-2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》又分别于 2011 年 10 月 1 日、2014 年 2 月 1 日和 2014年 10 月 1 日起实施。同时，随着大中城市普遍推行预拌混凝土和国家、地方一系列促进固体废弃物综合利用政策的1能的广泛认同，粉煤灰已逐渐成为生产预拌混凝土的重要原材料。还有，随着超高层、大跨度建筑物的增多和高效减水剂的减水率提升，高强高性能混凝土的需求量上升和硅灰的增强效应被人们所认识，硅粉的应用量也日益攀升。
现将现行建工行业、水电水利行业相关技术标准对粉煤灰、硅灰、磷渣粉、石灰石粉的技术要求汇总于表 2~5.从以上表格中的数据可知，建工行业、水电水利行业除对粉煤灰、硅灰的品质要求相同外，对磷渣粉、石灰石粉的品质要求存在差异。并且，总体而言，建工行业对磷渣粉的品质要求比水工高，对石灰石粉的品质要求比水工低。
例如，建工行业对磷渣粉的比表面积和活性指数的要求分别比水电水利行业高50 m2Nkg 和 10%,对石灰石粉的CaCO3含量和亚甲蓝值的要求分别比水电水利行业低10%和 0.4 g Nkg.
另外，若建工行业加大矿物掺合料在混凝土（ 尤其是大体积混凝土） 的应用力度，按每立方米混凝土多用 10kg掺合料和以我国 2013 年预拌混凝土产量 11.696 亿 m3估算，则每年多消化固体废弃物 1169.6 万 m3,经济效益、社会效益显着。
1.3 机制砂石料的应用和品质要求。
水电站因修建在深山峡谷地区，坝基和左右两岸要求基岩稳定。所以，水电站拥有天然的砂石料加工场。在我国，机制砂石料于 20 世纪 60 年就开始应用于水工混凝土。早在 1963 年颁发的《水工建筑物混凝土及钢筋混凝土施工技术暂行规范》，就对机制砂石料了提出了具体要求。
目前水电水利行业使用的规范 DLNT 5144-2001 对机制砂的主要品质指标规定为： 石粉含量 6%~18%、无泥块存在、硫化物及硫酸盐含量不超过 1%、云母含量不超过 2%、细度模数宜控制在 2.4~2.8 范围内、饱和面干含水率不宜超过 6%; 对机制碎石的主要品质指标规定为： 针片状含量不超过 15%、以超逊径筛检验的超径为 0、逊径小于 2%、吸水率不超过 2.5%、D20 和 D40 粒径级的含泥量不超过 1%、D80 和 D150（ D120） 粒径级的含泥量不超过 0.5%、无泥块存在。
建工行业使用机制砂石料生产混凝土，除贵州、云南等地因特殊的地理环境导致天然砂石料资源稀少而使用较多外，我国建工行业总体起步晚，直到 2012 年才首次发布行业标准 JGJNT241-2011《人工砂混凝土应用技术规程》。2014 年 5 月编制完成的行业标准《机制砂石生产技术规程（ 报批稿） 》已提交，有望在 2015 年实施。表 6、7 中列出了建工行业标准 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》和 JGJNT 241-2011 对砂石料的要求。
但是，即使建工行业发布了人工砂的应用技术规范，习惯了应用天然砂的建工领域（ 特别是预拌混凝土生产企业）仍然有人对使用机制砂拌制的混凝土忧心忡忡，或是仅接受由鹅卵石破碎的机制砂或与天然砂混用的混合砂（ 这种砂的外观与天然砂很接近，易推广） ,导致机制砂应用步履蹒跚。
从表 6、7 和前述看出，建工混凝土用砂的石粉含量只有最高掺量限制，没有最低掺量限制； 水工混凝土用砂的石粉含量有最低、最高掺量限制，且允许的最高掺量比建工行业高得多（ 水工碾压混凝土中砂的石粉（ d≤0.16 mm颗粒） 含量控制值更是高达 12%~22%[7]） .从这一点讲，水电水利行业很多年前就认识并利用石粉的填充、密实作用和对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许存在少量泥块，而水工混凝土不允许存在泥块； 水工混凝土用砂子的细度模数、含水率控制比建工严格； 对于同强度等级混凝土而言，建工混凝土用石料的针片状允许含量、含泥量比水工混凝土放得宽，且建工混凝土用石料没有超逊径和吸水率规定，而水工混凝土有严格限制。至于对云母、硫化物及硫酸盐等有害物质含量的限制，则两行业的要求相同。
特别指出的是，为减少骨料颗粒之间的空隙体积、降低胶凝材料用量和提高混凝土的密实度，水电水利行业将粗骨料破碎成小石（ 粒径 5~ 20 mm） 、中石（ 粒径20~40 mm） 、大石 （ 粒径 40 ~ 800 mm ） 、特大石 （ 粒径 80 ~120 mm或 150 mm ） 四种粒级，且主张选用最大粒径较大的粗骨料[8],而建工混凝土所用的粗骨料没有这样的生产和使用要求。
总体而言，水工混凝土对砂石料的品质要求比建工混凝土高，其目的是尽量降低砂石料的空隙率、提高混凝土的密实度和努力减少胶凝材料的用量。
1.4 砂石料的基准含水状态。
水工混凝土进行配合比设计和试验时，对用水量及其波动的`控制非常严格，其中要求砂石料以饱和面干状态来计算用量。然而，建工混凝土进行配合比设计和试验时，砂石料是以干燥状态为基准。饱和面干状态的砂子及石子，既不向混凝土拌合物中吸取水分，也不向混凝土拌合物中带入水分，这有利于控制混凝土搅拌时的单位用水量波动，从而减少混凝土的坍落度、强度、抗渗等技术指标的波动，提高混凝土质量的控制水平。
1.5 混凝土强度等级的设计龄期。
水工混凝土因大量使用掺合料，早期强度低。尤其是掺入粉煤灰、磷渣粉的混凝土，虽早期低，但后期强度提高。所以，长期以来，水工混凝土强度等级的设计龄期为90 d.一般而言，粉煤灰混凝土 90 d 龄期的抗压强度比28 d提高 35%~ 60%左右。因此，若混凝土的强度等级以90 d为设计龄期，则达到相同强度，可降低水泥用量约20%.实践表明，以 90 d 作为设计龄期，不仅充分利用了混凝土的后期强度增长值，降低了水泥用量，节约了成本，促进了掺合料在水工混凝土的应用，而且明显改善了混凝土的性能，尤其是耐久性。
然而，多年来，除个别工程外，建工混凝土强度等级的设计龄期一直为 28 d.在大力推行低碳、绿色发展的今天和未来，在掺合料必将越来越多地应用于建工混凝土的大趋势下，建议建工混凝土（ 尤其是使用粉煤灰、磷渣粉的混凝土） 的强度等级使用 60 d（ 甚至 90 d） 作为设计龄期。
1.6 混凝土配合比的设计原则。
为保障水工建筑物的长期安全运行，水工混凝土配合比设计时，坚持强度与耐久性并重的原则。即不仅要满足抗压强度要求，还要满足极限拉伸值、抗压弹性模量、徐变等力学指标和绝热温升值、导温、导热、比热、线膨胀系数等热学指标，以及要满足抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷、抗碳化等耐久性指标[8,9].在水工混凝土配合比设计的初选水胶比阶段，即要求初选的水胶比，不仅要满足设计对混凝土强度的要求，还应不超过现行规范 DLNT 5144 规定的水胶比最大允许值（ 见表 8） 和满足设计规定的抗渗、抗冻等级等要求[8].
由表 8 可见，在相同服役环境中，水工混凝土的水胶比最大允许值比 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》规定的设计使用年限为 50 年的建工混凝土结构的最大水胶比要求严。
水工混凝土的强度与耐久性并重的配合比设计原则，为水工建筑物的长期安全运行提供了重要的技术保障。该原则与 2014 年 8 月由住房与城乡建设部、工业与信息化部联合颁布的《关于推广应用高性能混凝土的若干意见（ 建标[2014]117 号） 》规定的高性能混凝土的结构设计理念不谋而合。或者说，水工混凝土为建工混凝土（ 特别是高性能混凝土） 实践“强度与耐久性并重”的设计理念积累了宝贵经验。
2 结论。
（ 1） 建工混凝土宜加大粉煤灰、硅灰、矿渣、石灰石粉等掺合料的应用力度，这不仅可以降低胶凝材料用量、减少水泥用量和改善混凝土的性能，还可加大固体废弃物的综合利用量，促进资源节约和节能减排。
（ 2） 建工混凝土应积极使用机制砂，甚至可大胆探索人工级配粗骨料的应用，这不仅可缓解天然砂石料资源日益枯竭、混凝土需求量越来越大的矛盾，还可降低胶凝材料用量和改善混凝土的性能。
（ 3） 在设计建工混凝土的配合比时，建议逐步使用以饱和面干状态作为砂石骨料的基准含水状态，以进一步提高混凝土质量的控制水平。
（ 4） 基于使用掺合料（ 特别是粉煤灰、磷渣粉） 的建工混凝土，建议其强度等级的设计龄期从目前的28 d 延迟至60 d,甚至 90 d.
（ 5） 水工混凝土的强度与耐久性并重的配合比设计原则与工程应用实例，对建工混凝土（ 特别是高性能混凝土）贯彻落实该原则具有较高的借鉴价值。
参考文献：
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