关于混凝土配合比中最小水泥用量的探讨

前言 

        混凝土是目前应用最广泛、最重要的建筑工程结构材 料。传统混凝土由水泥、砂子、石子和水组成，水泥的水化硬 化将混凝土各组成材料胶结成一体形成强度。因此，工程界 对混凝土的水泥用量非常重视和敏感。鉴于上世纪末市场上 各水泥品质参差不齐的状况，建筑工程设计和验收标准或规 范对混凝土作了最低水泥用量的下限要求（≥300kg/单方混 凝土），以便从源头上确保混凝土结构工程的质量安全。 

       本世纪初，我国水泥工业开始了全面的现代化改造进程， 10年来东中部地区的各种立窑和小旋窑水泥厂完全被淘汰， 取而代之的是规模化、现代化新型干法先进工艺技术的水泥 生产线。现代水泥的均质性好、更细，早期强度更高。另外， 水泥标准也相应进行了升级修改，例如：《通用硅酸盐水泥》 （GB 175-2007）取消了普通硅酸盐水泥P·O32.5的低强度等 级产品，促进了P·O42.5较高强度等级的普通硅酸盐水泥在 结构工程上的广泛应用。 

        现代新型干法水泥和高性能减水剂的普遍使用，使工程 应用的混凝土配制强度可以向更高等级发展（C80～C100）。 但是由于水泥粒径更细和早强高，导致混凝土出现水化热 高、脆性大和易收缩开裂等隐患，如果仍然使用原有的最低 水泥用量，这些隐患有增大的趋势。所以现代混凝土技术发 展的关键有二：一是使用有水化活性的矿物掺和料（粉煤 灰、矿粉）取代部分水泥，在保证或提升28d强度的前提下，降 低混凝土的水化放热，改善脆性和延展性，减少开裂，提高致 密性和耐久性；二是使用高效或高性能减水剂降低混凝土制 备时的水胶比。故现代混凝土应由水泥、矿物掺和料、砂子、 石子、水和外加剂等6项组分组成。

 一、建筑工程用相关标准规范对最低水泥用 量的限定 

        由表1可见，在11个工程标准和规范中，2008年以后修 订的《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）、《混 凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）、《混凝土 结构设计规范》（GB 50010-2010）、《补偿收缩混凝土应用 技术规程》（JGJT 178-2009）、《大体积混凝土施工规范》 （GB 50496-2009）、《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T 10-201x）等6个规范已接受了现代混凝土技术进步的成果， 认同由水泥和矿物掺和料组成胶凝材料的概念，不再单独 对最低水泥用量设限，而是对混凝土中最低胶凝材料用量（≥300kg/m3 ）和矿物掺和料其总量中的比例（≤50%）设限。 但是，《地下防水工程质量验收规范》（GB 50208-2011）和 《建筑工程冬季施工规程》（JGJ 104-2011）仍然对最低水泥 用量分别有（≥260kg/m3 和≥280kg/m3 ）限定。 

        对矿物掺和料改善混凝土性能的技术效果，早在北京市 的工程规范《混凝土矿物掺合料应用技术规程》（DBJT 01- 64-2002）中就得到了体现，其对地下、水下混凝土设限的水 泥用量为≥150kg/m3 ，其余为不超过总胶材50%的矿物掺和 料。《北京轨道交通工程结构混凝土裂缝控制与耐久性技术 规程》（QGD-003-2008）、《高铁客运专线高性能混凝土暂 行技术条件》-2005等企业规范也进行了类似的规定。

 二、最低水泥用量的合理设限依据 

1. 水化机理 

        从水化硬化机理看，混凝土的水泥熟料矿物水化硬化生 成凝胶状水化硅酸钙和结晶状水化铝（铁）酸钙、水化硫铝酸钙和氢氧化钙等，晶状水化产物彼此搭接成网架，形成早期 强度；凝胶状的水化硅酸钙填充网架空隙，形成后期强度的发 展。在此，约20%的块状水化产物—氢氧化钙不但自身胶结 性差，而且妨碍凝胶状水化产物与砂石骨料界面的粘结。 

        矿粉和粉煤灰等矿物掺和料水化硬化相对滞后，并与硅 酸盐水泥熟料矿物水化生成的氢氧化钙反应，继续生成胶结 强度好的低钙硅比水化硅酸钙凝胶，且不断填充空隙，减少 块状氢氧化钙量，使混凝土胶结相越来越致密，强度也随之 增长，即二次水化和填充效应。矿物掺和料的水化硬化使混 凝土内部组成和微结构改善，浆骨界面区优化，连通孔被密 闭和细化，显著提高了混凝土的耐久性。另外，由于矿物掺和 料在混凝土中取代了部分水泥，水化热造成的温差裂纹等减 少，也提高了混凝土的耐久性。 

        因此，仅从水化硬化理论而言，适量使用矿物掺和料对 混凝土28d及以后的强度增长是有益的，其致密性和耐久性 的提高更加显著。但是，实现这一功效的前提是必须有足够 量硅酸盐水泥熟料的存在。

2. 抗碳化性能 

        显然，混凝土中矿物掺和料越多，相应的硅酸盐水泥熟 料量越少。表2是混凝土毛细孔中液相Ca（OH）2浓度的理论 估算[1]。 

        由表2可见，当矿物掺和料为50%时，混凝土空隙中液相 氢氧化钙Ca（OH）2浓度约为100g/L，大于Ca（OH）2的饱和浓 度（12.7g/L，pH＞12.7）；当矿物掺和料达到60%时，由于其水 化消耗的Ca（OH）2量大于硅酸盐水泥熟料矿物水化生成的Ca （OH）2量，导致混凝土毛细孔液相中Ca（OH）2浓度大幅降低 至零，低于Ca（OH）2的饱和浓度（12.7g/L，pH＞12.7），钢筋表 面的钝化膜消失或减薄，碳化和钢筋锈蚀加速。故混凝土中 矿物掺和料用量不应超出50%的上限。 

3. 冬季施工 

        冬季施工中，混凝土尽快达到受冻临界强度非常重要， 也即混凝土早期强度发展要求高，故混凝土中的水泥应有 最低用量限定。根据黑龙江寒地建筑科学研究院的试验结 果[2]，在普通硅酸盐水泥用量大于220kg/m3 （折合纯熟料量 ~160kg/m3 ）的条件下，所制备的混凝土能够达到《建筑工程 冬季施工规程》（JGJT 104-2011）对临界强度的要求。 

4. 最小水泥用量设限内容 

         综上所述，现代混凝土必须使用矿物掺和料才能改善、 优化混凝土的各项现期和长期性能。但是，掺和料能发挥有 益效果的前提是必须有足量硅酸盐水泥熟料矿物的水化产 物生成。但是，目前的建筑规范标准中对混凝土中水泥最低 用量设限，但没有对水泥的品种和强度等级设限。根据《通 用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）标准，不同品种的水泥含有 的活性和非活性混合材的比例不同，折合成熟料含量相差很 大，如不予以区别，即使对单方混凝土最低水泥用量设定，也 不能保证混凝土有足够的硅酸盐水泥熟料含量。详见表3。

        由此可见，如果使用符合通用水泥标准的P.S.A或P.S.B 矿渣硅酸盐水泥，即使单方混凝土水泥用量达到了300kg，其 实际的熟料含量也就在150kg～240kg和90kg～150kg，并不能 保证混凝土各项性能指标。如果使用P.O普通硅酸盐水泥，即 使单方混凝土水泥用量在225kg，其折合熟料量也在180kg/m3 ～215kg/m3 ，大量的工程实践证明了此用量是适宜的。 

三、建议 

      （1）现有涉及混凝土的工程标准规范中设定最低水泥用 量是必须的，但不科学、不合理，应该表述为最低硅酸盐水 泥熟料用量，当使用不同品种的水泥时，可以按《通用硅酸盐 水泥》（GB 175-2007）标准中熟料组分含量的下限折算混凝 土中的单方熟料用量。 

        （2）在混凝土的工程标准规范后续修订中，如能将最低水 泥用量设定为最低硅酸盐水泥熟料用量，一方面可为促进混凝 土行业针对不同的结构工程要求，使用品质更加优良的P.I、P.Ⅱ 硅酸盐水泥打开通路；另一方面又能真正限制低品质或低强度 等级水泥在混凝土中的大量使用（因其符合工程标准中最低水 泥用量的要求），从源头上保证工程结构的质量安全。 

        （3）在水泥标准的后续修订中，应向食品行业学习，必 须在产品外包装上或散装随车合格证中明确出厂水泥主要组 分和添加组分的名称和含量，以利用户的合理使用。 

参考文献： 

[1] “关于混凝土耐久性值得关注的问题”，《商品混凝土》2009年 第11期

[2] “现行标准和规范中对混凝土最小水泥用量限定问题”讨论沙 龙，中国混凝土与水泥制品协会科技工作委员会，2011年10月25日

作者简介 陈旭峰，1962年出生，工学硕士，教授级高级 工程师。

唯一能持久的竞争优势是胜过竞争对手的学习能力。——盖亚斯

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