现代混凝土技术是一把双刃剑

黄天勇，王栋民

（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083）

1 引言

混凝土的历史可以追溯到古老的年代。古罗马人通过将石灰与火山灰混合制成水硬性水泥，再将其与石头、砂子和水混合制成最古老的混凝土。1824 年波特兰水泥出现，混凝土开始得到广泛的应用。在将近 190 年的现代混凝土发展过程中，主要经历了普通混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土三个阶段。近二三十年，现代混凝土技术飞速发展，然而却经常出现开裂、剥落、膨胀、强度下降而使建筑结构发生破坏甚至倒塌等现象。

科学技术是“双刃剑”的说法已有时日，现代混凝土技术属于科学技术的一部分，因而现代混凝土技术也可以说是一把双刃剑。如何利用现代混凝土技术这把双刃剑，使之为人类社会服务，已成为混凝土行业必须要关注和解决的问题。本文论述了现代混凝土技术的现状及出现的问题，从而提出了未来现代混凝土技术的发展方向，充分利用现代混凝土技术，提高混凝土的利用，为我国经济可持续发展做出应有的贡献。

2 现代混凝土技术的特点[1]

传统混凝土一般由水泥、砂、石、水四种原料拌和而成；而现代混凝土除了上述四种原料外，还需要掺加矿物掺合料和多种化学外加剂，其组分可以达到十种以上，某些组分的掺量只有胶凝材料用量的万分之几。现代混凝土是以工业化生产的预拌混凝土为代表，以高效减水剂和矿物掺合料的大规模使用为特征。现代混凝土减小了混凝土强度对水泥强度的依赖，拌合物的流变性能更加突出，保证混凝土结构耐久性的要求日益增强，在生产和使用过程中需满足可持续发展的原则。现代混凝土最重要的特征是具有高的均质性，至于是否一定包含某特定组分，具有某个特定的性能，则完全由工程实际需要而定。

3 现代混凝土技术是把双刃剑

双刃剑的具体指向是人的三大关系，即人与自然的关系、人与人的关系，以及人与自身的关系。所谓科学技术的双刃剑就是：人利用一部分自然反对另一部分自然；一部分人反对另一部分人；人反对自身[2]。

3.1 人与自然的关系

混凝土为我国的水利工程、交通工程、建筑工程等建设提供了坚实的物资保证，在我国城市化建设和大规模的基础设施建设中功不可没。然而水泥混凝土行业属于高消耗、高污染、低产出的行业。据了解，2012 年我国水泥产量达 21.84亿吨，而生产 1 吨的水泥熟料，可产生 1 吨 CO2、0.74 公斤SO2和 130 公斤粉尘，消耗 1.3 吨的石灰石资源，还要消耗大量的电、煤、水等资源，同时，开采、运输及耗能对环境的影响也是巨大的[3]。加之混凝土中砂石的消耗，可以想象混凝土行业对生态环境的威胁是巨大的。随着现代混凝土技术的发展，我国从节约资源和能源、减少污染的角度出发，努力提高水泥生产技术水平，改变水泥生产工艺，生产优质高强度等级水泥来减少混凝土中水泥用量，积极利用高炉矿渣、粉煤灰、石灰石粉等工业废渣生产水泥以及在混凝土中替代水泥，降低了消耗量，提高资源和能源的利用率，降低了水泥混凝土的污染量，从而也促进了我国经济长期并可持续发展。现代混凝土技术正在改变水泥混凝土高消耗、高污染、低产出的现状，也正在充分调动和发挥这把双刃剑的正面作用。

3.2 人与人的关系

一项工程的完成涉及到了多方人员的参与，其中包括混凝土原材料生产商、商品混凝土生产商、设计人员、施工人员、监理人员以及管理人员等。设计人员、施工人员、监理人员以及管理人员对于混凝土的要求仅仅是强度，特别是管理人员和施工人员最为看重的就是早期强度，因为混凝土的早期强度提高了不仅可以缩短模版的利用周期，而且可以缩短建筑工程的整个工期，因而商品混凝土生产商为了迎合这些要求，就会要求混凝土原材料生产商提供能够提高混凝土早期强度的原材料。以水泥厂商为例，为了能够提供能够生产出混凝土早期强度高的水泥，就主要通过将水泥磨得更细，提高水泥比表面积，增加 C3A、C3S 的含量。然而此种做法的后果是使得混凝土流变性能下降、收缩增加、水化热增大、抗化学腐蚀性下降、后期强度增长小和容易开裂等缺点。出现这样的问题，最主要的就是由于参与各方仅仅看重自己的利益，为了利益不惜以损害社会的安全和可持续发展。维纳富曾指出：“只有实现世界大同，不存在相互冲突的利益集团，才有可能全面抑制科学的负面作用，充分调动和发挥科学的正面作用。但是，这个目标的实现，假设有可能，也是非常非常遥远甚至是遥遥无期的。”[2]同时英国混凝土专家 Neville 曾说：“一个人当然不可能具备所有必要的知识，因此设计者可以简单地咨询材料专家，然而，除了少数特例外，大多数结构工程师对混凝土行为都缺乏必要的了解；材料专家又多是一些纯粹的科学家，对结构的问题缺乏了解，结果他们不知道什么问题要回答，而设计人也不知道要问些什么。”这就证明一项工程的建成，各方参与人员对于不同学科知识的了解是不足的，也因此造成了各自仅仅是按照自己学科进行指导工程的建造，进而造成了工程并没有能够完全发挥其应有的作用，反而浪费了资源、人力和金钱等，这样的结果是谁都不愿意看到的。著名组织管理学家巴纳德认为“沟通交流是把一个组织中的成员联系在一起，以实现共同目标的手段”。因而加强工程参与人员的学科交流是促进现代混凝土技术发展一个重要的手段。因此只有工程参与人员对于现代混凝土有了一定程度的认识和了解，才能够使得为了一个共同的目标而努力，建造出造福人类的工程。

3.3 人与自身

人类对于客观事物的认识是不断发展的，因而与人的认识和行为有关的科学技术也是发展的。现代混凝土技术随着人的认识也是发展的，混凝土的发展经历的几个阶段如下：塑性混凝土－高强混凝土－流态混凝土－流态高强混凝土－高性能混凝土[4]。2000 多年以前的古罗马用石灰加火山灰做胶凝材料的混凝土建造的万神殿等建筑物，至今仍在供游人参观，这种最早的混凝土的不足之处是凝结得非常缓慢，早期强度极低。1824 年在英国首先出现了硅酸盐水泥，因此有了近代的混凝土，最后发展到外加剂和矿物掺合料的加入，从而有了现代的混凝土。然而混凝土的发展并没有使得混凝土的使用寿命增加，反而频繁出现混凝土建筑的开裂破坏甚至倒塌等现象，这不得不引起反思。加拿大的 Aitcin说过，在水泥混凝土生产过程中，无论出于何种原因，每次只改变一个参数，就不仅需要回答其经济性和接受标准，更要回答这种改变对混凝土的质量会产生什么样的结果[5]。随着现代混凝土技术的发展，混凝土的组分也越来越多，每一个组分对于混凝土的影响都是及其重要的，因此现代混凝土技术的发展应该遵循否定之否定的规律，在技术不断进步的同时，应该注重其质量的提高。

4 现代混凝土技术的发展方向

4.1 工业废渣作为矿物掺合料的充分利用

矿物掺合料已经成为现代混凝土中不可缺少的组分。虽然对矿物掺合料进行了大量的研究，但总体深度不够，研究缺乏一定的系统性与整体性，其制备和应用缺乏系统的理论指导，实际使用还存在较多问题。不同的工业废渣因化学组成、颗粒群分布等方面存在较大差异，要把工业废渣十分有效地用作矿物掺合料，就必须对其加工处理。人们已认识到，矿物掺合料细度影响到其各种潜在性能能否充分发挥，但盲目追求细度带来了高能耗，而且仅作简单的超细粉磨并不能十分有效地发挥矿物掺合料的各种效应。因为水泥粒子间不能形成充分的紧密堆积是由于小粒径颗粒含量较少，而现有的处理方式忽视了矿物掺合料粒子颗粒群与水泥粒子颗粒群间的粒径匹配问题，其制备出的矿物掺合料大部分粒径分布较宽，矿物掺合料的掺加在引入小粒径颗粒的同时也带入了大粒径颗粒，而大粒径掺合料颗粒并不能有效促进体系的紧密堆积，且大粒径矿物掺合料颗粒生成的二次水化产物占其自身的分数体积相对较小，在水泥石内不易被粘结，所以利用现有处理设备制备矿物掺合料，除设备本身能耗较高外，还需消耗额外的对胶凝材料粒子形成初始紧密堆积无益的能耗，而且还不能有效发挥矿物掺合料的各种效应[6]。因此，必须对现有掺合料制备技术进行改进或革新，同时开发不同工业废渣的利用以及其复合使用也是一个重要的发展方向。

4.2 化学外加剂的充分利用

化学外加剂被认为是继钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土技术以后的第三次混凝土技术大突破[7]。掺入化学外加剂可以改善新拌水泥基材料的工作性能、提高硬化后水泥基材料的物理力学性能和耐久性、节省生产能耗、保护环境等[8]。因而有人预测“混凝土技术的新进展取决于外加剂的有效应用，而不是水泥生产的进步”，化学外加剂已经成为现代混凝土不可缺少的第五组分。化学外加剂的种类很多，如减水剂、缓凝剂、速凝剂、早强剂、引气剂等。由于单一外加剂能改善混凝土的某种性能，而混凝土的其他性能即使在比较好的条件下也只能保持原有水平，而利用复合外加剂，可以发挥外加剂各组分的叠加效果，改善水泥体系的综合性能，消除或减轻单一外加剂的一些副作用，并提高外加剂技术的经济效益，所以对于复合外加剂的研究开发，将成为发展混凝土外加剂的重要发展方向之一。为适应绿色高性能混凝土发展的需要，混凝土外加剂也应向绿色化方向努力。在生产混凝土外加剂所用的有机化工原料中，很多成分具有毒性，如工业萘、蒽、马来酸酐、苯酚、水杨酸、甲醛等。由于工艺条件的限制，外加剂产品中必然含有某些上述游离材料，挥发到空气中将对人体产生危害。研究降低外加剂产品中游离有机物质的合成技术，尤其要控制游离甲醛、游离苯酚含量和氨释放量在安全界限内；研究如何利用工、农业副产品生产混凝土外加剂也将是混凝土外加剂发展的重要方向之一。

4.3 再生混凝土的大力发展

我国每年产生的废弃混凝土达到 1.6 亿多吨，而且每年以 8% 左右的速度增加，这样就带来两个严重问题：一是由于大量的砂石这种原始自然资源被消耗，长期以往会导致资源匮乏；二是由于城市自身的“新陈代谢”，大量的拆迁、改建使得建筑垃圾大量堆积[9]。骨料是混凝土的骨架，在很大程度上决定着混凝土主要的工作性、硬化混凝土的力学性能以及其耐久性。而再生骨料具有孔隙率高、吸水性大、强度低等特征，这与天然骨料的性质相差较大，因此导致再生混凝土应用受到极大的限制。然而再生混凝土是能够从技术上解决废弃混凝土出路的问题，因此还需要对其进行深入的研究，从而使之真正地应用起来。对再生混凝土主要有以下两个方面需要进行大量的研究：改变再生混凝土破碎工艺，从再生混凝土的微观结构入手提高再生混凝土的各项性能；发展适合再生混凝土的配合比、施工工艺。

4.4 现代混凝土的多性能化发展

随着现代混凝土技术的发展，矿物掺合料和化学外加剂的广泛应用，混凝土的高性能化、结构功能一体化和高耐久性的技术水平随之不断提升和发展。我国仍处在建设的热潮之中，对于混凝土的需求量稳定增长，而不同建筑物、构筑物对于混凝土的性能要求却有所不同，例如超高层建筑物需要的是超高层泵送混凝土，钢筋密集、低噪音量的建筑物需要自密实混凝土，城市地标性建筑物需要高性能耐久性混凝土等。因此如何利用现代混凝土技术发展多性能化的现代混凝土，从而适应不同建筑物和构筑物的要求，成为现代混凝土发展的重要方向之一。

5 展望

近二三十年，我国混凝土行业取得了辉煌的成绩，为我国基础设施建设做出了巨大贡献，在实现混凝土行业可持续发展所要求的节约能源、保护环境、文明施工、结构耐久等几个方面也取得了长足的进步，而且在混凝土材料科学、施工技术、学术研究、经营管理等很多方面都取得了极大发展，为我国混凝土行业持续健康发展奠定了坚实的基础。因此如何利用好现代混凝土技术这把双刃剑是十分重要的，在未来发展过程中，我们应该采用正确的途径和思想去推进混凝土技术的健康发展，使之为人类造福。

[1]阎培渝．现代混凝土的特点[J]．混凝土，2009.1:3-5.

[2]吕乃基．科学技术之“双刃剑”[J]．哲学研究，2011.7:103-108.

[3]王华．水泥我国可持续发展的双刃剑[J]．建筑，2005.3:51-53.

[4]王栋民．高性能膨胀混凝土（HPEC）组成、结构与性能的研究[D]．中国建筑材料科学研究院. 2002.8．

[5]廉慧珍，阎培渝．土木工程中的哲理和混凝土工程技术发展的关系[J]。建筑技术，2003.1:10-14．

[6]陈益民，贺行洋，李永鑫等．矿物掺合料研究进展及存在的问题[J]．材料导报，2008, 8(8):28-31．

[7]陈建奎编著．混凝土外加剂的原理与应用[M]．北京:中国计划出版社，1999.12．

[8]熊大玉， 王小虹编著．混凝土外加剂[M]．北京:化学工业出版社，2002.1.

[9]朱红兵，赵耀，雷学文等．再生混凝土研究现状及研究建议[J]．公路工程，2013, 2(1):98-102．