混凝土单位用水量与混凝土质量和成本的关系

陈永礼，尹小文，陈名山，朱生平，孙曙光，马霞，葛慎为，朱承勇，张奋，王雷，邵品荣

（1. 珠海市锦龙混凝土有限公司；2. 海南光名混凝土有限公司；3. 江苏金峰水泥集团有限公司溧阳市金世纪混凝土有限公司；4. 江苏诚州混凝土有限公司；5. 溧阳市濑江混凝土有限公司；6. 扬州迪业混凝土有限公司；7. 扬州市永浩新型建材有限公司；8. 镇江亨威混凝土有限公司；9. 惠州森洛克材料科技有限公司）

0 前言

住建部和工信部发文：高性能混凝土作为重要的绿色建材，对提高工程质量，降低工程全寿命周期的综合成本具有重要的意义。商品混凝土企业配制和生产高性能混凝土将成为混凝土发展的方向。

以往的混凝土试验室的配合比设计常常重视强度，忽视了混凝土施工性和耐久性这两个重要指标，也错误地将水胶比控制作为生产高性能混凝土的唯一要求。但因为施工性不好，混凝土在工地普遍被加水，结果牺牲了混凝土强度和耐久性。

本文作者来自不同的混凝土公司，他们的试验应用证明：用好的减水剂，可以控制和减少混凝土单位用水量，做到少用水泥，多用掺合料，才能生产真正意义上的，具有强度、施工和易性及耐久性的高性能混凝土。同时亦能降低商品混凝土企业的生产成本。

混凝土生产过程中有两个用水量的概念：（1）水胶比：水与胶凝材料之比；（2）混凝土单位用水量：每立方米混凝土中用水量。“水胶比”不考虑水泥用量，只关注水胶比与强度的关系。所以常常为了强度多用水泥，相应也增加了用水量。结果强度有了，裂缝也有了，耐久性没有了。

而我们在确保强度的前提下强调混凝土单位用水量。减少每立方混凝土用水量，就能尽可能地减少水泥用量，减少裂缝，实现混凝土强度和耐久性并存，同时降低混凝土生产成本。

1 混凝土单位用水量对混凝土质量和成本的重要性

2001 年的国际混凝土会议已经把混凝土的耐久性放在重要的地位。会上多位专家明确指出：“混凝土耐久性可以用控制水胶比的办法实现是错误的”。因为用水量对混凝土控制开裂至关重要：减少了用水量，在保持强度相同的条件下，可随之相应降低胶凝材料的用量，从而减少混凝土的温度收缩、自身收缩和干缩，使控制开裂获得耐久性。

会议同时认为：选择混凝土配和比的标准也必须进行一次重大的变革。Malhota 教授指出：一个对混凝土结构早期开裂起主导因素的原因，那就是为了满足现代高速施工所采用高、早强水泥及其混凝土拌合物。

许多专家和学者在这方面都有很多论述和经验之谈：

P.K Mehta 教授建议首先在规范方面应该强调：若结构有耐久性要求，混凝土配和比需要以耐久性要求为准。且水泥用量不宜过大，单位用水量不宜过大，还可以添加矿粉、粉煤灰等矿物添加剂，来降低水化热、强度，早期弹性模量。这是为什么当掺入矿物外加剂（如50% 粉煤灰）混凝土在控制裂缝和保持较好抗渗性上做的较好。

P.K Mehta 教授还指出：最关键的是过细的水泥导致绝大部分水化反应都在混凝土浇筑早期完成，导致混凝土后期强度增长缓慢，有的甚至 7 天以后强度就不增长了。要知道，优秀的混凝土应该是随着时间增长强度始终缓慢增加的。长期强度上不去，就会给未来的性能退化埋下伏笔。

另外 Metha 教授在最新版的《混凝土微观结构、性能与材料》中也提到用水量的问题。这本书吸取了一些新的研究成果，比如加拿大研究的大掺量粉煤灰、低用水量混凝土，其粉煤灰掺量 57%～58%，抗冻融循环能达到 1000 次以上。

廉惠珍教授提到（混凝土配和比设计）应遵循三个原则：其中第二个是用水量，这个用水量原则也可以称之为浆骨比最小原则，在保证混凝土强度和工作性的前提下，尽量少用水、少用灰、多用骨料，这样才能减少混凝土的收缩开裂，保证混凝土的体积稳定性。用水量其实反映的是浆骨比参数。用水量越大，用灰量也越大，混凝土里面的浆体总量也越大。

覃维祖教授在井冈山论坛“关于高性能混凝土与超高性能混凝土技术进展”的演讲中提出：在保持混凝土强度不变的情况下，减少混凝土单位用水量，减少水泥用量，达到消除混凝土裂缝的效果。覃教授在演讲中举了杭州湾大桥 C40 承台以及沪昆铁路贵州段铁道床板C40 混凝土的实例，在大幅降低混凝土单位用水量，大幅减少水泥用量的情况下，工程从有裂缝变成不出现裂缝，提高了混凝土的耐久性，并总结实例的共同点为：（1）C30、C40 的常用混凝土；（2）每立方混凝土的砂石用量超过 1800kg/m3；（3）粗骨料必须采用二级配；（4）矿物掺合料至少要大于 50%；（5）混凝土单位用水量低于 140kg/m3，最好是低于 130kg/m3。

闻宝联教授也在其文章中提出：用水量的多少直接影响了水胶比的大小，进而影响了强度的高低。用水过多引起裂缝、蜂窝、马面等问题，又会降低混凝土的耐久性能。众所周知，降低用水量可以提高混凝土的强度及耐久性的同时，节约部分成本。因此在生产过程中应该要严格控制。

冷发光教授提出：耐久性的混凝土要重视相应的耐久性指标，应该作为强制条例执行，其它性能参数推荐执行。混凝土配合比的设计中应重视单方用水量这个重要指标，其它参数可以自由选择。

以上国内外的专家、教授、学者都指出了混凝土单位用水量这个指标的重要性。控制、降低混凝土单位用水量可以直接影响到强度，提高混凝土的耐久性。还可以减少水泥用量降低混凝土的成本，减少碳排放。

2 如何实现降低混凝土单位用水量

降低混凝土单位用水量对基础材料要求：

（1）选择 C3A 含量低、磨细度低的、适应性好的水泥，也就是标准稠度用水量低的水泥。

（2）选择活性高，用水量低的优质矿粉。

（3）选择优质的粉煤灰，最好是Ⅰ级、Ⅱ级灰。

（4）选择级配好的，含粉、泥量少的砂石。

（5）选择适应性好、高减水的外加剂。

上述选择都很重要。市场上现有的混凝土基础材料几乎没有让商品混凝土企业选择的余地。首先水泥厂为了降低成本、增加利润都采用高铝的配方导致水泥 C3A高，水泥掺合料多变和磨细度高也是商品混凝土企业无法改变的现状。其次，为了保护生态环境，河砂不准采挖了，机制砂不能水洗了，生产混凝土用砂石普遍含泥、含粉量不稳定。再者，磨细粉煤灰也不纯粹了，成分、活性都不稳定。基础材料如此，商品混凝土企业要实现降低混凝土单位用水量只能依靠减水剂。

萘系减水剂因为生产过程中的环境问题和其本身的使用局限性使用量越来越少，有些地方（北京）甚至已经禁止使用。一般聚羧酸高效减水剂因为对保水性和砂石泥粉的敏感，许多商品混凝土企业也很抗拒。但因聚羧酸减水剂环保、高减水的特性，还是成为商品混凝土的首选。关键是减水剂企业必须研制符合、适应混凝土基础材料使用的，具有减水、保坍、防泌水、抗泥等功能的聚羧酸减水剂。因为，使用具有前述功能的减水剂才可以增加减水剂和掺合料用量，进而达到减少水泥和混凝土单位用水量的目的。

“智慧型聚羧酸高性能减水剂”是近年推出的具有自养护功能的，抗泥粉、防泌水、保坍比较理想的减水剂。在混凝土基础材料不理想、不稳定时，使用“智慧型聚羧酸高性能减水剂”能大幅减少用水量和水泥用量，保持混凝土坍落度和混凝土施工和易性，实现强度保证和持续增长。

3 减少混凝土单位用水量的试验和应用案例

3.1 减少收缩，减少裂缝

覃维祖教授在“井冈山论坛”上展示了杭州湾大桥和沪昆铁路贵州段铁道床板 C40 混凝土，在减少混凝土单位用水量设计前后的混凝土裂缝变化，清楚说明减少混凝土单位用水量对减少裂缝的重要性，详见表 1 和表 2。

表 2 沪昆铁路贵州段铁道床板混凝土调整前后配比

表 1、表 2 作为国家重点工程，混凝土基础材料很好。工程原有裂缝，在调整单位用水量（减少用水量，降低水泥用量）后，裂缝没有了。

3.2 解决长期强度不增长的问题

表 1 杭州湾大桥混凝土调整前后配合比及性能

表 3 无锡华璞砼 C30 试配情况

表 4 江苏诚州混凝土有限公司 C30 试配情况

表 5 扬州迪业砼 C30 试配情况

表 6 海南海口光名混凝土有限公司混凝土试配情况

表 7 无锡华璞砼 C30 试配情况

P.KMehta 教授说：优秀的混凝土应该是随着时间增长强度始终缓慢增加的。长期强度上不去，就会给未来的性能退化埋下伏笔。通过调整配合比，减少混凝土单位用水量和水泥用量，使用智慧型聚羧酸高效减水剂，混凝土状态改善，60 天、90 天强度增长正常（表 3～5）。从表 3～5 数据看到：试配中使用他牌减水剂，配合比未作单位用水量调整，60 天强度倒缩。

3.3 降低成本

水泥是商品混凝土企业的成本大头，是混凝土胶凝材料中用量最多、价钱最贵的材料。但是它除了贡献强度，没有其他优点。我们通过大幅降低混凝土单位用水量，减少了水泥用量，不仅保证了混凝土质量，还降低了商品混凝土企业成本（表 6～12），增加了企业的竞争力。

表 6 中所列 2 号配比比 1 号试配每立方混凝土节省19.7 元，混凝土和易性、强度改善，同时解决了河沙资源紧张的问题。

表 7 使用 KFDN 减水剂，减少混凝土用水量和水泥，每立方混凝土节省13.5元，混凝土状态和强度满意。表 8 每立方混凝土节省 20.5 元。表 9 用磨细石灰石粉替代粉煤灰以及部分水泥和矿粉，用 KFDN 减水剂，坍落度和扩展度 2 小时保持满意，混凝土成本节省31.1 元。从表 10、11、12 中可以看到：水泥用量与强度的关系并不成正比。用对减水剂就有条件减水，减水泥，降低混凝土成本。

3.4 减少碳排放

表 8 江苏诚州混凝土有限公司混凝土试配情况

表 9 珠海锦龙混凝土有限公司混凝土试配情况

表 10 镇江欣会混凝土有限公司混凝土试配情况

表 11 江苏溧阳市濑江混凝土有限公司混凝土试配情况

表 12 常州溧阳联星砼有限公司混凝土试配情况

表 13 香港水下桩混凝土

水泥在烧制过程中产生大量的碳排放。据统计数据，生产 1t 水泥产生 750kg 碳排放，加上运输过程中产生的碳排放，商品混凝土企业使用 1t 水泥大约产生1000kg 碳排放。如果能够在保持混凝土质量时减少使用水泥，这将是对环境质量的贡献，对人类生存质量的贡献。

表 13 要求 28 天强度 60MPa，24 小时坍落度不少于 150mm。配比中掺合料占全部胶凝材料的 65%，水泥占 35%。坍落度和强度符合要求。大幅减少水泥用量，也就是大幅减少了碳排放。

表 14 混凝土设计强度 C60。配比中 1# 水泥用量为胶凝总量的 66%，2# 水泥用量为胶凝总量的 40%，两组 2 小时坍落度和扩展度都能保持，混凝土强度达标。1# 强度富余太多，2# 强度满意更经济。比一般 C60 混凝土大幅减少水泥用量，也就是大幅减少了碳排放。

表 15 为 C30 混凝土。因为担心强度不够 1# 试配水泥用量比较保守，28d 强度好，但 60d 强度回缩。2# 试配更换减水剂后减少水泥用量 70kg，增加煤灰 40kg，总胶凝材料减少 30kg，用水量减少 55kg。2# 试配成本节约 20.5 元，和易性更好（坍落度扩展度理想），28天强度比 1# 试配高 5MPa，60 天强度还有大幅增长。对该公司来说，每方减 70kg 水泥是对减少碳排放的很大贡献。

表 14 香港高强混凝土

表15 江苏诚州混凝土有限公司

以上 15 张表说明了几个非常重要的事实：首先，混凝土强度不完全依赖水泥，不是水泥越多强度越高；其次，掺合料部分替代水泥是完全可以的；再者，合适的减水剂对减少混凝土单位用水量至关重要；最重要的是，减少混凝土单位用水量有利于混凝土质量和成本。

4 结语

高性能混凝土必须强调强度和耐久性并存。混凝土裂缝对耐久性是致命的。而减少（消除）裂缝的技术原则是：减少混凝土单位用水量（减少用水量和水泥用量）。

在目前混凝土基础材料不稳定情况下，低强度等级混凝土的施工和易性控制更是难题。选择适合的减水剂在解决上述问题的同时帮助商品混凝土企业降低成本，增加效益，更可为节能减排作贡献。