高性能混凝土制备方法及推广应用

周志涛

(中铁二十二局集团有限公司 北京 100043)

1 混凝土市场现状

近30年，国内外混凝土行业飞速发展，高性能混凝土被世界一致认可和大量使用。从国内使用情况看，混凝土价格连年攀升，目前C30混凝土均价为448元/m3，全国混凝土产量将突破24亿m3[1]。从国际研究情况看，美国学者更强调高强度和尺寸稳定性，欧洲学者更注重耐久性，而日本学者偏重于高工作性[2]。在我国，高性能混凝土研究蓬勃发展，促进了高性能混凝土理论体系的建立与应用技术的进步，使我国高性能混凝土的科学研究与实际应用处于世界先进水平。

2 同类技术分析

(1)国家规范分析

现行混凝土质量验收规范讲的是控制[3]，系统地把原材料、混凝土性能指标加以控制，而在制作特殊混凝土时再控制相应指标，最终满足项目设计要求并与建筑和结构要求相匹配。

现行混凝土配合比设计规范自始至终没有提及成本或价格，若该地区500 km范围没有相应指标的原材料，就需不远千里去购货；若该地区原材料质量较好，设计配合比时完全采用指标下限，但还是不能突破规范要求，导致会有更多的剩余价值存在。很多学者在规范基础上进行了优化设计，设计流程为待混凝土工作性、强度、耐久性确定之后，再调整混凝土成本至最佳[4]。成本确实得到一定程度的控制，确切说也仅是一个阶段的控制，并非成本的全面控制。

(2)领先技术分析

2017年8月中国建筑科学研究院高性能混凝土技术研究中心组织召开了“第八届全国特种混凝土技术”专家交流会，北京市政路桥集团李彦昌教授级高工作出的《预拌混凝土配合比设计、试配与确定》报告[5]，是最具普遍性、全面性、代表性和权威性的论述。报告指出配合比设计的关键点，没有形成配合比设计线，或者说没有完成设计体系，还有进一步再深化空间；如把成本作为参数引入到设计中，才是对混凝土成本的全面控制[6]。

(3)专利技术分析

《高性能混凝土的制备方法》国家发明专利技术经过10年的实际应用和摸索，形成完备的设计理论、设计理念和设计方法。应用该技术进行配合比设计与普通混凝土配合比设计周期基本相同。利用既有原材料，不使用任何添加剂，适用于全国各地区高性能混凝土配合比设计，生产出的混凝土各性能指标不一定均为最优，却是满足设计要求、成本最低的高性能混凝土，实现了配合比设计的科学性、合理性、实用性、经济性[7]。

有好的方法，必定源于正确的设计理论；有好的设计理论，必定源于正确的设计理念；设计理论是关键。《高性能混凝土的制备方法》的成功在于建立了体积增量模型和配合比成本理论。

3 代表性混凝土研究

3.1 黑龙江预制梁混凝土研究

3.1.1 研究背景

某铁路制梁场开始生产预制梁，先期使用P.O52.5级水泥生产C55和C60混凝土，使用过程中出现骨料和浆体分离的现象，预制梁外观质量不佳[8]。自2016年5月开始用 P.O42.5级水泥和P.O52.5级水泥分别生产C55混凝土和C60混凝土。受气温上升和水泥市场需求量大的影响，自2016年6月开始进场水泥温度达到46.8℃，混凝土出现假凝现象，造成浪费较多，耽误正常生产。

3.1.2 确定目标配合比

因本次试验针对性强，需要两个等级混凝土，所以仅做七组配合比试验。原材料规格和价格依次为P.O52.5级水泥(C1)480元/t、P.O42.5级水泥(C2)394元/t、Ⅰ级粉煤灰(F)394元/t、中砂(S)55 元/t、5 ～10 mm 碎石(G1)60 元/t、10 ～20 mm碎石(G2)75 元/t、生活用水(W)0 元/t、聚羧酸减水剂(J)3 519元/t。预制梁目标配合比设计见表1，预制梁混凝土性能对应记录见表2。因试验组数少，线性方程离散性大。当使用P.O42.5级水泥时，整理数据后得线性回归方程式:y＝－3 583x2＋1 818.3x－176.45；当使用P.O52.5级水泥时，整理数据后得线性回归方程式:y＝－568.15x2＋179.35x＋49.965。

表1 预制梁目标配合比设计 kg

表2 预制梁混凝土性能对应记录

3.1.3 试验结论

(1)经过现场实际拌和混凝土，验证性能后应用于工程实体。预制梁原配合比与新配合比对比见表3。

表3 预制梁原配合比与新配合比对比 kg

(2)新配合比设计仅采用一种等级水泥，不必新增水泥周转储存罐，可使预制梁正常生产，同时确保了混凝土质量，提高了混凝土和易性。

(3)本设计根据材料自身质量和性能，通过系列方法找出单体原材料最佳掺量，有别于正交试验[9]。

(4)通过本次实体研究，在提高原设计混凝土性能情况下，经测算成本降低率为7%左右。

3.2 巢湖隧道工程混凝土研究

3.2.1 研究背景

2018年4月，应邀前往某高速铁路标进行隧道工程混凝土配合比研究。现有原材料中砂的细度模数小，坍落度损失快；碎石针片状多，使混凝土易离析；现场施工作业面小，输送管道长，混凝土施工和易性差，成型后外观质量差，回弹强度低[10]。原材料价格:C2为 451元/t、F为155元/t、K(S95矿粉)为365元/t、S为155元/t、G1和 G2为114元/t、J为3 123 元/t。

3.2.2 研究结果

(1)增加一定成本，确保混凝土质量可靠。因当前使用的碎石中含石粉较多，砂中含泥量较大，导致混凝土坍落度经时损失快，所以出机混凝土坍落度、扩展度大，并且为高流态混凝土，具有自密实效果。采取的措施为增加矿粉掺量，增大砂率，减小大碎石比例。隧道工程原配合比与新配合比对比见表4。经测算成本增加率为5%。

表4 隧道工程原配合比与新配合比对比 kg

(2)维持成本不变，提高混凝土的工作性，使混凝土质量可控。隧道工程新配合比见表5。

表5 隧道工程新配合比 kg

3.3 贵阳商品混凝土研究

3.3.1 混凝土原材料用量预算

2016年3月至5月期间，对贵阳某商品混凝土公司的原材料进行研究。原材料价格:C2为256元/t、F 为190 元/t、K(S75 矿粉)为225 元/t、S 为33元/t、G3(5 ～31.5 mm)为38 元/t、J为1 780 元/t。经分析原材料试验数据，形成记录如下:

(1)矿粉需水量较大，活性指数不高，掺量不宜过高[11]，确定为占胶凝材料的10%。

(2)粉煤灰需水量较低，活性指数一般，确定为占胶凝材料的20%。

(3)细骨料为机制砂，砂率以满足混凝土泵送即可。当生产C30混凝土时，确定为51%，其它配合比微调。

(4)减水剂掺量以确保混凝土不离析为限值，当生产C30混凝土时，确定为占胶凝材料的2.1%，其它配合比微调。

(5)用水量以减水剂最大掺量为准进行控制，当生产C30混凝土时，确定为156 kg/m3，其它配合比微调。

3.3.2 试验总结

(1)原配合比设计矿物掺合料掺量不经济，矿粉掺量越多、需水量越大，混凝土强度越低。该商品混凝土公司原配合比见表6。

表6 贵阳某商品混凝土公司原配合比 kg

(2)原配合比设计混凝土坍落度经时损失快，而且损失大，易返场重新调配[12]。

(3)新配合比设计粉煤灰相对较多，需水量相对较小，混凝土强度相对较高。

(4)新配合比设计针对坍落度损失留有一定的富余系数，增加了一定减水剂掺量，又增大了一定砂率，使混凝土处于较高的流态，但不离析，再增加胶凝材料用量，弥补强度损失。该商品混凝土公司新配合比见表7。

表7 贵阳某商品混凝土公司新配合比 kg

(5)新配合比较原配合比设计更加实用，满足了现场使用需要，使混凝土质量更加可靠，而且在使用相同等级混凝土时，成本降低率为5%左右。

4 SWOT分析

4.1 优势

(1)《高性能混凝土的制备方法》国家专利技术适用范围广，适用于全国各地区高性能混凝土配合比设计。

(2)具有较高的技术性、创新性和实用性，在保证混凝土工作性、密实性、强度、抗裂性和耐久性满足要求的同时，生产单位立方米混凝土成本最低。

(3)千元的投资，千万元的回报，产生的效益明显，能够保证混凝土生产企业利润持续稳定增长。

4.2 劣势

(1)《高性能混凝土的制备方法》国家专利技术推广应用处于起步阶段，没有形成经营的团队或公司，目前只是在单兵作战。

(2)缺少市场占有率，而且专业性强，不易被认可。即便有第三方监督机构认可配合比设计，如因原材料和施工原因导致出现问题，也会追究配合比设计责任，这个误区暂时无法破解。

(3)形成成果后容易被窃取，合作方不愿支付报酬。

4.3 机会

目前，应用《高性能混凝土的制备方法》国家专利技术的12个项目均为经推荐和单位内部使用，缺少专利成果转化的平台，可以利用网络和媒体宣传报道，参与商品混凝土展会和行业学术交流会等形式推广应用。

4.4 威胁

《高性能混凝土的制备方法》国家专利技术目前是可靠的先进技术，提供的是技术服务，而且混凝土市场足够大，即便有竞争对手，也不存在威胁。

5 实施流程

5.1 设计条件

试验期间由企业提供原材料单价及检测报告、实际使用配合比报告和混凝土产量等基础资料。

5.2 研究计划

研究计划分4个阶段分步实施:第1阶段进行初步研究，利用1个月左右时间确定初始配合比；第2阶段进行性能验证，利用2个月左右时间确定使用配合比，并由第三方监督机构出具配合比性能报告；第3阶段为实体试用期；第4阶段为精进配合比。

5.3 费用计取

(1)对于商品混凝土企业，以半年混凝土产量所能降低的成本作为技术服务费。计算方法为上一年混凝土生产总量的一半为基数，乘以降低成本的平均数。确定使用配合比后，签订合同并支付20%预付款，使用30 d时支付50%技术服务费，使用精进配合比第60 d时支付剩余技术服务费。

(2)对于自建站施工类企业，以剩余混凝土总量所能降低的成本比例作为技术服务费。计算方法为剩余混凝土总量为基数，乘以降低成本合适比例为报酬，合适比例视项目情况和合作方确定，按月平均支付，一年内全部支付完成。

6 效果预估

近期目标:对内以打造技术品质和培养团队为主，确保项目应用稳定，技术推广稳步推进；对外以单位内部使用和朋友推介的项目为主要服务对象。每季度至少完成1个年产量在50万以上立方混凝土的项目，实现年降低成本4 000万元。

远期目标:5年内成立混凝土技术服务公司，各省建立服务站点，与大型混凝土公司合作或承包其实验室，助力企业发展。每月签订1个年产量在100万以上立方混凝土的合同，实现年降低成本2亿元以上。