李林

（巴斯夫化學(xué)建材（中國(guó)）有限公司，上海，200137）

1 前言

近年來(lái)，商品混凝土在中國(guó)得到了迅猛的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)2011 年中國(guó)商品混凝土產(chǎn)量已達(dá)7.4 億立方米，同比增長(zhǎng)了27.20%[1]，如需達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家商品混凝土占現(xiàn)澆混凝土的60%以上，設(shè)2010 ～2017 年按年增長(zhǎng)率15%遞增，我國(guó)將在2015 年左右達(dá)此目標(biāo)(年產(chǎn)18 億立方米)，這同時(shí)說(shuō)明商品混凝土在中國(guó)發(fā)展的空間依然很大。而低強(qiáng)度等級(jí)混凝土在混凝土中所占的比例最大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)C40 以上強(qiáng)度級(jí)別混凝土只占15.72%[2]，而在歐洲，C25～C30 等級(jí)的混凝土有三億二千五百萬(wàn)立方米，這大約占了歐盟商品混凝土的88%[3]。因此這個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土性能的改善和施工技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)整個(gè)混凝土行業(yè)的發(fā)展具有廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

混凝土性能的改善及其施工技術(shù)的進(jìn)步與外加劑緊密相關(guān)，而聚羧酸高性能減水劑代表著混凝土減水劑目前的最高技術(shù)?；炷辆埕人岣咝阅軠p水劑早在20 世紀(jì)80 年代中期由日本開(kāi)發(fā)，并且很快就應(yīng)用于混凝土工程，90 年代在混凝土工程中大量使用。據(jù)報(bào)道[4]，1995 年聚羧酸系減水劑在日本的使用量已經(jīng)超過(guò)了萘系減水劑；1998 年日本聚羧酸系產(chǎn)品已占所有高性能AE 減水劑產(chǎn)品總數(shù)的60%以上，而萘系只占22%[5]；到2001 年為止，聚羧酸系減水劑用量在A(yíng)E 減水劑中已超過(guò)了80%。但是，目前我國(guó)使用的高效減水劑仍以萘系為主，據(jù)中國(guó)混凝土網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，2009 年萘系等二代減水劑占全部合成減水劑總產(chǎn)量67.5%，2010 年占67.1%，2011 年占66.5%，雖然所占比例逐年下降，但單純地從減水劑的消費(fèi)結(jié)構(gòu)來(lái)看，二代減水劑消費(fèi)比例較大,占高效減水劑總用量的60%以上。因此參考發(fā)達(dá)國(guó)家混凝土減水劑比例構(gòu)成，聚羧酸高性能減水劑在中國(guó)勢(shì)必會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間。然而同其它高效減水劑相比，聚羧酸價(jià)格高，對(duì)原材料，尤其是膠凝材料較敏感，使得聚羧酸減水劑應(yīng)用受到限制，這些因素在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中影響尤甚，因此目前聚羧酸僅被應(yīng)用在高強(qiáng)混凝土或者對(duì)外加劑有要求的重點(diǎn)工程中。

2 面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

2.1 原材料

（1）水泥品種多，質(zhì)量波動(dòng)大，各種水泥甚至同種水泥均存在水泥熟料成分、摻合料種類(lèi)、顆粒形貌、比表面積等因素的差別，從而直接影響混凝土的新拌性能和工作性，給混凝土外加劑的適應(yīng)性帶來(lái)很大困難，主要表現(xiàn)在混凝土的包裹性、粘聚性、坍損、泌水等性能方面。

（2）粉煤灰是混凝土重要的摻合料，對(duì)于泵送混凝土，粉煤灰的輕質(zhì)性（密度小于水泥）和自然的球狀形貌增加了混凝土漿體的包裹性和和易性，有利于泵送。但隨著用量需求增加，所用粉煤灰的質(zhì)量普遍有所下降，活性指數(shù)普遍低于0.5，需水比一般大于110%。

（3）由于供求關(guān)系，礦粉的價(jià)格持續(xù)處于高位，幾乎與水泥不相上下，某些地區(qū)幾乎沒(méi)有S95 級(jí)礦粉供應(yīng)，只能采用S75 級(jí)礦粉。

（4）國(guó)內(nèi)粗骨料以碎石為主，顆粒形狀差，針片率與含泥量高，石粉含量高。級(jí)配好的中砂目前已出現(xiàn)供應(yīng)短缺現(xiàn)象，細(xì)砂與機(jī)制砂的應(yīng)用已越來(lái)越多。

（5）本地外加劑以萘系為主，脂肪族、氨基磺酸鹽、木質(zhì)素為輔，生產(chǎn)廠(chǎng)家技術(shù)水平良莠不齊，質(zhì)量波動(dòng)大。規(guī)模較小的聚羧酸生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越多，而合成技術(shù)和工藝不成熟，導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，其產(chǎn)品普遍特點(diǎn)是減水率還可以，但混凝土和易性差，坍落度損失快。

2.2 混凝土質(zhì)量控制的挑戰(zhàn)

（1）由于水泥種類(lèi)較多，每種水泥的性能差異都會(huì)造成混凝土質(zhì)量的波動(dòng)，尤其是與外加劑的適應(yīng)性，為避免頻繁調(diào)整配合比，在試配時(shí)往往會(huì)采用較高的富余系數(shù)來(lái)保證混凝土的工作性和質(zhì)量。

（2）砂石質(zhì)量越來(lái)越差，如膠材少就難以達(dá)到混凝土應(yīng)有的包裹性和粘聚性，且混凝土的穩(wěn)定性變差，用水量控制不準(zhǔn)就會(huì)造成混凝土泌水、離析；由于砂石含泥量增加，外加劑的摻量也會(huì)增加，且會(huì)影響混凝土成型后的強(qiáng)度。

（3）粉煤灰和礦粉強(qiáng)度活性偏低且多不穩(wěn)定，粉煤灰的需水比和燒失量大，這些不利因素使技術(shù)人員在配合比設(shè)計(jì)時(shí)只能增加水泥的用量或采用較低水膠比，增加外加劑摻量來(lái)保證混凝土的性能和質(zhì)量。

（4）由于勞動(dòng)力的逐漸缺乏，施工單位對(duì)混凝土的工作性有新的要求，如泵送混凝土坍落度從原有的14～18cm 增加到現(xiàn)有的18～22cm，流動(dòng)性的增加降低混凝土漿體的粘滯力，在骨料自重或外力等因素的影響下破壞了流變性能與粘聚性能的平衡體系，容易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，如何解決這種矛盾是在混凝土配合比設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中必須考慮的問(wèn)題。

（5）混凝土生產(chǎn)企業(yè)面臨激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，貨款拖欠嚴(yán)重，這就使得混凝土生產(chǎn)企業(yè)不斷地要求降低混凝土原材料成本，使用質(zhì)量相對(duì)較差的原材料配制出來(lái)的混凝土質(zhì)量難以得到保證。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，巴斯夫化學(xué)建材業(yè)務(wù)部以制備低成本、自密實(shí)、狀態(tài)穩(wěn)定的低強(qiáng)度混凝土為目標(biāo)，成功研發(fā)了能夠解決或部分解決上述問(wèn)題的混凝土革新技術(shù), 即智能動(dòng)力混凝土(Smart Dynamic Concrete TM，SDC）。

3 智能動(dòng)力混凝土

智能動(dòng)力混凝土（也可稱(chēng)作低強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土）解決了普通混凝土的高性能化及聚羧酸減水劑在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中應(yīng)用的敏感性問(wèn)題，它是對(duì)已被廣泛認(rèn)可的自密實(shí)混凝土(Self-Consolidation Concrete, SCC)的完善與補(bǔ)充。通常認(rèn)為，混凝土的自密實(shí)性能只能通過(guò)使用高效減水劑和大量的粉體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖1），因此，在大多數(shù)人眼中SCC 屬高端產(chǎn)品，只能用于高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，或有特殊設(shè)計(jì)要求的異形混凝土結(jié)構(gòu)的澆注。另外，聚羧酸高效減水劑是配制自密實(shí)混凝土的主要減水劑，其優(yōu)異的減水與保坍性能已被廣泛接受，但當(dāng)被用于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r，其對(duì)用水量及集料質(zhì)量波動(dòng)的過(guò)度敏感，使混凝土生產(chǎn)商望而卻步。

圖1 普通混凝土與自密實(shí)混凝土原材料用量對(duì)比

SDC 是用較低的膠凝材料來(lái)配制性能穩(wěn)定的低強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土（總膠凝材料用量低于380 kg/m3）以取代C25 ～C35 的普通商品混凝土。為了控制SDC 成本，并充分發(fā)揮Glenium?6000 SDC 系列與Rheoplus?5000 SDC 系列外加劑的減水與早強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，在配比優(yōu)化中，盡量減少水泥用量，相應(yīng)增加粉煤灰與礦粉的取代率，適當(dāng)?shù)亟档退冶?，提高砂率。調(diào)整的幅度視原材料條件而定，外加劑的配方也會(huì)因材料的變化而變化，最終實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的平衡，實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的最大化。如果在混凝土中降低水泥用量，混凝土粘度也會(huì)隨之下降，就會(huì)較易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，這就需要一種粘度改性劑，能夠改善水泥砂漿的流變學(xué)性能，即適當(dāng)增加塑性粘度，但不顯著影響混凝土流動(dòng)性（低屈服值），保證低強(qiáng)度等級(jí)自密實(shí)混凝土勻質(zhì)性的同時(shí)具有良好的流動(dòng)性。配比中水泥及其它摻和料用量取決于強(qiáng)度等級(jí)、耐久性暴露條件以及水灰比，總膠凝材料的用量不以改善自密實(shí)性為目的。最后，也是最重要的一點(diǎn)，就是該粘度改性劑的最佳摻量范圍要相對(duì)寬泛，不能對(duì)用水量和原材料質(zhì)量的波動(dòng)過(guò)于敏感，否則會(huì)增加實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中質(zhì)量控制的壓力和難度。基于此，BASF 的科研人員比較分析了各類(lèi)粘度改性劑的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并合成了一種新型的粘度改性劑RheoMATRIX?, 并開(kāi)發(fā)了Glenium?6000 SDC 系列（混凝土初始流動(dòng)度要求600 ～700mm，1 小時(shí)后流動(dòng)度大于600mm）與Rheoplus?5000 SDC 系列（混凝土初始流動(dòng)度要求500～600mm，1 小時(shí)后流動(dòng)度大于500mm）高性能減水劑產(chǎn)品。與普通聚羧酸減水劑相比，Glenium?6000 SDC 與Rheoplus?5000 SDC 的減水率高，保坍效果好，且能保證自密實(shí)混凝土應(yīng)有的流變性能[6-7]。

4 智能動(dòng)力混凝土的技術(shù)性能

在決定向中國(guó)市場(chǎng)推廣智能動(dòng)力混凝土技術(shù)之前，我們進(jìn)行了大量的調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，就該技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)廣泛應(yīng)用的可行性進(jìn)行了研究，并與部分商品混凝土公司合作，選擇各區(qū)域普通的但有代表性的原材料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明[6-7]，智能動(dòng)力混凝土通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比，使混凝土材料總成本與普通振搗型混凝土相當(dāng)或略高于普通混凝土（決定于原材料質(zhì)量的好壞），但性能優(yōu)勢(shì)明顯，其新拌混凝土性能優(yōu)于普通萘系混凝土，與更高膠材用量的自密實(shí)混凝土性能接近；同時(shí)智能動(dòng)力混凝土的早期強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)，28 天強(qiáng)度略高于普通混凝土；收縮性能有一定的改善；彈性模量與傳統(tǒng)振搗混凝土相近。鑒于在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中配制的混凝土強(qiáng)度均達(dá)到甚至超出了C30 的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，本文在眾多實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，列舉一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1、表2），僅供參考[7]。

表1 Glenium 6000 SDC 系列現(xiàn)場(chǎng)新拌混凝土的性能

表2 Rheoplus? 5000 SDC 系列現(xiàn)場(chǎng)新拌混凝土的性能

5 智能動(dòng)力混凝土成本分析

在預(yù)制構(gòu)件行業(yè)，自密實(shí)混凝土的優(yōu)越性顯而易見(jiàn)，它可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程，節(jié)約材料成本，提高質(zhì)量，增加產(chǎn)量，減少修補(bǔ)，降低噪音以及提高安全。而商品混凝土生產(chǎn)商不會(huì)從它的生產(chǎn)過(guò)程中直接收益，他只有銷(xiāo)售自密實(shí)混凝土的性能給自己的最終客戶(hù)。一般情況下，當(dāng)商品混凝土生產(chǎn)商銷(xiāo)售自密實(shí)混凝土，尤其是強(qiáng)度較低的SCC 時(shí)，他們提供的強(qiáng)度要高于設(shè)計(jì)值，從而導(dǎo)致自己的材料成本增加，因?yàn)樗枰ㄟ^(guò)提高膠凝材料的用量來(lái)滿(mǎn)足自密實(shí)混凝土必須的特殊性能。而過(guò)多的水泥或其它膠凝材料用量直接導(dǎo)致生產(chǎn)及運(yùn)輸成本的增加，因此在保證自密實(shí)性能的前提下，降低膠凝材料的用量會(huì)減少混凝土的單方成本[8]。

智能動(dòng)力混凝土設(shè)計(jì)主旨在于通過(guò)優(yōu)化混凝土高性能外加劑配方，調(diào)整混凝土配合比，適當(dāng)降低膠凝材料用量（相對(duì)于普通自密實(shí)混凝土）來(lái)降低混凝土材料成本與施工總成本（SDC 對(duì)于混凝土施工總成本的降低更為明顯）。當(dāng)混凝土原材料質(zhì)量較好時(shí)，SDC 成本與普通振搗型混凝土成本相當(dāng)或有所降低，當(dāng)原材料質(zhì)量較差，如粉煤灰質(zhì)量差，砂石含粉量與含泥量高時(shí)，SDC 成本會(huì)略高于普通混凝土。下面通過(guò)列舉兩個(gè)案例來(lái)說(shuō)明SDC 成本優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)表3 與表4）。其中表3 為SDC 與普通混凝土原材料成本分析，表3 與圖2 為現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土總成本對(duì)比分析。

表3 SDC 與普通混凝土原材料成本對(duì)比

表3 中，第1 組與第2 組為智能動(dòng)力混凝土，第3組為滿(mǎn)足工程項(xiàng)目的混凝土自密實(shí)要求，通過(guò)提高膠凝材料用量來(lái)配制的一般自密實(shí)混凝土。試驗(yàn)結(jié)果顯示，智能動(dòng)力混凝土的綜合成本更低。第1 組與第2 組比較，摻量提高了0.1%,用水量增加5kg，除強(qiáng)度因水灰比的提高會(huì)略有下降外，各項(xiàng)新拌性能依舊穩(wěn)定?？梢?jiàn)，與一般聚羧酸減水劑比較，Glenium 6000 SDC 對(duì)用水量和摻量變化的敏感性大大降低。而與第3 組比較，雖然第1 與第2 組水泥用量減少40kg，總膠減少50kg,但混凝土新拌和硬化后性能并不比第3 組差，而且綜合成本更低。

表4 現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土工程相關(guān)資料（歐洲案例）

對(duì)該工程相關(guān)部分成本進(jìn)行核算，得出混凝土施工各環(huán)節(jié)成本數(shù)據(jù)，由圖2 所示，該工程使用傳統(tǒng)混凝土施工總成本為8192RMB，而使用SDC 時(shí)，其總成本為7610RMB，節(jié)約了近580RMB，這對(duì)于建設(shè)方來(lái)說(shuō)成本節(jié)約巨大。同時(shí)圖2 所示，單純從混凝土角度出發(fā)，SDC 的成本要高出傳統(tǒng)混凝土2%～10%（該工程中混凝土總費(fèi)用相差100RMB），但是澆注總成本降低570RMB，如果建設(shè)方將利潤(rùn)中的10%轉(zhuǎn)移至混凝土供應(yīng)商，那么對(duì)混凝土供應(yīng)商來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)SDC 與普通混凝土等利潤(rùn)，完全能夠做到建設(shè)方、施工方、混凝土供應(yīng)商三贏(yíng)。

圖2 混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工成本分析

6 結(jié)論

（1）結(jié)合我國(guó)原材料和混凝土市場(chǎng)的特點(diǎn)，基于新型粘度改性劑與高性能聚羧酸減水劑新技術(shù)，提出了以C30 為代表的低強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土的高性能化的概念及解決方案——智能動(dòng)力混凝土（Smart Dynamic ConcreteTM, SDC）。該技術(shù)基本解決了低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的自密實(shí)及聚羧酸減水劑在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中應(yīng)用的敏感性問(wèn)題。

（2）基于客戶(hù)不同需求，開(kāi)發(fā)了兩種不同類(lèi)型的外加劑：Glenium?6000 SDC 系列（混凝土初始流動(dòng)度要求600mm ～700mm，1 小時(shí)后流動(dòng)度大于600mm）與Rheoplus?5000 SDC 系列（混凝土初始流動(dòng)度要求500mm ～600mm，1 小時(shí)后流動(dòng)度大于500mm）。與普通聚羧酸減水劑相比，Glenium?6000 SDC 與Rheoplus?5000 SDC 的減水率高，保坍效果好，且能保證低膠材自密實(shí)混凝土應(yīng)有的流變性能[6-7]。

（3）采用SDC 系列高性能減水劑可顯著降低混凝土的用水量和膠材用量，并在一定程度上提高混凝土的性能；一方面也可解決因各種原因造成的季節(jié)性原材料緊張的問(wèn)題，同時(shí)也為混凝土企業(yè)降低一定的成本；降低水泥等膠材的使用量、節(jié)約能耗，這不僅符合國(guó)家的節(jié)能減排政策，也是利國(guó)利民的好事。

（4）智能動(dòng)力混凝土（SDC）這一創(chuàng)新概念符合現(xiàn)有和不斷增長(zhǎng)的對(duì)高流態(tài)混凝土的需求，并對(duì)混凝土工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。我們相信智能動(dòng)力混凝土的成功推廣與應(yīng)用，必將會(huì)提升混凝土生產(chǎn)和使用行業(yè)的整體技術(shù)進(jìn)步。

[1]2011 年中國(guó)商品混凝土產(chǎn)量增長(zhǎng)27.2%[EB/OL].http://www.aski.com

[2]崔源聲. 08 年中國(guó)混凝土市場(chǎng)分析及前景預(yù)測(cè),建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所.

[3]Recommendation for Self-Compacting Concrete – Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, Japan, August 1999.

[4]劉秉京. 國(guó)內(nèi)外混凝土外加劑現(xiàn)狀[J].中國(guó)港灣建設(shè),2002(2):7-10

[5]姜國(guó)慶. 日本高性能AE 減水劑的研究進(jìn)程及應(yīng)用現(xiàn)狀.化學(xué)建材, 2000(2):42-44.

[6]楊健英，吳慧華，Bruce Christensen 等. 智能動(dòng)力混凝土—低標(biāo)號(hào)普通混凝土高性能化的探索與實(shí)踐(一)[J]. 混凝土, 2009(10):47- 49.

[7]楊健英，Bruce Christensen，李林等. 智能動(dòng)力混凝土—低標(biāo)號(hào)普通混凝土高性能化的探索與實(shí)踐(二)[J]. 混凝土, 2009(12):11-14.

[8]Mario Corradi. A new Viscosity Modifying Agent (VMA)for low fines content Self-Consolidating Concrete (SCC),Proceedings of the 2nd International Symposium ON Design, Performance and use of Self-Consolidating Concrete SCC’s 2009, Rilem, Beijing, China, June2009, P.246-254.