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以水泥的视角看混凝土的质量控制
封培然 （四川鑫统领科技有限公司技术中心，四川 眉山 620562）
［摘 要］本文从水泥生产的角度探讨了商品混凝土生产和质量控制的特点，通过混凝土短流程、多组分、零库存、易感性和时效性的分析得出混凝土作为湿化学反应，其在搅拌后各种性质处于动态过程，因此质量控制应该立足前端流程改造和强化后端性能预测分析，这与水泥生产有较大的不同，但两者应该相互吸收借鉴，为混凝土质量控制人员提供创新思路，尤其对水泥企业转变混凝土行业的从业人员改变思维方式实现混凝土质量稳定打下基础。 ［关键词］水泥；混凝土；质量控制 混凝土是水泥作为建筑材料的延伸，从这个角度看混凝土是水泥的终端产品，相应的商品混凝土作为水泥生产的下游行业，也是水泥行业的主要服务对象，同时许多从事混凝土生产的人员也往往来源于水泥企业，越来越多的水泥企业正在进入混凝土行业，因此以水泥行业人员看混凝土的生产，既有客观的一面，也有相互联系的一面。水泥生产技术在经历了一百多年的革新与进步后，今天的水泥技术已经建立了以预分解窑为基础的新型干法水泥时代[1]，而作为水泥产品的应用端，混凝土的生产也进入了以化学外加剂和矿物掺合料为技术进步手段的新的高性能混凝土时代，但两者分别朝着各自不同的方向发展：其中前者向大型化、规模化、自动化等方向发展，从而实现了水泥生产的均质高效；而应用后者的建筑工业有着朝功能化、集约化、商品化发展趋向。商品混凝土作为主要建筑材料也在随着建筑的发展向规模化、功能化和高性能化方向前进[2,3]。 本文通过对商品混凝土生产特点的观察和研究，探讨了普通商品混凝土质量控制中存在的问题及其未来的发展方向。商品混凝土又称预拌混凝土，是现代混凝土的发展方向，它改变了原来建筑施工现场搅拌的方式，将生产地点由施工工地改为专门固定场所，实现了生产的专业化和规范化，物料的集中堆放和计算机自动化控制，但是不容忽视的是，商品混凝土生产方式的改变没有改变其作为建筑物半成品的天然缺陷，正如水泥生产没有解决其自身高温度煅烧所需要大量能源一样，因此商品混凝土真正成为终端产品将是未来混凝土生产的发展途径，也是混凝土商品化的最终方向。 1 混凝土生产的特点 1.1 短流程 与水泥生产相比混凝土的生产明显呈现流程短的特点，商品混凝土的生产流程可以简单记为：原材料的准备→混凝土的搅拌→混凝土的运输，其最重要的就是商品混凝土的搅拌。与水泥企业的生料制备、熟料烧成和水泥粉磨等过程相比，商品混凝土的生产十分简单，这就造成混凝土的生产速度快、质量波动大、稳定性差，造成这种现象的原因在于商品混凝土的生产存在以下缺陷： 1.1.1 原料无均化 水泥生产之所以能够生产出均质稳定的产品，在于水泥生产有良好的均化链，从矿山各品位矿石的搭配到原材料的预均化，生料的粉磨，生料均化库的均化，均衡稳定一直贯穿新型干法水泥生产的始终。对比混凝土生产，进厂原材料多为汽车运输，堆放进搅拌站后不经过任何措施就开始使用，而且部分企业为了降低原材料资金占用甚至会保持很低的库存，或者在生产旺季得不到足够数量的原材料，造成砂石等原材料未经检验直接使用，严重违反了水泥企业通常要求的“先检验后使用”的基本原则。对于混凝土所使用的天然砂石等物料，由于本身物料粒度较大，资源矿山品质多变，制造设备简陋，砂石等物料的矿物组成经常发生变化。同时石子经过简单破碎，其中大部分有害杂质无法剔除，粘土等有害物质频繁波动，图1就是某公司石灰石粉亚甲基蓝MB值检测结果的波动情况。实际上，多数商品混凝土企业并没有自备矿山，上游砂石质量和数量无法控制和调整，而即使有矿山的搅拌站也很难做到大规模储备性搭配开采。 对于固体物料，粒度越大，离析越大，越难以均化。对于天然砂石材料有均化设施的水泥企业尚且存在一定的波动，而使用未经均化的原料的商品混凝土企业的质量波动就更加剧烈了。 图 1 某公司连续十天的石灰石亚甲基蓝 MB 值检测结果
对于混凝土的其他原料也是如此，尤其是胶凝材料的波动传递效应更为明显，没有任何的缓冲和稀释的余地。混凝土行业对于这种质量波动毫无措施，或者在波动发生后采取消极的措施应对，如频繁调整配合比等，这些质量管理极其粗放。 1.1.2 计量精度要求高 水泥企业和商混站的计量要求有相似的地方，那就是连续式计量，这种计量方式要求计量设备响应速度快、反馈迅速，自身能根据设定值快速调整。对于物料而言计量的量越大，相对误差对结果的影响越小。水泥企业每小时的产量都在100～500t 范围内，因此计量结果相对准确。商品混凝土的生产每次计量后都需要搅拌，而物料搅拌的均匀性需要一定的搅拌时间与空间，物料搅拌均匀性的要求限制了搅拌机的搅拌容积，这样每次混凝土搅拌站的计量都在2～15t 范围，与数百吨的水泥企业计量设备相比误差明显放大。对于混凝土这种短流程的生产工序，计量误差对商品混凝土强度影响十分明显，特别是对水灰比的称量结果，因为预拌混凝土的水灰比与强度呈线性关系。生产中假定混凝土的水灰比是0.5，如果原材料计量存在 3% 的误差，同时原料水分存在3% 的波动，那么混凝土强度可以出现 20% 的波动，由此可知计量设备对混凝土生产的影响。 1.1.3 物料水分影响显著 商品混凝土生产规模小，物料水分没有通过烘干等途径进行恒定，尤其对于天气变化频繁的季节。下雨的天气很容易造成物料的饱和面吸水，在生产时若依然按照固定的用水量加入混凝土中，就会造成混凝土的水胶比偏大；相反在烈日下暴晒的物料由于水分损失，在混凝土搅拌过程中会吸收水分，造成混凝土中水胶比的减小，这些都会影响混凝土的和易性甚至后期硬化后的混凝土性能。 对比水泥生产过程，尽管原料也会有水分的存在，但是由于水泥在原料粉磨阶段均会出现高温环境，原料中的水分能够快速蒸发，对产品的影响可以忽略不计，同时水泥的生产过程中规定物料最低的存储量以保证系统运行时间内物料的连续供应，同时原料的存储一般在库内存放，避免外界天气条件的影响，这一点非常值得预拌混凝土生产厂商借鉴，先进场先使用，后进场后使用的原则也非常必要。对于直接购买其它企业砂石资源的商品混凝土生产单位，除了要考核供应单位的资源品质外，还应考虑供应单位的生产能力、机械设备、生产工艺、长期质量变异系数等，减少原材料品质的波动。 水泥生产是连续稳定的过程，而预拌混凝土则呈现流程短的特点，从生产稳定的角度看商品混凝土的生产可以通过增加物料存储，实现物料预均化等措施来保证质量的稳定以及生产的均衡性，部分采用劣质材料的企业甚至可以建立上游材料的烘干、改性等工艺延长生产工艺流程。 1.2 多组分 与水泥生产相比混凝土的生产原料更加多样化，它包括细集料、粗骨料、水泥、矿物掺合料、化学外加剂、水等六种组分，在现代混凝土中每种原材料都必不可少，相反水泥原料一般不超过4 种，并且每种物料均为粒度 10～50mm 的固体颗粒，原材料种类和质量相对固定，以保证较好的配料稳定性。预拌混凝土的组分数多，物料粒度相差较大，假设每种物料出现高低两种波动，那么预拌混凝土将出现2n 个结果，n≥6，即使是最普通的 n=6，就会出现 64 种不同的结果，这也就是做混凝土的配合比经常出现千差万别的原因。物料种类多，必然会增加生产控制的难度，增加一种物料，生产控制的难度会增加一倍，也就存在增加一倍的质量波动风险。当出现质量问题时，分析问题出现的原因也会异常复杂，每种物料都是一个影响因素，在分析问题时，因素之间相互耦合，相互干扰，图2 就给出了混凝土原材料质量波动影响因素的因果图示意图，从图中可以看出每一种原材料都存在多种影响混凝土质量的因素，包括矿物掺合料在内，尤其是化学外加剂种类繁多，每种外加剂都是一个影响因素，外加剂之间相互影响，因此组分数的增加无疑会增加质量控制的难度。 图 2 原材料质量波动的因果图 混凝土的多组分是伴随着混凝土应用朝着高强度方向发展而出现的，多组分理论在不断地强调各组分之间相互配合，在胶凝材料发生化学反应的条件下，达到最紧密堆积，以保证混凝土早期强度的提升，然而多组分的相互配合在生产实践中的一致性十分关键，即一旦按照试验设定的混凝土配合比进行设计生产，必须保证生产实际的原材料与实验室设计的原材料保持一致并长期稳定，而原材料的波动往往造成一致性很难实现。从质量控制稳定的角度看，多组分的风险十分明显，尽量固定某种原材料和固定生产厂家是商品混凝土企业的基本要求，但是在进一步要求混凝土性能稳定性时，减少混凝土生产的物料种类数将变得格外重要。 同时对于规模较大的商品混凝土搅拌站来说，为保证各个组分物料有足够的储存量和足够多的储库，必然要求企业占地面积的增加，这意味着商混站的前期投资也在增加。企业为了降低投资往往要求多种材料共用一个储库，显然物料种类数越多，各物料混合的风险越大，这也在增加混凝土质量控制的难度。 1.3 零库存 商品混凝土的生产真正实现了零库存，这是由其自身性质决定的。商品混凝土在加水搅拌后水化反应就开始进行，混凝土的可塑性能就开始逐步显现，此时必须尽快将混凝土应用于建筑施工，否则将会降低混凝土的施工性能，这缘于新拌混凝土的和易性能对混凝土的施工质量至关重要，也对其硬化后的力学性质影响明显，这一点与水泥企业的质量控制有明显的不同。水泥企业质量管理规程明确规定禁止水泥在储库内上入下出，就是为了防止出磨水泥质量波动直接传递于出厂水泥，从而影响水泥使用性能和导致建筑工程质量事故，而商品混凝土的质量控制刚好相反，只要产品搅拌完成就必须尽快出厂，防止水泥水化的进行改变混凝土性能。 零库存增加了商品混凝土质量控制的难度，对混凝土质量控制提出了苛刻的要求，同时由于商品混凝土零库存的必然性，混凝土的质量波动没有任何缓冲，导致混凝土质量波动的频繁发生，因此解决混凝土质量波动的精力应该放在商品混凝土生产的前端，除去建立严格进厂检验制度和严格的质量在线控制以外，对商品混凝土质量波动的的预防与诊断必不可少，统计过程控制（StatisticalProcess Control，简称SPC）是过去国际大型电子产品跨国公司对零库存和巨量电子器件质量控制的主要手段，它是在生产过程中的各个阶段（工序）对产品质量进行实时监控与评估，是一种预防性控制方法，在商品混凝土的质量控制中也可以借鉴其对生产过程的预防性控制，实现混凝土质量波动的提前预警，减小混凝土的施工质量的波动。 1.4 易感性 混凝土的易感性是指商品混凝土生产的各个环节受到周围环境影响而产生变化的程度。商品混凝土自生产到使用，中间涉及许多环节，主要包括原料采购，原材料的存储和计量，混凝土的搅拌、运输、浇筑、振捣、养护等，每个中间环节都会影响到混凝土的使用性能和最终的耐久性能，因此混凝土的易感性系数非常高，国内外大量的文献都指明了上述各个阶段的重要性以及不能合理处置造成的严重质量风险。本文仅就文献提及较少的运输作为例子，阐述混凝土的易感性。运输过程涉及到温度、湿度、时间等三个因素，正常的一天中，早晨温度最低，相比中午来说，水泥水化速度较慢，即使较远距离的运输对混凝土质量的影响也不明显，而中午时气温最高，即使加入足够数量的化学外加剂也不能有效抑制水泥的水化进度，因此根据混凝土质量控制的需要，在一天中的高温时段混凝土的运输应该转向距离较近的工地，或者适当增加外加剂中的缓凝成分；当然在中午时分在不太繁忙的交通线路上，适当增加车速、缩短运输时间，以及增加搅拌运输车外筒体洒水降温等措施也是必要的。 当时间尺度延伸至一年时，在冬季的室外的最高温度比夏季的室外温度相差30℃ 以上，因此冬季的混凝土运输制度应该与夏季相区别，以防止混凝土温度降低至 5℃ 以下，尤其是在更低温度时段的混凝土汽车运输，保证运输过程中混凝土不因为热量散失而遭受冻伤十分必要[4]。 运输过程中湿度的变化主要体现在大风、暴雨等极端天气的变化，混凝土运输过程能否在短时间内运输至施工工地使用受到多种因素的影响，既包括客观的自然条件，也包括人为安排及工程进度等，往往存在部分混凝土运输时长超过3h 以上，在运输途中可能会出现天气的极端变化，例如刮风、下雨等，混凝土搅拌运输车周围环境的变化直接影响内部混凝土的湿度变化，也就是造成其内部水分的流失或者增加，根据保罗米公式，R28=A·Rc（C/W-B），灰水比与混凝土28d 抗压强度呈线性关系，水分变化也就直接影响混凝土最终的强度，尽管较短时间的环境湿度变化对混凝土含水量影响不明显，但是水分流失或增加对混凝土和易性的作用却不容忽视。 商品混凝土运输过程中路况的好坏也对混凝土质量有一定影响，这不仅是时间的长短，最重要的是混凝土骨料的离析，尽管运输过程中混凝土在不停的搅拌，但在长期颠簸的路面，这种搅拌不足以抵消离析的影响，试验结果证实，新拌混凝土与颠簸运输后的混凝土强度相差1MPa 以上。 混凝土自搅拌加水时起，水泥的水化就在进行，尽管由于缓凝剂的使用，抑制了水泥的快速水化，但水泥的水化并不会就此停止。随着时间的推移，水泥水化的不断深入，在混凝土运输途中混凝土的各种性能处于动态变化中，这种时刻不停进行的化学方应以时间为函数表征，同时也受到周围环境的约束。混凝土的易感性也表现在时间对其性能的作用，这是除去周围环境条件波动对其性能的影响外的另一因素，也许使用敏感性更适合表述混凝土性能的波动。商品混凝土的运输也可以比喻成新鲜蔬菜的运输，即使在保质期内也可能产生“腐败”，这无疑为混凝土的质量控制带来了困难。运输过程中外界环境的变化往往无法控制，时间长短也受到多种条件的制约，因此降低混凝土质量波动的措施主要是阻断或者减小环境变化的影响，缩短运输时间，以保证混凝土质量的稳定性。 1.5 时效性 混凝土的时效性表现在混凝土性能随时间变化的情况，即不同的时间混凝土的性能不同。作为一种普通的建筑材料，商品混凝土主要依靠其硬化后不断增强的力学性能实现对建筑物的支撑与承载等，为了保证不同复杂结构混凝土构件的施工，混凝土必须有足够的流动性和粘聚性。混凝土力学性能的获得就是水泥持续水化由塑性状态向水硬性材料转变的过程，这个过程是水泥水化产物不断填充混凝土空隙的过程，因此不同的时段施工作业对混凝土的性能要求不同，在可塑性阶段必须有足够的流动性、保水性、可泵性和粘聚性，在硬化阶段必须有体积稳定性、抗渗性、强度增长性以及耐久性等，在可塑性的阶段也只有1～2 个小时，在此时间内混凝土必须到达工地并应用。显然与水泥生产相比水泥就没有时效性的问题，只要水泥能够妥善密封，水泥可以保持 6个月以上继续使用。 混凝土产品的时效性比较短，这与混凝土的湿化学反应紧密相连。图3 是混凝土坍落度与时间的关系。从图中可以看出，随着时间的推移，混凝土的流动性在逐步损失，混凝土时效性的控制就是在规定的时间内，将其浇筑施工应用，一般情况下1 个小时内必须浇筑，浇筑完成时间夏季最长不应超过 3 小时，冬季最长不应超过 5 小时，这样才能较好的保证混凝土生产质量，一旦超过时效必须进行混凝土的报废处理。 图 3 不同时间的混凝土坍落度 2 混凝土质量控制的措施 针对混凝土生产与质量控制的特点，混凝土质量控制的措施主要是保证混凝土质量的均匀稳定。过去仅仅通过控制某种物料的质量是不够的，必须建立所有原材料的长期质量稳定，监控所有物料的质量变异系数。与水泥生产相比混凝土质量波动明显，质量不稳定变异系数大。保障建筑材料百分之百合格是商品混凝土质量控制的核心，在存在质量波动的前提下，只能依靠质量波动的下限来控制出厂混凝土质量，这就造成多余部分的混凝土强度的浪费，同时也造成各种物料的浪费。图4 就是混凝土质量控制的示意图，它从侧面说明保持质量稳定，剔除偶然因素和减小异常因素的重要性。在符合商品混凝土生产工艺的特点上实施质量控制，即是所有混凝土技术人员努力的方向，尤其是水泥行业人员转向混凝土生产领域的必须转变质量控制思维，同时要积极融合水泥生产过程控制的有益经验，显然这是一个螺旋提升的质量管理创新过程。 2.1 延长流程增加均化 延长商品混凝土生产工艺流程就是为了保证混凝土质量的稳定性和均匀性，对于各种砂石原料建立原料预均化堆场，既增加了物料存储量，保证了物料较长时间质量的稳定，同时物料的密闭堆放也减少了水分波动对混凝土质量的影响，延长生产流程的改造尽管增加了企业的占地面积，增加了布料机和取料机等附属设备，但是它也增加了物料的存储量和节省了人力，提高了企业自动化水平。对混凝土生产来讲，通过上游的控制往往比控制下游更简单、更主动，付出的成本最低，获得的效益最好。上游资源的好坏决定着整个混凝土质量，过去国内混凝土质量的改进焦点集中在化学外加剂的研究上，而近些年来随着砂石等原材料资源的枯竭，各种砂石都在变差，甚至在资源贫乏的区域开始使用非天然砂石，这些砂石中含有大量的杂质并且无法剔除，质量品位波动非常大，在实验室的小样试验不能代表整体的样本，预均化措施正好解决砂石的杂质波动问题，也保证建筑物按照既定寿命服役，质量的稳定也减少很多材料的浪费。 图 4 混凝土质量控制原理
2.2 适当减少组分数 在采取砂石材料均化后，物料的存储量得到大幅增加，但对于粉体物料来说没有合适的措施进行大面积堆积均化而只能采用气体均化，增加库容，物料种类数越多计量越复杂，需要建立的储存库数量越多，精简混凝土配料的物料组分数势在必行。其原则就是保证水泥充分水化的情况下，实现物料的最紧密堆积和施工性能。对于原材料的砂石而言，连续级配砂能够填充粗骨料孔隙，水泥能够填充砂的孔隙，矿物掺合料能够填充水泥的孔隙，这就形成了紧密堆积。并不是组分数越多紧密堆积的程度就越高，相反由于混凝土搅拌的时间有限，在大约120s 的时间内物料很难搅拌均匀，经常出现的情况是使用硅灰配制高性能混凝土，而硅灰呈现团状分布[5]，因此物料自身有良好的级配比通过搅拌混合达到紧密堆积更实用。减少组分数的前提就是要求物料必须级配良好。 2.3 合理安排，缩短环节时间 在混凝土搅拌之后，尽快的实现混凝土入模施工非常重要，在搅拌运输环节占用的时间越长对混凝土施工性能改变越大，这是由混凝土的时效性和易感性决定的。商品混凝土入模之后，机械振捣，抹面覆盖，定期浇水养护等同样对混凝土质量有影响，但此时施工方的责任占更大的份额，在混凝土配合比设计良好时，尽快将按照配合比保证质量的混凝土送入施工方是商品混凝土企业能够控制的，中间环节时间越短，混凝土性能发生变化的几率越小，受到环境影响的程度越小，因此尽量减少人为的时间延误，如道路不通畅、设备故障、吊装速度慢、人员安排不合理等非技术性时间延长。对于天气变化较快的地区，尽量减少输送距离，增加必要的保温或者降温措施；对于夜间施工的工程，更应防止以料等工的情况。 积极改善商品混凝土搅拌条件，在缩短运输及其它环节时间的同时，必须保证各组分物料的均匀搅拌，不能任意调整混凝土搅拌时间，只有充分搅拌才能实现混凝土各种物料的充分混合接触，达到最密实堆积的目的。一部分企业往往缩短搅拌时间来加快生产速度，这对混凝土的质量波动危害更大，是得不偿失的错误措施。在条件一般的路况上，商品混凝土运输距离10km 左右，最远不超过 15km，混凝土运送至浇筑地点后，不离析、不分层、组成成分不发生变化，并保证坍落度偏差在 30mm 内，在要求坍落度越小时，坍落度的允许偏差越小[6]。 3 总结 相对水泥生产，商品混凝土的生产环节更多并大都在围墙之外，因此商品混凝土的质量控制线路更长、更复杂，而及时性要求更高，但是通过稳定前端原材料质量，完善混凝土配合比设计，加强运输环节质量管理，进入施工模具内的混凝土就能得到保证。原材料质量的均衡稳定是混凝土质量控制的基础，将均化的理念引入混凝土是其质量稳定的必然要求，而将SPC 的预测功能应用在零库存的混凝土质量上对其质量控制也非常有益，探索适合的商品混凝土质量控制方式对我国中小混凝土企业的改造升级十分重要，这也是改变不断调整混凝土配合比来被动延迟质量控制的有力武器。改变过去混凝土质量控制依靠单独控制某种物料的做法，在管理粗放和降低成本的利益驱动下，多种物料都能达到要求并且持续稳定是不现实的，只有通过减少物料种类数，强化前端物料质量稳定性，减少运输环节时间消耗，合理施工，加强养护，建立规范的养护制度等措施，才能实现商品混凝土各个链条的有序运行和混凝土质量的持续稳定。在商品混凝土向最终商品构件以前，保证混凝土向均质方向发展是建筑施工的必然。 参考文献 [1] 陈全德．新型干法水泥技术原理与应用[M]．北京：中国建材工业出版社，2004(2):1-8． [2] 王骅．国内外混凝土行业现状及发展趋势[J]．混凝土世界，2010.1(7):10-16． [3] 陈建奎．商品混凝土——现代混凝土的发展方向[J]．商品混凝土，2004(1):2-6． [4] 刘克斌．建立对商品混凝土质量的控制[J]．建设监理，2008(6):76-77． [5] 江加标．用岩相分析方法诊断混凝土质量问题[J]．混凝土世界，2011(4):48-52． [6] 李伟．商品混凝土生产运输环节的质量控制[J]．福建建材，2010(5):58-103．
［作者简介］封培然（1980—），男，硕士，先后就职于冀东水泥和四川利森集团技术中心，现就职于四川鑫统领集团公司技术中心，任主任工程师。
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