水工混凝土胶凝材料定义的探讨
摘要：为某些非活性掺合料的推广应用, 通过深入分析水工混凝土相关标准与规范对胶凝材料和掺合料定义的差异, 对照国家水泥标准、国家石灰石粉混凝土标准、建工行业石灰石粉在混凝土中的应用技术规范等对胶凝材料的定义, 结合工程中实测相关石粉对混凝土性能的实际作用, 论证了将石灰岩石粉、辉绿岩石粉作为胶凝材料的合理性和必要性。要拓宽作为胶凝材料石粉的岩石种类还应进一步加大研究力度。
关键词：水工; 混凝土; 掺合料; 混合材料; 石粉; 非活性;
作者简介： 朱丹, 男, 教授级高级工程师, 主要从事水电工程建设管理及施工管理方面的工作。;
收稿日期：2019-05-14
On the Definition of the Cementitious Materials for Hydraulic Concrete
ZHU Dan TIAN Jun ZHANG Quan
China International Water and Electric Corporation
Abstract：In order to popularize the application of some non-active admixtures, the differences between the definitions of cementitious materials and admixtures in relevant standards and codes of hydraulic concrete are analyzed. Also, the definitions of cementitious materials in other standards are compared, including the national standard of cement, national standard of limestone powder concrete, and the technical specification for construction industry on the application of limestone powder in concrete. Considering the actual effects of different stone powders on the concrete performance measured in practice, the rationality and necessity of using limestone powder and diabase powder as cementitious materials are demonstrated. While, further study is necessary to broaden the types of the rock stone powder as cementitious materials.
Keyword：hydraulic; concrete; admixture; mixed material; stone powder; non-active;
Received： 2019-05-14
水工大体积混凝土由于水化热温升使得混凝土内部温度高于表面温度，当内外温差过大时容易产生温度裂缝。为了减少混凝土水化热温升，在混凝土配合比设计中往往都会尽可能降低混凝土用水量并掺入一定数量的掺合料。水工碾压混凝土具有施工速度快，水化热温升低的特性。20世纪80年代开始，粉煤灰作为水工混凝土掺合料逐步得到广泛应用，20世纪90年代中期，三峡工程开始将Ⅰ级粉煤灰作为功能性材料使用，推动了水工混凝土的技术进步。
在混凝土行业将混凝土 (砂浆) 拌制时掺入的能改善混凝土 (砂浆) 性能的矿物质材料称为掺合料，而水泥行业将水泥粉磨时掺入的矿物质材料称为混合材料。两者对于混凝土来说本质上是一样的，区别在于一个是后掺一个是先掺矿物质材料。
随着我国水电工程建设的进展，大江大河施工条件和供货条件好的水电工程基本建完，很多上游在建、待建工程因运输距离远，粉煤灰等活性掺合料运到工地的价格远远高于水泥等当地材料。因此，科研、设计、施工单位针对水工混凝土出现的这一新问题，开展了大量试验和工程应用研究，丰富了水工混凝土掺合料的种类，解决了边远地区水工混凝土缺乏掺合料的难题。国内当地材料成功用作水工混凝土掺合料的有凝灰岩、火山灰、磷矿渣、石灰石粉、双掺料 (铁矿渣+石灰石粉，钢渣+石灰石粉) 、石粉等。由于不同的水工规范对胶凝材料或掺合料的定义不同，给非活性掺合料的使用带来一定的影响，同时对落实“一带一路”倡议，中国标准走向世界有不利影响 (标准的协调性差) 。本文从比较不同水工标准对胶凝材料的定义入手，借鉴国家标准和其他行业标准，以及工程实际配合比实例，提出对水工混凝土胶凝材料定义的看法，仅供同行参考。
1 水工规范对胶凝材料定义的差异
DL/T5144-2015《水工混凝土施工规范》[1]中的2.1.4条定义的掺合料为“拌制凝土或砂浆时掺入的粉煤灰、硅灰、矿渣粉、石灰石粉等矿物质材料”;第2.1.5条定义的胶凝材料用量为“每立方米混凝土中水泥和掺合料质量的总和”。结合这两条可以看出，除了将人们熟悉的具有一定活性的材料定义为胶凝材料外，还将“石灰石粉”定义为胶凝材料。SL677-2014《水工混凝土施工规范》[2]的相关掺合料、胶凝材料定义与DL/T5144-2015《水工混凝土施工规范》[1]基本一致。
DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技术规范》[3]中的第3.0.1条定义的胶凝材料为“混凝土原材料中具有胶结作用的水泥和粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉、磷渣粉、天然火山灰等矿物掺合料的总称”。从这里可以看出，该标准强调了“具有胶结作用”的材料，只把能够水化 (含二次水化) 的材料作为胶凝材料。
DL/T5330-2015《水工混凝土配合比设计规程》[4]中的第2.1.12条定义的掺合料为“拌制混凝土或砂浆时掺入的粉煤灰、矿渣粉、磷渣粉、硅粉、石灰石粉、天然火山灰等矿物质材料”。第2.1.14条定义的胶凝材料为“混凝土或砂浆中水泥及掺合料的总称”。该标准除了增加磷渣粉作为掺合料外，其他与DL/T5144-2015《水工混凝土施工规范》定义一致。
SL314-2004《碾压混凝土坝设计规范》[5]中的第2.0.4条定义的掺合料为“指为改善混凝土性能、减少水泥用量而掺入混凝土中的活性或非活性矿物质材料”。该标准与上述标准不同，将非活性矿物质材料归入到掺合料中，大大扩展了掺合料的范围，不仅仅是“石灰石粉”一种非活性矿物质。由于该标准没有给出胶凝材料的定义，可以理解为“只要矿物质材料中的有害成分少到不足以影响混凝土性能，均可作为混凝土掺合料使用，进而可以作为胶凝材料对待”。
从上述5个水工混凝土标准可以看出，其区别在于非活性掺合料是不是可以作为胶凝材料对待。SL314-2004《碾压混凝土坝设计规范》[5]可以理解为将非活性矿物质材料作为胶凝材料对待;DL/T5144-2015《水工混凝土施工规范》、SL677-2014《水工混凝土施工规范》[2]、DL/T5330-2015《水工混凝土配合比设计规程》[4]三个规范将石灰石粉作为胶凝材料对待;DL/T 5241-2010《水工混凝土耐久性技术规范》[3]只将有活性的掺合料作为胶凝材料对待。
对非活性掺和料在同一行业的标准中文字表述上的差异，不仅会影响到实际工程应用，还将影响中国标准走向世界，应引起相关部门予以重视并及时完善。
2 国家标准和行业标准对胶凝材料的定义
GB175-2007《通用硅酸盐水泥》[6]中5.2.4条对非活性混合材料的定义为“活性指标分别低于GB/T203、GB/T18046、GB/T1596、GB/T2847标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料，石灰石和砂岩，其中石灰石中的三氧化二铝含量 (质量分数) 应不大于2.5%”。
GB175-2007《通用硅酸盐水泥》[6]对通用硅酸盐水泥的定义为“以硅酸盐水泥熟料和石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料”。其中普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和混合硅酸盐水泥均允许掺入不超过水泥质量8%的非活性混合材料 (符合5.2.4要求) 替代活性混合材料。
JC/T 600-2010《石灰石硅酸盐水泥》[7]中3.1条对石灰石硅酸盐水泥的定义为“以硅酸盐水泥熟料和适量石膏以及一定比例的石灰石磨细制成的水硬性胶凝材料，称为石灰石硅酸盐水泥”。石灰石的质量分数为:10%<G石灰石≤25%。
GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》[8]中的第4.3.3条规定“石灰石粉用量应计入胶凝材料用量”。
JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》[8]中的第2.0.3条定义胶凝材料为“混凝土中水泥和活性矿物掺合料的总称”;但5.0.3条又规定“配合比计算时，应将石灰石粉用量计入胶凝材料用量”。
普通硅酸盐水泥中允许掺入不超过8%的石灰岩和砂岩，石灰石水泥中允许掺入最多不超过25%的石灰岩，水泥中掺入非活性混合材后，谁也不会认为它不是胶凝材料;GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》[8]虽然在术语中没有给出胶凝材料的定义，但正文中明确了配合比计算时应将石灰石粉用量计入胶凝材料用量;JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》[9]虽然在术语中认为水泥和活性矿物掺合料是胶凝材料，但后面的的条文又规定“在配合比计算时，应将石灰石粉计入胶凝材料用量”。
上述4个标准可以看出，掺入非活性混合材的水泥，只要非活性混合材料掺量在标准规定的范围，制成的水泥都是水硬性胶凝材料;JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》[9]和GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》[8]都将石灰石粉计入胶凝材料用量。因此，非活性掺合料 (混合材料) 在这里都理解为胶凝材料。
3 实际工程应用
在实际工程中将石灰石粉、辉绿岩石粉作为胶凝材料使用的典型工程有:柬埔寨甘再水电站工程，几内亚苏阿皮蒂水电站工程。柬埔寨甘再和几内亚苏阿皮蒂水电站工程使用的部分三级配碾压混凝土施工配合比胶凝材料用量见表1[10]、表2。
表1 柬埔寨甘再水电站工程使用的部分碾压混凝土胶凝材料用量表
表2 几内亚苏阿皮蒂水电站工程使用的部分碾压混凝土胶凝材料用量表
若只将水泥和粉煤灰作为胶凝材料，则表1中序号为4、5、6的配合比胶凝材料用量分别只有105、94、73 kg/m3，水胶比则分别为0.82、0.93、1.30;同样表2中序号为2的配合比胶凝材料用量为123 kg/m3，水胶比为0.79，均不满足水工碾压施工规范胶凝材料用量不宜低于130 kg/m3和水胶比不宜大于0.65的建议值。
实际工程中，根据表1和表2配合比进行施工的柬埔寨甘再水电站及几内亚苏阿皮蒂水电站的坝体混凝土，机口取样的结果见表3和表4。
表3 柬埔寨甘再水电站工程机口检测结果表
表4 几内亚苏阿皮蒂水电站工程机口检测结果表
从表3及表4的结果看，混凝土均满足设计性能指标要求且施工性能良好。
由此可见，若不将非活性掺合料算作胶凝材料，很难满足现行规范对最低胶凝材料用量的要求和最大水胶比的限制，不利于非活性掺合料的推广和应用。
因此，应将石粉等非活性掺合料作为胶凝材料看待。
4 结语
1) 同一行业的技术标准对胶凝材料的定义不同，不利于非活性掺合料的推广和应用，也不利于中国标准走出国门。相关部门注意行业标准的协调性。
2) 大部分水工混凝土技术标准认可石灰岩石粉作为胶凝材料使用，但对其他岩石生产的石粉没有予以肯定。应将石灰岩石粉应用的经验推广到其他岩石种类，以利于就地取材 (特别是海外工程) ，只要石粉能改善混凝土工作性能而又不影响混凝土设计性能指标。
3) 水泥行业用适量非活性的石灰岩、砂岩作为混合材制成的水泥称作水硬性胶凝材料，混凝土行业是否也应明确将石灰岩、砂岩以及其他不影响水泥 (混凝土) 性能的石料磨成的石粉作为胶凝材料。
4) 工程实践也证明采用石灰岩石粉、辉绿岩石粉作为胶凝材料是可行的，相关研究单位还应加大研究力度，进一步拓宽石粉的岩石应用种类。
参考文献
[1] DL/T5144-2015, 水工混凝土施工规范[S]
[2] SL677-2014, 水工混凝土施工规范[S]
[3]DL/T 5241-2010, 水工混凝土耐久性技术规范[S]
[4] DL/T5330-2015, 水工混凝土配合比设计规程[S]
[5]SL314-2004, 碾压混凝土坝设计规范[S]
[6]GB175-2007, 通用硅酸盐水泥[S]
[7]JC/T 600-2010, 石灰石硅酸盐水泥[S]
[8]GB/T30190-2013, 石灰石粉混凝土[S]
[9] JGJ/T 318-2014, 石灰石粉在混凝土中应用技术规程[S]
[10]皇甫拴劳.石灰岩石粉代替粉煤灰在柬埔寨甘再水电站大坝碾压混凝土中的应用[J].西北水电, 2011 (z2) :7-12
