第一节 混凝土及其制品的种类及其生产工艺
一、混凝土及其制品的种类及执行的产品标准
混凝土是一种由胶结材（无机的、有机的或无机有机复合的）、颗粒状集料和一定数量的水拌和均匀，经硬化后形成具有堆聚结构的复合材料。
目前最广泛使用的混凝土是水泥混凝土，它由水泥、砂、石和水所组成，其中砂、石起骨架作用，称为集料，水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在集料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定和易性，便于施工。水泥浆硬化后，则将集料胶结成一个坚实的整体。这类混凝土的组织结构类似于某些天然岩石，故又称为混凝土人造石，简写为“砼”。制备混凝土时有时需要加入化学外加剂和矿物掺合料来改善流动性能、强度和耐久性。
水泥混凝土具有许多优点，可根据不同要求配制各种不同性质的混凝土。在凝结前具有良好的塑性，因此可以浇制成各种形状和大小的构件或结构物；它与钢筋有牢固的黏结力，能制作钢筋混凝土结构和构件；经硬化后有抗压强度高与耐久性良好的特性；其组成材料中砂、石等地方材料占75％以上，符合就地取材和经济的原则。但混凝土也存在着抗拉强度低，受拉时变形能力小、容易开裂，自重大等缺点。
1.混凝土的种类
混凝土的技术性能在很大程度上是由原材料的性质及其相对含量决定的，同时配料、搅拌、成型、养护的好坏也都对混凝土的质量有很大的影响。一般对混凝土质量的基本要求是：具有符合设计要求的强度；具有与工程环境相适应的耐久性；具有与施工条件相适应的工作性。混凝土的种类很多，也有多种分类方法。
（1）按胶凝材料分类 按照混凝土所使用的胶凝材料可分为水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混凝土等。
（2）按表观密度分类 按表观密度大小不同可分为以下三类。①重混凝土：是指干表观密度大于2600kg/m3的混凝土，通常是采用高密度集料（如重晶石、铁矿石、钢屑等）或同时采用重水泥（如钡水泥、锶水泥等）制成的混凝土。因为它主要用作核能工程的辐射屏蔽结构材料，又称为防辐射混凝土。②普通混凝土：是指干表观密度为1950～2600kg/m3的混凝土，通常是以常用水泥为胶凝材料，且以天然砂、石为集料配制而成的混凝土。它是目前土木工程中最常用的水泥混凝土。③轻混凝土：是指干表观密度小于1950kg/m3的混凝土，通常是采用陶粒等轻质多孔的集料，或者不用集料而掺入加气剂或泡沫剂等而形成多孔结构的混凝土。根据其性能与用途的不同又可分为结构用轻混凝土、保温用轻混凝土和结构保温轻混凝土等。
（3）按用途分类 可分为结构混凝土、水工混凝土、海工混凝土、道路混凝土、防水混凝土、膨胀混凝土、补偿收缩混凝土、装饰混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土、加气混凝土、保温混凝土、耐火混凝土、清水混凝土等。为了克服混凝土抗拉强度低的缺陷，人们将水泥混凝土与其他材料复合，出现了钢筋混凝土、预应力混凝土、各种纤维增强混凝土和聚合物浸渍混凝土等。
（4）按强度等级分类 根据混凝土的强度等级来划分，用混凝土强度英文名称的第一个字母加上其强度标准值来表达，如C20混凝土就是抗压强度等级为20MPa的混凝土。目前混凝土设计规范里包括C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C80共14个等级的混凝土。现阶段人们通常按混凝土的抗压强度把它分为低强混凝土（≤C25）、中等强度混凝土（C30～C55）、高强混凝土（C60～C80）及超高强混凝土（>C80）等。随着工程建设高度、深度、难度的提高，人们正尝试在工程中配制使用高强和超高强混凝土。
（5）按生产和施工方法分类 可分为预拌（商品）混凝土、泵送混凝土、喷射混凝土、压力灌浆混凝土（预填集料混凝土）、挤压混凝土、离心混凝土、真空吸水混凝土、碾压混凝土等。自密实混凝土、泵送混凝土、预拌混凝土以及新的施工工艺给混凝土施工带来方便。
（6）按混凝土中胶凝材料分类 按每立方米混凝土中水泥用量（C）的大小，可分为贫混凝土（C≤170kg/m3）和富混凝土（C≥230kg/m3）。另外，根据混凝土中掺加的其他辅助胶凝材料，还有粉煤灰混凝土、硅灰混凝土、磨细高炉矿渣混凝土等。
目前，混凝土仍向着轻质、高强、多功能、高效能的方向发展，发展复合材料，不断扩大资源，发展预制混凝土和使混凝土商品化也是今后发展的重要方向。高性能混凝土是由传统混凝土发展起来的一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，除了传统混凝土使用的水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物掺合料和优质减水剂。
2.混凝土执行的产品标准
目前国内混凝土产品标准及常用的混凝土性能试验方法、施工技术标准和验收标准如下。
（1）产品标准
GB/T 14902 预拌混凝土
JG J51 轻骨料混凝土技术规程
JG/T 3064 钢纤维混凝土
（2）试验方法标准
GB/T 50080 普通混凝土拌合物性能试验方法标准
GB/T 50081 普通混凝土力学性能试验方法标准
GB/T 50082 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准
GB 50107 混凝土强度检验评定标准
GB 50152 混凝土结构试验方法标准
CECS 02—2005 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程（附条文说明）
CECS 03—2007 钻芯法检测混凝土强度技术规程（附条文说明）
CECS 13—2009 纤维混凝土试验方法标准
CECS 21—2000 超声法检测混凝土缺陷技术规程
DL/T 5150 水工混凝土试验规程
JGJ/T 15 早期推定混凝土强度试验方法标准
JGJ/T 23 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程
JTG E30 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程
YB/T 2203 耐火浇注料荷重软化温度试验方法（非示差-升温法）
YB/T 2206.2 耐火浇注料抗热震性试验方法（水急冷法）
YB/T 2208 耐火浇注料高温耐压强度试验方法
（3）设计、施工标准
GB 50010 混凝土结构设计规范
GB 50108 地下工程防水技术规范
GB 50164 混凝土质量控制标准
GB/T 50557 重晶石防辐射混凝土应用技术规范
GB/T 50146 粉煤灰混凝土应用技术规范
GBJ 50119 混凝土膨胀剂应用技术规范
CECS 38 纤维混凝土结构技术规程（附条文说明）
CECS 104—99 高强混凝土结构技术规程
DL/T 5144 水工混凝土施工规范
JGJ 3 高层建筑混凝土结构技术规程
JGJ/T 10 混凝土泵送施工技术规程
JGJ 12 轻骨料混凝土结构设计规程
JGJ/T 17 蒸压加气混凝土建筑应用技术规程
JGJ 28 粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程
JGJ 55 普通混凝土配合比设计规程
JGJ 169 清水混凝土应用技术规程
JGJ/T 178 补偿收缩混凝土应用技术规程
JTG F30 公路水泥混凝土路面施工技术规范
JTJ 275 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范
JTS 257-2 海港工程高性能混凝土质量控制标准
YB/T 4252 耐热混凝土应用技术规程
（4）验收标准
GB 50204混凝土结构工程施工质量验收规范
3.混凝土制品的种类
混凝土制品是以混凝土（包括砂浆）为基本材料制成的产品，广泛应用在建筑、交通、水利、农业、电力和采矿等行业。混凝土制品一般由工厂预制，然后运到施工现场铺设或安装；对于大型或重型的制品，由于运输不便，也可在现场预制。为了加快混凝土预制厂模板周转，混凝土制品生产往往采用湿热养护工艺加快早期强度发展，缩短带模养护时间。
混凝土制品有配筋和不配筋的两种。配筋的混凝土制品主要用作承载构件，如混凝土管、钢筋混凝土电杆、钢筋混凝土桩、钢筋混凝土桁架、钢筋混凝土楼板、混凝土屋面板、钢筋混凝土轨枕、高速铁路预应力无砟轨道板、预应力钢筋混凝土桥梁、钢筋混凝土矿井支架、多防检查井盖、二层井盖，防滑踏步、安全雨水井箅等；不配筋的混凝土制品主要有混凝土砌体材料，如：加气混凝土砌块、混凝土实心砖、混凝土多孔砖、环保透气透水路面砖、仿古青砖、混凝土瓦、混凝土龙骨、混凝土挂板、建筑保温一体化模块、线形排水U形槽（窄箅雨水口）等。
加气混凝土砌块是以河砂、石灰、水泥为主要原料，以铝膏为发气剂，经原料磨细、配料搅拌、浇注发气、静停切割、蒸压养护而成的一种绿色环保的新型自保温墙体材料。具有质轻、高强、耐久、保温、隔声、防火、抗渗、锚固性能好的特点，具有施工便捷，可加工性强，能降低建筑物的综合造价，增加建筑物使用面积等优点，已被广泛用于工业与民用建筑中。
4.混凝土制品执行的产品标准
混凝土制品产品标准及常用的性能试验方法、应用标准如下。
（1）产品标准
GB/T 396 环形钢筋混凝土电杆
GB 4084 自应力混凝土输水管
GB 4623 环形预应力混凝土电杆
GB 5695 预应力混凝土输水管（震动挤压工艺）
GB 5696 预应力混凝土输水管（管芯缠丝工艺）
GB/T 11836 混凝土和钢筋混凝土排水管
GB 11968 蒸压加气混凝土砌块
GB 12987 乡村建设用混凝土圆孔板和配套构件
GB 13476 先张法预应力混凝土管桩
GB/T 24493 装饰混凝土砖
GB 26537 钢纤维混凝土检查井盖
GB 28635 混凝土路面砖
JC/T 448 钢筋混凝土井管
JC 565 电力电缆用承插式混凝土预制导管
JC/T 625 预应力钢筒混凝土管
JC/T 629 乡镇建设用预应力混凝土矩形檩条
JC/T 640 顶进施工法用钢筋混凝土排水管
JC/T 746 混凝土瓦
JC 888 先张法预应力混凝土薄壁管桩
JC 889 钢纤维混凝土检查井盖
JC 899 混凝土路缘石
（2）试验、应用标准
GB/T 15345 混凝土输水管试验方法
GB/T 16752 混凝土和钢筋混凝土排水管试验方法
GB/T 16925 混凝土及其制品耐磨性试验方法（滚珠轴承法）
JC/T 624 乡镇建设用混凝土构件质量检测方法
JGJ/T 323 自保温混凝土复合砌块墙体应用技术规程
二、混凝土及其制品的生产工艺及环境影响分析
混凝土及制品的生产一般都包括如下基本工艺流程，见图5.1、表5.1。
图5.1 混凝土生产流程
表5.1 混凝土生产的一般流程
1.原料
混凝土及制品生产的主要原材料是水泥、水、砂、石、化学外加剂和矿物掺合料。
水泥是混凝土中的胶凝材料。水泥与水形成水泥浆，包裹在砂、石集料表面并填充集料颗粒之间的空隙。水泥矿物遇水会发生物理和化学反应，生成胶体和晶体，硬化后产生强度。
砂、石又被称为集料，通过各种成型工艺紧密堆积在一起，形成混凝土的骨架。
化学外加剂是一种在混凝土搅拌过程中加入的用来改善混凝土性能的物质。化学外加剂掺量小（一般掺量小于水泥用量的5％），但其作用大，犹如混凝土中的“味精”，起到节约水泥、降低用水量，提高混凝土强度的作用。还有一些特殊功能的化学外加剂，可以用来减少混凝土收缩、大幅度提高混凝土流动性、降低混凝土冰点避免冬季受冻等。
矿物掺合料是利用工业废渣或者天然资源加工的具有一定细度的物质，在混凝土中充当辅助性胶凝材料，起到填充集料之间的孔隙，提高混凝土的耐久性能，降低大体积混凝土水化热等作用。
混凝土各种原材料使用的主要矿产资源包括：黏土、石灰石、石膏（前三者用于水泥生产）、砂、石。我国正处于城镇化快速发展阶段，以混凝土结构为主的房屋建筑和基础设施建设规模日益增大，预拌混凝土产量迅速增加，规模以上企业年产量已超过10亿立方米。每立方米混凝土中水泥用量300kg、砂子800kg、石子1100kg左右，以此计算下来，混凝土生产对天然矿产资源的消耗相当惊人。混凝土生产还需要使用符合一定质量标准的水，需要消耗水资源。在水资源并不丰富，砂、石材料在很多地方都出现紧缺的情况下，混凝土生产节约资源的问题显得特别突出。
2.搅拌
混凝土搅拌是将水泥、砂、石子、水、矿物掺合料、化学外加剂等材料混合后搅拌均匀的一种操作方法。搅拌在混凝土生产中是核心环节，决定了混凝土的品质。
预拌混凝土的搅拌通常在混凝土搅拌站内采用机械搅拌完成。机械搅拌代替传统的人工搅拌方法后，混凝土产量高、质量均匀。但在搅拌生产混凝土的过程中容易产生扬尘、噪声、污水排放、废料排放等污染问题。随着预拌混凝土的推广和普及，混凝土生产的环保状态得到提升。然而从整个行业发展水平来看，部分预拌混凝土的生产过程依然存在突出的问题：生产过程中的噪声、粉尘和废水超标，对周边环境和居民正常生活造成影响；预拌混凝土企业绿化面积不达标，厂区污水横流、粉尘飞扬，与周边环境形成反差，破坏城镇形象；许多企业在生产过程中过度消耗不可再生资源，不能对工业废渣、再生集料、尾矿等废弃资源进行综合利用；生产销售过程中出现的废弃混凝土未能得到及时有效利用，成为新的建筑垃圾，在增加资源消耗的同时加大了环境负担。因此，建设现代化绿色环保混凝土搅拌站已经成为建设节约型、环境友好型社会的必然要求。
3.振动
对已经浇筑入模的混凝土进行振动是为了使混凝土密实，排除混凝土中大量的空气，增加混凝土强度、耐久性，减少蜂窝麻面等问题。但是混凝土振捣也给周边环境带来噪声环境污染，据调查城市噪声的1/3来自建筑施工，其中混凝土浇捣振动噪声占主要部分。《建筑施工场界环境噪声排放标准》GB 12523—2011中规定，对于建筑施工噪声的标准是根据施工场界边界的噪声排放限值，昼间所有施工阶段噪声排放限值都是70dB。
为减少混凝土振动噪声环境污染，目前混凝土技术手段有自密实混凝土技术、自流平混凝土技术以及采用低噪声振捣器。自密实混凝土具有良好的特性，除了基本的高流动性、良好的抗离析性、拌合物均匀密实以外，在混凝土密实过程中由于无需振捣而表现出无噪声状态。
4.养护
混凝土在浇筑后，由于内部水化反应使混凝土逐渐硬化和形成强度。混凝土浇筑以后，如果遇到干燥、炎热的天气，水分会蒸发过快，表面的水分会蒸发损失，逐渐影响到内部的水分含量，引起水分损耗，使混凝土水化反应不充分，进而影响混凝土的硬化、强度的增长，引起混凝土的干燥收缩，并可能出现混凝土表面起砂、块状脱落等现象。因此需要使用水对混凝土进行养护，补充蒸发损失的水分。所以，水化反应作用离不开水的参与。
水资源是宝贵的天然资源，节约用水已经成为环保的热门主题，节约用水不仅体现在生活方面，在混凝土工程施工中也是需要引起人们的重视。在节约用水、养护新方法的开发方面需要新的技术手段，混凝土养护剂是近年来逐渐推广的一项混凝土养护新技术，已经在工业民用建筑、道路等方面得到成功应用，不仅可以节约用水，还可以达到节约人工和减少草袋、草帘、草苫、塑料薄膜使用的目的。当然，养护剂的生产过程需要做到环境友好、绿色化、无有毒有害物质排放，产品本身使用绿色无污染的成分。
混凝土预制件的生产过程中，为了缩短脱模时间，还需要将混凝土预制件放入养护池中进行湿热养护，即提高养护温度，加快水化反应速率，加快强度增长。
5.能源
混凝土搅拌、泵送、振动等需要使用一些机械设备，如：混凝土搅拌机、灰浆输送泵、混凝土喷射机、混凝土泵送设备、混凝土振捣器、高频振动器、混凝土真空吸水泵等，需要消耗大量电能。
为了加快模具周转，提高生产效率，混凝土制品常常采用湿热养护的方法，如在养护室、养护池、高压釜中进行常压和高压湿热养护，需要消耗电能和热能。水泥制品的常压养护一般包括预养期、升温期、恒温期及降温期四个阶段；高压湿热养护一般包括升温期、升压期、恒压期、降压期四个阶段。在升温期、恒温期、升压期和恒压期都需要消耗大量的热能和水蒸气。
我国混凝土空心砌块的生产能耗在1990年以前曾经达到1～1.2t标煤/万块（折标砖），部分企业经过进行墙体材料革新优化技术改造后生产能耗为0.5～1t标煤/万块（折标砖）；我国加气混凝土的生产能耗是0.9t标煤/万块（折标砖）。
部分水泥制品墙体材料的生产能耗、建造能耗和墙体总能耗见表5.2。
表5.2 部分水泥制品墙体材料的生产能耗、建造能耗和墙体总能耗
综上所述，混凝土的组成中涉及砂石等天然矿产资源的消耗、养护中需要煤炭和电力等能源消耗、施工中有粉尘和噪声等危害，给人类居住环境和地球环境带来了不可忽视的副作用。随着时代的进步，人类要寻求与自然和谐、可持续发展之路，对混凝土材料也不再仅仅要求其作为工业品的功能，而是要在尽量不给环境增加负担的基础上，进一步开发对保护环境，对人类与自然的协调能起到积极作用的新产品，开发出节能减排的新型生产工艺。这是时代的要求，也是水泥混凝土材料发展的必然趋势。