浅谈商品混凝土对水泥品质的要求.doc

浅谈商品混凝土对水泥品质的要求 当前我国基础建设和房地产业的迅速发展，对混凝土这种用量最大宗、用途最广泛的结构材料的需求量大幅度增长，同时，建筑技术的进步对混凝土材料的性能提出了越来越多和越来越高的要求。然而许多工程实践表明，在工程使用1020年后，有的甚至使用不到 10 年，即需要维修。耐久性的不足，将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担。混凝土耐久性的研究已经成为混凝土科学最前沿和最重要的课题。 混凝土抗冻、抗渗、抗碳化性能的高低都直接影响混凝土的耐久性。但近些年来，混凝土裂缝对混凝土的抗冻、抗渗、抗碳化及结构受力的安全性都带来了致命打击，成了降低混凝土耐久性的最直接原因。对其产生的原因，许多专家学者经大量的研究后认为：与设计、施工工艺、混凝土配合比、钢筋品种、原材料、气候环境等有关，更与水泥有关。水泥的物理性能、矿物组成以及其它性能指标等因素都直接影响了混凝土的各种性能。1 水泥的物理性能指标1.1 水泥的强度随着 GB175-2007通用硅酸盐水泥标准的实施，取消了原标准中的 PO32.5 水泥，传统配制的混凝土（ C30）由PO32.5 水泥普遍改用 PO42.5 水泥。在没有适宜的矿物掺合料供应的情况下，势必造成混凝土中胶凝材料用量减少；为了满足混凝土的可泵性，维持一定的砂浆量，只能提高砂率，必将导致其拌合物的性能以及硬化混凝土的性能变得很差。受市场供求关系的影响，现有水泥厂为追求效益的最大化，普遍生产 R 型水泥。R 型水泥虽然可以达到混凝土早强、早拆模的目的，但由于 3d 强度高，水化热和收缩集中，会对混凝土裂缝的产生带来不利影响。随着水泥工艺的不断发展，水泥熟料质量越来越高，导致生产的水泥强度越来越高。好多水泥厂为了抢占市场，水泥富余系数不断增加，42.5 级水泥 R28 强度达到 5354MPa。水泥强度的提高，使混凝土强度的增长速度进一步加快，凝结时间缩短，收缩速度增加，混凝土早期开裂的可能性大大提高。1.2 水泥的细度 2001 年 4 月我国开始实施水泥胶砂强度检验方法（ISO法）。原来国家标准水泥胶砂强度检验用的胶砂比为1：2.5，水胶比为 0.44；新的 ISO 法，水泥胶砂强度检验改为胶砂比为1：3，水胶比为 0.5，这样原来国家标准检验的胶砂强度大幅度地下降。水泥生产厂为了使水泥达到新标准的强度，采取的措施之一就是提高水泥细度，原来水泥的比表面积为 300320m2/kg，现在将水泥比表面积提高到 360400m2/kg，水泥的比表面积提高了15% 以上。近几年来，混凝土的普遍开裂应该说与水泥颗粒越来越细有一定关系。水泥的细度对水泥的水化性能影响主要表现为：水泥细度增加，水化速率增大，导致强度增长率以及水化放热速率均提高。细度增加导致泌水减少，但在高细度情况下，对非引气混凝土来说，为满足工作性必须增加用水量，并导致干缩增加。增加细度，由于参加反应的有效 C3A 增加，凝结时间加快。1.3 水泥的标准稠度 水泥标准稠度用水量由 3 部分组成。其中，一小部分（不足 10%）为化学结合水，是在诱导期开始前被新生成的水化物相所结合的水量，若水泥的硫酸盐匹配能实现最佳化，则化学结合水量主要取决于 C3A 的转化量。绝大部分用水量都为物理用水量，其中较小部分用于润湿新生成水化物表面和填充它们之间的空隙，这部分物理用水量和化学结合水量受水泥比表面积和颗粒分布特性的影响较大。若能使硫酸盐和 C3A 的溶解率达到最佳匹配，这两部分用水量可降到最低。最大部分物理用水量是填充原始水泥颗粒间的空隙和在水泥颗粒表面形成足够厚度的水膜，使颗粒之间易于产生相对移动，水泥浆体达到标准稠度。然而颗粒形状，颗粒表面粗糙度和颗粒分布又会影响间隙的大小，影响填充水数量和为达到标准稠度所需的水膜厚度，也就影响用水量。 水泥需水性直接影响水泥外加剂适应性、混凝土工作性、非标准强度以及收缩开裂等使用性能。在我国实施等同采用ISO 强度检验方法的新标准后，水泥使用性能变差，平均水泥标准稠度用水量已由原先的约 23%上升到现在的约 27%，有一定量的水泥超过 30%。1.4 水泥的凝结时间 水泥的凝结特性主要影响砂浆的稠度。水泥加水浆体会逐渐变稠、硬化并逐渐失去可塑性，稠度达到某一个规定程度便相应称为初凝、终凝，最后完全固化称之为硬化。从浆体开始僵硬到硬化的过程也就是水化产物将本来为水所充满的颗粒间隙填满，将颗粒连接起来形成密实结构的过程。当水泥熟料单独粉磨与水混合，很快就会凝结，即快凝现象，使施工无法进行。掺加适量石膏就可使水泥的凝结时间得到调节，达到控制凝结时间的目的。对凝结过程起决定作用的 C3A 和 CaSO4之间的化学反应，硫酸盐的缓凝作用并非是由于它抑制了C3A（或 C3S）与水的化学反应，而是在于它改变了水泥颗粒间隙填充水中初期水化物的结构特性。这里存在 C3A和 CaSO4的数量和溶解速率是否相互匹配的问题，凝结时间的过短或过长，会给施工带来很多不便。水泥生产过程中如果使用无水石膏、硬石膏、化学石膏和半水石膏作为调凝剂，以及即使使用二水石膏但掺量不足，都会导致劣化减水剂的效果，甚至出现异常凝结现象。1.5 水泥中的混合材掺量 在磨制水泥过程中，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，增加水泥产量，充分利用工业废渣降低能耗，常掺入适量人造或天然矿物掺合料，即通常所说的混合材。混合材种类较多，掺量波动范围也较大，不同品种的混合材、同种混合材不同掺量都影响水泥的性能，进而影响混凝土性能。 水泥标准稠度用水量取决于混合材的种类，通用硅酸盐水泥 GB175-2007 标准中规定：标准稠度用水量掺火山灰水泥掺矿渣水泥掺粉煤灰水泥。水泥中掺入混合材后一般早期强度均较低，但后期可赶上甚至超过普通水泥，尤其对掺粉煤灰和火山灰的水泥。掺矿渣的水泥泌水率较大，掺火山灰的水泥由于标准稠度用水量大，干燥收缩也大。混合材的品种和掺量对混凝土的耐久性有一定的影响。 市场上水泥也存在混合材使用混乱的现象。水泥厂往往从经济利益考虑，采用就近原则掺加混合材，混合材品种有粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰、铁合金渣、石灰石、钢渣、炉渣、煤矸石、窑灰等等。其他国家的通用水泥所允许掺加的混合材就矿渣、粉煤灰、火山灰等三种常用人工或天然混合材，石灰石多作为辅助的性能调节型材料。由于混合材品种和掺量的复杂性，会造成在配制混凝土时出现外加剂与水泥不适应等问题。实践证明，高效减水剂对掺入矿渣和粉煤灰的水泥的适应性较好，而对火山灰、煤矸石、窑灰为混合材的水泥适应性较差。1.6 水泥中的含碱量 水泥的碱含量主要指水泥中 Na2O 和 K2O 的含量，通常以Na2O 等当量质量百分数表示。在混凝土界中我们经常提到碱骨料反应。由于碱骨料反应必须在混凝土中有足够的含碱量、足够数量的活性骨料和足够的水分供应，三个条件同时存在的情况下才会发生，并不要求任何情况下都限制水泥的含碱量。但是，高含碱量的水泥生成的凝胶中含有抗裂性能差的成分，能促进水泥的收缩开裂，进而促进混凝土收缩裂缝的生成和发展以至造成混凝土结构物的劣化。因此不管是否使用活性骨料，必须将水泥中的含碱量减到最少。其中碱含量偏高也会使减水剂的塑化效果变差，以及使混凝土拌合物坍落度损失快，凝结时间缩短，流动性及施工性能变差。2 水泥的矿物组成2.1 水泥中的C3S含量 由于建筑业的需求，现代水泥的组成发生了很大变化。美国从 1920 年到 1999 年，70 年中水泥和混凝土主要参数的变化的趋势是水泥中 C3S 含量从 35增加到 5060。我国水泥中最有效的成分 C3S 的含量也一直呈上升趋势。以 42.5 级水泥为例，我国水泥目前的 C3S 含量已达到 5260% 左右。C3S含量的提高，同样对提前拆模、缩短工期、配制高强度等级混凝土带来便利，但含量过高并非全是好事。C3S 含量的增加，水泥水化时放热量增大，强度和温度上升速度过快，使混凝土中产生收缩裂缝的机会变大。一般说来，减少水泥 C3S 含量也可提高抗淡水溶析能力，改善抗硫酸盐侵蚀性能，有利于提高混凝土耐久性。2.2 水泥中的C3A含量 虽然 C3A 在硅酸盐水泥中仅占 4%11%, 但对早期反应却有很大的影响，C3A 水化反应过程中可能会发生闪凝现象。水泥中的 C3A 虽对早期强度贡献较大，但水化热是其他矿物水化热的数倍，凝结速度快，是导致温度裂缝的主要原因。C3A 的硬化速度也非常快，一般 3d 强度可达全部强度的绝大多数，此后强度增长明显减弱、不增长，甚至倒缩。因此 C3A含量较大的早强水泥容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂，硬化后的结构混凝土抗硫酸盐侵蚀性能降低。对混凝土外加剂来说，C3A 的比例越大，对减水剂的吸附速度越快，减水剂的分散效果也就越差。因此 C3A含量高的水泥与外加剂的适应性差，减水效果差，导致混凝土拌合物流动性差。C3A含量高的水泥用于商品混凝土时，反应表现在外加剂缓凝时间不够，坍落度损失过大，凝结时间过短等，严重影响混凝土的浇筑与施工。3 水泥的其他性能3.1 水泥颗粒级配 各水泥生产厂家在采取提高水泥比表面积的方法来提高水泥强度的同时，不可避免地加剧了水泥粉磨过程中的过粉磨现象，使水泥颗粒中小于 3m 的微细颗粒含量多，据调查：大多数水泥产品中小于 3m 的微细颗粒含量都在 15% 以上，有的已经超过了20%，这样严重影响了水泥的性能。细微颗粒含量的增大加剧了水泥净浆流动度的损失。尤其粒径在 1m以下的颗粒水化很快，几乎对后期强度没有任何贡献，而对早期的水化热、混凝土的自收缩和干燥收缩有不利影响。细颗粒容易水化充分，产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物。粗颗粒的减少，减少了稳定体积的未水化颗粒，因而影响到混凝土的长期性能。 我们常常看到“优质水泥要求 60m 以上颗粒应尽量减少”的论断，而从混凝土的整体级配理论来讲，水泥颗粒应该和混凝土中的骨料颗粒级配连续起来，以利于混凝土的密实性。混凝土中细骨料的最小颗粒为 75m，而我国水泥中的粗颗粒，大于 60m 颗粒含量极少，这就造成了混凝土内6075m 区段内颗粒短缺，给混凝土的密实性带来不利影响。许多水泥厂为了提高早期和 28d 强度，也采取尽量减少水泥中60m 以上颗粒含量，人为地造成了窄颗粒分布。水泥的颗粒分布多使用 RRSB 方程描述 ：lglg100/R= nlgx - nlgx+lglge式中 R粒径为 x 的筛余，m ；x 筛的尺寸，m ；x特征粒径，m ；n均匀性系数。可以通过不同尺寸的筛余量，求得特征粒径和均匀性系数，进而判断水泥的颗粒级配情况，这对指导水泥粉磨生产是十分有意义的。3.2 水泥颗粒形貌 我们通常使用 Fuller 曲线描述水泥颗粒的最紧密堆积，影响堆积密度的主要因素是颗粒分布和颗粒形貌。而对于水泥颗粒形貌最简单、直观的表达方式是球形指数，我国部分大中型水泥企业水泥的球形指数平均值为 0.63，波动在 0.510.73之间，国外先进水泥的球形系数大约在 0.67 左右，有的达到0.78。比较起来，我国水泥的球形指数有待进一步提高。曾有报道某水泥厂引进卧式辊磨与球磨机磨制的水泥性能对比，水泥颗粒形状大部分为扁针状，球磨机为圆球形。由于水泥颗粒只有发生水化，才对强度有贡献，而水化过程对一个单独的水泥颗粒而言又是由表及里、逐渐发生的，相关专家认为扁针状厚度薄，水化进程比圆球形快而完全。但从堆积密度角度考虑，这种做法是有争议的，至少应避免明显降低球形指数的工艺设计和生产方法。3.3 水泥的质量稳定性 在水泥使用过程中，时常遇到强度波动或同一外加剂与水泥适应性发生差异的现象。以威海地区应用的某厂生产的水泥为例：受国家宏观调控的政策以及节能减排的影响，该厂淘汰了生产工艺落后的立窑，改为新型回转窑。投产后为了抢占市场，PO42.5R 水泥 28d 抗压强度达到 5152MPa, 生产一段时间供不应求。土建施工普遍存在抢工期（提高混凝土早期强度以便提前放线、安装模板支撑脚手架、加快设备材料周转而提前拆模）。水泥厂为了降低成本（增大水泥中混合材掺量）而又不影响用户对水泥早期强度的需求，从烧成工艺上调整了熟料矿物组成，增加了C3A 和 C3S 含量，而水泥 28d 抗压强度下降到 4445MPa。这对用户在控制混凝土生产质量的稳定性是极为不利的，因为进厂水泥化验是需要时间的，水泥 3d 抗压强度又变化不明显，而搅拌站的生产又是连续的。目前水泥行业有关水泥质量稳定性的规定，仅限定了28d抗压强度的均质性和均匀性，事实上几乎所有影响混凝土性能的水泥性能都应该具有稳定性的要求，而这些性能中多数与28d 抗压强度的相关性是不确定的。换言之，即使能保证水泥28d 抗压强度的稳定性，并不一定能够保证其它质量指标的稳定性。水泥质量的稳定性是混凝土质量稳定性的重要保证。3.4 水泥出磨后的存放时间 水泥出磨后应有一定的存放时间。在水泥使用的过程中，尤其在水泥紧张的季节，常发现水泥带一定的出磨余温，有时甚至高达 5060，这给混凝土质量控制带来难度。因此，要求出磨后水泥严禁直接打入散装水泥库，应先输入水泥储库，经检验出磨水泥安定性及其它质量标准合格后，通过多库搭配再打入散装水泥库。 使用的水泥温度过高也是导致混凝土早期开裂的一个主要原因。近年来，尤其是高性能混凝土的大量采用，这方面的工程质量事故也时有发生。水泥粉磨后，随着储存时间延长，与减水剂相容性会逐渐变好。有人认为其原因是随着储存时间延长，水泥中一些活性较高的组分如 C3A、f-CaO, 将吸收部分水分发生预水化。水分主要来自石膏的结合水，还包括少量空气中的水分。张大康专家认为，储存时间不同的水泥具有不同的性能，可能还有另外一个原因，即熟料颗粒表面静电荷的作用。多数减水剂属于表面活性剂，减水作用与熟料颗粒表面的静电荷有关。水泥粉磨过程使熟料颗粒内部的价键断裂，主要是 Si-O 共价键和 Ca-O 离子键被打断。这些键的断裂，使熟料颗粒表面产生静电荷。随着储存时间延长，静电荷逐渐减少。3.5 与外加剂的适应性 商品混凝土都使用外加剂，水泥与外加剂的适应性是一个很重要的指标。外加剂