水泥品質與商品混凝土性能

0前言近年來，商品混凝土得到迅速發(fā)展，混凝土技術也得到不斷推進。但混凝土這種廣泛應用于建筑業(yè)的大宗材料，受到原材料性能的影響，顯示出受供應材料的制約，影響著商品混凝土性能的提高。越來越多的人們在關心著混凝土的使用壽命，這種進步是對社會可持續(xù)發(fā)展的認識，反映了人們更加務實地重視混凝土科技進步，為我國的基礎建設和經濟發(fā)展提出了更高的要求。混凝土的耐久性問題研究已得到建筑科學技術與混凝土科學技術界的認可。混凝土的破壞常常由化學侵蝕或化學、物理和機械荷載的共同作用引起，混凝土的裂縫及抗凍、抗?jié)B、抗碳化性能與荷載降低了混凝土的耐久性。水泥作為混凝土的最主要膠材，其物理性能、化學性能對混凝土性能起著比其它材料更重要的作用，充分認識到水泥品質性能在混凝土中所起的作用，對掌控商品混凝土性能有著很重要的現實意義。1水泥的物理與化學性能指標1.1水泥的強度GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準中，水泥膠砂強度檢驗配比由水泥1：標準砂3：水膠比0.5（W/C）的試驗取得。這是為克服原來應用水泥漿試塊造成在試驗中存在一定難度與偏差大而采用的試驗方法。水泥的強度來自水泥石中礦物，水泥硬化體強度增長分別為C3S>C2S>C4AF>C3A；C3A礦物早期強度高，早期水化熱大，但C3A對總的水泥強度增長的貢獻應該是最小的?，F代水泥生產中有適當降低C3A礦物含量的訴求。水泥強度除受四種礦物組成與水灰比的影響外，還與石膏摻入量、水泥顆粒、礦物料的摻入、拌合程度、拌合方式、養(yǎng)護條件等因素有關。混凝土配合比設計配制的強度等級與水泥強度有著密切聯系。由于水泥強度波動大，造成混凝土強度波動大，這是屢見不鮮的。商混公司從經濟合理性角度出發(fā)，設計配比的富余強度值常制定在標準強度值的1.15～1.25倍。在其它原材料等不變的情況下，當水泥強度低于正常供應的水泥強度值超過5MPa時，混凝土28d強度質量會受到威脅。目前商品混凝土公司逐步增多采用P·O42.5R型水泥，現行標準中P·O42.5R型水泥3d強度為22MPa，而P·O42.5水泥3d強度為17MPa，相差5MPa；雖然正常供應的P·O42.5水泥3d強度也能達到22MPa，但水泥廠為了確保R型水泥的早期強度要求，或多或少會采取一些提高水泥早期強度的措施。如適當提高水泥熟料中C3S與C3A礦物含量，增加水泥的比表面積，調整混合材的摻量與品種，摻用助磨劑，使用脫硫石膏等措施。這些措施中多項對商品混凝土的坍落度損失，凝結時間，早期塑性收縮，增加裂縫機率及耐久性質量有影響。水泥品質除需注重硬性指標強度等外，考慮對商品混凝土性能潛移默化的影響是水泥領域探討與研究的方向。1.2水泥細度水泥細度是水泥廠生產中檢測頻次最多的物理性能指標。水泥細度的粗細對水泥的水化速率與水化完全程度有著相當影響。水泥細度粗，粗顆粒水泥的水化速率減慢，并使其不能水化的顆粒量增多，影響著水泥強度的正常發(fā)揮。水泥細度過細，使水泥早期水化速率加快，早期水化放熱速率增快，水泥早期強度明顯提高，如不能合理的調整水泥煅燒熟料的配比，水泥后期強度增長減少，28d以后的強度增長減少對水泥石的耐久性有影響。所以，水泥細度應控制在適當范圍內，讓其水化速率適合水泥強度正常發(fā)揮的要求。GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準中增加了R型水泥，水泥廠為了適應R型水泥早強要求，普遍采用提高水泥出磨細度措施使水泥早期強度得到提高。目前水泥廠提供的水泥比表面積在350～370m2/kg居多，比表面積比該標準前使用的水泥約提高10%左右。水泥比表面積的提高對水泥的質量并沒有什么影響，但大型水泥廠的水泥85%以上都是供給混凝土公司應用，比表面積提高，加速水泥顆粒完全水化，對混凝土的外加劑適應性、坍落度經時損失、早期塑性收縮、干燥收縮等均有一些影響，施工后如再不有效養(yǎng)護時，混凝土的碳化，耐久性都會受到影響。1.3水泥的標準稠度標準稠度是標準規(guī)定的一個水泥漿體稠度。標準稠度用水量是指水泥與加入的水按要求攪拌達到標準稠度時所需的用水量，水與水泥質量之比以百分數表示。標準稠度試驗的目的是測定水泥凝結時間、安定性及水化熱。當水泥與水混合時，發(fā)生復雜的物理和化學反應，水與水泥顆粒表面的礦物立即發(fā)生化學反應，生成含有水分的化合物，并釋放出一定的熱量，這就是“水化”。水泥與水拌合后，形成具有可塑性的漿體，然后逐漸變稠，失去的塑性達到規(guī)定值，這就稱為“凝結”。水泥標準稠度用水量的多少與多方面因素有關，在相同的礦物含量時水泥也會顯示出不同用水量，因水泥的水化活性取決于其加工過程，即水泥熟料煅燒速率、溫度和冷卻效果，這些會影響到礦物相在熟料中的分布，晶體尺寸大小、晶體缺陷的程度、晶型轉變等。熟料粉磨水泥時有個石膏摻量問題，很重要的是C3A的活性和硫酸鈣（CaSO4）的溶解度、溶解速率，并與溶液中的硫酸鹽離子濃度和可溶堿等有關。水泥標準稠度用水量的多少明顯的影響到外加劑適應性問題，通常用水量小的水泥與外加劑適應性均較好，反之就差。標準稠度大，即用水量大的水泥對混凝土水灰比有著直接的影響，影響到混凝土強度的下降，反映出混凝土用水量大、坍落度損失快、收縮大、開裂多、碳化大、耐久性降低。所以標準稠度大的水泥應引起水泥界人士的重視。1.4水泥的凝結時間水泥與水拌和反應的物理變化是水泥漿體從可工作的塑性狀態(tài)轉變成堅硬的脆性材料。水泥漿凝結過程分為初凝和終凝，可以采用標準的方法進行測定比較。水泥中摻入一定量的石膏能起到調節(jié)水泥凝結時間的功能。當水泥中未摻石膏時，與水拌和會產生急凝現象，其鋁酸鹽相（C3A）會與水迅速反應，C3S也會有顯著的水化作用。水泥比表面積又高時，則會產生急凝。急凝后產生的水泥團塊很難再散開，所以對水泥混凝土的品質會產生很壞的影響。但急凝程度取決于C3A含量及水泥比表面積大小等。當C3A含量在8%以下，比表面積不超過320m2/kg時，一般還不會產生急凝；當C3A含量較低，而比表面積較高時仍有可能產生急凝。但不摻石膏的水泥熟料是較難粉磨的。由于水泥中缺少CaSO4含量，即生成的鈣礬石與硅酸鈣凝膠比例失調，造成水泥強度受到一定影響。當水泥中石膏摻量低時，對水泥的調凝時間并不能起到有效作用；試驗證明水泥中SO3含量達到1.5%以后調凝時間作用有顯著改善。但由于SO3過高時對水泥體積產生膨脹破壞，所以，要注意根據石膏中SO3含量來確定水泥中石膏摻量，一般石膏摻量在3%～6%之間。1.5水泥中的SO3含量GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準中規(guī)定，水泥中SO3含量不得超過3.5%。水泥中的SO3含量主要來自石膏中，石膏的摻入量對水泥的凝結、強度、干燥收縮、標準稠度用水量、體積穩(wěn)定性、吸水膨脹及水化速率等都有一定或顯著的影響。所以石膏摻量有個最佳值范圍的問題。水泥中一定范圍內的SO3含量控制著C3S的水化，C3A與SO3反應生成鈣礬石則在誘導期維持漿體流動性，鈣礬石的生成對凝結時間并沒有直接影響，直至硅酸鈣凝膠（C-S-H）的大量形成，漿體流動性減小逐漸變硬，水泥漿體出現從初凝到終凝的轉變。石膏的摻入影響到C3S、C3A的水化與體積的穩(wěn)定性，最佳摻入量應對應最大強度和最小干縮。而事實上石膏摻量并不能確定對應最大強度與最小干縮；因此，實際水泥生產中采用控制摻量范圍。但當石膏含量過多，在漿體凝結后仍會產生過多的鈣礬石，并導致漿體微結構膨脹破壞。而石膏含量過少會產生AFt相不足，使得水泥水化和強度發(fā)展變得延緩，并受一定影響。水泥中適量含堿量會增加對應石膏最佳摻量的范圍。1.6水泥中混合材的摻入在磨制水泥過程中，為了增加水泥產量，降低水泥生產成本與改善水泥的某些性能，常摻入一定量的礦物混合材。這些混合材的摻入，可以延緩水泥的水化速度，提高水泥的保水性能與粘度，對水泥早期強度有影響，但后期強度能達到或超過不摻混合材的水泥。對新拌混凝土坍落度損失有延時作用。目前混凝土公司均采用摻摻合料的方法拌制混凝土，適量的摻入摻合料對混凝土的施工性能與耐久性有利，能降低混凝土裂縫幾率。水泥中混合材有?；郀t渣、粉煤灰、火山灰、石灰石煤干石、鋼渣、煤渣、窯灰等。由于混合材品種及摻量不同，對水泥產生的品質性能變化也有差異，摻礦渣的水泥具有一定的泌水性，而摻窯灰、煤渣的水泥時有標準稠度用水量偏大，干燥收縮也大。對混凝土的徐變、抗?jié)B、抗凍融性能會產生不利影響，新拌混凝土的坍落度損失偏大，耐久性也會受到一定影響。1.7水灰比（水膠比）眾所周知，水灰比是設計混凝土強度等級的重要參數，根據水灰比法則，在一定范圍內混凝土強度與拌和物的水灰比成反比，其水灰比（W/C）越小，混凝土強度和體積穩(wěn)定性越高，水泥膠砂同樣具有水灰比越小強度越高的性質。對于相同水灰比而言，水泥水化程度越高，則水泥水化越趨于完全，而毛細孔和未水化水泥顆粒的量相對越少，水泥石結構密實，強度相對就高，耐久性就好。水灰比增大，毛細孔所占比例相應增加，基體的密實度降低，而該水泥石的強度與耐久性隨之降低。現代混凝土的很重要手段，充分利用外加劑的減水功效來降低混凝土的水灰比，使混凝土得以向高強、高性能發(fā)展。1.8氯離子的含量GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準中，增加了氯離子限量的要求，即水泥中氯離子含量不大于0.06%。氯離子在水泥中的含量得到限量是非常必要的?；炷林械穆入x子的影響可稱得上多米諾骨牌效應，主要來自水泥與外加劑中微量元素，在混凝土中極為少量，但長期處在各種環(huán)境介質中往往會造成不同程度的損害和整體破壞。而混凝土組成材料的特性及內部缺陷更能造成混凝土損害和破壞，其中就與氯離子含量有相當關系。一方面混凝土是一種多孔的多相無機復合材料，混凝土表面粗糙，尤其是有裂縫的表面狀態(tài)與陶瓷、金屬成相基層差異很大；混凝土本身抗凍、抗?jié)B、抗碳化及抗氯離子滲透能力起著防侵蝕鋼筋構筑物的關鍵作用。另一方面混凝土內部氯離子含量同樣影響著結構物中鋼筋的脫鈍，當鋼筋表面的氯離子含量達到或超過臨界濃度時就產生脫鈍。如混凝土中一定量的氧和水供給，鋼筋陽極處失去電子生銹，結構進入腐蝕階段，隨著時間的推延，脫鈍推進的速度主要取決于外部環(huán)境及混凝土本身的氯離子含量與缺陷及抵抗氯離子擴散性能。脫鈍的鋼筋產生膨脹破壞構造體，使構筑物耐久性受到嚴重影響。1.9水泥中的堿含量水泥生產所采用的原材料中會帶入一些微量組分，這些小于1%的化學組分對水泥熟料的煅燒過程及礦物性能產生重要的影響。微量組分中最主要的為氧化鈉（Na2O）和氧化鉀（K2O），通常以R2O=Na2O+0.658K2O百分數表示。少量堿存在于水泥生產的原燃料中并不一定全是不利的影響，堿對降低水泥熟料煅燒溫度有利，主要是需看它以什么樣的形態(tài)存在于水泥熟料中。水泥中堿含量高時給混凝土中發(fā)生堿骨料反應提供了首要條件。混凝土發(fā)生堿骨料反應的條件為：（1）混凝土中具有足夠的堿（堿含量3.0kg/m3）；（2）骨料中具有堿活性物質；（3）工程處在一定濕度的環(huán)境條件下。三個條件同時存在時才會發(fā)生堿骨料反應?；炷林袎A含量大部分來自水泥與骨料中，還要我們注意的是常用的萘系減水劑中，Na2SO4含量在2%～20%間不等，對混凝土中總堿量影響也是不容忽視的。含堿過高的水泥不僅提供給混凝土中一定量的堿組分，為引起堿骨料反應創(chuàng)造條件，同時含堿過高的水泥因部分Na2O會進入到C3A礦物中，增加了C3A礦物水化活性，這對水泥的需水量、凝結時間與對外加劑的適應性都會產生影響，外加劑對混凝土的保坍效果變差，拌和物坍損變快，凝結時間縮短，混凝土的工作性能降低。2水泥的礦物作用2.1硅酸鹽礦物水泥中的C3S、C2S為硅酸鹽礦物，其中C3S是提供水泥強度與凝結的主體。C3S、C2S通常在水泥熟料中占到65%～85%。在磨制水泥熟料時需加入3%～6%石膏與部分礦物摻合料，實際水泥中的硅酸鹽礦物相應低于水泥熟料中的含量。如水泥生產采用降低硅酸鹽礦物含量方法，則水泥強度會有所下降。如采用過度提高硅酸鹽礦物含量方法，則會影響到C3A、C4AF熔劑性礦物的含量，過低的熔劑性礦物的熟料反而會影響到硅酸鹽礦物的生成，從而影響熟料質量與不經濟的生產狀況，所以保持適宜的硅酸鹽礦物與熔劑性礦物的比例是水泥生產必要的手段，也是保證水泥品質非常重要的方面。2.2熔劑性礦物適當比例的熔劑性礦物C3A、C4AF是保障硅酸鹽礦物順利形成的條件，也是保證水泥熟料易燒性與熟料質量的必要條件。但C3A具有最高的早期活性，因而對水泥和混凝土的早期水化及流變性有著重要的影響。由于C3A水化時與存有Ca(OH)2和石膏而被延緩，其結果為緩慢形成鈣礬石。C3A+3CSH2+26H—C6ASH32(鈣礬石)C6ASH32+2C3A+4H—3C4ASH(單硫型水化硫鋁酸鈣)另一方面，水泥中堿的化合物等會加速C3A的水化。較多的鈣礬石與C-S-H凝膠的形成導致漿體黏度增加，混凝土流變性隨著漿體微結構的變化向初凝與終凝發(fā)展。實際上混凝土中的C3A水化還受到其它較多因素影響，如水灰比、外加劑、礦物摻合料、水泥比表面積、環(huán)境溫度等。3水泥的其它性能3.1水泥的顆粒級配水泥的顆粒級配與水泥的粉磨形式有關，目前水泥廠采用的磨機主要有球磨、輥壓磨、立磨等，國內近十年來新上生產線采用輥壓機加球磨機磨制水泥居多。但球磨機分開流與閉流磨，開流磨是將水泥熟料、石膏、摻合料等一起磨制后直接送入水泥庫，這種磨機工藝簡單，但產量與節(jié)能方面不如閉流磨，且達到較高比表面積會出現較多的過粉磨現象。閉流磨是將水泥熟料、石膏、摻合料等一起磨制后進入選粉機，將合格的顆粒送入水泥庫，不合格的粗顆?；亓魅肭蚰C內繼續(xù)粉磨。這種粉磨方式效率較高，過粉磨現象很少出現。開流磨磨制水泥時為了達到水泥所需細度要求，磨內溫度較高，易出現石膏脫水現象，引起水泥不正常凝結與出磨水泥溫度高的現象。而閉流磨磨制水泥時物料在磨內停留時間短，一般不會達到石膏脫水的溫度。從顆粒級配的角度來分析，正常粉磨的開流磨水泥各顆粒級配的顆粒均有，對水泥28天后的強度增長有利，對混凝土的耐久性有利。閉流磨磨制的水泥顆粒比較平均，存有較少的過細顆粒與過粗顆粒。但不管是開流磨或閉流磨，水泥廠為迎合水泥的早期強度訴求，采取提高比表面積來達到目的。比表面積的提高降低了水泥顆粒的平均粒徑，使水泥產品中<3μm微細顆粒含量增多，微細顆粒的增多使水泥水化充分，水化熱峰值提前出現，水泥早期強度有所提高，但后期強度增長減少，這對于漿量較多的泵送混凝土來講是種不利的影響，混凝土的后期強度增長減少，自收縮增加，干燥收縮增加，產生裂縫幾率增多。3.2水泥質量的穩(wěn)定性混凝土質量的穩(wěn)定一定程度上是隨水泥質量穩(wěn)定而穩(wěn)定，商混公司在實際生產中遇到水泥強度的波動而引起混凝土試塊28d強度不合格的現象是能碰到的。目前商品混凝土公司廣泛采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥強度高時達到51～52MPa，而強度低時只有43～44MPa，甚至商混公司自己檢測的數據中極個別還不到42.5MPa。商混公司通常生產的C25與C30等級混凝土每方水泥用量相差約30公斤，C30以上等級差距增加。根據商混公司生產經驗數據顯示，C30等級強度混凝土如水泥強度從50MPa下降到45MPa，同配比原材料基本相同混凝土強度相應下降接近5MPa。如遇其它原材料質量下降，混凝土試塊試壓時就有可能出現“威脅”。水泥廠為了滿足某些用戶對水泥早強的訴求，組織生產時調整KH飽和比系數，增加C3S與C3A含量，并提高水泥比表面積，水泥3d強度看似正常，但28d強度增長不足，這對商品混凝土生產控制造成很大困難，商混公司又是連續(xù)性的生產企業(yè)，對水泥是先使用后出數據，水泥質量不穩(wěn)定常常使商混公司措手不及。水泥品質的穩(wěn)定涉及到水泥生產的內容很多，有礦石的品位質量、燃料煤品質的穩(wěn)定、生料配料的穩(wěn)定、水泥窯煅燒溫度的穩(wěn)定、其它生產工藝的穩(wěn)定及石膏質量的穩(wěn)定等；甚至在水泥供應緊張時，是否會適度放松質量控制指標，提高設備產能來滿足水泥供不應求的市場需求？假如水泥窯的生產不正常，窯出現多次一開一停的過程，窯溫從高到低必然會產生一定量劣質熟料，雖然水泥廠采用均化方式摻入其它熟料中磨制，但控制調整不及時與消化較多劣質熟料時，水泥總體的品質受到影響，所以穩(wěn)定水泥的品質對商品混凝土質量控制是至關重要的。3.3出磨水泥的存放時間水泥廠出球磨機的水泥溫度約在90～105℃之間，如出磨水泥入庫后當天即被運送至商混站水泥庫，特別在夏季氣溫較高，水泥溫度下降緩慢，隨即使用該水泥時溫度往往超過60℃。較高溫度的新鮮水泥正電性強，吸附外加劑能力強，商混站使用時會對混凝土產生一系列的問題。攪拌時用水量大、外加劑適應性差、坍損快、凝結時間縮短，施工性能變差，澆筑后的混凝土收縮大、彈性模量低，容易出現裂縫，耐久性受到相當程度的影響。水泥出磨后應有個存儲期，這對穩(wěn)定水泥品質性能有多方面益處，隨著存儲時間的延長，水泥溫度逐步下降，水泥中f-CaO吸收空氣中的水汽后轉變成Ca(OH)2，吸收空氣中的CO2后轉變成CaCO3，自然消化其活性，這對水泥安定性等有利。水泥中C3A與C3S等礦物同樣受到存儲時間的延長，其自身的性能得到改善，水泥進入較長時間段的正常發(fā)揮階段。這些性能的改善可能由于水泥在粉磨過程中使顆粒內部價鍵斷裂，使粉磨物料顆粒表面產生大量靜電荷，隨著存儲時間延長，靜電荷逐漸消失，水泥溫度的下降，部分顆粒吸收來自石膏中的水分與空氣中水分，使得水泥性能與外加劑的相容性趨于正常發(fā)揮，混凝土的工作性能得以在正常范圍內。3.4外加劑的作用與水泥的適用性問題商品混凝土摻入外加劑的作用主要有幾點：（1）具有較高的減水功效，降低水灰比，減少用水量，改善混凝土的和易性，提高流動性與泵送性能，保障混凝土強度和耐久性。（2）降低坍落度經時損失，延緩初終凝時間，保證混凝土具有良好的工作性能。（3）改善混凝土保水性，增加粘聚性，防止混凝土產生過多的離析泌水現象，提高混凝土抗?jié)B抗凍性能。（4）降低水泥水化熱速率，減少混凝土裂縫幾率。通常混凝土中使用的外加劑大多是由減水劑同其它如引氣劑、緩凝劑、保塑劑等復合而成的多功能型外加劑。外加劑的摻入極大程度上改善了混凝土的工作性能，這些外加劑的作用是使水泥顆粒帶上負電荷，從而使水泥顆粒間產生靜電排斥，并使水泥顆粒分散，抑制水泥漿體凝聚程度，增大水泥顆粒與水的接觸面積并能讓水泥充分水化。在擴散水泥顆粒的過程中，放出凝聚體所包圍的游離水，改善混凝土的和易性、流動性，減少拌合用水，從而起到減水功效。水泥與外加劑的適應性是個很現實的問題。當混凝土攪拌站出機坍落度正常，而輸送到施工現場時坍損很大，甚至個別出現放料困難，工地往往考慮施工方便，向混凝土中大量加水，這必將對混凝土質量造成很大威脅。所以外加劑使用應提前做好與水泥適應性試驗顯得尤為重要。水泥作為一種多組分的礦物混合料，在生產過程中采用的工藝手段，如熟料煅燒溫度，熟料急冷措施，粉磨時石膏摻量，粉磨熟料時磨內溫度等均會造成水泥中礦物組分、晶相狀態(tài)發(fā)生改變。水泥中吸附外加劑的能力應為C3A>C4AF>C3S>C2S，C3A礦物的早期活性和硫酸鈣的溶解度會吸附部分外加劑，從而影響到外加劑的實際使用效果。另一方面水泥中的堿含量也影響著外加劑的作用，一般含堿量低時的水泥減水效果增強，而當水泥中含堿量明顯增多時，會造成混凝土黏度、流動度變化產生較大影響。還有水泥生產過程中使用煤干石、石煤渣、劣質粉煤灰、火山灰?guī)r等摻合料也會引起對外加劑的一些影響。生產實踐還告訴我們，當水泥粉磨時采用的是半水石膏、磷石膏或工業(yè)副產石膏等會對混凝土產生嚴重的坍損影響及一定的異常凝結頻率。還有水泥中二水石膏摻量不足時，導致外加劑效果不佳，這些均給商品混凝土的工作性能帶來許多不利影響。外加劑與水泥的不相容性確實經常在混凝土生產中出現，如有些外加劑是以控制C3S水化來達到混凝土緩凝時間。外加劑廠沒有針對各種水泥組分不同品質性能差異變化而生產產品，或沒有預測到水泥組分變化的性能。而水泥廠生產的水泥也并沒考慮到商品混凝土采用哪種外加劑?；ゲ粶贤ň驮斐苫炷凉咎幵凇罢婵盏貛А?，免不了碰到材料品質不協調的問題。水泥粉磨溫度過高，使石膏部分脫水，形成較細的β-型半水石膏，易引起水泥的急凝，以及生產中堿、硫、氯、氟化物等微量組分的存在均會對水泥的結晶產生一些影響，有利的影響是正常的，不利的影響就是問題了，配對好水泥與外加劑適應性試驗，盡力使自己多掌握一些知識不妨是一種方式。4結束語（1）水泥企業(yè)人員要懂得商品混凝土的技術內涵