對(duì)硅酸鹽水泥質(zhì)量問(wèn)題的探討

1、對(duì)硅酸鹽水泥質(zhì)量問(wèn)題的探討摘要: 硅酸鹽水泥國(guó)外稱(chēng)波特蘭水泥(以下簡(jiǎn)稱(chēng)水泥)已有170多年的歷史,在世界各地都是主要建筑材料,估計(jì)到21世紀(jì)仍將有較大發(fā)展。近20年來(lái),水泥在性能和品種方面都有很大進(jìn)展,我國(guó)也非常重視水泥質(zhì)量問(wèn)題。 1對(duì)水泥質(zhì)量熟悉的轉(zhuǎn)變 從水泥生產(chǎn)廠的角度來(lái)看水泥是工廠的最終產(chǎn)品,但從使用者角度來(lái)看水泥還不能直接拿來(lái)為用戶(hù)所用,必需與其他材料配成混凝土才能應(yīng)用,所以水泥僅是半成品。隨著人們對(duì)這一問(wèn)題熟悉的加深,把水泥的生產(chǎn)鏈連續(xù)到混凝土或者說(shuō)連續(xù)到建筑構(gòu)件或構(gòu)筑物,在水泥質(zhì)量掌握和發(fā)展方面發(fā)生了一系列變化。例如無(wú)論從節(jié)能角度還是從環(huán)保角度都要求混凝土的使用壽命越長(zhǎng)越好,即混凝

2、土的耐久性應(yīng)比其他質(zhì)量指標(biāo)更為重要。到目前人們還都是把抗壓強(qiáng)度作為衡量混凝土質(zhì)量的主要指標(biāo),同樣也是作為衡量水泥質(zhì)量的重要指標(biāo)。然而在一些狀況下強(qiáng)度高的混凝土并不一定耐久,從很多混凝土的損壞實(shí)例中得出,造成混凝土破壞的主要原因一般都不是機(jī)械應(yīng)力的作用,而是各種化學(xué)侵蝕、凍融作用和其自身的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng),如堿骨料反應(yīng)。于是便提出了什么樣的混凝土耐久,用什么指標(biāo)來(lái)衡量混凝土的耐久性,需要什么樣的水泥來(lái)配制耐久性高的混凝土,對(duì)水泥質(zhì)量應(yīng)提出什么相應(yīng)地要求等等,這些問(wèn)題日益受到水泥科技工作者的重視,作了大量試驗(yàn)研究工作,取得很多成果,不久的將來(lái)會(huì)得出明確的結(jié)論。就目前而言,很多國(guó)家已經(jīng)熟悉到現(xiàn)行的水泥質(zhì)

3、量標(biāo)準(zhǔn)僅是材料標(biāo)準(zhǔn),或者說(shuō)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),主要是反映材料的特性、精確的定義和指標(biāo)的檢驗(yàn),以便于生產(chǎn)和質(zhì)量掌握,對(duì)材料的使用功能涉及的不多或者說(shuō)包括不夠齊全,而用戶(hù)最關(guān)心的是材料的使用功能,即這種水泥對(duì)他所要配制的混凝土及其所用的施工工藝是否適用,混凝土的耐久性能否得到保證。所以?xún)H用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度、安定性、細(xì)度等材料指標(biāo)來(lái)推斷水泥質(zhì)量就有些不足,還需要增加一些反映使用功能的指標(biāo),如和易性、砂漿的僵硬性、收縮和徐變、抗凍性、抗碳化性、抗化學(xué)侵蝕性、抗氯化物滲透性等等,還應(yīng)包括水泥質(zhì)量的勻稱(chēng)性和穩(wěn)定性。這些特性一般還都沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn),但有些國(guó)家如歐盟成員國(guó)已非常重視這些特性,并規(guī)定只有在這類(lèi)功能特性方面已獲

4、得有關(guān)建筑技術(shù)監(jiān)督部門(mén)認(rèn)可的水泥才準(zhǔn)許上市。老的水泥品種要經(jīng)過(guò)使用驗(yàn)證,新開(kāi)發(fā)的水泥品種都要作這方面的性能檢測(cè),其中最重要的是混凝土耐久性,要用快速檢驗(yàn)法檢驗(yàn)證明是否合乎要求。歐盟正在研究制定一個(gè)對(duì)全部品種水泥都適用的按功能特性分級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),它除強(qiáng)度外還考慮了混凝土耐久性,只是由于各國(guó)間的意見(jiàn)沒(méi)有統(tǒng)一,至今還沒(méi)有正式提出來(lái),但從近幾年水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、水泥質(zhì)量的提高、水泥標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)條款的修改等方面已能明顯看出對(duì)水泥功能特性的重視。 2混凝土的發(fā)展及對(duì)水泥質(zhì)量的要求 2.1高效能混凝土的發(fā)展 進(jìn)入90年月以來(lái),混凝土工藝有很大發(fā)展,一般混凝土的標(biāo)準(zhǔn)28d抗壓強(qiáng)度首先是提高到6085MPa以上,

5、近來(lái)又提高到105MPa以上,實(shí)際應(yīng)用的已達(dá)140150MPa,試驗(yàn)研究的已超過(guò)240MPa,所以最初人們稱(chēng)之為高強(qiáng)混凝土。后來(lái)發(fā)覺(jué)高強(qiáng)混凝土還具有很多其他方面的優(yōu)良性能,如耐磨性高,吸水率低,抗氣體和液體的滲透性好,抗凍性和抗化學(xué)侵蝕性強(qiáng)等等,這些都涉及到混凝土的使用功能,單用一個(gè)高強(qiáng)度還反映不出它的全部?jī)?yōu)點(diǎn),所以又改稱(chēng)為高效能混凝土,并把砂漿流淌性能特殊大的不需要機(jī)械振搗也能密實(shí)的所謂自密實(shí)混凝土也列入高效能混凝土之列。到目前高效能混凝土所產(chǎn)生的效果主要有以下幾方面: (1)削減占地面積。以混凝土支柱橫斷面面積為例,由C45號(hào)提高到C85號(hào),占地面積可削減36%,由C60提高到C120可削

6、減67%。 (2)節(jié)約鋼筋用量。若混凝土柱的橫斷面積保持不變,混凝土標(biāo)號(hào)由C45提高到C85可削減配筋69%。 (3)耐磨性高。挪威用C85混凝土修筑高速公路,與平凡混凝土比較耐磨性有了成倍地提高。荷蘭用高效能混凝土修筑大壩的過(guò)水道也取得了良好的效果。公路修理時(shí)C135的使用壽命是C55的4倍。 (4)硬化快。C105混凝土1d強(qiáng)度相當(dāng)于C35混凝土的28d強(qiáng)度,16h強(qiáng)度超過(guò)20MPa,施工當(dāng)天便可拆模板,可大大縮短施工周期。 (5)抗?jié)B透和抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)。高效能混凝土密實(shí)性好,抗侵蝕性氣體和液體滲透的能力強(qiáng),可用于海洋建筑物、混凝土防滲地面、橋梁等室外建筑的抗蝕保護(hù)層。 (6)干燥快。在

7、房屋建筑中現(xiàn)澆混凝土放出的濕氣量可削減90%以上,房屋會(huì)很快干燥。 (7)砂漿塑性大。由于砂漿流淌性好,可用于高密度配筋的和小斷面的構(gòu)件澆注,甚至不需機(jī)械振搗也能保證混凝土有足夠的密實(shí)性。 (8)需要高強(qiáng)的特別用途。例如制做混凝土螺旋樁,這種樁不需要夯打可旋擰進(jìn)地基中。制作可用頂進(jìn)法鋪設(shè)的高強(qiáng)混凝土管,最長(zhǎng)可頂入土壤中200m遠(yuǎn)。 高效能混凝土還有其他很多優(yōu)點(diǎn),如構(gòu)件重量輕、耐久性高,今日要求混凝土的使用壽命要達(dá)到100年或更長(zhǎng),降低了水泥消費(fèi)量,有利于節(jié)能和保護(hù)環(huán)境,在很多狀況都可用平凡水泥替代特種水泥等等。所以高效能混凝土是今后的發(fā)展方向,國(guó)外有人預(yù)估到下一世紀(jì)混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)100M

8、Pa,達(dá)到建筑鋼材的性能水平。 2.2高效能的產(chǎn)生及對(duì)水泥質(zhì)量的要求 目前提高混凝土效能主要是采取降低水灰比、摻加硅粉等超細(xì)粉料和使用性能及數(shù)量合適的水泥。降低水灰比和摻加超細(xì)粉可使混凝土密實(shí),摻加硅粉能改善水泥基體與集料結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)度、削減Ca(OH)2和鈣礬石含量,提高混凝土的抗蝕性。 2.2.1合理的顆粒組成 水泥的凝聚硬化是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,既有化學(xué)作用也有物理作用,其中水泥磨細(xì)度和顆粒組成對(duì)充分發(fā)揮水泥的化學(xué)潛能非常重要。一般細(xì)度的水泥加水后到28d齡期還會(huì)有25%以上的部分沒(méi)有水化,在平凡水泥混凝土中可能有20%至40%的水泥沒(méi)有參與混凝土的強(qiáng)度增進(jìn)過(guò)程。太粗的顆粒不能完全水化,過(guò)細(xì)

9、的顆粒有可能結(jié)團(tuán)、增大了孔隙率,影響強(qiáng)度。熟料細(xì)粉過(guò)多會(huì)增大需水量,顆粒分布過(guò)窄也會(huì)由于間隙過(guò)大而增大需水量,進(jìn)而影響混凝土的密實(shí)性和耐久性。現(xiàn)在比較公認(rèn)的是對(duì)強(qiáng)度增進(jìn)率起主要作用的是332m的顆粒,其間各粒級(jí)的分布是連續(xù)的,總的含量不能低于65%,1624m的顆粒部分對(duì)強(qiáng)度增進(jìn)率的作用大,含量越多越好,小于3m的顆粒量不要超過(guò)10%,大于65m的顆?；钚院苄?最好沒(méi)有。小顆粒對(duì)早期強(qiáng)度有利,有人提出25m,也有人主見(jiàn)小于8m的細(xì)顆粒也要有一定的含量。但是由于熟料細(xì)粉過(guò)多會(huì)增大需水量,或使砂漿僵硬,又可用磨細(xì)的混合材代替部分熟料細(xì)粉填充在熟料顆粒之間,這些細(xì)粉能降低需水量,削減熟料顆粒間的摩擦

10、力,提高砂漿和易性,水化時(shí)能起晶核作用,汲取部分Ca(OH)2,提高混凝土的密實(shí)性和抗蝕能力,提高水泥顆粒之間結(jié)合力,提高混凝土強(qiáng)度。因此,在很多狀況下都需要加入一些細(xì)磨的混合材,調(diào)整水泥的顆粒組成和彌補(bǔ)熟料在性能方面的某些不足。 2.2.2和易性與需水量 對(duì)水泥性能要求在保證一定和易性的前提下盡可能降低需水量。影響需水量的因素有化學(xué)作用也有物理作用,加入的水首先要填充顆粒間的空隙,這部分水量約占水泥重量的22M.%(M.表示重量,以下同)以上。水還要將全部顆粒打濕,在表面形成平均0.22m厚的水膜,需要約28M.%的水量。水要能滿(mǎn)意C3A和CaSO4水化初期化學(xué)結(jié)合水所需的水量,甚至包括少量

11、C3S水化所需的水量,還要減小顆粒間的摩擦,使顆粒間簡(jiǎn)單相互移動(dòng)以便提高和易性。要想降低需水量就要從這幾方面著手,例如增加低活性的細(xì)粉減小顆粒間的空隙體積、降低比表面積削減形成水膜的水量,掌握C3A活性削減化學(xué)結(jié)合水的需要量。熟料細(xì)粉不能太多,因?yàn)槟ゼ?xì)后C3A露在表面的量增加也相當(dāng)于提高C3A的活性,所以磨細(xì)度和需水量以及其他組重量都要綜合考慮。 2.2.3硫酸鈣的最佳化 因?yàn)樗嗄塾不匦允翘岣呋炷列艿闹匾蛩?所以對(duì)調(diào)整凝聚過(guò)程的石膏也不應(yīng)輕視,石膏加得合適即與C3A活性相適應(yīng)才能起到緩凝作用,否則過(guò)多和過(guò)少都會(huì)降低緩凝作用。國(guó)外一般是用一半無(wú)水石膏一半二水石膏搭配,這樣凝聚時(shí)間最長(zhǎng)

12、、強(qiáng)度最高。石膏的搭配即硫酸鈣的活性主要取決于C3A的含量和活性,另外還與水泥粉磨系統(tǒng)有關(guān),如磨內(nèi)溫度過(guò)高會(huì)使二水石膏過(guò)多地脫水成半水石膏,如再往磨內(nèi)噴水更會(huì)增大磨內(nèi)的水氣量,能使C3A部分水化并在表面形成水化物外殼,阻擋了內(nèi)部C3A的連續(xù)水化,降低了C3A的早期活性,而石膏又因脫水過(guò)多提高了活性,兩者不匹配也影響凝聚特性。磨內(nèi)溫度過(guò)低又會(huì)造成石膏脫水不夠也影響凝聚性能。另外它還與磨細(xì)度、堿含量等因素有關(guān),所以硫酸鈣的最佳化也不容忽視,搭配好能提高強(qiáng)度5%10%。 2.2.4早期強(qiáng)度與強(qiáng)度增進(jìn)率 用戶(hù)都期望要早期強(qiáng)度高的水泥,所以水泥生產(chǎn)廠都在提高早期強(qiáng)度和強(qiáng)度增進(jìn)率以滿(mǎn)意用戶(hù)的需要,這方面僅

13、從水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上看還不能完全反映出真實(shí)狀況,如表1、2所示。 2.2.5混合材的作用和要求 今日人們對(duì)混合材的看法有所轉(zhuǎn)變,摻混合材的水泥量逐年增加,歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)已把它們與熟料等同起來(lái),含量在6M.%以上的都稱(chēng)為主要組分,5M.%以下的稱(chēng)為次要組分(石膏不包括在內(nèi)),這是因?yàn)檫@些材料都有各自的作用。例如,1992年M.Schmidt曾就水泥的功能特性對(duì)波特蘭水泥(PZ)、石灰石波特蘭水泥(PKZ)、粉煤灰冶金水泥(FAHZ)和高爐水泥(HOZ)作了對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果得出: (1)部分PKZ和FAHZ混凝土的需水量和泌水性明顯低于PZ混凝土,尤其低標(biāo)號(hào)PZ因磨得較粗更不如前兩種水泥。 (2)水泥標(biāo)準(zhǔn)

14、強(qiáng)度相同時(shí)混凝土28d齡期的強(qiáng)度一般沒(méi)有什么差別,由于這些水泥的需水量低,所以混凝土強(qiáng)度有可能高于PZ混凝土。 (3)有關(guān)耐久性的指標(biāo)如抗碳化性、滲水深度、抗凍性等方面,PKZ和FAHZ與PZ和HOZ之間也沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的差別。 (4)抗凍融鹽性和抗?jié)B性方面結(jié)果與(3)相似。 (5)抗硫酸鹽性和抗氯化物滲透性方面,有些試驗(yàn)結(jié)果是PKZ和FAHZ都高于PZ。從以上結(jié)果可以看出,多組分水泥的性能并不比波特蘭水泥差,所以無(wú)論從建筑技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)與環(huán)保觀點(diǎn)來(lái)看,都要求今后應(yīng)大力發(fā)展帶非熟料組分的高級(jí)水泥,這種水泥的通用性強(qiáng),具有較好的基本功能,價(jià)格/功能比值低,更受用戶(hù)歡迎。然而這并不等于什么材料都可以加到水泥中,相反對(duì)這些材料的質(zhì)量要求和摻量限定更加嚴(yán)格。例如,首先要求這些材料不僅有穩(wěn)定的質(zhì)量還要有合適的顆粒組成,因熟料含量相對(duì)削減所帶來(lái)的損失要由顆粒組成的最佳化加以彌補(bǔ)。對(duì)摻量范圍應(yīng)嚴(yán)格劃分和限定,以便于混凝土的質(zhì)量掌握。 2.2.6對(duì)水泥勻稱(chēng)性與穩(wěn)定性的要求 現(xiàn)在一般工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的水泥有一半以上用于輸送混凝土,20%30%用于混凝土制品工廠,也就是說(shuō)有80%90%的水泥是通過(guò)自動(dòng)掌握的連續(xù)式機(jī)械化生產(chǎn)線(xiàn)配制成混凝土的。一方面是大規(guī)模地生產(chǎn),另一方面是對(duì)混凝土的質(zhì)量要求越來(lái)越高,這就要求水泥不僅要有與使用目的相適應(yīng)的質(zhì)量,還要使這個(gè)質(zhì)量勻稱(chēng)和穩(wěn)定,