張大同：水泥和混凝土使用非活性混合材料的現(xiàn)狀、前景和課題

中國建筑材料科學研究總院張大同教授

　　2013年6月22日在廣西南寧組織召開了全國石灰石粉在水泥與混凝土中應用技術研討會。中國建筑材料科學研究總院張大同教授做了水泥和混凝土使用非活性混合材料的現(xiàn)狀、前景和課題的報告。報告介紹了水泥和混凝土使用非活性混合材的現(xiàn)狀，非活性混合材料應用前景，非活性混合材在水泥和混凝土中應用研究狀況等。以下為報告具體內容。

　　一 水泥和混凝土使用非活性混合材的現(xiàn)狀

　　1.水泥

　　我國從解放后到90年代初，水泥資源短缺。所以我國的水泥在生產(chǎn)上力求實用，使用活性混合材料，提高水泥強度，又因為可加入量較大，所以熟料用量比較省。我國家從五十年代開始一直致力于活性混合材料研究，而對于非活性混合材料研究基本是附帶的。但是最近幾年，人們對于非活性混合材料在水泥中的作用有新的認識。近年來，由于活性混合材供應緊張，價格居高，使用非活性混合材的日漸增加。工廠在被迫使用非活性混合材中也看到了非活性混合材的一些優(yōu)點，但仍然受到標準、觀念和研究不足的限制。

　　表1 我國通用水泥標準中允許使用非活性混合材的水泥品種

　　在我國水泥標準中，非活性混合材除石灰石、砂巖外還包括活性不合格的礦渣、火山灰、粉煤灰等。原東歐國家也是這樣。歐洲水泥標準中非活性混合材料只有石灰石。美國、馬來西亞、巴西、加拿大等也如此。

　　表2 歐洲水泥標準EN197-1:2011中對非活性混合材料的規(guī)定

　　2.混凝土

　　我國混凝土中除了砂石骨料、減水劑外，于1986年頒布了JGJ28---86《混凝土使用粉煤灰》，2002年首次制訂了《GB/T18736-2002高強高性能混凝土用礦物外加劑》，其中只允許有一定活性的磨細礦渣粉、粉煤灰和磨細粉煤灰、磨細天然沸石、硅灰及其復合物。（根據(jù)混凝土的性能進行用量規(guī)范）在JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》中還允許摻磷渣份、鋼渣粉及包括以上材料在內的復合摻合料，（都屬于活性材料）但都沒有包括非活性混合材。

　　最近工程建設行業(yè)起草了JGJ《石灰石粉在混凝土中應用技術規(guī)程》（征求意見稿），開始對混凝土使用石灰石粉進行規(guī)范。

　　二 非活性混合材料應用前景

　　1.非活性混合材料的特點

　　雖然不同種類的非活性混合材的活性差別很大，但它們的共同特點是，其活性比活性混合材低，在水泥、混凝土硬化過程中他們只產(chǎn)生較少的水化產(chǎn)物，主要在顆粒組成上改善水泥的早期強度，因此：

　　1）后期強度普遍增進小，這是非活性混合材料最大的特點，也是基本特點；

　　2）除火山灰質材料外，在拌制和施工階段只有少量的物理吸水，基本不影響水泥或膠凝材料的需水性；

　　3）它們與水泥熟料水化物反應產(chǎn)生新的膠凝物質少，對新拌混凝土的流動性影響?。火B(yǎng)護過程自干性收縮可能性低；

　　4）大都對減水劑的效果影響??；

　　5）吸收Ca（OH）2少，基本不影響水泥硬化體內的堿度，；

　　6） 硬化后體積變化小

　　這些特點對今天混凝土性能的進一步提高具有一定的意義。

　　2.混合材需求和供應環(huán)境

　　從水泥行業(yè)來說，使用混合材是企業(yè)產(chǎn)品滿足市場需求、維持和擴大市場份額、提高經(jīng)濟效益的重要一環(huán)。因此，經(jīng)過多年的運行我國混合材在水泥中的比例，基本上是穩(wěn)定在一個水平上，我國2010年水泥中熟料系數(shù)0.629，混合材占37.71%，水泥產(chǎn)量18.8億噸。而2011年水泥熟料系數(shù)0.627，混合材料占37.73%，水泥產(chǎn)量20.85億噸，這樣2011年我國水泥生產(chǎn)需要混合材料7.78億噸。

　　從混凝土來說，商品混凝土在配制不同等級的混凝土時幾乎離不開細磨的混合材（摻合物）。而這幾年我國商品混凝土的發(fā)展非常迅速，2010年我國商品混凝土生產(chǎn)量為11.79億立，而到了2011年的時候已經(jīng)達到14.2億立方（混凝土網(wǎng)），目前還沒有找到每方混凝土平均需要多少摻和料的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，現(xiàn)在按JGJ55---2011的規(guī)定來估算一方混凝土的膠凝材料的用量：當水/灰≤0.45時，膠凝材料的用量都是≥330kg；鋼筋混凝土水/灰≤0.40，用硅酸鹽水泥配制的，摻合料的最大用量可達膠凝材料用量的65%，用普通水泥配制的可達55%。那么，若采用普通水泥的規(guī)定，一方混凝土的摻合料大約是181kg。不同地區(qū)摻合料的摻和量是不一樣的。不同等級的混凝土的摻和量也是不一樣的。2011年商品混凝土所用摻合約為2.57億噸。

　　2011年，水泥和混凝土需要混合材料總量在10.35億噸上下。發(fā)展到現(xiàn)在，混合材料的需求還要增加。水泥生產(chǎn)可以不用混合材，而混凝土仍需要混合材，而且二者的總量估計不會因此而有大的變化。

　　3.混凝土發(fā)展對混合材的需求出現(xiàn)多樣化

　　現(xiàn)代混凝土是現(xiàn)代建筑發(fā)展的結果。它除了要求高強，特別是高抗拉外，還要求：

　　新拌混凝土有良好的凝聚性和高流動性、在施工后養(yǎng)護期內不會因水化熱和水化產(chǎn)生自干性收縮、在硬化后使用期內體積穩(wěn)定、本體具有良好的密實性，可以阻止外來因素的侵入。

　　這些性能是綜合的，需要我們運用多種材料才能接近這些目標。基于這樣的要求，我國混凝土設計思想已經(jīng)為我們指明了方向。

　　在1980年代前后混凝土大都按水灰比定則來進行設計的：Rh=A×Rs（灰/水﹣B），其中Rh——混凝土抗壓強度，Rs——水泥抗壓強度，A、B——系數(shù)，灰/水——單位混凝土的水泥用量與用水量之比。

　　進入21世紀后，混凝土設計規(guī)范把Rs改為 Rj ，包括水泥、摻合料在內的膠凝材料的強度，對保證混凝土的質量是一種有效的統(tǒng)一。

　　三 非活性混合材在水泥和混凝土中應用研究狀況

　　與活性混合材相比，我國對水泥非活性混合材的研究較少，而且多數(shù)是集中在水泥標準的制修訂工作中。中國建材研究院在這方面的研究比較多，主要有：

　　1.1960年代，以童三多為首的“微集料水泥”研究團隊曾經(jīng)對砂巖、石灰石進行研究，其中指出砂巖、石灰石存在對C3S水化速度的影響 

表3

　　同期以王幼云為首的“水泥混合材料”研究團隊，在研究火山灰質混合材活性時，曾經(jīng)比較過不同混合材對水化體中Ca（OH）2 含量的影響。

　　表4  水泥水化體中Ca（HO）2的含量，單位：%   （化學萃取法）

　　2.1980年代，張大同和趙福欣負責的研究小組，在“礦渣水泥摻石灰石”、“五羊出口水泥摻石灰石”的研究中，對石灰石摻入礦渣水泥后的性能進行比較系統(tǒng)的研究，同時對水化產(chǎn)物、機理等也作了當時條件許可的探討。在《關于摻石灰石礦渣水泥水化過程中新生成相的研究》一文中指出：

　　1）新生成相是CCA（碳鋁酸鹽），其X衍射分析特征峰在7.6A0左右；

　　2）只有經(jīng)過3天左右水化才能形成較多量的CCA，7天時生成量已基本穩(wěn)定；

　　3）CCA在常溫下是穩(wěn)定的，超過80℃時7.6A0的峰開始消失，水化體中出現(xiàn)7.8 A0左右的新峰，水熱處理后在水中繼續(xù)養(yǎng)護時，7.6A0的峰還會出現(xiàn)，但峰上有分叉；

　　4）摻石灰石前后礦渣水泥性能的變化也與此對應。

　　3. 1990年代以后基本上沒有這方面的研究，有關石灰石在水泥中應用方面的資料和助磨劑在水泥中的應用有關，現(xiàn)將積累的一些資料簡介如下

　　1）美國格列斯的資料：使用助磨劑對摻石灰石混合水泥強度的關系

圖1

 數(shù)據(jù)表明，使用助磨劑可以在不改變顆粒組成的情況下，使摻石灰石混合水泥的早期和長期強度提高5%--50%。

　　2）山東眾森在水泥助磨劑應用中的資料：------改變PC水泥的顆粒組成；

　　同一PC水泥 （混合材總量38%，其中石灰石25%）組成相同，并在同一小磨，磨相同時間，不加與加助磨劑之間的顆粒組成差別

　　表5

　　同一PC組成（含石灰石）水泥，在同一磨機，用不同助磨劑時，水泥的顆粒特征的變化：

　　表6 湖北xx廠二種助磨劑的工業(yè)試驗結果

　　改變不同組分的顆粒在水泥中的分布： 同一水泥組成，在同一小磨中粉磨相同時間，加與不加助磨劑的≤45微米部分的化學成分發(fā)生變化情況。

　　表7

　　結果說明，助磨劑可以明顯改變水泥中石灰石顆粒的分布。

　　------在不同石灰石含量下，同一助磨劑的不同強度表現(xiàn)：

　表8　云南xx廠小磨試驗（粉磨相同時間）

　　這組結果表示，有助磨劑存在時，石灰石摻量的變化引起的3天強度變化小于沒有助磨劑時的強度變化，而28天強度只有在石灰石含量小于20%時才這樣。

　　混凝土應用石灰石粉方面的研究主要集中在近幾年內，有許多相關的文章，它的集中體現(xiàn)就是JGJ<石灰石粉在混凝土中應用技術規(guī)程>征求意見稿的出臺上。

　　四 石灰石（粉）和其它非活性混合材料（粉）在水泥和混凝土中應用需要研究的課題

　　當水泥和混凝土普遍允許使用非活性混合材料時，我們將至少面臨以下問題：

　　1.允許用量及其相關因素

　　在混凝土里面，最大允許用量是多少，在什么情況下可以使用非活性混合材料及它們的數(shù)量；

　　2.非活性混合材料應達到的規(guī)格和相關因素

　　即要明確，允許使用非活性混合材料時，這些材料應具有的相應品質和規(guī)格；

　　3.制備技術和裝備

　　在水泥生產(chǎn)中非活性混合材料一般在水泥制成時進入水泥，但對于混凝土則需要形成單獨的產(chǎn)品，因此需要研究，生產(chǎn)這些材料時可用的資源、工藝、裝備和控制元素等；

　　4.需要研究彌補非活性混合材料缺陷的技術措施

　　如何提高其加入后的后期強度。