水泥的品質和混凝土質量的關系

1　前言
　　水泥和混凝土的關系，可以比作食物和人的關系。食物被人消耗之后，應當變?yōu)榻M成人身體的各種必需的組分，不論近期還是長期都不應有什么有害的影響。并不是所有的人都清楚地知道自己應當對食物有什么要求。如果沒有科學指導，那么雙方都可能產(chǎn)生盲目性。水泥的強度，尤其是早期強度越來越高，雖然也是生產(chǎn)技術進步的一種表現(xiàn)，但也是一種盲目性追求市場的結果——即混凝土強度不斷提高的要求。在傳統(tǒng)上，由于人們對工程質量的所注重的就是強度，自然對水泥的要求也主要注重強度。盡管由于混凝土的耐久性問題開始顯現(xiàn)，人們開始重視混凝土結構物的耐久性，但在實踐中仍然把強度作為混凝土質量要求和驗收的標準。尤其近兩年來，混凝土施工中高效減水劑與水泥相容性不好的問題發(fā)生得比過去更多，地下連續(xù)墻和樓板甚至大梁開裂問題頻頻發(fā)生。其原因很復雜，涉及多方面，包括開發(fā)商、業(yè)主、建筑設計和結構設計、材料、管理。這些問題將另議?，F(xiàn)但就材料本身來說，混凝土的質量不只是配合比的問題。配合比是與原材料性質相匹配的，質量差的原材料也很難作出高質量的配合比。因此有必要也從原材料找找原因。
　　暫不論骨料的品質，在原材料中，影響混凝土抗裂性的主要因素則是水泥。購進水泥時只檢驗強度（當然有時還可能復驗一下凝結時間）是不能判斷水泥對混凝土抗裂性影響的。如圖1所示為兩個不同廠家生產(chǎn)的相同品種水泥，B廠水泥的混凝土在約束條件下由于自收縮而產(chǎn)生較大的拉應力，使其對開裂敏感；A廠的水泥則應稍有膨脹而由較小的約束應力，抗裂性較好〖1〗。因此水泥的研究者和生產(chǎn)者應當除了關心按現(xiàn)行水泥標準規(guī)定的水泥性質外，更加關心水泥在混凝土中的行為，即對混凝土抗裂性能的影響。
　　圖1這種現(xiàn)象主要是隨著水泥強度不斷提高后才發(fā)生的。不同水泥廠家采用了不同的方法滿足強度（尤其是早期強度）的要求，例如提高比表面積，增加C3S、C3A的含量等，我國有的水泥廠甚至還采用一些什么“增強劑”之類的措施（注意正像一些食品添加劑，短期無害，長期不一定安全）。由于建筑業(yè)的需求，現(xiàn)代水泥的組成和細度發(fā)生了很大變化〖2〗。美國從1920年到1999年，70年中水泥和混凝土主要參數(shù)的變化的趨勢是水泥中C3S含量從35％增加到50～60％，比表面積從220cm2/kg增加到340～600m2/kg，混凝土的水灰比從0.56～0.8增加到0.26～0.56〖2〗。水泥的7d抗壓強度增長了幾乎2.5倍〖3〗。近年來國外許多專家根據(jù)實際調查研究，對這種趨勢提出了批評，指出當前混凝土結構不斷增多的過早劣化現(xiàn)象主要原因是與此趨勢有關?！?0世紀混凝土業(yè)為滿足越來越高的強度要求，不可避免地違背了材料科學的基本規(guī)律，即開裂與耐久性之間存在的密切關系。為了實現(xiàn)建設可持續(xù)發(fā)展的混凝土結構這個目標，有必要更新一些觀念和建設實踐。”〖3〗
　　我國水泥標準的修訂的方針是“與國際接軌”，因此也是在按此趨勢發(fā)展。回顧這段發(fā)展，分析其與混凝土結構耐久性的關系，會有助于我們更新觀念，從關心強度轉變到耐久性。從耐久性的角度評價水泥和混凝土的質量。

2　我國水泥品質變化的簡單回顧
　　對水泥標準的修訂能反映出水泥品質的變化(不說“質量”而說“品質”是為了避免對當前產(chǎn)品水泥質量的褒貶)。修訂水泥標準的人的出發(fā)點當然是通過修訂標準提高水泥的質量，但是由于缺乏和水泥的服務對象──混凝土結構工程的聯(lián)系，以至于忽視了水泥的品質對提高混凝土質量(不能只看到強度更重要的是耐久性)的影響。20年來，我國水泥標準進行了三次修訂。第一次修訂的標準于1979年7月開始實施，第二次是1992年開始逐步實施，第三次，即最近的一次是1999年開始實施。各次修訂的基本出發(fā)點都是“與國際接軌”（盡管前兩次還沒有這個詞，而實質相同），促進我國水泥生產(chǎn)工藝的改進和產(chǎn)品質量的提高。
　　第一次修訂是將我國使用了20多年的“硬練”強度檢驗方法和標準改為“軟練”強度和標準。這次變化較大，主要變化如表1所示。
　　由表1可見，這次修訂水泥標準的結果是增加了熟料中的C3S和C3A含量，水泥細度從比表面積平均300m2/kg增加到平均330m2/kg，提高了水泥強度，尤其是早期強度，同時也提高了水化熱。因檢驗強度的水灰比大幅度增加，減小了摻入礦物摻和料后的強度的優(yōu)勢〖3〗。
　　第二次修訂后的GB175－92、GB1344－92等強調了水泥的早期強度，28d強度均提高了2％，增加了R型水泥品種。該標準強化了3d早期強度意識，倡導多生產(chǎn)R型水泥〖4〗。普通水泥的細度進一步變細，從篩析法的<12％，改為<10％。
　　GB175(－1999)GB1344(－1990)等把強度檢驗的加水量改為0.50，取消了GB175－92中的325＃水泥，水泥的強度進一步提高。迫使水泥廠以提高C3S、C3A和比表面積來提高水泥的強度。某廠對21種來自不同廠家的熟料（包括大水泥和小水泥的）進行分析，C3S超過60％的有4個樣本（占總樣本的19％），超過58％的（含60％以上的）有10個（占47.6％）。有17個樣本的C3A含量超過10％。大部分水泥細度超過了350m2/kg。
　　綜上所述，可見我國水泥各有關參數(shù)和性質變化的歷程和趨勢與國外的相似。特點是增加C3S、C3A、細度趨向于細，因而強度尤其早期強度不斷提高。此外，上世紀70年代后期我國開始引進國外先進水泥生產(chǎn)的干法工藝，使水泥的含堿量提高，尤其使用北方的原材料的水泥含堿量普遍較高。GB175（－1999）對水泥中含堿量進行了限制，但只是出于對預防堿－骨料反應的考慮。這種變化的趨勢雖然對混凝土提高早期強度有利，但卻增加了混凝土的的溫度收縮、干燥收縮，在加上較低水灰比產(chǎn)生的自收縮，處于約束條件下的混凝土結構較大的收縮變形因高的早強而提高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的應力，而高早強又使能緩釋收縮應變的徐變很小。于是開裂成為必然。
　　以下分別分析上述幾個因素對混凝土抗裂性造成的影響。

3　水泥礦物組成的影響
　　眾所周知，硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種，它們的水化性質不同，在水泥中所占比例不同時影響對水泥整體的性質。表2所示為水泥中四種主要礦物的水化熱，表3為四種主要礦物的收縮率?！　?br> 　　由表2、3可見，C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍，尤其在早期。C3S的水化熱雖然比C3A的小很多，但在3天卻是C2S水化熱的幾乎5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大；C3A的收縮率是C2S收縮率的3倍，是C4AF的幾乎5倍。因此C3A含量較大的早強水泥容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。
　
4　水泥細度對混凝土工作性的影響
　　目前我國混凝土尤其是中等以上強度等級的混凝土普遍使用高效減水劑和其他外加劑。當高效減水劑產(chǎn)品一定時，水泥的成分（主要是含堿量、C3A及其相應的SO3含量）和細度是影響水泥和高效減水劑相容性的主要因素。水泥細度的變化加劇了水泥與高效減水劑相容性問題。近兩年時有發(fā)生高效減水劑的用戶和廠家的糾紛。為此，天津雍陽外加劑廠丘漢用不同細度的天津P.O525水泥和拉法基P.O525水泥分別摻入不同量的UNF－5AS，進行相容性實驗。采用水灰比為0.29的凈漿，分別在攪拌后5分鐘和60分鐘后量測其流動度，結果如表4所示。
　　由表4可見，隨水泥比表面積的增加，與相同高效減水劑的相容性變差，飽和點提高，為減小流動度損失需要增加更多摻量的高效減水劑。不僅增加施工費用，而且可導致混凝土中水泥用量的增加，影響混凝土的耐久性?！?br> 　
5　水泥細度對混凝土開裂的的影響
　　在目前我國大多數(shù)水泥粉磨條件下，水泥磨得越細，其中的細顆粒越多。增加水泥的比表面積能提高水泥的水化速率，提高早期強度，但是粒徑在1μm以下的顆粒水化很快，幾乎對后期強度沒有任何貢獻。倒是對早期的水化熱、混凝土的自收縮和干燥收縮有貢獻——水化快的水泥顆粒水化熱釋放得早；因水化快消耗混凝土內部的水分較快，引起混凝土的自干燥收縮（圖4）〖2〗；細顆粒容易水化充分，產(chǎn)生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化物。粗顆粒的減少，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆粒，因而影響到混凝土的長期性能。圖5為Currows引用的一個實例：在美國1937年按特快硬水泥生產(chǎn)的水泥Ⅰ與現(xiàn)今水泥的平均水平的組成和細度相當，當時采用這種快硬水泥的混凝土10年后強度倒縮了(圖5中的水泥Ⅰ）；而1923年使用粗水泥的混凝土，直到50年強度還在增長(圖5中水泥7M)〖2〗。
　　水泥細度還會影響混凝土的抗凍性(見圖6)〖2〗。細水泥的易裂性可能與其低抗拉強度有關（圖7）〖2〗。

6　水泥中含堿量和混凝土開裂的關系
　　GB175（－1999）出于對預防堿－骨料反應的考慮對水泥中含堿量進行了限制。Burrows在美國克羅里達的青山壩對104種混凝土的面板進行了53年的調查研究，發(fā)現(xiàn)開裂嚴重的劣化了的混凝土中，有的水泥含堿量高，但所用骨料并沒有堿活性；還有的使用高堿水泥同時所用骨料也有活性，但是檢測的結果卻沒有堿－骨料反應的產(chǎn)物，而混凝土卻開裂而裂化了；這表明堿能促進水泥的收縮開裂〖2〗。圖7為Blaine用環(huán)形收縮測定儀測定水泥中含堿量對水泥開裂情況的的影響以及1996年相應水泥混凝土狀況，圖中的好和差表示抗裂性的好壞。在圖中，注意當Na2O當量在0.6以下時混凝土狀況的改善，還要注意水泥的細度和C3A、C3S影響。在圖8中可見，用粗磨、低堿水泥時，引氣混凝土可經(jīng)受住550次凍融循環(huán)，但用磨的、高堿水泥則經(jīng)受不到100次循環(huán)〖2〗。
　　美國國家標準局對199種水泥進行了18年以上的調研，大量的發(fā)現(xiàn)是堿和細度、C3A和C4AF的因素一起極大地影響水泥的抗裂性。即使水泥有相同水化率（強度)和相同的自由收縮，顯然低堿水泥有內在的抵抗開裂的能力。當含堿量從低于0.6％Na2O當量時，水泥的抗裂性明顯增加，當進一步降低到趨向于0時，這種能力會進一步改善，盡管這一點是做不到的〖2〗。
　　由于堿－骨料反應必須在混凝土中有足夠的含堿量、足夠數(shù)量的活性骨料和足夠的水分供應，三個條件同時存在的情況下才會發(fā)生，并不要求任何情況下都限制水泥的含堿量，但是，促進混凝土收縮裂縫的生成和發(fā)展以至造成混凝土結構物的劣化,卻是高含堿量對混凝土更大的威脅。不管是否使用活性骨料，必須將水泥中的含堿量減到最少。

7　對水泥抗裂性評價和選擇方法的推薦　　　　　
　　用環(huán)形約束試驗評價水泥或混凝土抗裂性的方法已有60多年的歷史。世界許多國家的學者對鋼環(huán)的材料、尺寸、信息收集和處理方法、評價指標，以至基于彈性力學的力學模型等都有研究，并分別用此方法研究過影響水泥和混凝土開裂敏感性的因素。Burrows建議使用Blaine的方法評價水泥：開裂時間<1h的是很差的水泥， >15h的為優(yōu)〖2〗。清華大學建材研究所覃維祖教授指導研究生對此方法進行了研究，結果表明用他們設計的材料和尺寸的環(huán)試驗評價混凝土所用膠凝材料的抗裂性是有效的。使用熱膨脹系數(shù)小的材料時，不僅可檢測水泥的干縮開裂性能，還可檢測由于溫度收縮引起的開裂性能。

8　討論和建議
　　(1)眾所周知，凡是能提高混凝土早期強度的因素，都會影響混凝土后期強度的增長，目前在配制混凝土時都有較大的強度富余，以期補償這種后期強度的損失。這無疑造成很大的浪費?，F(xiàn)在看來，問題遠比此更嚴重，早期的高強度所帶來的后患是混凝土結構物提早劣化。因此，除非工程有特別特殊需要，應盡量避免使用早強水泥。
　　(2)混凝土早期高強度的需求促使了水泥向高C3S和高C3A、高比表面積發(fā)展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超細礦物摻和料的使用，以及水泥出廠溫度普遍過高，造成在約束狀態(tài)下的混凝土因溫度收縮、自收縮、干燥收縮和較高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的內部應力，早期的低徐變無法緩解這種應力，而產(chǎn)生早期裂縫；內部不可見的微裂縫在混凝土長期使用過程的干燥環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展，是混凝土提早劣化的主要原因。
　　(3)高含堿量的水泥會生成抗裂性能差的凝膠，加重混凝土后期的干燥收縮，所以不論骨料是否有活性，都應當限制對水泥和混凝土中的含堿量。
　　(4)要像管理食品添加劑那樣管理生產(chǎn)水泥中的“增強劑”一類的措施，出廠時要注明主要成分，并有1年以上長期觀測的數(shù)據(jù)證明其對混凝土長期性能的影響。
　　(5)建議對水泥和混凝土品質增加抗裂性的要求。