水泥生產(chǎn)工藝與混凝土耐久性的關(guān)系

1 影響混凝土耐久性的因素
　　水泥是混凝土的一種重要原料，它的性能對(duì)混凝土性能有十分重要的影響。混凝土諸多性能中耐久性非常重要，如果混凝土結(jié)構(gòu)物沒有達(dá)到預(yù)期使用年限而過早地被破壞，不但經(jīng)濟(jì)損失巨大而且危及人們的安全。黃士元等[1]將混凝土破壞的原因分為四大類：①磨損；②物理因素的破壞；③化學(xué)作用的破壞；④鋼筋銹蝕造成的破壞。
1．1 磨損
　　磨損分機(jī)械磨損(路面、廠房地坪的磨損)和沖刷及氣蝕的作用造成的磨損(水工結(jié)構(gòu)的被破壞)。
　　路面磨損的速率，主要取決于混凝土面層的強(qiáng)度和硬度，因此使用水泥的泌水性和離析性至關(guān)重要，而并不是非用道路水泥不可。礦渣或粉煤灰的摻入，如混合材比表面積較低，泌水性較差，當(dāng)然不耐磨。但如摻入比表面積很高的磨細(xì)礦渣或粉煤灰，在精心施工的條件下也不是不可用于道路工程。水泥的保水性愈好，泌水性愈少，水泥比表面積愈高，其耐磨性愈佳，反之水泥中混合材愈粗，保水性愈差。
　　沖刷和氣蝕是水工混凝土磨損的主要原因。試驗(yàn)證明水泥中C3S的抗沖磨能力最強(qiáng)，C3A次之，C2S最差。然而對(duì)沖刷磨損而言，對(duì)水泥化學(xué)成分的控制遠(yuǎn)不及提高混凝土的密實(shí)性重要。提高水泥中C3S含量對(duì)提高混凝土的密實(shí)性倒是一致的。
1．2 物理因素的破壞
　　破壞混凝土的物理因素包括：
　　·干濕交替
　　·水的滲透
　　·凍融交替和鹽的結(jié)晶
　　除機(jī)械磨損的破壞外，水的滲透是所有破壞的根源，而干濕交替作用是各種破壞的促進(jìn)因素，因此混凝土的抗?jié)B性對(duì)耐久性十分重要。僅就水泥本身而言，水泥的需水量和密實(shí)性(基本上可視作強(qiáng)度)，與混凝土的抗?jié)B性有較大關(guān)聯(lián)。當(dāng)需要水泥強(qiáng)度較高時(shí)，一般將水泥磨得更細(xì)一點(diǎn)，雖然對(duì)混凝土的密實(shí)性有利，但需水量卻提高了，這是相互矛盾的。解決這個(gè)矛盾的辦法是在水泥中摻入相當(dāng)數(shù)量的高比表面積的磨細(xì)礦渣或粉煤灰，使之與熟料水化后生成的Ca(OH)2起火山灰反應(yīng)而生成新的C—S—H凝膠，有助于孔的細(xì)化并增加了孔的曲折度，從而增大了混凝土的抗?jié)B能力。另一方面，磨細(xì)混合材的加入可以增強(qiáng)集料和水泥漿體的界面，有助于抗?jié)B。但是混合材比表面積太低，將影響抗凍融性能和抗鹽剝蝕能力，特別是摻石灰石作混合材尤差(可能是石灰石存在時(shí)水泥水化生成碳鋁酸鹽的緣故)。
1．3 化學(xué)侵蝕
　　水泥工作者大都很清楚水泥中C3A含量高對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕不利，所以ASTM—V型水泥規(guī)定2C3A+C4AF含量不得大于20％。摻有磨細(xì)礦渣或粉煤灰的水泥較有利于抗硫酸鹽的侵蝕，這是由于火山灰反應(yīng)可減少水化物中Ca(OH)2的含量。但火山灰反應(yīng)需要較長時(shí)間，所以在制備混凝土?xí)r應(yīng)采取措施使混凝土在足夠的齡期后才受到硫酸鹽的侵蝕。另一方面，摻有磨細(xì)礦渣等混合材的水泥，在相同的條件下，對(duì)混凝土的抗大氣中酸的侵蝕也是有利的，理由同上。不過，對(duì)抗酸性而言，混凝土的密實(shí)性(強(qiáng)度)的影響比水泥化學(xué)成分和混合材的影響更大。
　　堿—骨料反應(yīng)對(duì)混凝土產(chǎn)生的破壞也是眾所周知的事實(shí)，水泥堿含量對(duì)自身的28d和以后的強(qiáng)度的影響也是十分嚴(yán)重的。但是堿—骨料反應(yīng)的必要條件是水的存在，所以使用含堿量較高的水泥制備混凝土，提高其密實(shí)性有利于減少破壞反應(yīng)，而且在地面以上的構(gòu)件受破壞的風(fēng)險(xiǎn)也少得多。在原料條件不利時(shí)，多摻磨細(xì)礦渣并保持較高強(qiáng)度，是抑制堿—骨料反應(yīng)的有效措施。
1．4 鋼筋銹蝕
　　鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)過早被破壞的主要原因之一。一般在混凝土中孔隙內(nèi)有很高濃度的Ca(OH)2，故其pH值均在12．4以上。在此條件下鋼筋表面(2～6)×10-3μm的氧化膜使鋼筋處于鈍化狀態(tài)。但如一旦鈍化膜遭破壞，鋼筋就會(huì)繼續(xù)被腐蝕?；炷恋奶蓟蚴芩岬那治g是鋼筋繼續(xù)被腐蝕的重要因素。
　　影響混凝土碳化的主要因素是CO2在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散速度。當(dāng)水泥中CaO含量愈高，則可吸收CO2的量愈多，失鈍所需時(shí)間就愈長，碳化速率愈慢。所以高硅酸鹽含量的水泥抗碳化能力最強(qiáng)。不過，盡管混磨而且較粗的礦渣水泥抗碳化能力很差，分別粉磨高細(xì)度的礦渣摻入時(shí)，即使摻量高達(dá)50％，碳化速率的增加不多(約10％左右)，而且使用這種水泥制備的混凝土，其后期強(qiáng)度增長率的提高，對(duì)減緩碳化速率有利。水灰比小而很密實(shí)的混凝土(如C50以上的混凝土)，因碳化而引起的鋼筋銹蝕問題可以忽略不計(jì)。
　　氯離子的作用也是破壞鈍化膜導(dǎo)致鋼筋銹蝕的原因之一。所幸混凝土中Cl-的來源主要不是從水泥中引入而是從拌和水和外加劑中引入以及環(huán)境中Cl-隨時(shí)間逐漸擴(kuò)散和滲透深入混凝土內(nèi)部。
2 水泥生產(chǎn)工藝控制
　　綜上所述，水泥的活性(強(qiáng)度)愈高，比表面積高，其保水性能愈好，抗?jié)B和抗碳化性能愈強(qiáng)，有利于混凝土耐久性的提高。但是水泥的細(xì)度愈細(xì)則需水量愈大，使混凝土高度水保和導(dǎo)致混凝土膨脹和開裂，是所有混凝土過早破壞的先決條件。所以混凝土的完整性和水密性這個(gè)混凝土抗破壞的第一道防線是有關(guān)混凝土耐久性的首要環(huán)節(jié)，也就是說避免開裂的 能力至關(guān)重要。
　　熟料礦物成分中C3A雖然對(duì)早期強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，卻對(duì)抗磨損、避免裂縫形成以及抗化學(xué)侵害不利。所以在高飽和比、高硅酸率、高鋁氧率這三高配料的思想指導(dǎo)下，應(yīng)盡可能降低C3A的含量，并且盡可能使高溫熟料得以淬冷。因此長徑比小的窯型和新型篦冷機(jī)應(yīng)得到優(yōu)先關(guān)注。另外，如果因原燃料的條件所限C3A不能降至7％以下，高細(xì)礦渣或粉煤灰的摻入 有利于降低水化熱，降低了新澆混凝土表面的溫度梯度[2]，并且減少了后期鈣礬石的形成，從而降低了混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
　　除了溫度梯度高產(chǎn)生收縮外，濕度梯度[2]高也是混凝土出現(xiàn)早期開裂的主要原因。現(xiàn)代化的裝備生產(chǎn)的水泥極大地提高了水泥活性，也就增大了水化熱和需水量，使混凝土表面的溫度梯度和濕度梯度增大，降低了徐變系數(shù)，使得高強(qiáng)混凝土比低強(qiáng)混凝土更易開裂。
　　為了解決既要高強(qiáng)、磨細(xì)，又要降低水化熱和需水量這一對(duì)矛盾，國內(nèi)外的水泥工作者做了大量工作，一方面努力降低C3A含量和加快冷卻速率，一方面努力調(diào)整水泥粉磨系統(tǒng)的工作參數(shù)使水泥的顆粒級(jí)配更合理，即調(diào)整RRB曲線的斜率(n值)，使盡可能在1．0左右。目前國內(nèi)以帶O—SEPA選粉機(jī)的圈流球磨生產(chǎn)的切割粒徑(也稱特征粒徑)x在22～24μm時(shí)，n值較高(1．2～1．3)，需水量相對(duì)不低(26％標(biāo)準(zhǔn)稠度)。如此粗的水泥，原標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到525一級(jí)品水平，但按新標(biāo)準(zhǔn)僅可按一般的42．5級(jí)出廠。所以很多文章指出目前我國普遍的水泥細(xì)度較粗是符合實(shí)際情況的。x值與新／老標(biāo)準(zhǔn)的28d耐壓強(qiáng)度比有直接關(guān)系，當(dāng)x在22～23μm時(shí)，上述比值在0．8左右；當(dāng)x在16～18μm時(shí)，此比值可提高至0．9或以上。如果與歐洲的水泥比較，他們的42．5級(jí)水泥的切割粒徑一般在16～18μm，用上述圈流球磨生產(chǎn)如此細(xì)度的水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度恐怕要超過28％，但是國內(nèi)有的新型大廠用立磨(或輥壓機(jī))一球磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)磨制水泥，達(dá)到上述x值時(shí)(n=1．0左右)，標(biāo)準(zhǔn)稠度不過27％。既可保證42．5級(jí)一級(jí)品，需水量又不致過大。
　　但是如果有些水泥廠因堿含量過高，或者因窯型等外因的限制，水泥熟料活性較差，為了努力提高28d抗壓強(qiáng)度從而大幅度提高比表面積，造成3d強(qiáng)度大增。這種水泥需水量、水化熱大增，混凝土早期裂縫頻繁出現(xiàn)，混凝土的耐久性不良。特別細(xì)的早強(qiáng)(R3／R28≥60％)水泥由于凝結(jié)較快，還使混凝土坍落度損失過大，對(duì)施工不利。
　　因此，沒有必要超越客觀條件以粉磨得更細(xì)的手段來提高水泥的標(biāo)號(hào)。從而可以認(rèn)為R型早強(qiáng)水泥不一定優(yōu)于非R型水泥。過去水泥熟料活性低，磨得也粗，混凝土標(biāo)號(hào)又不高(≤C30)，水灰比較大(>0．5)，早強(qiáng)型水泥對(duì)施工是有利的。但現(xiàn)在新型水泥裝備的出現(xiàn)，高性能混凝土逐漸普及，水灰比下降(0．35～0．4)，早強(qiáng)型水泥就轉(zhuǎn)化為不利因素。國外之所以仍有標(biāo)明R型水泥的銷售，主要因?yàn)樵摰貐^(qū)原料條件的限制而必然是早強(qiáng)型，標(biāo)明R型就可使施工者配制混凝土?xí)r采取必要措施(包括水泥用量、水灰比、外摻料、養(yǎng)護(hù)條件等)，避免混凝土出現(xiàn)裂縫而過早地被破壞。
　　水泥中摻入較大量的磨細(xì)礦渣或粉煤灰時(shí)，上述矛盾可得到很大程度的緩解。
　　此外，上述混凝土坍落度損失過大的原因還有水泥粉磨過程中溫度太高(或因磨內(nèi)噴水設(shè)施損壞)，即使顆粒級(jí)配(x和n值)都正常，也會(huì)因石膏脫水而影響混凝土的施工性能。
3 結(jié)論
　　1)用高強(qiáng)水泥制備高強(qiáng)混凝土可以提高混凝土的密實(shí)性，從而提高其耐久性。
　　2)生產(chǎn)高強(qiáng)水泥熟料時(shí)，提高硅酸鹽礦物含量的同時(shí)應(yīng)控制C3A含量，以利混凝土的耐久性。要充分注意熟料的冷卻速度，采用長徑比小的窯以及性能優(yōu)越的冷卻機(jī)是可取的措施。
　　3)提高水泥磨細(xì)的程度是必要的。要?jiǎng)?chuàng)造條件用x和n值來控制細(xì)度。和任何事物一樣，提高水泥磨細(xì)程度也有兩面性，它使需水量增加從而不利于耐久性。立磨(輥壓機(jī))-球磨機(jī)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)是較好的選擇，不但節(jié)能效果好而且有利于控制需水量?？刂扑喾勰r(shí)的溫度也很重要。
　　4)在原料條件不利時(shí)(如堿含量過高)不必過分以提高比表面積的手段追求較高的28d強(qiáng)度。R型水泥不—定優(yōu)于非R型水泥。
　　5)水泥中混合材粒徑較粗時(shí)對(duì)混凝土的耐久性不利，但是摻入細(xì)磨礦渣(分別粉磨)且摻量相對(duì)較養(yǎng)時(shí)對(duì)混凝土耐久性極為有利，在堿含量或C3A較高的情況下尤為如此。故應(yīng)大力推廣。
此文之成，得益于黃士元教授之切磋良多，特止致謝。
參考文獻(xiàn)
1 黃士元等．近代混凝土技術(shù)．西安：陜西科技出版社，1998
2 P K Mehta．Durabilty—Critical Issues For the Future．Concrete International，1997，(7)