水泥的品质和混凝土质量的关系

时间::2014-02-16 栏目: 材料物资 编辑: 建筑质检员 点击: 2007 次 标签: 水泥

作者: 廉慧珍,梁文泉 单位:清华大学土木水利学院,北京100084;.武汉大学水力电力学院,湖北武汉430072

点击查看原图摘要:在传统上,混凝土是按强度进行设计,对混凝土的质量的最终标准主要是强度。因此混凝土生产者对水泥品质的要求也是强调强度;强度越高的水泥被认为质量也越高。如此的发展,造成近年来混凝土结构出现裂缝尤其是早期开裂的现象日益普遍。其原因很复杂。单从水泥来说,比表面积、矿物组成中C3A、C3S、碱含量的增加,热水泥的出厂,都增加了开裂的敏感性,降低了流变性能,是原材料中影响混凝土质量主要原因。应当把抗裂性作为水泥品质的重要要求,并限制出厂水泥的温度。
 

1 前言
  水泥和混凝土的关系,可以比作食物和人的关系。食物被人消耗之后,应当变为组成人身体的各种必需的组分,不论近期还是长期都不应有什么有害的影响。并不是所有的人都清楚地知道自己应当对食物有什么要求。如果没有科学指导,那么双方都可能产生盲目性。水泥的强度,尤其是早期强度越来越高,虽然也是生产技术进步的一种表现,但也是一种盲目性追求市场的结果——即混凝土强度不断提高的要求。在传统上,由于人们对工程质量的所注重的就是强度,自然对水泥的要求也主要注重强度。尽管由于混凝土的耐久性问题开始显现,人们开始重视混凝土结构物的耐久性,但在实践中仍然把强度作为混凝土质量要求和验收的标准。尤其近两年来,混凝土施工中高效减水剂与水泥相容性不好的问题发生得比过去更多,地下连续墙和楼板甚至大梁开裂问题频频发生。其原因很复杂,涉及多方面,包括开发商、业主、建筑设计和结构设计、材料、管理。这些问题将另议。现但就材料本身来说,混凝土的质量不只是配合比的问题。配合比是与原材料性质相匹配的,质量差的原材料也很难作出高质量的配合比。因此有必要也从原材料找找原因。
  暂不论骨料的品质,在原材料中,影响混凝土抗裂性的主要因素则是水泥。购进水泥时只检验强度(当然有时还可能复验一下凝结时间)是不能判断水泥对混凝土抗裂性影响的。如图1所示为两个不同厂家生产的相同品种水泥,B厂水泥的混凝土在约束条件下由于自收缩而产生较大的拉应力,使其对开裂敏感;A厂的水泥则应稍有膨胀而由较小的约束应力,抗裂性较好〖1〗。因此水泥的研究者和生产者应当除了关心按现行水泥标准规定的水泥性质外,更加关心水泥在混凝土中的行为,即对混凝土抗裂性能的影响。
  图1这种现象主要是随着水泥强度不断提高后才发生的。不同水泥厂家采用了不同的方法满足强度(尤其是早期强度)的要求,例如提高比表面积,增加C3S、C3A的含量等,我国有的水泥厂甚至还采用一些什么“增强剂”之类的措施(注意正像一些食品添加剂,短期无害,长期不一定安全)。由于建筑业的需求,现代水泥的组成和细度发生了很大变化〖2〗。美国从1920年到1999年,70年中水泥和混凝土主要参数的变化的趋势是水泥中C3S含量从35%增加到50~60%,比表面积从220cm2/kg增加到340~600m2/kg,混凝土的水灰比从0.56~0.8增加到0.26~0.56〖2〗。水泥的7d抗压强度增长了几乎2.5倍〖3〗。近年来国外许多专家根据实际调查研究,对这种趋势提出了批评,指出当前混凝土结构不断增多的过早劣化现象主要原因是与此趋势有关。“20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求,不可避免地违背了材料科学的基本规律,即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设可持续发展的混凝土结构这个目标,有必要更新一些观念和建设实践。”〖3〗
  我国水泥标准的修订的方针是“与国际接轨”,因此也是在按此趋势发展。回顾这段发展,分析其与混凝土结构耐久性的关系,会有助于我们更新观念,从关心强度转变到耐久性。从耐久性的角度评价水泥和混凝土的质量。

2 我国水泥品质变化的简单回顾
  对水泥标准的修订能反映出水泥品质的变化(不说“质量”而说“品质”是为了避免对当前产品水泥质量的褒贬)。修订水泥标准的人的出发点当然是通过修订标准提高水泥的质量,但是由于缺乏和水泥的服务对象──混凝土结构工程的联系,以至于忽视了水泥的品质对提高混凝土质量(不能只看到强度更重要的是耐久性)的影响。20年来,我国水泥标准进行了三次修订。第一次修订的标准于1979年7月开始实施,第二次是1992年开始逐步实施,第三次,即最近的一次是1999年开始实施。各次修订的基本出发点都是“与国际接轨”(尽管前两次还没有这个词,而实质相同),促进我国水泥生产工艺的改进和产品质量的提高。
  第一次修订是将我国使用了20多年的“硬练”强度检验方法和标准改为“软练”强度和标准。这次变化较大,主要变化如表1所示。
  由表1可见,这次修订水泥标准的结果是增加了熟料中的C3S和C3A含量,水泥细度从比表面积平均300m2/kg增加到平均330m2/kg,提高了水泥强度,尤其是早期强度,同时也提高了水化热。因检验强度的水灰比大幅度增加,减小了掺入矿物掺和料后的强度的优势〖3〗。
  第二次修订后的GB175-92、GB1344-92等强调了水泥的早期强度,28d强度均提高了2%,增加了R型水泥品种。该标准强化了3d早期强度意识,倡导多生产R型水泥〖4〗。普通水泥的细度进一步变细,从筛析法的<12%,改为<10%。
  GB175(-1999)GB1344(-1990)等把强度检验的加水量改为0.50,取消了GB175-92中的325#水泥,水泥的强度进一步提高。迫使水泥厂以提高C3S、C3A和比表面积来提高水泥的强度。某厂对21种来自不同厂家的熟料(包括大水泥和小水泥的)进行分析,C3S超过60%的有4个样本(占总样本的19%),超过58%的(含60%以上的)有10个(占47.6%)。有17个样本的C3A含量超过10%。大部分水泥细度超过了350m2/kg。
  综上所述,可见我国水泥各有关参数和性质变化的历程和趋势与国外的相似。特点是增加C3S、C3A、细度趋向于细,因而强度尤其早期强度不断提高。此外,上世纪70年代后期我国开始引进国外先进水泥生产的干法工艺,使水泥的含碱量提高,尤其使用北方的原材料的水泥含碱量普遍较高。GB175(-1999)对水泥中含碱量进行了限制,但只是出于对预防碱-骨料反应的考虑。这种变化的趋势虽然对混凝土提高早期强度有利,但却增加了混凝土的的温度收缩、干燥收缩,在加上较低水灰比产生的自收缩,处于约束条件下的混凝土结构较大的收缩变形因高的早强而提高的早期弹性模量而产生较大的应力,而高早强又使能缓释收缩应变的徐变很小。于是开裂成为必然。
  以下分别分析上述几个因素对混凝土抗裂性造成的影响。

3 水泥矿物组成的影响
  众所周知,硅酸盐水泥主要的组成矿物有四种,它们的水化性质不同,在水泥中所占比例不同时影响对水泥整体的性质。表2所示为水泥中四种主要矿物的水化热,表3为四种主要矿物的收缩率。  
  由表2、3可见,C3A的水化热是其他矿物水化热的数倍,尤其在早期。C3S的水化热虽然比C3A的小很多,但在3天却是C2S水化热的几乎5倍,因其含量在熟料中约占一半,故影响也很大;C3A的收缩率是C2S收缩率的3倍,是C4AF的几乎5倍。因此C3A含量较大的早强水泥容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。
 
4 水泥细度对混凝土工作性的影响
  目前我国混凝土尤其是中等以上强度等级的混凝土普遍使用高效减水剂和其他外加剂。当高效减水剂产品一定时,水泥的成分(主要是含碱量、C3A及其相应的SO3含量)和细度是影响水泥和高效减水剂相容性的主要因素。水泥细度的变化加剧了水泥与高效减水剂相容性问题。近两年时有发生高效减水剂的用户和厂家的纠纷。为此,天津雍阳外加剂厂丘汉用不同细度的天津P.O525水泥和拉法基P.O525水泥分别掺入不同量的UNF-5AS,进行相容性实验。采用水灰比为0.29的净浆,分别在搅拌后5分钟和60分钟后量测其流动度,结果如表4所示。
  由表4可见,随水泥比表面积的增加,与相同高效减水剂的相容性变差,饱和点提高,为减小流动度损失需要增加更多掺量的高效减水剂。不仅增加施工费用,而且可导致混凝土中水泥用量的增加,影响混凝土的耐久性。 
 
5 水泥细度对混凝土开裂的的影响
  在目前我国大多数水泥粉磨条件下,水泥磨得越细,其中的细颗粒越多。增加水泥的比表面积能提高水泥的水化速率,提高早期强度,但是粒径在1μm以下的颗粒水化很快,几乎对后期强度没有任何贡献。倒是对早期的水化热、混凝土的自收缩和干燥收缩有贡献——水化快的水泥颗粒水化热释放得早;因水化快消耗混凝土内部的水分较快,引起混凝土的自干燥收缩(图4)〖2〗;细颗粒容易水化充分,产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物。粗颗粒的减少,减少了稳定体积的未水化颗粒,因而影响到混凝土的长期性能。图5为Currows引用的一个实例:在美国1937年按特快硬水泥生产的水泥Ⅰ与现今水泥的平均水平的组成和细度相当,当时采用这种快硬水泥的混凝土10年后强度倒缩了(图5中的水泥Ⅰ);而1923年使用粗水泥的混凝土,直到50年强度还在增长(图5中水泥7M)〖2〗。
  水泥细度还会影响混凝土的抗冻性(见图6)〖2〗。细水泥的易裂性可能与其低抗拉强度有关(图7)〖2〗。

6 水泥中含碱量和混凝土开裂的关系
  GB175(-1999)出于对预防碱-骨料反应的考虑对水泥中含碱量进行了限制。Burrows在美国克罗里达的青山坝对104种混凝土的面板进行了53年的调查研究,发现开裂严重的劣化了的混凝土中,有的水泥含碱量高,但所用骨料并没有碱活性;还有的使用高碱水泥同时所用骨料也有活性,但是检测的结果却没有碱-骨料反应的产物,而混凝土却开裂而裂化了;这表明碱能促进水泥的收缩开裂〖2〗。图7为Blaine用环形收缩测定仪测定水泥中含碱量对水泥开裂情况的的影响以及1996年相应水泥混凝土状况,图中的好和差表示抗裂性的好坏。在图中,注意当Na2O当量在0.6以下时混凝土状况的改善,还要注意水泥的细度和C3A、C3S影响。在图8中可见,用粗磨、低碱水泥时,引气混凝土可经受住550次冻融循环,但用磨的、高碱水泥则经受不到100次循环〖2〗。
  美国国家标准局对199种水泥进行了18年以上的调研,大量的发现是碱和细度、C3A和C4AF的因素一起极大地影响水泥的抗裂性。即使水泥有相同水化率(强度)和相同的自由收缩,显然低碱水泥有内在的抵抗开裂的能力。当含碱量从低于0.6%Na2O当量时,水泥的抗裂性明显增加,当进一步降低到趋向于0时,这种能力会进一步改善,尽管这一点是做不到的〖2〗。
  由于碱-骨料反应必须在混凝土中有足够的含碱量、足够数量的活性骨料和足够的水分供应,三个条件同时存在的情况下才会发生,并不要求任何情况下都限制水泥的含碱量,但是,促进混凝土收缩裂缝的生成和发展以至造成混凝土结构物的劣化,却是高含碱量对混凝土更大的威胁。不管是否使用活性骨料,必须将水泥中的含碱量减到最少。

7 对水泥抗裂性评价和选择方法的推荐     
  用环形约束试验评价水泥或混凝土抗裂性的方法已有60多年的历史。世界许多国家的学者对钢环的材料、尺寸、信息收集和处理方法、评价指标,以至基于弹性力学的力学模型等都有研究,并分别用此方法研究过影响水泥和混凝土开裂敏感性的因素。Burrows建议使用Blaine的方法评价水泥:开裂时间<1h的是很差的水泥, >15h的为优〖2〗。清华大学建材研究所覃维祖教授指导研究生对此方法进行了研究,结果表明用他们设计的材料和尺寸的环试验评价混凝土所用胶凝材料的抗裂性是有效的。使用热膨胀系数小的材料时,不仅可检测水泥的干缩开裂性能,还可检测由于温度收缩引起的开裂性能。

8 讨论和建议
  (1)众所周知,凡是能提高混凝土早期强度的因素,都会影响混凝土后期强度的增长,目前在配制混凝土时都有较大的强度富余,以期补偿这种后期强度的损失。这无疑造成很大的浪费。现在看来,问题远比此更严重,早期的高强度所带来的后患是混凝土结构物提早劣化。因此,除非工程有特别特殊需要,应尽量避免使用早强水泥。
  (2)混凝土早期高强度的需求促使了水泥向高C3S和高C3A、高比表面积发展,再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超细矿物掺和料的使用,以及水泥出厂温度普遍过高,造成在约束状态下的混凝土因温度收缩、自收缩、干燥收缩和较高的早期弹性模量而产生较大的内部应力,早期的低徐变无法缓解这种应力,而产生早期裂缝;内部不可见的微裂缝在混凝土长期使用过程的干燥环境中继续发展,是混凝土提早劣化的主要原因。
  (3)高含碱量的水泥会生成抗裂性能差的凝胶,加重混凝土后期的干燥收缩,所以不论骨料是否有活性,都应当限制对水泥和混凝土中的含碱量。
  (4)要像管理食品添加剂那样管理生产水泥中的“增强剂”一类的措施,出厂时要注明主要成分,并有1年以上长期观测的数据证明其对混凝土长期性能的影响。
  (5)建议对水泥和混凝土品质增加抗裂性的要求。

水泥的品质和混凝土质量的关系:等您坐沙发呢!

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