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浅谈商品混凝土对水泥品质的要求

作者:admin     发布日期: 2021-10-29     二维码分享
当前我国基础建设和房地产业的迅速发展,对混凝土这种用量.大宗、用途.广泛的结构材料的需求量大幅度增长,同时,建筑技术的进步对混凝土材料的性能提出了越来越多和越来越高的要求。然而许多工程实践表明,在工程使用10~20年后,有的甚至使用不到10年,即需要维修。耐久性的不足,将会产生极严重的后果,甚至对未来社会造成极为沉重的负担。混凝土耐久性的研究已经成为混凝土科学...和.重要的课题。(防腐剂)

混凝土抗冻、抗渗、抗碳化性能的高低都直接影响混凝土的耐久性。但近些年来,混凝土裂缝对混凝土的抗冻、抗渗、抗碳化及结构受力的..性都带来了致命打击,成了降低混凝土耐久性的.直接原因。对其产生的原因,许多..学者经大量的研究后认为:与设计、施工工艺、混凝土配合比、钢筋品种、原材料、气候环境等有关,更与水泥有关。水泥的物理性能、矿物组成以及其它性能指标等因素都直接影响了混凝土的各种性能。

1水泥的物理性能指标

1.1水泥的强度
随着GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准的实施,取消了原标准中的P·O32.5水泥,传统配制的混凝土(≤C30)由P·O32.5水泥普遍改用P·O42.5水泥。在没有适宜的矿物掺合料供应的情况下,势必造成混凝土中胶凝材料用量减少;为了满足混凝土的可泵性,维持一定的砂浆量,只能提高砂率,必将导致其拌合物的性能以及硬化混凝土的性能变得很差。受市场供求关系的影响,现有水泥厂为追求效益的.大化,普遍生产R型水泥。R型水泥虽然可以达到混凝土早强、早拆模的目的,但由于3d强度高,水化热和收缩集中,会对混凝土裂缝的产生带来不利影响。
随着水泥工艺的不断发展,水泥熟料质量越来越高,导致生产的水泥强度越来越高。好多水泥厂为了抢占市场,水泥富余系数不断增加,42.5级水泥R28强度达到53~54MPa。水泥强度的提高,使混凝土强度的增长速度进一步加快,凝结时间缩短,收缩速度增加,混凝土早期开裂的可能性大大提高。
1.2水泥的细度
2001年4月我国开始实施水泥胶砂强度检验方法(ISO法)。原来..标准水泥胶砂强度检验用的胶砂比为1:2.5,水胶比为0.44;新的ISO法,水泥胶砂强度检验改为胶砂比为1:3,水胶比为0.5,这样原来..标准检验的胶砂强度大幅度地下降。水泥生产厂为了使水泥达到新标准的强度,采取的措施之一就是提高水泥细度,原来水泥的比表面积为300~320m2/kg,现在将水泥比表面积提高到360~400m2/kg,水泥的比表面积提高了15%以上。(国兴防水剂)
近几年来,混凝土的普遍开裂应该说与水泥颗粒越来越细有一定关系。水泥的细度对水泥的水化性能影响主要表现为:①水泥细度增加,水化速率增大,导致强度增长率以及水化放热速率均提高。②细度增加导致泌水减少,但在高细度情况下,对非引气混凝土来说,为满足工作性必须增加用水量,并导致干缩增加。③增加细度,由于参加反应的有效C3A增加,凝结时间加快。
1.3水泥的标准稠度
水泥标准稠度用水量由3部分组成。其中,一小部分(不足10%)为化学结合水,是在诱导期开始前被新生成的水化物相所结合的水量,若水泥的硫酸盐匹配能实现.佳化,则化学结合水量主要取决于C3A的转化量。绝大部分用水量都为物理用水量,其中较小部分用于润湿新生成水化物表面和填充它们之间的空隙,这部分物理用水量和化学结合水量受水泥比表面积和颗粒分布特性的影响较大。若能使硫酸盐和C3A的溶解率达到.佳匹配,这两部分用水量可降到.低。.大部分物理用水量是填充原始水泥颗粒间的空隙和在水泥颗粒表面形成足够厚度的水膜,使颗粒之间易于产生相对移动,水泥浆体达到标准稠度。然而颗粒形状,颗粒表面粗糙度和颗粒分布又会影响间隙的大小,影响填充水数量和为达到标准稠度所需的水膜厚度,也就影响用水量。
水泥需水性直接影响水泥外加剂适应性、混凝土工作性、非标准强度以及收缩开裂等使用性能。在我国实施等同采用ISO强度检验方法的新标准后,水泥使用性能变差,平均水泥标准稠度用水量已由原先的约23%上升到现在的约27%,有一定量的水泥超过30%。
1.4水泥的凝结时间
水泥的凝结特性主要影响砂浆的稠度。水泥加水浆体会逐渐变稠、硬化并逐渐失去可塑性,稠度达到某一个规定程度便相应称为初凝、终凝,.后完全固化称之为硬化。从浆体开始僵硬到硬化的过程也就是水化产物将本来为水所充满的颗粒间隙填满,将颗粒连接起来形成密实结构的过程。
当水泥熟料单独粉磨与水混合,很快就会凝结,即快凝现象,使施工无法进行。掺加适量石膏就可使水泥的凝结时间得到调节,达到控制凝结时间的目的。对凝结过程起决定作用的C3A和CaSO4之间的化学反应,硫酸盐的缓凝作用并非是由于它抑制了C3A(或C3S)与水的化学反应,而是在于它改变了水泥颗粒间隙填充水中初期水化物的结构特性。这里存在C3A和CaSO4的数量和溶解速率是否相互匹配的问题,凝结时间的过短或过长,会给施工带来很多不便。
水泥生产过程中如果使用无水石膏、硬石膏、化学石膏和半水石膏作为调凝剂,以及即使使用二水石膏但掺量不足,都会导致劣化减水剂的效果,甚至出现异常凝结现象。
1.5水泥中的混合材掺量
在磨制水泥过程中,为改善水泥性能,调节水泥强度等级,增加水泥产量,充分利用工业废渣降低能耗,常掺入适量人造或天然矿物掺合料,即通常所说的混合材。混合材种类较多,掺量波动范围也较大,不同品种的混合材、同种混合材不同掺量都影响水泥的性能,进而影响混凝土性能。
水泥标准稠度用水量取决于混合材的种类,通用硅酸盐水泥GB175-2007标准中规定:标准稠度用水量掺火山灰水泥>掺矿渣水泥>掺粉煤灰水泥。水泥中掺入混合材后一般早期强度均较低,但后期可赶上甚至超过普通水泥,尤其对掺粉煤灰和火山灰的水泥。掺矿渣的水泥泌水率较大,掺火山灰的水泥由于标准稠度用水量大,干燥收缩也大。混合材的品种和掺量对混凝土的耐久性有一定的影响。
市场上水泥也存在混合材使用混乱的现象。水泥厂往往从经济利益考虑,采用就近原则掺加混合材,混合材品种有粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰、铁合金渣、石灰石、钢渣、炉渣、煤矸石、窑灰等等。其他..的通用水泥所允许掺加的混合材就矿渣、粉煤灰、火山灰等三种常用人工或天然混合材,石灰石多作为辅助的性能调节型材料。由于混合材品种和掺量的复杂性,会造成在配制混凝土时出现外加剂与水泥不适应等问题。实践证明,..减水剂对掺入矿渣和粉煤灰的水泥的适应性较好,而对火山灰、煤矸石、窑灰为混合材的水泥适应性较差。
1.6水泥中的含碱量
水泥的碱含量主要指水泥中Na2O和K2O的含量,通常以Na2O等当量质量百分数表示。在混凝土界中我们经常提到碱-骨料反应。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,高含碱量的水泥生成的凝胶中含有抗裂性能差的成分,能促进水泥的收缩开裂,进而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。因此不管是否使用活性骨料,必须将水泥中的含碱量减到.少。其中碱含量偏高也会使减水剂的塑化效果变差,以及使混凝土拌合物坍落度损失快,凝结时间缩短,流动性及施工性能变差。

2水泥的矿物组成

2.1水泥中的C3S含量
由于建筑业的需求,现代水泥的组成发生了很大变化。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%。我国水泥中.有效的成分C3S的含量也一直呈上升趋势。以42.5级水泥为例,我国水泥目前的C3S含量已达到52~60%左右。C3S含量的提高,同样对提前拆模、缩短工期、配制高强度等级混凝土带来便利,但含量过高并非全是好事。C3S含量的增加,水泥水化时放热量增大,强度和温度上升速度过快,使混凝土中产生收缩裂缝的机会变大。一般说来,减少水泥C3S含量也可提高抗淡水溶析能力,改善抗硫酸盐侵蚀性能,有利于提高混凝土耐久性。(脱模剂)
2.2水泥中的C3A含量
虽然C3A在硅酸盐水泥中仅占4%~11%,但对早期反应却有很大的影响,C3A水化反应过程中可能会发生闪凝现象。水泥中的C3A虽对早期强度贡献较大,但水化热是其他矿物水化热的数倍,凝结速度快,是导致温度裂缝的主要原因。C3A的硬化速度也非常快,一般3d强度可达全部强度的绝大多数,此后强度增长明显减弱、不增长,甚至倒缩。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,硬化后的结构混凝土抗硫酸盐侵蚀性能降低。对混凝土外加剂来说,C3A的比例越大,对减水剂的吸附速度越快,减水剂的分散效果也就越差。因此C3A含量高的水泥与外加剂的适应性差,减水效果差,导致混凝土拌合物流动性差。C3A含量高的水泥用于商品混凝土时,反应表现在外加剂缓凝时间不够,坍落度损失过大,凝结时间过短等,严重影响混凝土的浇筑与施工。

3水泥的其他性能

3.1水泥颗粒级配
各水泥生产厂家在采取提高水泥比表面积的方法来提高水泥强度的同时,不可避免地加剧了水泥粉磨过程中的过粉磨现象,使水泥颗粒中小于3μm的微细颗粒含量多,据调查:大多数水泥产品中小于3μm的微细颗粒含量都在15%以上,有的已经超过了20%,这样严重影响了水泥的性能。细微颗粒含量的增大加剧了水泥净浆流动度的损失。尤其粒径在1μm以下的颗粒水化很快,几乎对后期强度没有任何贡献,而对早期的水化热、混凝土的自收缩和干燥收缩有不利影响。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。
我们常常看到“..水泥要求60μm以上颗粒应尽量减少”的论断,而从混凝土的整体级配理论来讲,水泥颗粒应该和混凝土中的骨料颗粒级配连续起来,以利于混凝土的密实性。混凝土中细骨料的.小颗粒为75μm,而我国水泥中的粗颗粒,大于60μm颗粒含量极少,这就造成了混凝土内60~75μm区段内颗粒短缺,给混凝土的密实性带来不利影响。许多水泥厂为了提高早期和28d强度,也采取尽量减少水泥中60μm以上颗粒含量,人为地造成了窄颗粒分布。

可以通过不同尺寸的筛余量,求得特征粒径和均匀性系数,进而判断水泥的颗粒级配情况,这对指导水泥粉磨生产是十分有意义的。
3.2水泥颗粒形貌
我们通常使用Fuller曲线描述水泥颗粒的.紧密堆积,影响堆积密度的主要因素是颗粒分布和颗粒形貌。而对于水泥颗粒形貌.简单、直观的表达方式是球形指数,我国部分大中型水泥企业水泥的球形指数平均值为0.63,波动在0.51~0.73之间,国外..水泥的球形系数大约在0.67左右,有的达到0.78。比较起来,我国水泥的球形指数有待进一步提高。曾有报道某水泥厂引进卧式辊磨与球磨机磨制的水泥性能对比,水泥颗粒形状大部分为扁针状,球磨机为圆球形。由于水泥颗粒只有发生水化,才对强度有贡献,而水化过程对一个单独的水泥颗粒而言又是由表及里、逐渐发生的,相关..认为扁针状厚度薄,水化进程比圆球形快而完全。但从堆积密度角度考虑,这种做法是有争议的,至少应避免明显降低球形指数的工艺设计和生产方法。
3.3水泥的质量稳定性
在水泥使用过程中,时常遇到强度波动或同一外加剂与水泥适应性发生差异的现象。以威海地区应用的某厂生产的水泥为例:受..宏观调控的政策以及节能减排的影响,该厂淘汰了生产工艺落后的立窑,改为新型回转窑。投产后为了抢占市场,P·O42.5R水泥28d抗压强度达到51~52MPa,生产一段时间供不应求。土建施工普遍存在抢工期(提高混凝土早期强度以便提前放线、安装模板支撑脚手架、加快设备材料周转而提前拆模)。水泥厂为了降低成本(增大水泥中混合材掺量)而又不影响用户对水泥早期强度的需求,从烧成工艺上调整了熟料矿物组成,增加了C3A和C3S含量,而水泥28d抗压强度下降到44~45MPa。这对用户在控制混凝土生产质量的稳定性是极为不利的,因为进厂水泥化验是需要时间的,水泥3d抗压强度又变化不明显,而搅拌站的生产又是连续的。(减胶剂)
目前水泥行业有关水泥质量稳定性的规定,..定了28d抗压强度的均质性和均匀性,事实上几乎所有影响混凝土性能的水泥性能都应该具有稳定性的要求,而这些性能中多数与28d抗压强度的相关性是不确定的。换言之,即使能..水泥28d抗压强度的稳定性,并不一定能够..其它质量指标的稳定性。水泥质量的稳定性是混凝土质量稳定性的重要..。
3.4水泥出磨后的存放时间
水泥出磨后应有一定的存放时间。在水泥使用的过程中,尤其在水泥紧张的季节,常发现水泥带一定的出磨..,有时甚至高达50~60℃,这给混凝土质量控制带来难度。因此,要求出磨后水泥严禁直接打入散装水泥库,应先输入水泥储库,经检验出磨水泥安定性及其它质量标准合格后,通过多库搭配再打入散装水泥库。
使用的水泥温度过高也是导致混凝土早期开裂的一个主要原因。近年来,尤其是高性能混凝土的大量采用,这方面的工程质量事故也时有发生。水泥粉磨后,随着储存时间延长,与减水剂相容性会逐渐变好。有人认为其原因是随着储存时间延长,水泥中一些活性较高的组分如C3A、f-CaO,将吸收部分水分发生预水化。水分主要来自石膏的结合水,还包括少量空气中的水分。张大康..认为,储存时间不同的水泥具有不同的性能,可能还有另外一个原因,即熟料颗粒表面静电荷的作用。多数减水剂属于表面活性剂,减水作用与熟料颗粒表面的静电荷有关。水泥粉磨过程使熟料颗粒内部的价键断裂,主是Si-O共价键和Ca-O离子键被打断。这些键的断裂,使熟料颗粒表面产生静电荷。随着储存时间延长,静电荷逐渐减少。
3.5与外加剂的适应性
商品混凝土都使用外加剂,水泥与外加剂的适应性是一个很重要的指标。
外加剂在水泥颗粒表面的吸附并不均匀。外加剂与水接触后,立即被C3A和C4AF大量吸附,这样对于熟料中C3A和C4AF含量较低、硅酸盐相较高的水泥,更能充分发挥表面活性剂的作用。
水泥与减水剂的相容性如果存在较大变化,将直接影响混凝土坍落度的大小。相容性突然变差,混凝土坍落度会明显减小,影响混凝土的施工性能,如果是泵送混凝土则可能导致无法泵送;相容性突然变好,混凝土坍落度会明显增大,可能出现泌水、离析。

4结束语

(1)水泥的各项指标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。现在看来,影响的不仅仅只是强度问题,早期的高强度所带来的后患是混凝土结构物提早的劣化。
(2)水泥中促进混凝土早期高强度的影响因素,会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..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会继续发展。(四川引气剂)
(3)水泥生产企业技术人员应该了解和掌握有关商品混凝土对水泥品质要求的专业知识,以便更好地组织生产出适用于基础建设所需的水泥。
(4)作为混凝土工作者也应不断提高和改进混凝土工艺技术,一方面适应水泥的发展,另一方面对水泥供应商提出具体的技术指标要求,以提高混凝土的耐久性。
(5)我国正处于大规模基础建设时期,混凝土与混凝土结构的耐久性不仅对于土木工程界,而且对于相关行业的技术人员都应引起高度重视,这不仅关系到当前的国计民生,更会对社会的可持续发展产生深远影响。

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