硅酸盐水泥国外称波特兰水泥(以下简称水泥)已有170多年的历史,在世界各地都是主要建筑材料,预计到21世纪仍将有较大发展。近20年来,水泥在性能和品种方面都有很大进展,我国也十分重视水泥质量问题。
1 对水泥质量认识的转变
从水泥生产厂的角度来看水泥是工厂的最终产品,但从使用者角度来看水泥还不能直接拿来为用户所用,必须与其他材料配成混凝土才能应用,所以水泥仅是半成品。随着人们对这一问题认识的加深,把水泥的生产链延续到混凝土或者说延续到建筑构件或构筑物,在水泥质量控制和发展方面发生了一系列变化。例如无论从节能角度还是从环保角度都要求混凝土的使用寿命越长越好,即混凝土的耐久性应比其他质量指标更为重要。到目前人们还都是把抗压强度作为衡量混凝土质量的主要指标,同样也是作为衡量水泥质量的重要指标。然而在一些情况下强度高的混凝土并不一定耐久,从许多混凝土的损坏实例中得出,造成混凝土破坏的主要原因一般都不是机械应力的作用,而是各种化学侵蚀、冻融作用和其自身的内部化学反应,如碱骨料反应。于是便提出了什么样的混凝土耐久,用什么指标来衡量混凝土的耐久性,需要什么样的水泥来配制耐久性高的混凝土,对水泥质量应提出什么相应地要求等等,这些问题日益受到水泥科技工作者的重视,作了大量试验研究工作,取得许多成果,不久的将来会得出明确的结论。就目前而言,许多国家已经认识到现行的水泥质量标准仅是材料标准,或者说生产标准,主要是反映材料的特性、准确的定义和指标的检验,以便于生产和质量控制,对材料的使用功能涉及的不多或者说包括不够齐全,而用户最关心的是材料的使用功能,即这种水泥对他所要配制的混凝土及其所用的施工工艺是否适用,混凝土的耐久性能否得到保证。所以仅用标准规定的强度、安定性、细度等材料指标来判断水泥质量就有些不足,还需要增加一些反映使用功能的指标,如和易性、砂浆的僵硬性、收缩和徐变、抗冻性、抗碳化性、抗化学侵蚀性、抗氯化物渗透性等等,还应包括水泥质量的均匀性和稳定性。这些特性一般还都没有形成标准,但有些国家如欧盟成员国已十分重视这些特性,并规定只有在这类功能特性方面已获得有关建筑技术监督部门认可的水泥才准许上市。老的水泥品种要经过使用验证,新开发的水泥品种都要作这方面的性能检测,其中最重要的是混凝土耐久性,要用快速检验法检验证明是否合乎要求。欧盟正在研究制定一个对所有品种水泥都适用的按功能特性分级的分级标准,它除强度外还考虑了混凝土耐久性,只是由于各国间的意见没有统一,至今还没有正式提出来,但从近几年水泥生产工艺的改进、水泥质量的提高、水泥标准有关条款的修改等方面已能明显看出对水泥功能特性的重视。
2 混凝土的发展及对水泥质量的要求
2.1 高效能混凝土的发展
进入90年代以来,混凝土工艺有很大发展,一般混凝土的标准28d抗压强度首先是提高到60～85MPa以上,近来又提高到105MPa以上,实际应用的已达140～150MPa,试验研究的已超过240MPa,所以最初人们称之为高强混凝土。后来发现高强混凝土还具有许多其他方面的优良性能,如耐磨性高,吸水率低,抗气体和液体的渗透性好,抗冻性和抗化学侵蚀性强等等,这些都涉及到混凝土的使用功能,单用一个高强度还反映不出它的全部优点,所以又改称为高效能混凝土,并把砂浆流动性能特别大的不需要机械振捣也能密实的所谓自密实混凝土也列入高效能混凝土之列。到目前高效能混凝土所产生的效果主要有以下几方面:
(1)减少占地面积。以混凝土支柱横断面面积为例,由C45号提高到C85号,占地面积可减少36%,由C60提高到C120可减少67%。
(2)节省钢筋用量。若混凝土柱的横断面积保持不变,混凝土标号由C45提高到C85可减少配筋69%。
(3)耐磨性高。挪威用C85混凝土修筑高速公路,与普通混凝土比较耐磨性有了成倍地提高。荷兰用高效能混凝土修筑大坝的过水道也取得了良好的效果。公路维修时C135的使用寿命是C55的4倍。
(4)硬化快。C105混凝土1d强度相当于C35混凝土的28d强度,16h强度超过20MPa,施工当天便可拆模板,可大大缩短施工周期。
(5)抗渗透和抗化学侵蚀能力强。高效能混凝土密实性好,抗侵蚀性气体和液体渗透的能力强,可用于海洋建筑物、混凝土防渗地面、桥梁等室外建筑的抗蚀保护层。
(6)干燥快。在房屋建筑中现浇混凝土放出的湿气量可减少90%以上,房屋会很快干燥。
(7)砂浆塑性大。由于砂浆流动性好,可用于高密度配筋的和小断面的构件浇注,甚至不需机械振捣也能保证混凝土有足够的密实性。
(8)需要高强的特殊用途。例如制做混凝土螺旋桩,这种桩不需要夯打可旋拧进地基中。制作可用顶进法铺设的高强混凝土管,最长可顶入土壤中200m远。
高效能混凝土还有其他许多优点,如构件重量轻、耐久性高,今天要求混凝土的使用寿命要达到100年或更长,降低了水泥消费量,有利于节能和保护环境,在许多情况都可用普通水泥替代特种水泥等等。所以高效能混凝土是今后的发展方向,国外有人预测到下一世纪混凝土的抗压强度可达100MPa,达到建筑钢材的性能水平。
2.2 高效能的产生及对水泥质量的要求
目前提高混凝土效能主要是采取降低水灰比、掺加硅粉等超细粉料和使用性能及数量合适的水泥。降低水灰比和掺加超细粉可使混凝土密实,掺加硅粉能改善水泥基体与集料结合面的结合强度、减少Ca(OH)2和钙矾石含量,提高混凝土的抗蚀性。
2.2.1 合理的颗粒组成
水泥的凝结硬化是个复杂的过程,既有化学作用也有物理作用,其中水泥磨细度和颗粒组成对充分发挥水泥的化学潜能十分重要。一般细度的水泥加水后到28d龄期还会有25%以上的部分没有水化,在普通水泥混凝土中可能有20%至40%的水泥没有参与混凝土的强度增进过程。太粗的颗粒不能完全水化,过细的颗粒有可能结团、增大了孔隙率,影响强度。熟料细粉过多会增大需水量,颗粒分布过窄也会由于间隙过大而增大需水量,进而影响混凝土的密实性和耐久性。现在比较公认的是对强度增进率起主要作用的是3～32μm的颗粒,其间各粒级的分布是连续的,总的含量不能低于65%,16～24μm的颗粒部分对强度增进率的作用大,含量越多越好,小于3μm的颗粒量不要超过10%,大于65μm的颗粒活性很小,最好没有。小颗粒对早期强度有利,有人提出2～5μm,也有人主张小于8μm的细颗粒也要有一定的含量。但是由于熟料细粉过多会增大需水量,或使砂浆僵硬,又可用磨细的混合材代替部分熟料细粉填充在熟料颗粒之间,这些细粉能降低需水量,减少熟料颗粒间的摩擦力,提高砂浆和易性,水化时能起晶核作用,吸收部分Ca(OH)2,提高混凝土的密实性和抗蚀能力,提高水泥颗粒之间结合力,提高混凝土强度。因此,在许多情况下都需要加入一些细磨的混合材,调整水泥的颗粒组成和弥补熟料在性能方面的某些不足。
2.2.2 和易性与需水量
对水泥性能要求在保证一定和易性的前提下尽可能降低需水量。影响需水量的因素有化学作用也有物理作用,加入的水首先要填充颗粒间的空隙,这部分水量约占水泥重量的22M.%(M.表示重量,以下同)以上。水还要将所有颗粒打湿,在表面形成平均0.22μm厚的水膜,需要约28M.%的水量。水要能满足C3A和CaSO4水化初期化学结合水所需的水量,甚至包括少量C3S水化所需的水量,还要减小颗粒间的摩擦,使颗粒间容易相互移动以便提高和易性。要想降低需水量就要从这几方面着手,例如增加低活性的细粉减小颗粒间的空隙体积、降低比表面积减少形成水膜的水量,控制C3A活性减少化学结合水的需要量。熟料细粉不能太多,因为磨细后C3A露在表面的量增加也相当于提高C3A的活性,所以磨细度和需水量以及其他组分量都要综合考虑。
2.2.3 硫酸钙的最佳化
因为水泥凝结硬化特性是提高混凝土效能的重要因素,所以对调节凝结过程的石膏也不应轻视,石膏加得合适即与C3A活性相适应才能起到缓凝作用,否则过多和过少都会降低缓凝作用。国外一般是用一半无水石膏一半二水石膏搭配,这样凝结时间最长、强度最高。石膏的搭配即硫酸钙的活性主要取决于C3A的含量和活性,另外还与水泥粉磨系统有关,如磨内温度过高会使二水石膏过多地脱水成半水石膏,如再往磨内喷水更会增大磨内的水气量,能使C3A部分水化并在表面形成水化物外壳,阻止了内部C3A的继续水化,降低了C3A的早期活性,而石膏又因脱水过多提高了活性,两者不匹配也影响凝结特性。磨内温度过低又会造成石膏脱水不够也影响凝结性能。另外它还与磨细度、碱含量等因素有关,所以硫酸钙的最佳化也不容忽视,搭配好能提高强度5%～10%。
2.2.4 早期强度与强度增进率
用户都希望要早期强度高的水泥,所以水泥生产厂都在提高早期强度和强度增进率以满足用户的需要,这方面仅从水泥质量标准上看还不能完全反映出真实情况,如表1、2所示。
2.2.5 混合材的作用和要求
今天人们对混合材的看法有所转变,掺混合材的水泥量逐年增加,欧洲水泥标准已把它们与熟料等同起来,含量在6M.%以上的都称为主要组分,5M.%以下的称为次要组分(石膏不包括在内),这是因为这些材料都有各自的作用。例如,1992年M.Schmidt曾就水泥的功能特性对波特兰水泥(PZ)、石灰石波特兰水泥(PKZ)、粉煤灰冶金水泥(FAHZ)和高炉水泥(HOZ)作了对比试验,结果得出:
(1)部分PKZ和FAHZ混凝土的需水量和泌水性明显低于PZ混凝土,尤其低标号PZ因磨得较粗更不如前两种水泥。
(2)水泥标准强度相同时混凝土28d龄期的强度一般没有什么差别,由于这些水泥的需水量低,所以混凝土强度有可能高于PZ混凝土。
(3)有关耐久性的指标如抗碳化性、渗水深度、抗冻性等方面,PKZ和FAHZ与PZ和HOZ之间也没有实质性的差别。
(4)抗冻—融盐性和抗渗性方面结果与(3)相似。
(5)抗硫酸盐性和抗氯化物渗透性方面,有些试验结果是PKZ和FAHZ都高于PZ。从以上结果可以看出,多组分水泥的性能并不比波特兰水泥差,所以无论从建筑技术还是经济与环保观点来看,都要求今后应大力发展带非熟料组分的高级水泥,这种水泥的通用性强,具有较好的基本功能,价格/功能比值低,更受用户欢迎。然而这并不等于什么材料都可以加到水泥中,相反对这些材料的质量要求和掺量限定更加严格。例如,首先要求这些材料不仅有稳定的质量还要有合适的颗粒组成,因熟料含量相对减少所带来的损失要由颗粒组成的最佳化加以弥补。对掺量范围应严格划分和限定,以便于混凝土的质量控制。
2.2.6 对水泥均匀性与稳定性的要求
现在一般工业发达国家的水泥有一半以上用于输送混凝土,20%～30%用于混凝土制品工厂,也就是说有80%～90%的水泥是通过自动控制的连续式机械化生产线配制成混凝土的。一方面是大规模地生产,另一方面是对混凝土的质量要求越来越高,这就要求水泥不仅要有与使用目的相适应的质量,还要使这个质量均匀和稳定,尤其在使用功能方面如需水量、凝结硬化特性也要均匀和稳定,否则会给混凝土配制工作带来很多麻烦,并将影响混凝土含水量的稳定,影响和易性和混凝土质量。为了保证水泥的均匀性,德国水泥标准规定各种水泥组分应混合粉磨,标准也允许对某些组分分开粉磨然后再混合,但要保证分开粉磨水泥要有与共同混合粉磨水泥相同的均匀性。还规定质量合格的水泥必须经过一个有足够容量的水泥仓贮存后再出厂,不准许在粉磨或混合后不经中间仓就直接出厂,对中间仓的容量有个不成文的规定,应在500t以上。