硅酸鹽水泥國外稱波特蘭水泥(以下簡稱水泥)已有170多年的歷史,在世界各地都是主要建筑材料,預計到21世紀仍將有較大發展。近20年來,水泥在性能和品種方面都有很大進展,我國也十分重視水泥質量問題。
1 對水泥質量認識的轉變
從水泥生產廠的角度來看水泥是工廠的最終產品,但從使用者角度來看水泥還不能直接拿來為用戶所用,必須與其他材料配成混凝土才能應用,所以水泥僅是半成品。隨著人們對這一問題認識的加深,把水泥的生產鏈延續到混凝土或者說延續到建筑構件或構筑物,在水泥質量控制和發展方面發生了一系列變化。例如無論從節能角度還是從環保角度都要求混凝土的使用壽命越長越好,即混凝土的耐久性應比其他質量指標更為重要。到目前人們還都是把抗壓強度作為衡量混凝土質量的主要指標,同樣也是作為衡量水泥質量的重要指標。然而在一些情況下強度高的混凝土并不一定耐久,從許多混凝土的損壞實例中得出,造成混凝土破壞的主要原因一般都不是機械應力的作用,而是各種化學侵蝕、凍融作用和其自身的內部化學反應,如堿骨料反應。于是便提出了什么樣的混凝土耐久,用什么指標來衡量混凝土的耐久性,需要什么樣的水泥來配制耐久性高的混凝土,對水泥質量應提出什么相應地要求等等,這些問題日益受到水泥科技工作者的重視,作了大量試驗研究工作,取得許多成果,不久的將來會得出明確的結論。就目前而言,許多國家已經認識到現行的水泥質量標準僅是材料標準,或者說生產標準,主要是反映材料的特性、準確的定義和指標的檢驗,以便于生產和質量控制,對材料的使用功能涉及的不多或者說包括不夠齊全,而用戶最關心的是材料的使用功能,即這種水泥對他所要配制的混凝土及其所用的施工工藝是否適用,混凝土的耐久性能否得到保證。所以僅用標準規定的強度、安定性、細度等材料指標來判斷水泥質量就有些不足,還需要增加一些反映使用功能的指標,如和易性、砂漿的僵硬性、收縮和徐變、抗凍性、抗碳化性、抗化學侵蝕性、抗氯化物滲透性等等,還應包括水泥質量的均勻性和穩定性。這些特性一般還都沒有形成標準,但有些國家如歐盟成員國已十分重視這些特性,并規定只有在這類功能特性方面已獲得有關建筑技術監督部門認可的水泥才準許上市。老的水泥品種要經過使用驗證,新開發的水泥品種都要作這方面的性能檢測,其中最重要的是混凝土耐久性,要用快速檢驗法檢驗證明是否合乎要求。歐盟正在研究制定一個對所有品種水泥都適用的按功能特性分級的分級標準,它除強度外還考慮了混凝土耐久性,只是由于各國間的意見沒有統一,至今還沒有正式提出來,但從近幾年水泥生產工藝的改進、水泥質量的提高、水泥標準有關條款的修改等方面已能明顯看出對水泥功能特性的重視。
2 混凝土的發展及對水泥質量的要求
2.1 高效能混凝土的發展
進入90年代以來,混凝土工藝有很大發展,一般混凝土的標準28d抗壓強度首先是提高到60～85MPa以上,近來又提高到105MPa以上,實際應用的已達140～150MPa,試驗研究的已超過240MPa,所以最初人們稱之為高強混凝土。后來發現高強混凝土還具有許多其他方面的優良性能,如耐磨性高,吸水率低,抗氣體和液體的滲透性好,抗凍性和抗化學侵蝕性強等等,這些都涉及到混凝土的使用功能,單用一個高強度還反映不出它的全部優點,所以又改稱為高效能混凝土,并把砂漿流動性能特別大的不需要機械振搗也能密實的所謂自密實混凝土也列入高效能混凝土之列。到目前高效能混凝土所產生的效果主要有以下幾方面:
(1)減少占地面積。以混凝土支柱橫斷面面積為例,由C45號提高到C85號,占地面積可減少36%,由C60提高到C120可減少67%。
(2)節省鋼筋用量。若混凝土柱的橫斷面積保持不變,混凝土標號由C45提高到C85可減少配筋69%。
(3)耐磨性高。挪威用C85混凝土修筑高速公路,與普通混凝土比較耐磨性有了成倍地提高。荷蘭用高效能混凝土修筑大壩的過水道也取得了良好的效果。公路維修時C135的使用壽命是C55的4倍。
(4)硬化快。C105混凝土1d強度相當于C35混凝土的28d強度,16h強度超過20MPa,施工當天便可拆模板,可大大縮短施工周期。
(5)抗滲透和抗化學侵蝕能力強。高效能混凝土密實性好,抗侵蝕性氣體和液體滲透的能力強,可用于海洋建筑物、混凝土防滲地面、橋梁等室外建筑的抗蝕保護層。
(6)干燥快。在房屋建筑中現澆混凝土放出的濕氣量可減少90%以上,房屋會很快干燥。
(7)砂漿塑性大。由于砂漿流動性好,可用于高密度配筋的和小斷面的構件澆注,甚至不需機械振搗也能保證混凝土有足夠的密實性。
(8)需要高強的特殊用途。例如制做混凝土螺旋樁,這種樁不需要夯打可旋擰進地基中。制作可用頂進法鋪設的高強混凝土管,最長可頂入土壤中200m遠。
高效能混凝土還有其他許多優點,如構件重量輕、耐久性高,今天要求混凝土的使用壽命要達到100年或更長,降低了水泥消費量,有利于節能和保護環境,在許多情況都可用普通水泥替代特種水泥等等。所以高效能混凝土是今后的發展方向,國外有人預測到下一世紀混凝土的抗壓強度可達100MPa,達到建筑鋼材的性能水平。
2.2 高效能的產生及對水泥質量的要求
目前提高混凝土效能主要是采取降低水灰比、摻加硅粉等超細粉料和使用性能及數量合適的水泥。降低水灰比和摻加超細粉可使混凝土密實,摻加硅粉能改善水泥基體與集料結合面的結合強度、減少Ca(OH)2和鈣礬石含量,提高混凝土的抗蝕性。
2.2.1 合理的顆粒組成
水泥的凝結硬化是個復雜的過程,既有化學作用也有物理作用,其中水泥磨細度和顆粒組成對充分發揮水泥的化學潛能十分重要。一般細度的水泥加水后到28d齡期還會有25%以上的部分沒有水化,在普通水泥混凝土中可能有20%至40%的水泥沒有參與混凝土的強度增進過程。太粗的顆粒不能完全水化,過細的顆粒有可能結團、增大了孔隙率,影響強度。熟料細粉過多會增大需水量,顆粒分布過窄也會由于間隙過大而增大需水量,進而影響混凝土的密實性和耐久性。現在比較公認的是對強度增進率起主要作用的是3～32μm的顆粒,其間各粒級的分布是連續的,總的含量不能低于65%,16～24μm的顆粒部分對強度增進率的作用大,含量越多越好,小于3μm的顆粒量不要超過10%,大于65μm的顆粒活性很小,最好沒有。小顆粒對早期強度有利,有人提出2～5μm,也有人主張小于8μm的細顆粒也要有一定的含量。但是由于熟料細粉過多會增大需水量,或使砂漿僵硬,又可用磨細的混合材代替部分熟料細粉填充在熟料顆粒之間,這些細粉能降低需水量,減少熟料顆粒間的摩擦力,提高砂漿和易性,水化時能起晶核作用,吸收部分Ca(OH)2,提高混凝土的密實性和抗蝕能力,提高水泥顆粒之間結合力,提高混凝土強度。因此,在許多情況下都需要加入一些細磨的混合材,調整水泥的顆粒組成和彌補熟料在性能方面的某些不足。
2.2.2 和易性與需水量
對水泥性能要求在保證一定和易性的前提下盡可能降低需水量。影響需水量的因素有化學作用也有物理作用,加入的水首先要填充顆粒間的空隙,這部分水量約占水泥重量的22M.%(M.表示重量,以下同)以上。水還要將所有顆粒打濕,在表面形成平均0.22μm厚的水膜,需要約28M.%的水量。水要能滿足C3A和CaSO4水化初期化學結合水所需的水量,甚至包括少量C3S水化所需的水量,還要減小顆粒間的摩擦,使顆粒間容易相互移動以便提高和易性。要想降低需水量就要從這幾方面著手,例如增加低活性的細粉減小顆粒間的空隙體積、降低比表面積減少形成水膜的水量,控制C3A活性減少化學結合水的需要量。熟料細粉不能太多,因為磨細后C3A露在表面的量增加也相當于提高C3A的活性,所以磨細度和需水量以及其他組分量都要綜合考慮。
2.2.3 硫酸鈣的最佳化
因為水泥凝結硬化特性是提高混凝土效能的重要因素,所以對調節凝結過程的石膏也不應輕視,石膏加得合適即與C3A活性相適應才能起到緩凝作用,否則過多和過少都會降低緩凝作用。國外一般是用一半無水石膏一半二水石膏搭配,這樣凝結時間最長、強度最高。石膏的搭配即硫酸鈣的活性主要取決于C3A的含量和活性,另外還與水泥粉磨系統有關,如磨內溫度過高會使二水石膏過多地脫水成半水石膏,如再往磨內噴水更會增大磨內的水氣量,能使C3A部分水化并在表面形成水化物外殼,阻止了內部C3A的繼續水化,降低了C3A的早期活性,而石膏又因脫水過多提高了活性,兩者不匹配也影響凝結特性。磨內溫度過低又會造成石膏脫水不夠也影響凝結性能。另外它還與磨細度、堿含量等因素有關,所以硫酸鈣的最佳化也不容忽視,搭配好能提高強度5%～10%。
2.2.4 早期強度與強度增進率
用戶都希望要早期強度高的水泥,所以水泥生產廠都在提高早期強度和強度增進率以滿足用戶的需要,這方面僅從水泥質量標準上看還不能完全反映出真實情況,如表1、2所示。
2.2.5 混合材的作用和要求
今天人們對混合材的看法有所轉變,摻混合材的水泥量逐年增加,歐洲水泥標準已把它們與熟料等同起來,含量在6M.%以上的都稱為主要組分,5M.%以下的稱為次要組分(石膏不包括在內),這是因為這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對波特蘭水泥(PZ)、石灰石波特蘭水泥(PKZ)、粉煤灰冶金水泥(FAHZ)和高爐水泥(HOZ)作了對比試驗,結果得出:
(1)部分PKZ和FAHZ混凝土的需水量和泌水性明顯低于PZ混凝土,尤其低標號PZ因磨得較粗更不如前兩種水泥。
(2)水泥標準強度相同時混凝土28d齡期的強度一般沒有什么差別,由于這些水泥的需水量低,所以混凝土強度有可能高于PZ混凝土。
(3)有關耐久性的指標如抗碳化性、滲水深度、抗凍性等方面,PKZ和FAHZ與PZ和HOZ之間也沒有實質性的差別。
(4)抗凍—融鹽性和抗滲性方面結果與(3)相似。
(5)抗硫酸鹽性和抗氯化物滲透性方面,有些試驗結果是PKZ和FAHZ都高于PZ。從以上結果可以看出,多組分水泥的性能并不比波特蘭水泥差,所以無論從建筑技術還是經濟與環保觀點來看,都要求今后應大力發展帶非熟料組分的高級水泥,這種水泥的通用性強,具有較好的基本功能,價格/功能比值低,更受用戶歡迎。然而這并不等于什么材料都可以加到水泥中,相反對這些材料的質量要求和摻量限定更加嚴格。例如,首先要求這些材料不僅有穩定的質量還要有合適的顆粒組成,因熟料含量相對減少所帶來的損失要由顆粒組成的最佳化加以彌補。對摻量范圍應嚴格劃分和限定,以便于混凝土的質量控制。
2.2.6 對水泥均勻性與穩定性的要求
現在一般工業發達國家的水泥有一半以上用于輸送混凝土,20%～30%用于混凝土制品工廠,也就是說有80%～90%的水泥是通過自動控制的連續式機械化生產線配制成混凝土的。一方面是大規模地生產,另一方面是對混凝土的質量要求越來越高,這就要求水泥不僅要有與使用目的相適應的質量,還要使這個質量均勻和穩定,尤其在使用功能方面如需水量、凝結硬化特性也要均勻和穩定,否則會給混凝土配制工作帶來很多麻煩,并將影響混凝土含水量的穩定,影響和易性和混凝土質量。為了保證水泥的均勻性,德國水泥標準規定各種水泥組分應混合粉磨,標準也允許對某些組分分開粉磨然后再混合,但要保證分開粉磨水泥要有與共同混合粉磨水泥相同的均勻性。還規定質量合格的水泥必須經過一個有足夠容量的水泥倉貯存后再出廠,不準許在粉磨或混合后不經中間倉就直接出廠,對中間倉的容量有個不成文的規定,應在500t以上。