水泥質(zhì)量和外加劑對(duì)混凝土質(zhì)量的影響因素

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

按照傳統(tǒng)理論方式混凝土是按強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，衡量混凝土質(zhì)量的最終標(biāo)準(zhǔn)主要是混凝土的強(qiáng)度。因此混凝土生產(chǎn)商對(duì)水泥質(zhì)量品質(zhì)的要求也就是強(qiáng)調(diào)其強(qiáng)度；推而言之，認(rèn)為強(qiáng)度越高的水泥其質(zhì)量也就越高。依照如此觀點(diǎn)，造成近年來(lái)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫尤其是早期開裂的現(xiàn)象日益普遍。其原因很復(fù)雜。單從水泥來(lái)說(shuō)，比表面積、礦物組成中C3A、C3S、堿含量的增加，外加劑的摻入量和外加劑的品種性能，d．溫度過(guò)高的出廠水泥用于混凝土攪拌站，生產(chǎn)預(yù)拌混凝土，都增加了開裂的敏感性，降低了混凝土的流變性能，這是混凝土的原材料中影響混凝土產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因。因此，應(yīng)當(dāng)把抗裂性作為水泥質(zhì)量品質(zhì)的重要要求，并對(duì)外加劑的摻入量和外加劑的品種性能作出嚴(yán)格的規(guī)定。
　　1、前 言
　　水泥和混凝土的關(guān)系，前者是后者產(chǎn)品質(zhì)量的賴以生存的根基。水泥的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度越來(lái)越高，雖然也是生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的一種表現(xiàn)，但也是一種盲目地追求市場(chǎng)結(jié)果的商業(yè)性行為——即滿足混凝土早期強(qiáng)度不斷提高的要求。從過(guò)去的習(xí)慣性思維來(lái)講，由于人們對(duì)工程質(zhì)量所注重的就是混凝土的強(qiáng)度表征，自然對(duì)水泥的要求也主要注重強(qiáng)度。盡管由于混凝土的耐久性問題開始顯現(xiàn)，人們開始重視混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性，但在實(shí)踐中仍然把強(qiáng)度作為混凝土質(zhì)量要求和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。尤其近兩年來(lái)，混凝土施工中高效減水劑與水泥相容性不好的問題發(fā)生得比過(guò)去更多，地下連續(xù)墻和樓板甚至大梁開裂問題頻頻發(fā)生。其原因很復(fù)雜，涉及多方面因素，包括開發(fā)商、業(yè)主、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)商、材料供應(yīng)商、施工管理商等等。即使這些問題避開不談，就材料本身來(lái)說(shuō)，混凝土的質(zhì)量不只是配合比的問題。設(shè)計(jì)的混凝土配合比只要是與原材料性質(zhì)相匹配，質(zhì)量差的原材料也很難做出高質(zhì)量的混凝土商品，因此，有必要追溯原材料方面的原因。
　　只要混凝土骨料的質(zhì)量品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)的配合比要求，在原材料中，影響混凝土抗裂性的主要因素是水泥。購(gòu)進(jìn)水泥時(shí)只檢驗(yàn)強(qiáng)度(當(dāng)然有時(shí)還可能復(fù)驗(yàn)一下凝結(jié)時(shí)間)是不能判斷水泥對(duì)混凝土抗裂性影響的。例如，兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)的相同品種水泥，B廠水泥的混凝土在約束條件下由于自收縮而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，使其對(duì)開裂敏感；A廠的水泥則稍有膨脹而有較小的約束應(yīng)力，抗裂性較好。因此水泥、混凝土工作者應(yīng)當(dāng)除了關(guān)心按現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水泥性質(zhì)外，更加關(guān)心水泥在混凝土中的行為，即對(duì)混凝土抗裂性能的影響。
　　隨著商品混凝土的普及，混凝土的早期開裂現(xiàn)象普遍增多，一般情況無(wú)外乎以下兩種現(xiàn)象：
　　1.1 塑性開裂
　　由于塑性階段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表層混凝土的失水收縮，受內(nèi)部混凝土與鋼筋的約束造成受拉開裂?，F(xiàn)今水泥的早強(qiáng)特性及外加劑的摻加使用不適當(dāng)，使得混凝土較快或者過(guò)于緩慢凝結(jié)。凝結(jié)較快時(shí)易造成塑性開裂；當(dāng)混凝土長(zhǎng)時(shí)間處于塑性狀態(tài)，將增加其塑性開裂的可能性，塑性開裂時(shí)對(duì)鋼筋硅耐久性，特別是砼碳化導(dǎo)致的鋼筋銹蝕有很大危害。
　　1.2 早期硬化開裂
　　瑞典水泥和混凝土研究所研究人員1980年發(fā)現(xiàn)，混凝土成型后水化塑性減小，彈性模量E增加，成型后4—8小時(shí)，E值從不起10MPa～102MPa 迅速增大到104MPa—105MPa，增加了3個(gè)數(shù)量級(jí)。而此時(shí)抗壓和抗拉強(qiáng)度只以正常的速度增長(zhǎng)，因此極限應(yīng)變由2h的4．0×10—3急劇下降，6h～8h的應(yīng)變降到最低值0．04×10—3左右，隨后又逐步增大到硬化后混凝土的正常極限拉應(yīng)變0.1×10—3。早期硬化混凝土有一個(gè)極限拉應(yīng)變最低的時(shí)段，而現(xiàn)在水泥高早期產(chǎn)生的水化熱，水泥膠凝材料的高細(xì)度和低水膠比，因高效減水劑造成的濕潤(rùn)角和毛細(xì)孔水力半徑的降低，使得毛細(xì)孔壓力增加，早期收縮(包括自收縮)可能在混凝土凝固初期就超過(guò)它的極限應(yīng)變值而造成開裂。研究表明：24h抗壓強(qiáng)度值越小，則早期收縮值、彈性模量E也越低，而徐變則較大，有利于減小早期開裂風(fēng)險(xiǎn)。有研究表明24h混凝土抗壓強(qiáng)度值為12MPa時(shí)是拐點(diǎn)。因此，為保障混凝土的后期性能，選擇合適的早期性能水泥、摻合料(品種、摻量)、外加劑對(duì)混凝土的凝結(jié)影響是極其重要的。
　　出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是隨著水泥強(qiáng)度不斷提高后才發(fā)生的，不同水泥廠家采用不同的方法滿足強(qiáng)度(尤其足早期強(qiáng)度)的要求，例如提高比表面積，增加C3S、 C3A的含量等，我國(guó)有的水泥廠甚至還采用一些什么“增強(qiáng)劑”之類的措施(注意正像—些食品添加劑，短期無(wú)害，長(zhǎng)期不一定安全)。
　　由于建筑業(yè)市場(chǎng)需求的變化，現(xiàn)代水泥的組成和細(xì)度發(fā)生廠很大變化。美國(guó)從1920年到1999年，70年中水泥和混凝土主要參數(shù)的變化的趨勢(shì)是水泥中 C3S含量從35%增加到50～60%，比表面積從220cm2／kg增加到340～600m2／kg，混凝土的水灰比從0．56～0．8降低至 0．26～0．56。水泥的7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了幾乎2．5倍。近年來(lái)國(guó)外許多專家根據(jù)實(shí)際調(diào)查研究，對(duì)這種趨勢(shì)提出了批評(píng)，指出當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)不斷增多的過(guò)早劣化現(xiàn)象主要原因是與此趨勢(shì)有關(guān)。認(rèn)為：“20世紀(jì)混凝土業(yè)為滿足越來(lái)越高的強(qiáng)度要求，不可避免地違背了材料科學(xué)的基本規(guī)律——即開裂與耐久性之間存在的密切關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可持續(xù)發(fā)展的這個(gè)目標(biāo)，有必要更新一些觀念和建設(shè)實(shí)踐。”
　　我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂的方針是“與國(guó)際接軌”，因此也是在按此趨勢(shì)發(fā)展。回顧這段發(fā)展，分析其與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)系，會(huì)有助于我們更新觀念，從關(guān)注強(qiáng)度轉(zhuǎn)變到關(guān)注耐久性，從耐久性的角度來(lái)評(píng)價(jià)水泥和混凝土的質(zhì)量。
　　2 我國(guó)水泥質(zhì)量品質(zhì)變化的簡(jiǎn)單回顧
　　從水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂能反映出水泥質(zhì)量品質(zhì)的變化(不說(shuō)“質(zhì)量”而說(shuō)“質(zhì)量品質(zhì)”是為了避免對(duì)當(dāng)前水泥產(chǎn)品質(zhì)量的褒貶)。修訂水泥標(biāo)準(zhǔn)的目的當(dāng)然是想通過(guò)修訂標(biāo)準(zhǔn)提高水泥的質(zhì)量，但是由于缺乏與水泥的終端產(chǎn)品一一混凝土結(jié)構(gòu)工程的聯(lián)系，以至于忽視了水泥的質(zhì)量品質(zhì)對(duì)提高混凝土質(zhì)量(不能只看到強(qiáng)度更重要的是耐久性)的影響。
　　二十多年來(lái)，我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了三次大的修訂。第一次修訂的標(biāo)準(zhǔn)于1979年7月開始實(shí)施，第二次是1992年開始逐步實(shí)施，第三次，即最近的一次是 1999年開始實(shí)施。各次修訂的基本出發(fā)點(diǎn)都是“與國(guó)際接軌”(盡管前兩次還沒有這個(gè)詞，但實(shí)質(zhì)意義相同)，以促進(jìn)我國(guó)水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。
　　第一次修訂是將我國(guó)使用了20多年的“硬練”強(qiáng)度檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)改為“軟練”強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)。
　　這次修訂水泥標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果是增加了熟料中的C3S和C3A含量，水泥細(xì)度從比表面積平均300m2／kg增加到平均330m2／kg，提高了水泥強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度，同時(shí)也提高了水化熱。因檢驗(yàn)強(qiáng)度的水灰比大幅度增加，減小了摻入礦物摻和料后的強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。
　　第二次修訂后的GBl75—92、GBl344—92等強(qiáng)凋了水泥的早期強(qiáng)度，28d強(qiáng)度均提高了2%，增加了R型水泥品種。該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化了3d早期強(qiáng)度意識(shí)，倡導(dǎo)多生產(chǎn)R型水泥。普通水泥的細(xì)度進(jìn)一步變細(xì)，從篩析法的<12%，改為<10%。
　　GBl75(—1999)GB1344(—1990)等把強(qiáng)度檢驗(yàn)的加水量改為0.50，取消了GBl75—92中的325#水泥，水泥的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。迫使水泥廠以提高C3S、C3A和比表面積來(lái)提高水泥的強(qiáng)度。
　　某廠對(duì)21種來(lái)自不同廠家的熟料(包括新型干法水泥和立窯水泥的)進(jìn)行分析，C3S超過(guò)60%的有4個(gè)樣本(占總樣本的19%)，超過(guò)58%的(含60%以上的)有10個(gè)(占47.6%)。有17個(gè)樣本的C3A含量超過(guò)10%。大部分水泥細(xì)度超過(guò)了350m2／kg。
　　綜上所述，可見我國(guó)水泥各有關(guān)參數(shù)和性質(zhì)變化的歷程和趨勢(shì)與國(guó)外的相似。特點(diǎn)是增加C3S、C3A、細(xì)度趨向于細(xì)，因而強(qiáng)度尤其早期強(qiáng)度不斷提高。此外，上世紀(jì)70年代后期我國(guó)開始引進(jìn)國(guó)外新型干法先進(jìn)水泥生產(chǎn)工藝，使水泥的含堿量提高，尤其使用北方的原材料的水泥含堿量普遍較高。GBl75(— 1999)對(duì)水泥中含堿量進(jìn)行了限制，但只是出于對(duì)預(yù)防堿—骨料反應(yīng)的考慮。這種變化的趨勢(shì)雖然對(duì)混凝土提高早期強(qiáng)度有利，但卻增加了混凝土的溫度收縮、干燥收縮，在加上較低水灰比產(chǎn)生的自收縮，處于約束條件下的混凝土結(jié)構(gòu)較大的收縮變形，因過(guò)高的早期強(qiáng)度而提高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。而早期強(qiáng)度過(guò)高，又使得緩釋收縮應(yīng)變的徐變很小，于是開裂成為必然。
　　下面將要分別研究上述幾個(gè)因素對(duì)混凝土抗裂性造成的影響：
　　3 水泥礦物組成的影響
　　眾所周知，硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種，它們的水化性質(zhì)不同，在水泥中所占比例不同時(shí)將影響對(duì)水泥整體的性質(zhì)。
　　表1所示為水泥中四種主要礦物的水化熱和這四種主要礦物的收縮率。

  

　　C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍，尤其在混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)揮時(shí)期。C3S的水化熱雖然比 C3A的小很多，但在3天卻是C2S水化熱的幾乎5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大；C3A的收縮率是C2S收縮率的3倍，是C4AF的 4～5倍。因此用C3A含量較大的早強(qiáng)水泥澆筑的混凝土容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。

　　4 各種外加劑對(duì)混凝土性能的影響

　　4.1 減水劑

　　目前我國(guó)混凝土尤其是中等以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土普遍使用高效減水劑和其他外加劑。當(dāng)高效減水劑產(chǎn)品一定時(shí)，水泥的成分(主要是含堿量、C3A及其相應(yīng)的SO3含量)和細(xì)度是影響水泥和高效減水劑相容性的主要因素。近年來(lái)隨著水泥細(xì)度的變化加劇了水泥與高效減水劑的相容性問題。

　　混凝土干縮主要與混凝土中5～30nm孔徑毛細(xì)孔所保持的水分有關(guān)；減水劑在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛細(xì)孔孔經(jīng)減小，有實(shí)驗(yàn)證明：未添加減水劑的混凝土，水泥漿體的最可幾孔徑為389，而加入減水劑的則為240 。

　　摻加高效減水劑后，低水灰比使集料和水泥石間的彈性模量減小，集料水膜層厚度減薄，過(guò)渡區(qū)Ca(OH) 2及AFt的大小及趨向程度大大減小，導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)毛細(xì)孔細(xì)化，增強(qiáng)過(guò)渡區(qū)收縮。

　　4.1.1 混凝土干燥失水時(shí)，孔隙液越集中于小孔隙中，含液孔隙半徑愈來(lái)愈小。

　　現(xiàn)今普遍使用高效減水劑，其溶液與水泥濕潤(rùn)角下降較多，而其氣液表面張力一般下降不多，再加上分散作用，使孔隙半徑下降，將會(huì)增加收縮。內(nèi)部毛系孔壓力導(dǎo)致的混凝土收縮，其孔隙中的壓力可由拉普拉斯公式表示：
ΔP=Pν—Pc=2γcosθ／r
式中，Pν——孔隙水蒸氣壓力，kPa
Pc——孔隙水壓力，kPa
γ——氣液表面張力，mN／m
r——孔隙水力半徑，m
θ——濕潤(rùn)角，在混凝土中θ<90°

　　新型高效減水劑如聚羧酸的γ值有較多下降，其混凝土收縮也有所下降，見表2和圖。

表2 減水劑的堿含量及表面張力

　　(注：圖中混凝土配合比參數(shù)GB8076—1997，F(xiàn)DN的摻量0.50%，聚羧酸的摻量0.20%，均為外加劑)

部分外加劑對(duì)混凝土干燥收縮的影響規(guī)律