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(yù)計(jì)到21世紀(jì)仍將有較大發(fā)展。近20年來,水泥在性能和品種方面都有很大進(jìn)展,我國也十分重視水泥質(zhì)量問題。
1 對水泥質(zhì)量認(rèn)識的轉(zhuǎn)變
從水泥生產(chǎn)廠的角度來看水泥是工廠的最終產(chǎn)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(yīng)用,所以水泥僅是半成品。隨著人們對這一問題認(rèn)識的加深,把水泥的生產(chǎn)鏈延續(xù)到混凝土或者說延續(xù)到建筑構(gòu)件或構(gòu)筑物,在水泥質(zhì)量控制和發(fā)展方面發(fā)生了一系列變化。例如無論從節(jié)能角度還是從環(huán)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(yīng)比其他質(zhì)量指標(biāo)更為重要。到目前人們還都是把抗壓強(qiáng)度作為衡量混凝土質(zhì)量的主要指標(biāo),同樣也是作為衡量水泥質(zhì)量的重要指標(biāo)。然而在一些情況下強(qiáng)度高的混凝土并不一定耐久,從許多混凝土的損壞實(shí)例中得出,造成混凝土破壞的主要原因一般都不是機(jī)械應(yīng)力的作用,而是各種化學(xué)侵蝕、凍融作用和其自身的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng),如堿骨料反應(yīng)。于是便提出了什么樣的混凝土耐久,用什么指標(biāo)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(zhì)量應(yīng)提出什么相應(yīng)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(yàn)研究工作,取得許多成果,不久的將來會得出明確的結(jié)論。就目前而言,許多國家已經(jīng)認(rèn)識到現(xiàn)行的水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)僅是材料標(biāo)準(zhǔn),或者說生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),主要是反映材料的特性、準(zhǔn)確的定義和指標(biāo)的檢驗(yàn),以便于生產(chǎn)和質(zhì)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度、安定性、細(xì)度等材料指標(biāo)來判斷水泥質(zhì)量就有些不足,還需要增加一些反映使用功能的指標(biāo),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(xué)侵蝕性、抗氯化物滲透性等等,還應(yīng)包括水泥質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性。這些特性一般還都沒有形成標(biāo)準(zhǔn),但有些國家如歐盟成員國已十分重視這些特性,并規(guī)定只有在這類功能特性方面已獲得有關(guān)建筑技術(shù)監(jiān)督部門認(rèn)可的水泥才準(zhǔn)許上市。老的水泥品種要經(jīng)過使用驗(yàn)證,新開發(fā)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(yàn)法檢驗(yàn)證明是否合乎要求。歐盟正在研究制定一個(gè)對所有品種水泥都適用的按功能特性分級的分級標(biāo)準(zhǔn),它除強(qiáng)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(tǒng)一,至今還沒有正式提出來,但從近幾年水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、水泥質(zhì)量的提高、水泥標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)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(fā)展及對水泥質(zhì)量的要求
2.1 高效能混凝土的發(fā)展
進(jìn)入90年代以來,混凝土工藝有很大發(fā)展,一般混凝土的標(biāo)準(zhǔn)28d抗壓強(qiáng)度首先是提高到60～85MPa以上,近來又提高到105MPa以上,實(shí)際應(yīng)用的已達(dá)140～150MPa,試驗(yàn)研究的已超過240MPa,所以最初人們稱之為高強(qiáng)混凝土。后來發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土還具有許多其他方面的優(yōu)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(xué)侵蝕性強(qiáng)等等,這些都涉及到混凝土的使用功能,單用一個(gè)高強(qiáng)度還反映不出它的全部優(yōu)點(diǎn),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(jī)械振搗也能密實(shí)的所謂自密實(shí)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(chǎn)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(jié)省鋼筋用量。若混凝土柱的橫斷面積保持不變,混凝土標(biāo)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(shí)C135的使用壽命是C55的4倍。
(4)硬化快。C105混凝土1d強(qiáng)度相當(dāng)于C35混凝土的28d強(qiáng)度,16h強(qiáng)度超過20MPa,施工當(dāng)天便可拆模板,可大大縮短施工周期。
(5)抗?jié)B透和抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)。高效能混凝土密實(shí)性好,抗侵蝕性氣體和液體滲透的能力強(qiáng),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(hù)層。
(6)干燥快。在房屋建筑中現(xiàn)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(gòu)件澆注,甚至不需機(jī)械振搗也能保證混凝土有足夠的密實(shí)性。
(8)需要高強(qiáng)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(jìn)地基中。制作可用頂進(jìn)法鋪設(shè)的高強(qiáng)混凝土管,最長可頂入土壤中200m遠(yuǎn)。
高效能混凝土還有其他許多優(yōu)點(diǎn),如構(gòu)件重量輕、耐久性高,今天要求混凝土的使用壽命要達(dá)到100年或更長,降低了水泥消費(fèi)量,有利于節(jié)能和保護(hù)環(huán)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(fā)展方向,國外有人預(yù)測到下一世紀(jì)混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)100MPa,達(dá)到建筑鋼材的性能水平。
2.2 高效能的產(chǎn)生及對水泥質(zhì)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(xì)粉料和使用性能及數(shù)量合適的水泥。降低水灰比和摻加超細(xì)粉可使混凝土密實(shí),摻加硅粉能改善水泥基體與集料結(jié)合面的結(jié)合強(qiáng)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(jié)硬化是個(gè)復(fù)雜的過程,既有化學(xué)作用也有物理作用,其中水泥磨細(xì)度和顆粒組成對充分發(fā)揮水泥的化學(xué)潛能十分重要。一般細(xì)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(qiáng)度增進(jìn)過程。太粗的顆粒不能完全水化,過細(xì)的顆粒有可能結(jié)團(tuán)、增大了孔隙率,影響強(qiáng)度。熟料細(xì)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(jìn)而影響混凝土的密實(shí)性和耐久性。現(xiàn)在比較公認(rèn)的是對強(qiáng)度增進(jìn)率起主要作用的是3～32μm的顆粒,其間各粒級的分布是連續(xù)的,總的含量不能低于65%,16～24μm的顆粒部分對強(qiáng)度增進(jìn)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(qiáng)度有利,有人提出2～5μm,也有人主張小于8μm的細(xì)顆粒也要有一定的含量。但是由于熟料細(xì)粉過多會增大需水量,或使砂漿僵硬,又可用磨細(xì)的混合材代替部分熟料細(xì)粉填充在熟料顆粒之間,這些細(xì)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(shí)能起晶核作用,吸收部分Ca(OH)2,提高混凝土的密實(shí)性和抗蝕能力,提高水泥顆粒之間結(jié)合力,提高混凝土強(qiáng)度。因此,在許多情況下都需要加入一些細(xì)磨的混合材,調(diào)整水泥的顆粒組成和彌補(bǔ)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(xué)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(xué)結(jié)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(xì)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(xué)結(jié)合水的需要量。熟料細(xì)粉不能太多,因?yàn)槟ゼ?xì)后C3A露在表面的量增加也相當(dāng)于提高C3A的活性,所以磨細(xì)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?yàn)樗嗄Y(jié)硬化特性是提高混凝土效能的重要因素,所以對調(diào)節(jié)凝結(jié)過程的石膏也不應(yīng)輕視,石膏加得合適即與C3A活性相適應(yīng)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(jié)時(shí)間最長、強(qiáng)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(tǒng)有關(guān),如磨內(nèi)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(nèi)噴水更會增大磨內(nèi)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(nèi)部C3A的繼續(xù)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(jié)特性。磨內(nèi)溫度過低又會造成石膏脫水不夠也影響凝結(jié)性能。另外它還與磨細(xì)度、堿含量等因素有關(guān),所以硫酸鈣的最佳化也不容忽視,搭配好能提高強(qiáng)度5%～10%。
2.2.4 早期強(qiáng)度與強(qiáng)度增進(jìn)率
用戶都希望要早期強(qiáng)度高的水泥,所以水泥生產(chǎn)廠都在提高早期強(qiáng)度和強(qiáng)度增進(jìn)率以滿足用戶的需要,這方面僅從水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上看還不能完全反映出真實(shí)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(zhuǎn)變,摻混合材的水泥量逐年增加,歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)),這是因?yàn)檫@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(yàn),結(jié)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(biāo)號PZ因磨得較粗更不如前兩種水泥。
(2)水泥標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度相同時(shí)混凝土28d齡期的強(qiáng)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(qiáng)度有可能高于PZ混凝土。
(3)有關(guān)耐久性的指標(biāo)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(shí)質(zhì)性的差別。
(4)抗凍—融鹽性和抗?jié)B性方面結(jié)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(yàn)結(jié)果是PKZ和FAHZ都高于PZ。從以上結(jié)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(shù)還是經(jīng)濟(jì)與環(huán)保觀點(diǎn)來看,都要求今后應(yīng)大力發(fā)展帶非熟料組分的高級水泥,這種水泥的通用性強(qiáng),具有較好的基本功能,價(jià)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(zhì)量要求和摻量限定更加嚴(yán)格。例如,首先要求這些材料不僅有穩(wěn)定的質(zhì)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(bǔ)。對摻量范圍應(yīng)嚴(yán)格劃分和限定,以便于混凝土的質(zhì)量控制。
2.2.6 對水泥均勻性與穩(wěn)定性的要求
現(xiàn)在一般工業(yè)發(fā)達(dá)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(xù)式機(jī)械化生產(chǎn)線配制成混凝土的。一方面是大規(guī)模地生產(chǎn),另一方面是對混凝土的質(zhì)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(yīng)的質(zhì)量,還要使這個(gè)質(zhì)量均勻和穩(wěn)定,尤其在使用功能方面如需水量、凝結(jié)硬化特性也要均勻和穩(wěn)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(wěn)定,影響和易性和混凝土質(zhì)量。為了保證水泥的均勻性,德國水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各種水泥組分應(yīng)混合粉磨,標(biāo)準(zhǔn)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(guī)定質(zhì)量合格的水泥必須經(jīng)過一個(gè)有足夠容量的水泥倉貯存后再出廠,不準(zhǔn)許在粉磨或混合后不經(jīng)中間倉就直接出廠,對中間倉的容量有個(gè)不成文的規(guī)定,應(yīng)在500t以上。