水泥特性對混凝土性能的影響

    水泥是混凝土最重要的組分之一，其物理和化學特性對混凝土性能具有重大的影響。現(xiàn)代混凝土，已不僅僅是水泥、砂石骨料和水的拌合物，還包括各種各樣的礦物摻合料和化學外加劑。隨著這些摻合料和外加劑的加入，混凝土的性能往往會變得更為復雜。一種特殊組分對新拌和硬化混凝土性能影響的預測也變得日益困難。礦物摻合料和化學外加劑的品種和百分比摻量，甚至其在配合比設(shè)計或攪拌程序的微小變化，都會對混凝土的性能產(chǎn)生影響，而這些微小變化往往又會掩蓋由于水泥的特性而引起的變化。然而，波特蘭水泥—一種在混凝土中產(chǎn)生反應(yīng)最大的材料，對混凝土的最終性能，具有決定性的影響。因此，更深入地了解水泥特性對混凝土的潛在影響是至關(guān)重要的。最近，美國波特蘭水泥協(xié)會的出版物對這一課題提供了極為有價值的信息和數(shù)據(jù)資料，這些信息和數(shù)據(jù)資料，無疑使那些使用水泥和混凝土的企業(yè)和個人倍感興趣。為此，本文將對某些更廣義的發(fā)展趨勢，作重點闡述和介紹。
 
    新一期PCA（波特蘭水泥協(xié)會）出版物中的信息資料大致可分為兩大部分，第一部分闡述了有關(guān)波特蘭水泥生產(chǎn)商和用戶所關(guān)心的波特蘭水泥的物理和化學特性；第二部分則提供了有關(guān)水泥特性的任何微小變化，可能引起混凝土性能變化的有用信息資料。
 
    過去五十多年來，美國市場上所供應(yīng)的波特蘭水泥特性的對比數(shù)據(jù)資料，向我們揭示了某些令人倍感興趣的水泥發(fā)展趨勢。作者對比了來自三項調(diào)查研究的數(shù)據(jù)資料，其一是，1995年由Gebhardt 所進行的調(diào)查數(shù)據(jù)（136家水泥廠的387種水泥）；其二是，1999年P(guān)CA所進行的調(diào)查數(shù)據(jù)（100家水泥廠的234種水泥）；其三是，由美國國家標準局（NIST）對上世紀五十年代以來的水泥和測試結(jié)果所進行的分析研究資料。來自對ASTM  I至V型水泥前三項調(diào)查的統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯總表顯示，水泥組分的成分無實質(zhì)的變化。這就表明，上世紀九十年代美國生產(chǎn)的水泥中，其主要的氧化物和潛在的混合料的成分幾乎是相同的。
 
    但是，如果把九十年代的水泥的數(shù)據(jù)資料和五十年代相比較，就會出現(xiàn)完全不同的情況了。從對比資料可以看出，雖然，硅酸鈣的總量沒有發(fā)生變化，但是，C3S的含量增加了，而C2S的含量下降了。舉例來說，上世紀五十年代至九十年代期間，I型水泥中C3S的含量從51%，增加到56%，而C2S的含量從23%，下降到17%。此外，在同一期間，水泥的細度增加了，水泥中C3S和堿的含量也增加了。直接對比九十年代和五十年代水泥砂漿立方體試塊的抗壓強度是不可能的，其原因是在此期間，試驗程序（方法）發(fā)生了變化。但是，若把九十年代和五十年代水泥砂漿的強度曲線進行比較，顯然，現(xiàn)代水泥7天強度的發(fā)展要快得多，其原因要歸功于較高的C3S含量及現(xiàn)代水泥更高的細度。眾所周知，該變化是受到市場對早期脫模，縮短施工工期需求的支配。
 
    根據(jù)Gonnerman 和  Lerch 對從1916年到1950年期間水泥特性的數(shù)據(jù)匯總資料，也能反映出某些令人倍感興趣的水泥發(fā)展趨勢。從兩張資料匯總表可以觀察到重大的變化發(fā)生在上世紀二十年代至四十年代。在此期間，C3S含量從21%，增加到50%，而C2S和C3A的含量分別從48%和25%，下降到23%和17%。值得指出的是，現(xiàn)代水泥成分的這些變化和水泥細度的提高，有助于獲得早高強。28天至十年齡期獲得的采用水養(yǎng)護的混凝土強度的增加量基本保持不變，即為20MPa。根據(jù)百分比來看，強度增加的變化超過二十年代水泥的100%，也超過四十年代水泥的近40%。
 
    如前所說，第二部分討論的是，水泥特性發(fā)展的任何單一變化，就有可能使混凝土性能發(fā)生變化。對在新拌狀態(tài)下混凝土性能（工作性、用水量、坍落度、流變性、凝結(jié)時間、秘水、外加劑的適用性和水化熱）以及硬化狀態(tài)下混凝土性能（抗壓強度、收縮、運輸性能和耐久性等）一系列的變化進行的探討，最后，作者將其歸納為兩張匯總表，經(jīng)PCA認可，我們重新復制如下，供更廣泛的交流。1表列出了水泥特性變化對混凝土性能產(chǎn)生的影響，表2列出了每一項水泥特性的重大變化對混凝土性能可能產(chǎn)生變化的發(fā)展趨勢。在編制這些匯總表過程中，作者加入了這樣一句警示性的注釋語，即：“需著重指出：在編制這些匯總表時，我們假設(shè)僅一項所討論的參數(shù)發(fā)生變化，而其他參數(shù)保持不變?！?但是，在現(xiàn)實中，鑒于波特蘭水泥體系的復雜性和相關(guān)性，這幾乎是不可能的?！趨⒖歼@些匯總表時，應(yīng)對可能產(chǎn)生的比其直接影響更大的相互干擾和間接影響，給予必要的關(guān)注。” 盡管如此，這些匯總表對于施工實踐中的工程師仍然很有價值。它們能提供廣泛的使用指導和水泥的發(fā)展趨勢。雖然，美國ASTM型的水泥和印度水泥之間，在混合成分的數(shù)量范圍方面，存在一定的差異性。但是，本匯總表仍能對印度具有普遍的指導作用，特別是對那些還沒有同類性質(zhì)數(shù)據(jù)資料的印度水泥也具有借鑒作用。
 

表1 水泥特性變化對混凝土性能的影響

混凝土性能

增加C3S(降低C2S)

增加C3A(降低C4AF)

增加堿含量

增加硫酸鹽含量

增加微量元素組分

提高細度

提高顆粒尺寸分布的斜度

外加劑不適應(yīng)性

改變C3S可能會導致外加劑不適應(yīng)性

改變C3A可能會導致外加劑不適應(yīng)性      

改變堿含量可能會導致外加劑不適應(yīng)性

改變硫酸鹽含量可能會導致外加劑不適應(yīng)性

改變微量組分含量可能會導致外加劑不適應(yīng)性

—

—

含氣量

—

—

增加

—

—

減少

—

秘水

—

減少          

減少        

—

—

減少

—

秘水        

—

減少          

減少        

—

—  

減少

—

氧化物結(jié)合     

—

增加           

—

—

—          

—

—

氧化物滲透     

—

下降

—

—

— 

—

—

水化熱

增加

增加

增加

—

— 

增加

—

與SCM反應(yīng)

增加

— 

增加

—

—

—

—

ASR風險

—

—

增加

—

—

—

—

凝結(jié)時間

縮短

縮短，可能產(chǎn)生閃凝

變化

—

增加（若多加F和P2O5）

縮短

縮短

收縮

—

—

下降

下降

—

增加

—

坍落度損失

—

—

增加

下降

—

增加

—

強度

增加

增加

早期增加，后期下降

—

—

增加

增加

抗硫酸鹽

—

下降

—

—

—

—

—

用水量

—

增加

增加

增加

—

　

增加

工作性

—

下降

下降

—

—

增加

—

注：  ASR-堿硅反應(yīng)， SCM-輔助膠凝材料

 

表2 水泥特性變化對混凝土性能的影響

水泥性能變化

假定僅一項組分發(fā)生變化,而其他組分不變,的條件下,對混凝土性能的影響

堿含量(增加)熟料中硫酸鹽含量(增加)

假定使用某一定劑量的引氣劑，使混凝土含氣量增加;

與另一種外加劑相互作用,使混凝土性能產(chǎn)生變化;

水泥凝結(jié)時間（增加）

早期強度增加,后期強度下降;

 堿骨料反應(yīng)風險增加(與活性骨料);

在, 某些條件下,增加裂縫之風險;

 對輔助膠凝材料增加了活性;

增加水化熱的升溫速度。

C3A含量 （增加）C4AF含量（下降）

工作性將下降；

可能產(chǎn)生閃凝；

 產(chǎn)生熱的速度會增加；

早期強度會增加，后期強度不受影響；

 水泥顏色將變淡

抗硫酸鹽性能變?nèi)?，（在硫酸鹽環(huán)境下）；

 延遲性鈣礬石反應(yīng)之風險會增加（在適當環(huán)境下）；

可能產(chǎn)生氯化物結(jié)合。

C3S含量（增加）C2S含量（下降）

 工作性不受影響；

初凝時間會稍有縮短；

產(chǎn)生熱量的速度會增加；

早期強度會增加，后期強度可能受到的影響取決于C3S和C2S相應(yīng)的百分比含量趨向；

可能增加膠凝材料的用量。

水泥砂漿強度（增加）

混凝土強度會增加（早期強度的相關(guān)性一般，后期強度的相關(guān)性較差）。

水泥凝結(jié)時間（增加）

混凝土的凝結(jié)時間會增加（相關(guān)性較差）。

水泥中硫酸鹽含量（石膏與半水化合物之比）

閃凝之風險會增加，強度也會變化，取決于水泥的最佳硫酸鹽含量，及強度試驗時混凝土的齡期。

細度（增加）

工作性下降，用水量增加；

在一定的引氣劑劑量下，含氣量會下降；

凝結(jié)時間縮短；

 產(chǎn)生熱量的速度會增加；

早期強度會增加，后期強度不受影響；

 收縮會增加；

游離氧化鈣含量（增加）

由于不安定性增加，會產(chǎn)生膨脹之風險。

鎂含量（增加）

由于不安定性增加，會產(chǎn)生膨脹之風險。

微量元素組分的變化

微量元素組分含量的變化，不可能導致混凝土性的重大變化，但眾所周知，F和P2O5 的變化，會增加凝結(jié)時間；

可能會有例外，可向?qū)＜耀@取合理的咨詢指導。

顆粒尺寸分布（斜度更大的曲線）

用水量增加；

 早期強度增加；

 孔隙率會增加；

凝結(jié)時間縮短。

 

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