張大同：水泥和混凝土使用非活性混合材料的現(xiàn)狀、前景和課題

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院張大同教授

　　2013年6月22日在廣西南寧組織召開(kāi)了全國(guó)石灰石粉在水泥與混凝土中應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院張大同教授做了水泥和混凝土使用非活性混合材料的現(xiàn)狀、前景和課題的報(bào)告。報(bào)告介紹了水泥和混凝土使用非活性混合材的現(xiàn)狀，非活性混合材料應(yīng)用前景，非活性混合材在水泥和混凝土中應(yīng)用研究狀況等。以下為報(bào)告具體內(nèi)容。

　　一 水泥和混凝土使用非活性混合材的現(xiàn)狀

　　1.水泥

　　我國(guó)從解放后到90年代初，水泥資源短缺。所以我國(guó)的水泥在生產(chǎn)上力求實(shí)用，使用活性混合材料，提高水泥強(qiáng)度，又因?yàn)榭杉尤肓枯^大，所以熟料用量比較省。我國(guó)家從五十年代開(kāi)始一直致力于活性混合材料研究，而對(duì)于非活性混合材料研究基本是附帶的。但是最近幾年，人們對(duì)于非活性混合材料在水泥中的作用有新的認(rèn)識(shí)。近年來(lái)，由于活性混合材供應(yīng)緊張，價(jià)格居高，使用非活性混合材的日漸增加。工廠在被迫使用非活性混合材中也看到了非活性混合材的一些優(yōu)點(diǎn)，但仍然受到標(biāo)準(zhǔn)、觀念和研究不足的限制。

　　表1 我國(guó)通用水泥標(biāo)準(zhǔn)中允許使用非活性混合材的水泥品種

　　在我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)中，非活性混合材除石灰石、砂巖外還包括活性不合格的礦渣、火山灰、粉煤灰等。原東歐國(guó)家也是這樣。歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)中非活性混合材料只有石灰石。美國(guó)、馬來(lái)西亞、巴西、加拿大等也如此。

　　表2 歐洲水泥標(biāo)準(zhǔn)EN197-1:2011中對(duì)非活性混合材料的規(guī)定

　　2.混凝土

　　我國(guó)混凝土中除了砂石骨料、減水劑外，于1986年頒布了JGJ28---86《混凝土使用粉煤灰》，2002年首次制訂了《GB/T18736-2002高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》，其中只允許有一定活性的磨細(xì)礦渣粉、粉煤灰和磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)天然沸石、硅灰及其復(fù)合物。（根據(jù)混凝土的性能進(jìn)行用量規(guī)范）在JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中還允許摻磷渣份、鋼渣粉及包括以上材料在內(nèi)的復(fù)合摻合料，（都屬于活性材料）但都沒(méi)有包括非活性混合材。

　　最近工程建設(shè)行業(yè)起草了JGJ《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（征求意見(jiàn)稿），開(kāi)始對(duì)混凝土使用石灰石粉進(jìn)行規(guī)范。

　　二 非活性混合材料應(yīng)用前景

　　1.非活性混合材料的特點(diǎn)

　　雖然不同種類的非活性混合材的活性差別很大，但它們的共同特點(diǎn)是，其活性比活性混合材低，在水泥、混凝土硬化過(guò)程中他們只產(chǎn)生較少的水化產(chǎn)物，主要在顆粒組成上改善水泥的早期強(qiáng)度，因此：

　　1）后期強(qiáng)度普遍增進(jìn)小，這是非活性混合材料最大的特點(diǎn)，也是基本特點(diǎn)；

　　2）除火山灰質(zhì)材料外，在拌制和施工階段只有少量的物理吸水，基本不影響水泥或膠凝材料的需水性；

　　3）它們與水泥熟料水化物反應(yīng)產(chǎn)生新的膠凝物質(zhì)少，對(duì)新拌混凝土的流動(dòng)性影響??；養(yǎng)護(hù)過(guò)程自干性收縮可能性低；

　　4）大都對(duì)減水劑的效果影響小；

　　5）吸收Ca（OH）2少，基本不影響水泥硬化體內(nèi)的堿度，；

　　6） 硬化后體積變化小

　　這些特點(diǎn)對(duì)今天混凝土性能的進(jìn)一步提高具有一定的意義。

　　2.混合材需求和供應(yīng)環(huán)境

　　從水泥行業(yè)來(lái)說(shuō)，使用混合材是企業(yè)產(chǎn)品滿足市場(chǎng)需求、維持和擴(kuò)大市場(chǎng)份額、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要一環(huán)。因此，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行我國(guó)混合材在水泥中的比例，基本上是穩(wěn)定在一個(gè)水平上，我國(guó)2010年水泥中熟料系數(shù)0.629，混合材占37.71%，水泥產(chǎn)量18.8億噸。而2011年水泥熟料系數(shù)0.627，混合材料占37.73%，水泥產(chǎn)量20.85億噸，這樣2011年我國(guó)水泥生產(chǎn)需要混合材料7.78億噸。

　　從混凝土來(lái)說(shuō)，商品混凝土在配制不同等級(jí)的混凝土?xí)r幾乎離不開(kāi)細(xì)磨的混合材（摻合物）。而這幾年我國(guó)商品混凝土的發(fā)展非常迅速，2010年我國(guó)商品混凝土生產(chǎn)量為11.79億立，而到了2011年的時(shí)候已經(jīng)達(dá)到14.2億立方（混凝土網(wǎng)），目前還沒(méi)有找到每方混凝土平均需要多少摻和料的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在按JGJ55---2011的規(guī)定來(lái)估算一方混凝土的膠凝材料的用量：當(dāng)水/灰≤0.45時(shí)，膠凝材料的用量都是≥330kg；鋼筋混凝土水/灰≤0.40，用硅酸鹽水泥配制的，摻合料的最大用量可達(dá)膠凝材料用量的65%，用普通水泥配制的可達(dá)55%。那么，若采用普通水泥的規(guī)定，一方混凝土的摻合料大約是181kg。不同地區(qū)摻合料的摻和量是不一樣的。不同等級(jí)的混凝土的摻和量也是不一樣的。2011年商品混凝土所用摻合約為2.57億噸。

　　2011年，水泥和混凝土需要混合材料總量在10.35億噸上下。發(fā)展到現(xiàn)在，混合材料的需求還要增加。水泥生產(chǎn)可以不用混合材，而混凝土仍需要混合材，而且二者的總量估計(jì)不會(huì)因此而有大的變化。

　　3.混凝土發(fā)展對(duì)混合材的需求出現(xiàn)多樣化

　　現(xiàn)代混凝土是現(xiàn)代建筑發(fā)展的結(jié)果。它除了要求高強(qiáng)，特別是高抗拉外，還要求：

　　新拌混凝土有良好的凝聚性和高流動(dòng)性、在施工后養(yǎng)護(hù)期內(nèi)不會(huì)因水化熱和水化產(chǎn)生自干性收縮、在硬化后使用期內(nèi)體積穩(wěn)定、本體具有良好的密實(shí)性，可以阻止外來(lái)因素的侵入。

　　這些性能是綜合的，需要我們運(yùn)用多種材料才能接近這些目標(biāo)?；谶@樣的要求，我國(guó)混凝土設(shè)計(jì)思想已經(jīng)為我們指明了方向。

　　在1980年代前后混凝土大都按水灰比定則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的：Rh=A×Rs（灰/水﹣B），其中Rh——混凝土抗壓強(qiáng)度，Rs——水泥抗壓強(qiáng)度，A、B——系數(shù)，灰/水——單位混凝土的水泥用量與用水量之比。

　　進(jìn)入21世紀(jì)后，混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范把Rs改為 Rj ，包括水泥、摻合料在內(nèi)的膠凝材料的強(qiáng)度，對(duì)保證混凝土的質(zhì)量是一種有效的統(tǒng)一。

　　三 非活性混合材在水泥和混凝土中應(yīng)用研究狀況

　　與活性混合材相比，我國(guó)對(duì)水泥非活性混合材的研究較少，而且多數(shù)是集中在水泥標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作中。中國(guó)建材研究院在這方面的研究比較多，主要有：

　　1.1960年代，以童三多為首的“微集料水泥”研究團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)對(duì)砂巖、石灰石進(jìn)行研究，其中指出砂巖、石灰石存在對(duì)C3S水化速度的影響 

表3

　　同期以王幼云為首的“水泥混合材料”研究團(tuán)隊(duì)，在研究火山灰質(zhì)混合材活性時(shí)，曾經(jīng)比較過(guò)不同混合材對(duì)水化體中Ca（OH）2 含量的影響。

　　表4  水泥水化體中Ca（HO）2的含量，單位：%   （化學(xué)萃取法）

　　2.1980年代，張大同和趙福欣負(fù)責(zé)的研究小組，在“礦渣水泥摻石灰石”、“五羊出口水泥摻石灰石”的研究中，對(duì)石灰石摻入礦渣水泥后的性能進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，同時(shí)對(duì)水化產(chǎn)物、機(jī)理等也作了當(dāng)時(shí)條件許可的探討。在《關(guān)于摻石灰石礦渣水泥水化過(guò)程中新生成相的研究》一文中指出：

　　1）新生成相是CCA（碳鋁酸鹽），其X衍射分析特征峰在7.6A0左右；

　　2）只有經(jīng)過(guò)3天左右水化才能形成較多量的CCA，7天時(shí)生成量已基本穩(wěn)定；

　　3）CCA在常溫下是穩(wěn)定的，超過(guò)80℃時(shí)7.6A0的峰開(kāi)始消失，水化體中出現(xiàn)7.8 A0左右的新峰，水熱處理后在水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)時(shí)，7.6A0的峰還會(huì)出現(xiàn)，但峰上有分叉；

　　4）摻石灰石前后礦渣水泥性能的變化也與此對(duì)應(yīng)。

　　3. 1990年代以后基本上沒(méi)有這方面的研究，有關(guān)石灰石在水泥中應(yīng)用方面的資料和助磨劑在水泥中的應(yīng)用有關(guān)，現(xiàn)將積累的一些資料簡(jiǎn)介如下

　　1）美國(guó)格列斯的資料：使用助磨劑對(duì)摻石灰石混合水泥強(qiáng)度的關(guān)系

圖1

 數(shù)據(jù)表明，使用助磨劑可以在不改變顆粒組成的情況下，使摻石灰石混合水泥的早期和長(zhǎng)期強(qiáng)度提高5%--50%。

　　2）山東眾森在水泥助磨劑應(yīng)用中的資料：------改變PC水泥的顆粒組成；

　　同一PC水泥 （混合材總量38%，其中石灰石25%）組成相同，并在同一小磨，磨相同時(shí)間，不加與加助磨劑之間的顆粒組成差別

　　表5

　　同一PC組成（含石灰石）水泥，在同一磨機(jī)，用不同助磨劑時(shí)，水泥的顆粒特征的變化：

　　表6 湖北xx廠二種助磨劑的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果

　　改變不同組分的顆粒在水泥中的分布： 同一水泥組成，在同一小磨中粉磨相同時(shí)間，加與不加助磨劑的≤45微米部分的化學(xué)成分發(fā)生變化情況。

　　表7

　　結(jié)果說(shuō)明，助磨劑可以明顯改變水泥中石灰石顆粒的分布。

　　------在不同石灰石含量下，同一助磨劑的不同強(qiáng)度表現(xiàn)：

　表8　云南x(chóng)x廠小磨試驗(yàn)（粉磨相同時(shí)間）

　　這組結(jié)果表示，有助磨劑存在時(shí)，石灰石摻量的變化引起的3天強(qiáng)度變化小于沒(méi)有助磨劑時(shí)的強(qiáng)度變化，而28天強(qiáng)度只有在石灰石含量小于20%時(shí)才這樣。

　　混凝土應(yīng)用石灰石粉方面的研究主要集中在近幾年內(nèi)，有許多相關(guān)的文章，它的集中體現(xiàn)就是JGJ<石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程>征求意見(jiàn)稿的出臺(tái)上。

　　四 石灰石（粉）和其它非活性混合材料（粉）在水泥和混凝土中應(yīng)用需要研究的課題

　　當(dāng)水泥和混凝土普遍允許使用非活性混合材料時(shí)，我們將至少面臨以下問(wèn)題：

　　1.允許用量及其相關(guān)因素

　　在混凝土里面，最大允許用量是多少，在什么情況下可以使用非活性混合材料及它們的數(shù)量；

　　2.非活性混合材料應(yīng)達(dá)到的規(guī)格和相關(guān)因素

　　即要明確，允許使用非活性混合材料時(shí)，這些材料應(yīng)具有的相應(yīng)品質(zhì)和規(guī)格；

　　3.制備技術(shù)和裝備

　　在水泥生產(chǎn)中非活性混合材料一般在水泥制成時(shí)進(jìn)入水泥，但對(duì)于混凝土則需要形成單獨(dú)的產(chǎn)品，因此需要研究，生產(chǎn)這些材料時(shí)可用的資源、工藝、裝備和控制元素等；

　　4.需要研究彌補(bǔ)非活性混合材料缺陷的技術(shù)措施

　　如何提高其加入后的后期強(qiáng)度。