水泥的品質(zhì)和混凝土質(zhì)量的關(guān)系

1　前言
　　水泥和混凝土的關(guān)系，可以比作食物和人的關(guān)系。食物被人消耗之后，應(yīng)當(dāng)變?yōu)榻M成人身體的各種必需的組分，不論近期還是長期都不應(yīng)有什么有害的影響。并不是所有的人都清楚地知道自己應(yīng)當(dāng)對食物有什么要求。如果沒有科學(xué)指導(dǎo)，那么雙方都可能產(chǎn)生盲目性。水泥的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度越來越高，雖然也是生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的一種表現(xiàn)，但也是一種盲目性追求市場的結(jié)果——即混凝土強(qiáng)度不斷提高的要求。在傳統(tǒng)上，由于人們對工程質(zhì)量的所注重的就是強(qiáng)度，自然對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，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，包括開發(fā)商、業(yè)主、建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、管理。這些問題將另議。現(xiàn)但就材料本身來說，混凝土的質(zhì)量不只是配合比的問題。配合比是與原材料性質(zhì)相匹配的，質(zhì)量差的原材料也很難作出高質(zhì)量的配合比。因此有必要也從原材料找找原因。
　　暫不論骨料的品質(zhì)，在原材料中，影響混凝土抗裂性的主要因素則是水泥。購進(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）是不能判斷水泥對混凝土抗裂性影響的。如圖1所示為兩個(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，使其對開裂敏感；A廠的水泥則應(yīng)稍有膨脹而由較小的約束應(yīng)力，抗裂性較好〖1〗。因此水泥的研究者和生產(chǎn)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，即對混凝土抗裂性能的影響。
　　圖1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。不同水泥廠家采用了不同的方法滿足強(qiáng)度（尤其是早期強(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（注意正像一些食品添加劑，短期無害，長期不一定安全）。由于建筑業(yè)的需求，現(xiàn)代水泥的組成和細(xì)度發(fā)生了很大變化〖2〗。美國從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增加到0.26～0.56〖2〗。水泥的7d抗壓強(qiáng)度增長了幾乎2.5倍〖3〗。近年來國外許多專家根據(jù)實(shí)際調(diào)查研究，對這種趨勢提出了批評，指出當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)不斷增多的過早劣化現(xiàn)象主要原因是與此趨勢有關(guān)?！?0世紀(jì)混凝土業(yè)為滿足越來越高的強(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)可持續(xù)發(fā)展的混凝土結(jié)構(gòu)這個(gè)目標(biāo)，有必要更新一些觀念和建設(shè)實(shí)踐?！薄?〗
　　我國水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂的方針是“與國際接軌”，因此也是在按此趨勢發(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)心強(qiáng)度轉(zhuǎn)變到耐久性。從耐久性的角度評價(jià)水泥和混凝土的質(zhì)量。

2　我國水泥品質(zhì)變化的簡單回顧
　　對水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂能反映出水泥品質(zhì)的變化(不說“質(zhì)量”而說“品質(zhì)”是為了避免對當(dāng)前產(chǎn)品水泥質(zhì)量的褒貶)。修訂水泥標(biāo)準(zhǔn)的人的出發(fā)點(diǎn)當(dāng)然是通過修訂標(biāo)準(zhǔn)提高水泥的質(zhì)量，但是由于缺乏和水泥的服務(wù)對象──混凝土結(jié)構(gòu)工程的聯(lián)系，以至于忽視了水泥的品質(zhì)對提高混凝土質(zhì)量(不能只看到強(qiáng)度更重要的是耐久性)的影響。20年來，我國水泥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了三次修訂。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“與國際接軌”（盡管前兩次還沒有這個(gè)詞，而實(shí)質(zhì)相同），促進(jìn)我國水泥生產(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)。這次變化較大，主要變化如表1所示。
　　由表1可見，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〖3〗。
　　第二次修訂后的GB175－92、GB1344－92等強(qiáng)調(diào)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〖4〗。普通水泥的細(xì)度進(jìn)一步變細(xì)，從篩析法的<12％，改為<10％。
　　GB175(－1999)GB1344(－1990)等把強(qiáng)度檢驗(yàn)的加水量改為0.50，取消了GB175－92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和比表面積來提高水泥的強(qiáng)度。某廠對21種來自不同廠家的熟料（包括大水泥和小水泥的）進(jìn)行分析，C3S超過60％的有4個(gè)樣本（占總樣本的19％），超過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10％。大部分水泥細(xì)度超過了350m2/kg。
　　綜上所述，可見我國水泥各有關(guān)參數(shù)和性質(zhì)變化的歷程和趨勢與國外的相似。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年代后期我國開始引進(jìn)國外先進(jìn)水泥生產(chǎn)的干法工藝，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。GB175（－1999）對水泥中含堿量進(jìn)行了限制，但只是出于對預(yù)防堿－骨料反應(yīng)的考慮。這種變化的趨勢雖然對混凝土提高早期強(qiáng)度有利，但卻增加了混凝土的的溫度收縮、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)較大的收縮變形因高的早強(qiáng)而提高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，而高早強(qiáng)又使能緩釋收縮應(yīng)變的徐變很小。于是開裂成為必然。
　　以下分別分析上述幾個(gè)因素對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)影響對水泥整體的性質(zhì)。表2所示為水泥中四種主要礦物的水化熱，表3為四種主要礦物的收縮率?！　?br> 　　由表2、3可見，C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍，尤其在早期。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的幾乎5倍。因此C3A含量較大的早強(qiáng)水泥容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。
　
4　水泥細(xì)度對混凝土工作性的影響
　　目前我國混凝土尤其是中等以上強(qiáng)度等級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。水泥細(xì)度的變化加劇了水泥與高效減水劑相容性問題。近兩年時(shí)有發(fā)生高效減水劑的用戶和廠家的糾紛。為此，天津雍陽外加劑廠丘漢用不同細(xì)度的天津P.O525水泥和拉法基P.O525水泥分別摻入不同量的UNF－5AS，進(jìn)行相容性實(shí)驗(yàn)。采用水灰比為0.29的凈漿，分別在攪拌后5分鐘和60分鐘后量測其流動(dòng)度，結(jié)果如表4所示。
　　由表4可見，隨水泥比表面積的增加，與相同高效減水劑的相容性變差，飽和點(diǎn)提高，為減小流動(dòng)度損失需要增加更多摻量的高效減水劑。不僅增加施工費(fèi)用，而且可導(dǎo)致混凝土中水泥用量的增加，影響混凝土的耐久性?！?br> 　
5　水泥細(xì)度對混凝土開裂的的影響
　　在目前我國大多數(shù)水泥粉磨條件下，水泥磨得越細(xì)，其中的細(xì)顆粒越多。增加水泥的比表面積能提高水泥的水化速率，提高早期強(qiáng)度，但是粒徑在1μm以下的顆粒水化很快，幾乎對后期強(qiáng)度沒有任何貢獻(xiàn)。倒是對早期的水化熱、混凝土的自收縮和干燥收縮有貢獻(xiàn)——水化快的水泥顆粒水化熱釋放得早；因水化快消耗混凝土內(nèi)部的水分較快，引起混凝土的自干燥收縮（圖4）〖2〗；細(xì)顆粒容易水化充分，產(chǎn)生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化物。粗顆粒的減少，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆粒，因而影響到混凝土的長期性能。圖5為Currows引用的一個(gè)實(shí)例：在美國1937年按特快硬水泥生產(chǎn)的水泥Ⅰ與現(xiàn)今水泥的平均水平的組成和細(xì)度相當(dāng)，當(dāng)時(shí)采用這種快硬水泥的混凝土10年后強(qiáng)度倒縮了(圖5中的水泥Ⅰ）；而1923年使用粗水泥的混凝土，直到50年強(qiáng)度還在增長(圖5中水泥7M)〖2〗。
　　水泥細(xì)度還會(huì)影響混凝土的抗凍性(見圖6)〖2〗。細(xì)水泥的易裂性可能與其低抗拉強(qiáng)度有關(guān)（圖7）〖2〗。

6　水泥中含堿量和混凝土開裂的關(guān)系
　　GB175（－1999）出于對預(yù)防堿－骨料反應(yīng)的考慮對水泥中含堿量進(jìn)行了限制。Burrows在美國克羅里達(dá)的青山壩對104種混凝土的面板進(jìn)行了53年的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)開裂嚴(yán)重的劣化了的混凝土中，有的水泥含堿量高，但所用骨料并沒有堿活性；還有的使用高堿水泥同時(shí)所用骨料也有活性，但是檢測的結(jié)果卻沒有堿－骨料反應(yīng)的產(chǎn)物，而混凝土卻開裂而裂化了；這表明堿能促進(jìn)水泥的收縮開裂〖2〗。圖7為Blaine用環(huán)形收縮測定儀測定水泥中含堿量對水泥開裂情況的的影響以及1996年相應(yīng)水泥混凝土狀況，圖中的好和差表示抗裂性的好壞。在圖中，注意當(dāng)Na2O當(dāng)量在0.6以下時(shí)混凝土狀況的改善，還要注意水泥的細(xì)度和C3A、C3S影響。在圖8中可見，用粗磨、低堿水泥時(shí)，引氣混凝土可經(jīng)受住550次凍融循環(huán)，但用磨的、高堿水泥則經(jīng)受不到100次循環(huán)〖2〗。
　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)局對199種水泥進(jìn)行了18年以上的調(diào)研，大量的發(fā)現(xiàn)是堿和細(xì)度、C3A和C4AF的因素一起極大地影響水泥的抗裂性。即使水泥有相同水化率（強(qiáng)度)和相同的自由收縮，顯然低堿水泥有內(nèi)在的抵抗開裂的能力。當(dāng)含堿量從低于0.6％Na2O當(dāng)量時(shí)，水泥的抗裂性明顯增加，當(dāng)進(jìn)一步降低到趨向于0時(shí)，這種能力會(huì)進(jìn)一步改善，盡管這一點(diǎn)是做不到的〖2〗。
　　由于堿－骨料反應(yīng)必須在混凝土中有足夠的含堿量、足夠數(shù)量的活性骨料和足夠的水分供應(yīng)，三個(gè)條件同時(shí)存在的情況下才會(huì)發(fā)生，并不要求任何情況下都限制水泥的含堿量，但是，促進(jìn)混凝土收縮裂縫的生成和發(fā)展以至造成混凝土結(jié)構(gòu)物的劣化,卻是高含堿量對混凝土更大的威脅。不管是否使用活性骨料，必須將水泥中的含堿量減到最少。

7　對水泥抗裂性評價(jià)和選擇方法的推薦　　　　　
　　用環(huán)形約束試驗(yàn)評價(jià)水泥或混凝土抗裂性的方法已有60多年的歷史。世界許多國家的學(xué)者對鋼環(huán)的材料、尺寸、信息收集和處理方法、評價(jià)指標(biāo)，以至基于彈性力學(xué)的力學(xué)模型等都有研究，并分別用此方法研究過影響水泥和混凝土開裂敏感性的因素。Burrows建議使用Blaine的方法評價(jià)水泥：開裂時(shí)間<1h的是很差的水泥， >15h的為優(yōu)〖2〗。清華大學(xué)建材研究所覃維祖教授指導(dǎo)研究生對此方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明用他們設(shè)計(jì)的材料和尺寸的環(huán)試驗(yàn)評價(jià)混凝土所用膠凝材料的抗裂性是有效的。使用熱膨脹系數(shù)小的材料時(shí)，不僅可檢測水泥的干縮開裂性能，還可檢測由于溫度收縮引起的開裂性能。

8　討論和建議
　　(1)眾所周知，凡是能提高混凝土早期強(qiáng)度的因素，都會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度的增長，目前在配制混凝土?xí)r都有較大的強(qiáng)度富余，以期補(bǔ)償這種后期強(qiáng)度的損失。這無疑造成很大的浪費(fèi)?，F(xiàn)在看來，問題遠(yuǎn)比此更嚴(yán)重，早期的高強(qiáng)度所帶來的后患是混凝土結(jié)構(gòu)物提早劣化。因此，除非工程有特別特殊需要，應(yīng)盡量避免使用早強(qiáng)水泥。
　　(2)混凝土早期高強(qiáng)度的需求促使了水泥向高C3S和高C3A、高比表面積發(fā)展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超細(xì)礦物摻和料的使用，以及水泥出廠溫度普遍過高，造成在約束狀態(tài)下的混凝土因溫度收縮、自收縮、干燥收縮和較高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，早期的低徐變無法緩解這種應(yīng)力，而產(chǎn)生早期裂縫；內(nèi)部不可見的微裂縫在混凝土長期使用過程的干燥環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展，是混凝土提早劣化的主要原因。
　　(3)高含堿量的水泥會(huì)生成抗裂性能差的凝膠，加重混凝土后期的干燥收縮，所以不論骨料是否有活性，都應(yīng)當(dāng)限制對水泥和混凝土中的含堿量。
　　(4)要像管理食品添加劑那樣管理生產(chǎn)水泥中的“增強(qiáng)劑”一類的措施，出廠時(shí)要注明主要成分，并有1年以上長期觀測的數(shù)據(jù)證明其對混凝土長期性能的影響。
　　(5)建議對水泥和混凝土品質(zhì)增加抗裂性的要求。