基于現(xiàn)代混凝土的應用特點談水泥基材料及其發(fā)展

　　1 前言

　　水泥基材料是用量最大的人造材料，在今后數(shù)十年甚至上百年內(nèi)仍然無可替代^[1] 。新中國成立后，特別是近幾年，我國的水泥工業(yè)取得了持續(xù)、快速的發(fā)展，無論在水泥的產(chǎn)量、品種和質(zhì)量等方面都有了很大的提高。如：目前我國常用的水泥品種有7個（分別是：Ⅰ型硅酸鹽水泥、Ⅱ型硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥），年產(chǎn)量已超過10億t^[1]。然而，就在水泥的生產(chǎn)和使用給人類帶來極大的方便和財富的同時，也遇到了全球性的資源、能源、生態(tài)環(huán)境等方面的嚴重挑戰(zhàn)。每生產(chǎn)1t水泥大約需消耗石灰石2t、標準煤0.4t，同時排放1t的CO₂，另外還有NOx、SOx及大量的粉塵和煙塵排出^[2] 。此外，社會發(fā)展還對水泥性能提出了更高的要求：施工性能更好、水化熱更低、強度更高、體積更穩(wěn)定、耐腐蝕性和耐久性更好。但在我國，水泥和混凝土分屬于兩個行業(yè)，行業(yè)的利益分割造成了很難把水泥和混凝土統(tǒng)一起來管理。工程建設要求水泥產(chǎn)品不僅要滿足符合國家有關規(guī)范，而且要更加關注水泥應用于配制混凝土時的使用性能。水泥企業(yè)也常收到用戶在使用水泥過程中的投訴，如水泥與混凝土外加劑適應性不好，混凝土用水量偏高、凝結(jié)時間異常以及容易出現(xiàn)裂縫等，但水泥檢測結(jié)果卻是符合國家標準的。也就是說，同樣符合國家標準的水泥在配制混凝土時，在水泥用量、與外加劑適應性、混凝土工作性能及控制裂縫等方面存在較大的差異。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)上，水泥企業(yè)既要考慮降低成本，又要滿足客戶（主要是施工企業(yè)）的喜好，還要考慮節(jié)能減排。同樣，混凝土生產(chǎn)企業(yè)為降低成本希望減少水泥用量和提高水泥的早期強度，但實際上最應該引起雙方關注的應該是成型后，特別是投入使用后的建筑物或者構(gòu)筑物質(zhì)量，只有大家統(tǒng)一在這一前提下才能使這兩個行業(yè)和諧發(fā)展。

　　2 現(xiàn)代混凝土的特點及對水泥基材料的要求

　　2.1現(xiàn)代混凝土的特點

　　（1）工廠化的集中生產(chǎn)。區(qū)別于傳統(tǒng)上分散在工地現(xiàn)場拌制和吊斗澆筑的塑性混凝土，現(xiàn)代混凝土首先在工藝上是在工廠集中預拌，輸送至現(xiàn)場泵送澆筑，因此需要很好的施工性能，目前的預拌混凝土的坍落度普遍較大。

　?。?）使用外加劑。不依靠水泥的自身品種而用外加劑進行改性已越來越普遍，例如對需水性、凝結(jié)時間、強度發(fā)展、變形性質(zhì)、含氣量等。特別是高效減水劑改變了水泥本身的流變性能。

　　（3）較低的水膠比。由于礦物摻和料對混凝土強度的貢獻顯著依賴于水膠比，則當混凝土水膠比≥0.5時，摻和料的作用不能得以發(fā)揮。因此除了不考慮耐久性的結(jié)構(gòu)，常用的C₃O、C₄O混凝土水膠比一般都低于0.5。較低水膠比和較大坍落度造成混凝土較大的水泥（膠凝材料）用量。

　?。?）摻用礦物摻和料。為了降低現(xiàn)代高強度水泥及其較大用量造成的混凝土內(nèi)部較高溫升，也由于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，礦物摻和料已逐漸成為現(xiàn)代混凝土必需的組分，而且有加大摻量的趨勢，尤其是用于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設計，礦物摻和料是必需的組分，而且摻量要大于20%。加拿大已將大摻量礦物摻和料（粉煤灰和礦渣）列入2004年12月頒布的混凝土規(guī)范，其中粉煤灰和礦渣單摻時最低摻量分別為30%和35%，沒有上限。

　　2.2現(xiàn)代混凝土對水泥基材料的要求

　　當前，混凝土耐久性的研究已成為混凝土科學最前沿和最重要的課題。混凝土抗凍、抗?jié)B和抗碳化性能的高低都直接影響混凝土的耐久性。但近些年來，混凝土裂縫問題也日趨嚴重，混凝土裂縫對混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗碳化及結(jié)構(gòu)受力的安全性都帶來了致命影響，成為降低混凝土耐久性的最直接的原因。對其產(chǎn)生的原因，許多專家學者經(jīng)大量的研究后認為：與設計、施工工藝、混凝土配合比、鋼筋品種、原材料、氣候環(huán)境等有關，更與水泥有關。水泥中的C3S、C3A含量，水泥細度、品種、標號等因素都直接影響了混凝土裂縫的產(chǎn)生。因此，現(xiàn)代混凝土對水泥基材料提出了以下要求：

　?。?）控制水泥細度。我國1999年強度檢驗方法和國際接軌后，進一步提高了水泥細度。以42.5級水泥為例：比表面積由過去的300～350m²/kg提高到350～380m²/kg，個別廠甚至達到了400m²/kg以上。比表面積的增大，大大提高了水泥的28d強度，尤其是3d強度提高幅度最大。水泥強度的提高，使混凝土強度也得到提高，強度的增長速度進一步加快。這給施工企業(yè)提前拆模、縮短工期都帶來了便利，也給混凝土界配制更高標號的混凝土創(chuàng)造了條件。但同時也帶來了不利因素，混凝土凝結(jié)速度的加快，使混凝土收縮速度加快，混凝土早期開裂的可能性大大提高。近幾年來，混凝土的普遍開裂應該說與水泥顆粒越來越細有直接關系。還有一個水泥中的粗顆粒問題，水泥界許多專家認為：水泥中＞45μm的熟料顆粒對28d強度基本沒有作用，所以這種顆?？捎锌蔁o或可以盡量降低。而混凝土界許多專家研究后認為：增加水泥中未水化的熟料顆?？梢源蟠鬁p少混凝土的收縮。而現(xiàn)在水泥細度的增加，使水泥中的粗顆粒大大減少，使混凝土的收縮量增大，產(chǎn)生裂縫的可能性變大。

　?。?）控制水泥中C₃S的含量。自水泥發(fā)明以來，水泥中的最有效的成分C₃S的含量一直呈上升趨勢。仍以42.5級水泥為例，我國水泥目前的C₃S含量已達52%～60%左右。C₃S含量的提高，同樣對提前拆模、縮短工期、配制高標號混凝土帶來便利，但含量過高并非全是好事。C3S含量的增加，水泥水化時放熱量加大，強度和溫度上升速度相應過快，使混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的機會變大。

　　（3）控制水泥中的C₃A含量。水泥中的C₃A含量對混凝土的初凝和終凝都產(chǎn)生很大的影響。C₃A含量高的水泥，使混凝土凝結(jié)時間縮短、失水加快。特別是對混凝土前3d產(chǎn)生收縮裂縫影響很大。有研究表明：C₃A含量超過8%的水泥，凝結(jié)時間較快，與減水劑的適應性很差，經(jīng)常使混凝土產(chǎn)生假凝現(xiàn)象，更容易使混凝土在強度增長初期產(chǎn)生較大的裂縫。

　?。?）水泥品種的要求。我國的復合水泥、礦渣水泥等品種中，活性或非活性混合材摻量較大。為了達到更高的強度，一般水泥廠都采用進一步磨細的方法。這種水泥比其它品種的水泥更容易使混凝土產(chǎn)生收縮裂縫。因此，現(xiàn)代混凝土對所使用水泥的品種也根據(jù)工程項目的不同提出了相應的要求。

　?。?）水泥標號的要求。水泥要達到更高的標號，一般的水泥廠都通過增加C₃S含量、增加細度等措施。這些措施使混凝土產(chǎn)生裂縫的機會增加。總之，在同等條件下，使用高標號水泥比使用低標號水泥更容易使混凝土產(chǎn)生裂縫。以上分析可以看出：隨著水泥產(chǎn)業(yè)的科技進步，水泥各方面性能指標得到了很大的提高，但對混凝土裂縫的產(chǎn)生及耐久性也帶來了不利影響。特別是“高細度、高C₃S含量、高標號”所謂的“三高”水泥對混凝土產(chǎn)生裂縫的不利影響應該說是越來越大了。有許多的工程實例可以證明這一點，如我國某省近些年修建的混凝土高速公路，3年內(nèi)不壞的極少。類似的例子還有，用一些高標號的所謂“好水泥”做的房屋散水，經(jīng)一個冬天，就出現(xiàn)了掉皮裂縫問題，而用低標號所謂“差水泥”做的散水，卻一直保持完好。同樣在美國，從上世紀30年代開始，把水泥中的C₃S含量由30%提高到50%，把細度由允許大于75μm顆粒含量為22%，改為基本為零。7O年后的今天，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1930年前修建的橋梁有67%基本保持完好，而1930年后修建的橋梁只有27%基本保持完好。日本近幾年類似的例子也很多。以上問題雖然不能肯定說是由于水泥的原因引起，但應引起我們?nèi)轿坏霓q證思考，以便能從混凝土的角度發(fā)展水泥基材料。

　　3 我國目前水泥品質(zhì)及使用現(xiàn)狀[Page]

　　以杭州地區(qū)為例：該地區(qū)的水泥標準稠度用水量過大，多數(shù)廠的水泥在27%以上，個別達29.5%；其次是出廠水泥溫度過高，90℃以上的不在少數(shù)。由于標準稠度用水量和出廠水泥溫度控制指標在水泥標準中并沒有明確的要求，但標準稠度用水量過大和出廠水泥溫度過高對混凝土所產(chǎn)生的影響卻是很大的，比較直觀的是配制混凝土時與外加劑適應性差、混凝土單方用水量提高、強度降低。另外，在施工現(xiàn)場，施工人員不能正確選擇和使用水泥的現(xiàn)象也相當普遍。這也是混凝土耐久性變差的一個重要原因。對于相當多的混凝土工程技術人員來說，水泥是他們的知識盲區(qū)。在施工現(xiàn)場，他們一般都認為高標號水泥優(yōu)于低標號水泥，R型水泥優(yōu)于普通型的水泥，硅酸鹽水泥優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，普通硅酸鹽水泥又優(yōu)于其它品種的水泥等等。在水泥行業(yè)一個簡單的技術問題，在混凝土行業(yè)就有可能變得概念模糊，甚至可能演變成重大技術難題克服不了。如：由于水泥廠在生產(chǎn)水泥時使用了半水石膏，在工地現(xiàn)場無規(guī)律地不斷出現(xiàn)混凝土假凝現(xiàn)象。又如：在施工工地經(jīng)?？梢钥吹竭@些現(xiàn)象，一方面在使用緩凝劑，另一方面卻在使用著R型水泥。特別是在許多房建施工工地，比表面積高、終凝時間短、3d強度高的水泥受到了廣泛的歡迎，但對這種水泥引起的混凝土水化熱集中、收縮大、裂縫比較嚴重等問題則束手無策。類似這樣的問題固然有因為我國水泥和混凝土施工分屬不同的行業(yè)，互相之間接觸交流缺乏的原因所致。但這些問題在混凝土施工工地得不到解決，將直接導致混凝土的耐久性問題無法很好解決。

　　4 水泥基材料的研究方向及建議

　　4.1從標準源頭對水泥性能提出要求

　　混凝土企業(yè)主要使用普通硅酸鹽水泥與硅酸鹽水泥。混凝土技術向高性能發(fā)展，需要水泥具有適應混凝土高性能要求的品質(zhì)特征，以減少混凝土的單位用水量。建議普通硅酸鹽水泥與硅酸鹽水泥標準中增加以下指標以適應混凝土企業(yè)使用要求:

　?。?）水泥標準稠度用水量指標（建議≤26.0%）?？紤]水泥熟料在比表面積350m²/kg時，標準稠度用水量在24%～25%，即使普通硅酸鹽水泥允許有不超過15%的混合材摻入，也必須嚴格控制水泥的標準稠度用水量≤26.0%。

　　（2）提出水泥和外加劑相容性要求。根據(jù)目前情況，可對水泥廠提出，按推薦摻量摻減水劑后水泥凈漿流動度≥180mm，以滿足使用要求。

　?。?）提出出廠水泥溫度控制指標（建議≤65℃）。

　?。?）控制某些水泥品種中混合材的摻量?；旌喜牧戏N類及摻量對水泥的標準稠度用水量、水泥與外加劑的相容性及配制混凝土時的需水量影響很大，也直接決定了配制混凝土的施工性能和耐久性能。但有些水泥生產(chǎn)企業(yè)并沒有引起足夠重視，如:國標規(guī)定，普通硅酸鹽水泥中混合材料摻量不得超過15%，但實際上較多的水泥廠家和粉磨站，其混合材料的種類和摻量遠遠超過國家標準規(guī)定，甚至有些粉磨站將從不同水泥廠采購的熟料混儲，致使同一廠家、同一等級的水泥礦物組分差異很大，對燒制質(zhì)量差的熟料也往往以提高粉磨細度來滿足早期強度要求，造成28d強度增長率低；在混合材料上，不僅將不同電廠排放的粉煤灰混儲，也未按國標要求按批進行粉煤灰的質(zhì)量控制，一些燒失量高的粉煤灰照用不誤，還有其他五花八門的不正確摻加混合材料方法。

　　4.2水泥顆粒應該和混凝土中的細顆粒級配連續(xù)起來，以利混凝土的密實性目前，我國混凝土中集料的最小顆粒為75μm，而我國水泥中的粗顆粒，大于60μm顆粒含量極少。這就造成了混凝土內(nèi)60～75μm區(qū)段內(nèi)顆粒短缺，給混凝土的密實性帶來不利影響，因此必須將水泥顆粒和混凝土中的細顆粒級配連續(xù)起來。

　　4.3水泥自身顆粒應有合理的級配，以利自身的密實性

　　許多水泥廠為了提高早期和28d強度，盡量減少水泥中60μm以上顆粒含量。這就人為地造成了窄顆粒分布，對混凝土密實性有不利影響。

　　4.4有適當?shù)脑缙趶姸?、較低的水化熱和收縮性，以利混凝土的耐久性

　　因為早期強度較高、水化熱較大和收縮較大的水泥都增大了混凝土裂縫的可能性，對耐久性不利，因此必須加以控制。

　　4.5加強水泥與混凝土兩大行業(yè)間的技術交流和溝通

　　目前，大多數(shù)水泥生產(chǎn)廠家對混凝土技術的發(fā)展和對水泥的高性能化認識還不全面，這主要是水泥、混凝土分屬兩個行業(yè)。因此混凝土技術人員在水泥應用中注重的技術關鍵，水泥行業(yè)的技術人員即不了解也不理解，往往認為生產(chǎn)的水泥只要符合國家標準就行了。水泥的一些品質(zhì)特征也因國標的局限，未引起水泥技術人員的重視和關注。

　　5結(jié)束語

　?。?）作為建筑材料，水泥只是一種半成品，它最終必須制成混凝土，以混凝土乃至鋼筋混凝土的形式出現(xiàn)在建筑物或構(gòu)筑物中，因此水泥的生產(chǎn)及其標準制定也應從混凝土角度加以考慮。如：我國資深水泥專家喬齡山先生指出了水泥顆粒的最佳顆粒分布曲線—Fuller曲線，并指出調(diào)配水泥最佳堆積密度的理論和工藝在歐美一些發(fā)達國家日趨普及，在橋梁、隧道以及高性能混凝土和耐磨、耐腐蝕混凝土等工程中都有應用，并取得了很好效果；清華大學閻培渝教授指出，為防止混凝土開裂，必須控制我國水泥出廠強度富裕系數(shù)，降低水泥中C3A含量，降低水泥細度等；也有人研究了水泥顆粒表面特性，研究了球形水泥顆粒對混凝土性能的良好影響等。由于不同工程、甚至同一個工程的不同部位，對水泥這個“支系統(tǒng)”的要求是不一樣的。所以，提倡多品種、少批量、多生產(chǎn)針對某一個具體環(huán)境下具體工程的專用水泥，應該作為我們的發(fā)展方向。我國水泥廠實現(xiàn)定制化生產(chǎn)應該正是我們追求的目標和發(fā)展的方向，即：施工現(xiàn)場根據(jù)工程每個部位結(jié)構(gòu)的不同、施工方法和環(huán)境氣候條件的不同，向水泥廠提出不同的要求。水泥廠根據(jù)這些要求，對水泥的主要成分C3S、C2S、C3A、C4AF及MgO、SO3和其細度，進行自由調(diào)節(jié)，生產(chǎn)出完全滿足現(xiàn)場要求、對混凝土的耐久性最有利的水泥。

　　（2）水泥使用者也應加強學習，掌握基本的知識，如：R型水泥除了可以使混凝土早強、早拆模外，對混凝土的其它性能不會有明顯的好處。相反，由于它3d強度高、水化熱和收縮集中，可能會對混凝土裂縫的產(chǎn)生帶來不利的影響。所以，如果工程對混凝土早強沒有特別的要求，就最好不要使用它；比表面積在400m2/kg以上的高標號水泥，由于其顆粒較細，凝結(jié)較快，水化熱集中，對混凝土的體積穩(wěn)定性有不利影響，更使混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性增加，所以使用時應慎重考慮；C3A含量大的水泥（特別是C3A含量大于8%的水泥），與混凝土外加劑的適應性變差，容易使混凝土出現(xiàn)假凝和塑性裂縫，使用時應提前做與外加劑的適應性試驗等。