對如何提高我國通用水泥質(zhì)量的探討(一)

　　近幾年，我國水泥實物質(zhì)量引起了許多方面的關(guān)注，議論較多的是水泥強度采用ISO檢驗方法和實施新產(chǎn)品標準后對強度的影響，由此提出了提高水泥質(zhì)量的要求，其實這僅是一個方面，即使不修改標準我國水泥質(zhì)量也應(yīng)該提高，單靠修改標準也還不夠，尤其應(yīng)用技術(shù)性能方面還須格外重視。本文意想結(jié)合國外尤其是德國水泥與混凝土技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)驗，談一下我國水泥質(zhì)量存在的主要問題和進一步提高的途徑。

1　國際水泥與混凝土產(chǎn)品的新進展

　　90年代，國際混凝土技術(shù)有了很大發(fā)展，開發(fā)和應(yīng)用了高強混凝土、高性能混凝土、高耐磨混凝土、自密實和高強自密實混凝土以及紡織物混凝土等等，圖1所示為混凝土品種的發(fā)展進程。最近出現(xiàn)的高強度自密實混凝土，或稱活性微細粉混凝土，抗壓強度很容易達到和超過200MPa，水灰比在0.15～0.20之間，若通過熱處理和采用其它外加劑等措施，抗壓強度可以達到800MPa。今后更加要求混凝土表面不出現(xiàn)裂紋，密實度高，抗?jié)B性、抗碳化性、抗凍性和抗化學(xué)腐蝕性高，使用壽命長。如高負荷的混凝土高速公路路面壽命要超過30年，甚至50年。通過調(diào)整水泥、水、集料、外加劑和添加料這5種組分的特性、數(shù)量和相容性，混凝土便可達到所需要的性能。二十一世紀混凝土將向更加高性能、組成和施工更簡單以及更加可靠的方向發(fā)展。例如，進一步提高強度和耐久性，不需要養(yǎng)護，滿足各種生態(tài)要求等等。
　　

　　圖1　混凝土品種發(fā)展進程

　　水泥是混凝土的重要組分，對新拌混凝土漿的特性和硬化后的性能都有決定性影響。近半個世紀以來，通用波特蘭水泥(即我國的硅酸鹽類水泥)的基本組成和性能雖然沒有根本性變化，但某些特性如早期強度、砂漿和易性、與混凝土其它組分和工藝要求的適應(yīng)性等都有很大發(fā)展。出現(xiàn)許多專用水泥，它們的某些特性為適應(yīng)特定的使用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了最佳化，如低熱水泥，噴射水泥，超細水泥等。這些專用水泥數(shù)量雖然不多，卻對水泥新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用起很大推動作用，也使一些新建筑施工方法的實施成為可能。
　

今后水泥在品種和特性方面將會有更大的進展，更能適應(yīng)混凝土工藝的需要，成為高性能、廉價和對環(huán)境友好的工業(yè)用膠結(jié)材料。

2　我國水泥質(zhì)量存在的主要問題

水泥質(zhì)量包括許多方面，這里僅就與國際先進水平比較存在差距較大的幾個主要方面作些論述。

2.1　高標號水泥數(shù)量少，最高強度比較低
　　

一般認為水泥抗壓強度3d為35～40MPa，28d為60～70MPa才算國際先進水平；3d為30MPa，28d為60MPa為國際一般水平。我認為這種提法和用這個標準來衡量我國水泥質(zhì)量不太合適。水泥標號取決于混凝土工藝要求，國外如歐盟國家水泥標準就規(guī)定有32.5號水泥28d抗壓強度最高不得超過52.5MPa，32.5號水泥的比例占60%左右。德國1999年公布的混凝土公路路面用水泥使用規(guī)范中明確規(guī)定，混凝土公路用路面混凝土一般應(yīng)使用32.5R強度等級的CEM I型波特蘭水泥，即相當(dāng)于我國的P·Ⅱ型硅酸鹽水泥，又規(guī)定3d抗壓強度不應(yīng)大于29MPa。德國斯圖佳特機場1996年建成的60m寬新跑道使用的就是符合道路用水泥規(guī)定的CEM I 32.5R型水泥，僅冬季施工時使用了CEM I 42.5R型水泥。從混凝土標號的發(fā)展趨勢看自然是向高標號方向發(fā)展，但到1998年德國的混凝土仍然以B25為主，占65%，<B35的混凝土量約占80%，B35占14%，>B45占5%。
　　

從這些實例可以看出，高標號水泥和高標號混凝土所占比例不大，這不能就說這些水泥不是優(yōu)質(zhì)水泥，同樣也不能說我國水泥28d強度達不到60～70MPa就未達到國際先進水平。強度不是衡量水泥質(zhì)量的唯一指標，也不是越高越好。準確地說應(yīng)該是我國生產(chǎn)和使用的高標號水泥數(shù)量少，最高強度也相對較低。若將我國1995年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)與德國1981年和1997年國內(nèi)銷售的水泥進行比較，便可明顯看出我國水泥的這兩個不足。我國的數(shù)據(jù)均降低1個標號列入表1。

　　從表1中可以看出，52.5號高標號水泥，德國1981年為3.2%，1997年為5.7%，我國1995年僅占0.17%；≤32.5號水泥，德國1981年為74.6%，1997年為61.6%，我國1995年占89.4%。兩者相比，高標號水泥的抗壓強度值我國水泥約低15MPa。這個差距固然與我國混凝土技術(shù)發(fā)展水平和市場需求有關(guān)，但也說明近十多年來，我國水泥和混凝土材料性能的發(fā)展速度不快，配合不好。今天即使有市場要求，若讓水泥廠生產(chǎn)R_ISO為80MPa左右的水泥還有些困難。

2.2　水泥早期相對強度較低
　　

歐美等一些工業(yè)發(fā)達國家，早在三四十年前便開始提高水泥及混凝土早期強度，一般把早期強度高的熟料和水泥稱為高活性熟料和水泥，即活性的含義表示強度發(fā)揮速度。高活性水泥不僅早期強度高，同時還要求標準稠度需水量低，凝結(jié)時間合適，通?？刂瞥跄?h左右，終凝在3h左右，水化熱也不應(yīng)太高，這就要靠一系列工藝技術(shù)來實現(xiàn)。
　　

德國對不同標號水泥的混凝土試體標準早期強度也有一個控制指標，具體列于表2。

　　德國水泥廠實際生產(chǎn)的水泥早期強度還高于表2的混凝土早期強度值。一般3d強度的相對值，32.5號為53%～62%，早強型則高達76%，42.5號為52%～68%，52.5號為73%～84%。表3列出幾種水泥的強度值，其中最后兩項為Rüdersdorf水泥廠1995年投產(chǎn)的5000t/d預(yù)分解窯生產(chǎn)的水泥，其中52.5R型水泥16h抗壓強度達28.1MPa。

　　注：1.水泥品種中F、R為早強型；2.PKZ為石灰石波特蘭水泥；PZ為油頁巖波特蘭水泥；3.3d強度按R_3d=R_2d×1.175計算得出。
　　

從表1也可以看出德國是以生產(chǎn)和使用早強型水泥為主，早強型水泥1981年占78.8%，1997年占83.6%，高標號水泥占的比例更高，1997年52.5號水泥早強型占89.5%，今后仍有擴大早強型水泥使用量的趨勢。
　　

表4為中國建材研究院統(tǒng)計的幾種水泥強度值，表5為幾家水泥廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。從表3、4、5的比較中可以看出，我國水泥早期強度無論絕對值還是相對值都比德國低很多，若采用新的檢驗方法，低得還要多。我國早強型水泥的3d強度相對值也低于德國的相對值至少10～20個百分點。表5中列出的都是優(yōu)質(zhì)水泥，可以代表較好水平，一般質(zhì)量的水泥相差就更大了。

　　我國水泥早期強度低，與生產(chǎn)工藝和裝備落后有一定關(guān)系，但也是由于我們沒有給予足夠的重視，或沒有充分認識到它的好處，尤其對混凝土質(zhì)量的影響更很少關(guān)注。
　

　提高水泥早期強度，主要有以下幾條理由:
　　

1)早期強度高的熟料能增加混合材摻加量，減少有用能源和資源消耗，對保護環(huán)境有利。
　　

2)早期強度高有利于提高混凝土質(zhì)量，降低出現(xiàn)早期裂紋的危險?；炷帘韺訕O易出現(xiàn)裂紋，它是混凝土過早損壞的根源之一。產(chǎn)生裂紋的原因很多，這里不便展開細論，其中很重要的一點是混凝土早期強度不夠，養(yǎng)護不充分?；炷翝沧⒑?，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和濕度變化會產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，加上構(gòu)件自身和外加負荷產(chǎn)生的應(yīng)力，便有可能超過當(dāng)時混凝土的抗拉強度。尤其混凝土表層由于振搗和靜力液壓等作用，有一個水和水泥漿的富集層，使表層強度低于內(nèi)部強度，表層結(jié)構(gòu)較松，受外界條件作用大，產(chǎn)生應(yīng)力又大，一旦內(nèi)應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度便產(chǎn)生裂紋，如圖2所示。早期開裂常在10～48h內(nèi)出現(xiàn)，后期開裂則在2周以后出現(xiàn)。若水泥早期強度較低，又沒有充分地養(yǎng)護，便會出現(xiàn)如圖2所示的開裂。同樣標號的水泥，早期強度高出現(xiàn)裂紋的危險性就小，或者說養(yǎng)護時間可以縮短。德國水泥廠協(xié)會提出的規(guī)范要求，新澆注混凝土濕養(yǎng)護時間要延續(xù)到混凝土表層強度達到或超過設(shè)計強度的50%，所以提高水泥早期強度有利于提高混凝土質(zhì)量。
　　

　　圖2　混凝土構(gòu)件抗拉強度與應(yīng)力變化情況

　　3)可以少加或不加早強劑或抗凍劑。冬季施工或需要提早使用的混凝土工程，常常使用早強劑和抗凍劑，這些外加劑一般都含有氯離子和堿，對混凝土耐久性不利，有些國家已很少使用或不再使用這類外加劑，用高早強水泥及其他改善混凝土物理性能的外加劑已完全能夠滿足要求。
　　

4)早期強度高，還可以提早拆模板，提早投入使用，提高混凝土早期的抗機械碰撞性、抗碳化性、抗凍性及抗起砂性等等。
　　所以，我國水泥早期強度偏低問題應(yīng)該受到更大的重視。

2.3　沒有控制水泥顆粒級配
　　

我國水泥粉磨細度普遍較粗，細粉含量低，沒有主動控制水泥顆粒級配和水泥中各組分的顆粒級配。水泥的細粉含量和顆粒級配主要影響混凝土漿的和易性、需水量、硬化混凝土的早期強度、強度增進率、密實性、易開裂性和耐久性。細粉能提高早期強度和密實性及砂漿流動性，但對干縮裂紋不利。顆粒分布過窄需水量高，對和易性不利。目前德國水泥廠生產(chǎn)的水泥，4900孔篩篩余都在1%以下，一般都為0%，勃氏比表面積在350m²/kg以上，需要粗磨的道路水泥比表面積不得超過350m²/kg。<16μm的細粉量一般大于50%，甚至接近70%。水泥的顆粒分布RRSB曲線的特征粒徑d′(通過量為63.2%的粒徑)球磨機生產(chǎn)的水泥一般都在26μm以下，有的52.5號水泥為9～11μm，42.5號水泥為13～22μm，均勻性系數(shù)n值在0.85～1.05之間，輥壓機生產(chǎn)的水泥d′在20μm左右，n值都大于1.10。d′值決定水泥細粉含量，主要影響強度增進率，n值決定顆粒分布寬度，影響水泥標準稠度需水量。一般要求n值不大于1.0，d′值則根據(jù)工程需要決定。
　　

表6列出我國幾家水泥廠生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)525水泥的數(shù)據(jù)，從中可以看出，這幾家的水泥比表面積都很高，但細粉含量很低，尤其后三家立窯廠水泥的細粉含量更低，d′值也稍偏大，但還算可以，n值除Y廠小于1.0外都偏高，特別是立窯廠的水泥n值高達1.42～1.66，這對混凝土需水量和密實性不利。目前一般認為混凝土的密實性、抗?jié)B性和抗碳化性主要取決于毛細孔含量，簡單計算是大于0.1μm的孔隙量占總孔隙量20%以下時混凝土便是密實的、不透水的，大于0.1μm的孔隙量取決于水灰比和水泥水化程度，按T.C.Powers提出的混凝土孔結(jié)構(gòu)與滲水性的關(guān)系，若水灰比稍大于0.5，就必須100%水化才能達到不透水性，若水灰比為0.4則水化程度為70%即可達到密實要求?；炷翉姸雀?，密實性高，抗碳化性也高。水泥完全水化一般是不可能的，所以需水量和減少粗水泥顆粒含量對提高混凝土質(zhì)量十分重要，這也是國外對n值控制由大于1.0轉(zhuǎn)為小于1.0的原因。并用含量<5%的次要組分(即我國通稱的混合材)來調(diào)控顆粒級配，用以提高水泥和易性，降低水泥和混凝土漿的需水量。新公布的歐洲水泥標準對各種水泥都規(guī)定允許加入≤5%的次要組分，其目的也就在于調(diào)節(jié)水泥的顆粒級配。水泥生產(chǎn)廠都配有激光顆粒分析儀，日常生產(chǎn)雖然也以檢驗篩析和勃氏比表面積值為主，但化驗室(或控制室)實際是通過d′和n值控制顆粒組成。

　　我國對顆粒分布與水泥質(zhì)量間的關(guān)系，對混凝土性能包括干縮開裂等方面的影響和水泥顆粒分布、水泥各組分顆粒分布的關(guān)系和調(diào)控方法等方面的報道文章還很少見，水泥廠絕大部分還沒有條件控制顆粒分布，從思想認識上也還沒有完全扭轉(zhuǎn)過來，仍然過多地重視水泥標號，忽視水泥應(yīng)用技術(shù)性能，常把高標號水泥通稱為優(yōu)質(zhì)水泥。實際上若水泥強度雖高但需水量過大(>29%)，和易性不好，砂漿容易變稠，顆粒級配不佳，易使混凝土出現(xiàn)早期裂紋，干縮開裂，不密實，影響混凝土質(zhì)量，這種水泥不能算優(yōu)質(zhì)水泥。

2.4　還沒有能按混凝土工藝要求及時生產(chǎn)和供應(yīng)最佳性能和足夠數(shù)量的均質(zhì)水泥
　　

國際上，水泥混凝土界一直在努力減少和避免混凝土出現(xiàn)裂紋，提高其密實性、抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性和抗蝕性，也可以簡單地說是提高耐久性。一個重要的技術(shù)措施是，根據(jù)環(huán)境條件如空氣溫度、相對濕度、風(fēng)力等并按混凝土部件特性要求供應(yīng)特定品種、性能和數(shù)量的水泥。早在十幾年前就有人提出，水泥企業(yè)的出路是生產(chǎn)適銷對路的水泥，要由過去面向少數(shù)大用戶轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驍?shù)量多又十分挑剔的大、中、小各類用戶，并能及時地供應(yīng)適用的優(yōu)質(zhì)水泥，現(xiàn)在許多國家實現(xiàn)了這一發(fā)展目標。德國及其周邊國家的水泥工業(yè)就在這個方向上發(fā)生了一些變化，一個是通用水泥特性化，即在通用波特蘭水泥的基礎(chǔ)上更突出某些特性，以適應(yīng)特定工程部位所用混凝土的要求。除標準規(guī)定的水泥品種和性能外，還對某些特定工程規(guī)定一些使用水泥的規(guī)范，如“混凝土公路路面用水泥規(guī)范”就對水泥品種、需水量、2d強度、比表面積和水泥溫度等都作了明確規(guī)定。另一個變化是不再完全由水泥生產(chǎn)廠向用戶供應(yīng)水泥，而是通過一些水泥中轉(zhuǎn)站供應(yīng)水泥。中轉(zhuǎn)站建有帶十幾個以上分室的多倉室式水泥庫，或有十幾個小貯存?zhèn)}的組合式水泥庫，其中分別貯存不同活性和不同細度的水泥，以及不同品種及細度的混合材。根據(jù)用戶對水泥性能的要求，用精確的稱量配料設(shè)備選取不同組分調(diào)配，經(jīng)高效混合機拌和后裝運發(fā)貨?；旌蠙C有連續(xù)式和間歇式的，雙軸或單軸，目前是以單軸間歇式的為主。德國在這方面的轉(zhuǎn)變是比較快的。1998年70家水泥生產(chǎn)廠向國內(nèi)市場供應(yīng)的水泥品種已超過480種，一個中轉(zhuǎn)站每年周轉(zhuǎn)量20～30萬t，1998年有的中轉(zhuǎn)站售出了40多個品種的通用水泥和許多品種的特種水泥，今后新建的中轉(zhuǎn)站按能供應(yīng)100個品種水泥的方案設(shè)計，這些水泥品種的差別也包括不同凝結(jié)硬化特性，不同細度，不同顆粒組成，對不同外加劑的不同適應(yīng)性等的同一類水泥。
　　

除品種和性能外還要求能供應(yīng)大量質(zhì)量均勻的水泥和預(yù)拌混凝土，有些大工程要求使用同一廠家生產(chǎn)的同一品種水泥，這就要求不僅水泥生產(chǎn)廠要有足夠大的規(guī)模，各水泥中轉(zhuǎn)站和預(yù)拌混凝土廠還要聯(lián)網(wǎng)，用計算機統(tǒng)一管理調(diào)配，按規(guī)定計劃適時供應(yīng)拌好的混凝土。例如，法蘭克福一棟高層建筑6m厚的底板，需用19000m³混凝土，24h施工，3d澆注完畢，混凝土平均澆注量為280m³/h，最高時達380m³/h，沒有各供應(yīng)點的聯(lián)網(wǎng)和周密地計劃是難以實現(xiàn)的。
　　以上這些變化在我國還沒有開始，我們還有一段路程要走。
　　

關(guān)于水泥質(zhì)量的均勻性近幾年也有很大改善，如德國東部地區(qū)的Bernburg水泥廠，以前用10臺窯生產(chǎn)，出廠水泥28d抗壓強度的標準偏差為3.24MPa，現(xiàn)在用一臺5000t/d的預(yù)分解窯生產(chǎn)CEM I 42.5R型水泥，28d抗壓強度的標準偏差降至1.10MPa。又如Rüdersdorf水泥廠水泥石灰標準值KSt的標準偏差只有0.9。我國某兩家大型預(yù)分解窯廠生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)425和525水泥，按質(zhì)檢站檢驗數(shù)據(jù)計算的28d抗壓強度標準偏差值分別為1.49、1.95、2.33和2.83MPa。其他一些小型設(shè)備水泥廠生產(chǎn)的水泥，其均勻性還達不到這個水平。
　　

以上僅是從4個主要方面比較了我國水泥質(zhì)量與國外先進水平的差距，由此可以看出，我們再不能只偏重于提高產(chǎn)量，應(yīng)該更加重視產(chǎn)品質(zhì)量。目前水泥總量已有富余，個別工廠的產(chǎn)量僅影響一個廠的經(jīng)濟效益，而產(chǎn)品質(zhì)量則涉及到工程質(zhì)量，百年大計，也關(guān)系到盡最大努力節(jié)約有用資源和能源，現(xiàn)在若不加緊抓產(chǎn)品質(zhì)量提高和新產(chǎn)品開發(fā)，我們在這方面與國外先進水平的差距有進一步拉大的危險。(待續(xù))