水泥外加劑： 治“裂”不可或缺

  如今，建筑工程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題越來越不容忽視。其中，有些建筑商為了達到快速施工的目的，一味追求早期強度較高的水泥產(chǎn)品；而有些水泥企業(yè)為了把熟料強度在28天內(nèi)發(fā)揮到“極致”，不惜把水泥產(chǎn)品磨得細了又細。因此，近些年來各種建筑物“開裂”的質(zhì)量問題層出不窮。殊不知，這些高強、早強、磨得過細的水泥，是造成混凝土開裂的原因之一。而水泥外加劑的出現(xiàn)，使水泥生產(chǎn)與混凝土制備的傳統(tǒng)觀念在悄然發(fā)生改變。

  水泥及其混凝土對于建筑工程來說，都是半成品。它們的質(zhì)量優(yōu)劣都應(yīng)該以“對建筑工程質(zhì)量與耐久性有利”來評價。在傳統(tǒng)觀念里，人們把水泥作為“膠凝材料”和“混凝土強度”的唯一來源，認為：優(yōu)質(zhì)混凝土就必須使用優(yōu)質(zhì)水泥，早期和后期強度高的水泥，才是優(yōu)質(zhì)水泥。為了提高早期強度，水泥企業(yè)不得不把水泥磨得很細。然而，高強、早強及磨得過細的水泥，正是混凝土開裂的根源之一。

  水泥早期強度越高混凝土耐久性越差

  水泥水化后的強度總量是一個“定值”，早期強度過高的水泥，后期強度增進率必然衰減。就像一個人的體能有限一樣，如果參加長跑比賽，開始使勁過猛，一定會后勁不足。我們的水泥產(chǎn)品應(yīng)該具備適當?shù)脑缙趶姸?、較高的后期及遠期強度；尤其是遠期強度，對建筑工程的百年大計至關(guān)重要。因此，我們不僅要關(guān)注“早期（3d）與后期（28d）強度”，更要關(guān)注“遠期（≥90d）強度”，這是義不容辭的社會責任。

  水泥早期強度高（水泥中的熟料微細顆粒太多），水化放熱速度快且量多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫升高；冷卻后，殘余的溫度應(yīng)力較大，混凝土的抗裂性能下降；同時，增加早期收縮，提高減水劑摻量，增加坍落度損失，建筑物和構(gòu)件容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。水泥熟料中C3A、C3S含量是影響早期水化熱最主要的因素。由于混凝土材料散熱慢，故水泥早期強度越高，混凝土的耐久性越差。

  水泥后期及遠期強度高，對混凝土的強度補充與自愈合能力較好。作為多相復(fù)合材料，混凝土不可避免地存在結(jié)構(gòu)缺陷，而且它通常處于日曬雨淋、干濕交替、凍融循環(huán)，甚至更加惡劣的環(huán)境條件下，漫長使用過程中強度損失或受到損害、破壞難以避免。

  簡言之，水泥3d強度是施工的要求（縮短養(yǎng)護時間，加快模板周轉(zhuǎn)），水泥28d強度是混凝土設(shè)計強度的需要，而遠期強度則是混凝土耐久性（強度補充及自愈合）的需要。

  水泥外加劑使混凝土強度顯著提高

  在建筑工程中，人們往往重視從提高水泥強度來提高混凝土的質(zhì)量，而忽視了“混凝土用水量”影響的重要性。混凝土中的水分可以劃分為結(jié)合水、潤濕水與自由水，其中潤濕水、自由水與固體材料的聯(lián)系較少，可以逸出混凝土，逸出以后上浮，形成“泌水”。

  泌水以后的混凝土組分變得不均勻，混凝土在泌水部位產(chǎn)生空隙缺陷，導(dǎo)致該部位的抗壓、抗拉強度并不會由于該處的水灰比下降而升高，反而是強度降低了，這些部位強度的下降會導(dǎo)致混凝土整體強度降低。盡管泌水對混凝土強度的影響很有限，但對混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗腐蝕性及防止鋼筋銹蝕等耐久性能的影響則很大。

  近年來，水泥外加劑的出現(xiàn)，尤其是高效減水劑，由于其表面活性作用，定向吸附于水泥顆粒表面，親水基端指向水溶液，于是使水泥顆粒表面均帶上相同的電荷，加大了水泥顆粒間的靜電斥力，導(dǎo)致水泥顆粒相互分散。絮凝結(jié)構(gòu)解體，包裹的游離水被釋放出來，從而有效地增加了混凝土拌和物的流動性。此外，由于減水劑對水泥的分散作用，使水泥顆粒與水接觸的表面增多，水化比較充分，從而可大幅度減少混凝土的用水量（潤濕水和自由水），提高混凝土的強度，并促使一些非活性的工業(yè)廢渣利用助磨劑磨細、激發(fā)后，可以作為混凝土的摻和料，一方面部分參與水化反應(yīng)、成為了“輔助膠凝材料”；另一方面改善了混凝土的堆積密度，減少了其孔隙率、水化熱、干縮率，大大地增進了混凝土的強度并提高了其耐久性。[Page]

  膠凝材料不再以水泥為絕對組分

  水泥外加劑的出現(xiàn)，使水泥生產(chǎn)與混凝土制備的傳統(tǒng)觀念悄然發(fā)生改變。外加劑能有效地改善混凝土的性能，而且具有良好的經(jīng)濟效益。尤其是高效減水劑的普遍使用，水泥粒子得到充分的分散，用水量大大減少，水泥潛能得到發(fā)揮，致使水泥石致密、孔結(jié)構(gòu)和界面微結(jié)構(gòu)得到很好的改善，從而使混凝土的物理力學(xué)性能有了很大的提高；在不透水性、抗硫酸鹽侵蝕、抗沖擊性、耐磨性能等方面都優(yōu)于不摻外加劑的混凝土。不僅提高了混凝土強度，改善了和易性，還可以提高混凝土的耐久性。另外，在保持混凝土拌和物工作性不變的前提下，大幅度改變其水膠比，獲得不同強度等級的混凝土。

  由于水膠比降低，低活性摻和料得以廣泛應(yīng)用。膠凝材料不再是以水泥為唯一組分或絕對組分，而是由水泥和摻和料組成。低水膠比、低水泥用量、低單位體積用水量是當今混凝土技術(shù)的發(fā)展方向?；炷林锌梢陨珊托枰a(chǎn)物填充的空隙已經(jīng)大為減小?；炷吝_到同樣強度，對凝膠的數(shù)量要求有所下降，所以低活性的工業(yè)廢渣在混凝土中得到良好的技術(shù)效果。達到同樣的混凝土強度對凝膠的數(shù)量要求有所下降，也就是說對膠凝材料的活性要求有所下降，水泥強度不再是唯一的重要技術(shù)指標；在混凝土中，早期高活性物質(zhì)、長期活性物質(zhì)、遠期低活性物質(zhì)將扮演不同的角色。水泥及其混凝土的現(xiàn)代生產(chǎn)模式是：在水泥廠實現(xiàn)膠凝材料（熟料、石膏、活性與非活性混合材料）一體化生產(chǎn)，在混凝土攪拌站實現(xiàn)水泥與礦物摻和料的合理匹配。

  輔助膠凝材料越來越被人關(guān)注

  上個世紀末S.Tsivilis等學(xué)者明確提出，水泥中粒徑＜3μm的顆粒應(yīng)該＜10％，粒徑3～30μm的顆粒應(yīng)該在65％以上，粒徑＞60μm和＜1μm的顆粒盡量減少。實際上這是從水泥的水化速率和水化程度角度提出的對熟料粒度分布的要求。水泥中不同組分（熟料、石膏、混合材料）的水化行為不同，在水泥石微結(jié)構(gòu)中的作用不同，對水泥性能的影響不同，粒度分布的要求也不同，在探討水泥的最佳顆粒組成時，有必要分別考慮。即分別研究熟料顆粒組成要求、混合材料顆粒組成要求以及最終水泥產(chǎn)品的顆粒組成要求。各種不同粒徑及活性的混合材料與熟料配合后，提高水泥顆粒的堆積密度，使得水泥顆粒組成符合緊密堆積狀態(tài)的Fuller曲線。以“分別粉磨”的加工方式，分別控制熟料、混合材料粒度分布，并對水泥產(chǎn)品的顆粒組成進行設(shè)計、控制，以達到上述目標。

  輔助膠凝材料（SCM）就是以工業(yè)固體廢棄物（副產(chǎn)品）或天然礦物為原材料，摻適合的助磨劑磨細加工后，制成不同粒徑分布范圍的水泥混合材料或混凝土礦物摻和料。它能夠使膠凝材料顆粒的級配在一定程度上接近緊密堆積狀態(tài)。輔助膠凝材料作為水泥的混合材料制成的水泥，可以節(jié)省熟料、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水泥目標及其遠期強度，具有良好的使用性能及與混凝土外加劑的相容性；作為礦物摻和料應(yīng)用于混凝土中具有較好的填充效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)，能改善混凝土的性能，使混凝土更加密實、孔隙率低、耐久性好。在可持續(xù)發(fā)展概念已深入人心的今天，利用工業(yè)廢渣發(fā)展輔助性膠凝材料產(chǎn)業(yè)受到越來越多人的關(guān)注。

  非活性混合材料將被廣泛應(yīng)用

  非活性混合材料是指在水泥中主要起填充作用而又不損害水泥性能的礦物質(zhì)材料，即：其活性指標較低、達不到國家標準中對混合材料活性要求的材料，或者是無潛在水硬性、火山灰性的一類材料。其來源主要是各種工業(yè)廢渣及天然礦物質(zhì)材料，如石灰石、砂巖、鉛、鋅、銅、銀等有色金屬尾礦及活性不合格的礦渣、鋼渣、鎳鐵渣、火山灰、粉煤灰等。它們的共同特點是水化活性低，在水泥、混凝土硬化過程中，只產(chǎn)生較少的水化產(chǎn)物，在顆粒組成上改善水泥的早期強度。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；與水泥熟料水化物反應(yīng)產(chǎn)生新的膠凝物質(zhì)少，對新拌混凝土的流動性影響?。火B(yǎng)護過程自干縮性低；對減水劑的相容性好，影響??；基本不影響水泥硬化體內(nèi)的堿度；體積變化小。大量細顆粒填充于漿體孔隙中，使?jié){體結(jié)構(gòu)較為均勻、密實，對強度提高起到了積極作用；漿體內(nèi)部應(yīng)力較小且分布均勻，從而改善了水泥漿體體積的穩(wěn)定性和耐久性。

  非活性混合材料作為輔助膠凝材料的制備原料時，粉磨過程應(yīng)優(yōu)先選擇立式磨來加工，一般是活性越差、磨得越細，并按不同的細度分別儲存。對水泥的顆粒組成進行設(shè)計、控制，使得熟料粉與多種混合材料粉體復(fù)配成多種水泥產(chǎn)品，其顆粒組成符合緊密堆積的Fuller曲線，這樣對混凝土性能的提高十分有利。