水泥生產(chǎn)工藝與混凝土耐久性的關(guān)系

    關(guān)鍵字: 工藝    混凝土    耐久性

    摘要: 本文主要論述了用高強水泥制備高強混凝土可以提高混凝土的密實性，從而提高其耐久性。生產(chǎn)高強水泥熟料時，提高硅酸鹽礦物含量的同時應(yīng)控制C3A含量，以利混凝土的耐久性。要充分注意熟料的冷卻速度，采用長徑比小的窯以及性能優(yōu)越的冷卻機是可取的措施。提高水泥磨細的程度是必要的。提高水泥磨細程度也有兩面性，控制水泥粉磨時的溫度也很重要。在原料條件不利時(如堿含量過高)不必過分以提高比表面積的手段追求較高的28d強度。R型水泥不—定優(yōu)于非R型水泥。水泥中混合材粒徑較粗時對混凝土的耐久性不利，但是摻入細磨礦渣(分別粉磨)且摻量相對較養(yǎng)時對混凝土耐久性極為有利，在堿含量或C3A較高的情況下尤為如此。
   
    1 影響混凝土耐久性的因素
    水泥是混凝土的一種重要原料，它的性能對混凝土性能有十分重要的影響?；炷林T多性能中耐久性非常重要，如果混凝土結(jié)構(gòu)物沒有達到預(yù)期使用年限而過早地被破壞，不但經(jīng)濟損失巨大而且危及人們的安全。黃士元等[1]將混凝土破壞的原因分為四大類：①磨損；②物理因素的破壞；③化學(xué)作用的破壞；④鋼筋銹蝕造成的破壞。

    1．1 磨損
    磨損分機械磨損(路面、廠房地坪的磨損)和沖刷及氣蝕的作用造成的磨損(水工結(jié)構(gòu)的被破壞)。

    路面磨損的速率，主要取決于混凝土面層的強度和硬度，因此使用水泥的泌水性和離析性至關(guān)重要，而并不是非用道路水泥不可。礦渣或粉煤灰的摻入，如混合材比表面積較低，泌水性較差，當然不耐磨。但如摻入比表面積很高的磨細礦渣或粉煤灰，在精心施工的條件下也不是不可用于道路工程。水泥的保水性愈好，泌水性愈少，水泥比表面積愈高，其耐磨性愈佳，反之水泥中混合材愈粗，保水性愈差。
　　
    沖刷和氣蝕是水工混凝土磨損的主要原因。試驗證明水泥中C3S的抗沖磨能力最強，C3A次之，C2S最差。然而對沖刷磨損而言，對水泥化學(xué)成分的控制遠不及提高混凝土的密實性重要。提高水泥中C3S含量對提高混凝土的密實性倒是一致的。

    1．2 物理因素的破壞
    破壞混凝土的物理因素包括：
　　
    ·干濕交替
    ·水的滲透
    ·凍融交替和鹽的結(jié)晶
   
    除機械磨損的破壞外，水的滲透是所有破壞的根源，而干濕交替作用是各種破壞的促進因素，因此混凝土的抗?jié)B性對耐久性十分重要。僅就水泥本身而言，水泥的需水量和密實性(基本上可視作強度)，與混凝土的抗?jié)B性有較大關(guān)聯(lián)。當需要水泥強度較高時，一般將水泥磨得更細一點，雖然對混凝土的密實性有利，但需水量卻提高了，這是相互矛盾的。解決這個矛盾的辦法是在水泥中摻入相當數(shù)量的高比表面積的磨細礦渣或粉煤灰，使之與熟料水化后生成的Ca(OH)2起火山灰反應(yīng)而生成新的C—S—H凝膠，有助于孔的細化并增加了孔的曲折度，從而增大了混凝土的抗?jié)B能力。另一方面，磨細混合材的加入可以增強集料和水泥漿體的界面，有助于抗?jié)B。但是混合材比表面積太低，將影響抗凍融性能和抗鹽剝蝕能力，特別是摻石灰石作混合材尤差(可能是石灰石存在時水泥水化生成碳鋁酸鹽的緣故)。

    1．3 化學(xué)侵蝕
    水泥工作者大都很清楚水泥中C3A含量高對混凝土抗硫酸鹽侵蝕不利，所以ASTM—V型水泥規(guī)定2C3A+C4AF含量不得大于20%。摻有磨細礦渣或粉煤灰的水泥較有利于抗硫酸鹽的侵蝕，這是由于火山灰反應(yīng)可減少水化物中Ca(OH)2的含量。但火山灰反應(yīng)需要較長時間，所以在制備混凝土?xí)r應(yīng)采取措施使混凝土在足夠的齡期后才受到硫酸鹽的侵蝕。另一方面，摻有磨細礦渣等混合材的水泥，在相同的條件下，對混凝土的抗大氣中酸的侵蝕也是有利的，理由同上。不過，對抗酸性而言，混凝土的密實性(強度)的影響比水泥化學(xué)成分和混合材的影響更大。
　　
    堿—骨料反應(yīng)對混凝土產(chǎn)生的破壞也是眾所周知的事實，水泥堿含量對自身的28d和以后的強度的影響也是十分嚴重的。但是堿—骨料反應(yīng)的必要條件是水的存在，所以使用含堿量較高的水泥制備混凝土，提高其密實性有利于減少破壞反應(yīng)，而且在地面以上的構(gòu)件受破壞的風(fēng)險也少得多。在原料條件不利時，多摻磨細礦渣并保持較高強度，是抑制堿—骨料反應(yīng)的有效措施。

    1．4 鋼筋銹蝕
    鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)過早被破壞的主要原因之一。一般在混凝土中孔隙內(nèi)有很高濃度的Ca(OH)2，故其pH值均在12．4以上。在此條件下鋼筋表面(2～6)×10-3μm的氧化膜使鋼筋處于鈍化狀態(tài)。但如一旦鈍化膜遭破壞，鋼筋就會繼續(xù)被腐蝕。混凝土的碳化或受酸的侵蝕是鋼筋繼續(xù)被腐蝕的重要因素。
　　
    影響混凝土碳化的主要因素是CO2在混凝土內(nèi)的擴散速度。當水泥中CaO含量愈高，則可吸收CO2的量愈多，失鈍所需時間就愈長，碳化速率愈慢。所以高硅酸鹽含量的水泥抗碳化能力最強。不過，盡管混磨而且較粗的礦渣水泥抗碳化能力很差，分別粉磨高細度的礦渣摻入時，即使摻量高達50％，碳化速率的增加不多(約10%左右)，而且使用這種水泥制備的混凝土，其后期強度增長率的提高，對減緩碳化速率有利。水灰比小而很密實的混凝土(如C50以上的混凝土)，因碳化而引起的鋼筋銹蝕問題可以忽略不計。
　　
    氯離子的作用也是破壞鈍化膜導(dǎo)致鋼筋銹蝕的原因之一。所幸混凝土中Cl-的來源主要不是從水泥中引入而是從拌和水和外加劑中引入以及環(huán)境中Cl-隨時間逐漸擴散和滲透深入混凝土內(nèi)部。
2 水泥生產(chǎn)工藝控制

    綜上所述，水泥的活性(強度)愈高，比表面積高，其保水性能愈好，抗?jié)B和抗碳化性能愈強，有利于混凝土耐久性的提高。但是水泥的細度愈細則需水量愈大，使混凝土高度水保和導(dǎo)致混凝土膨脹和開裂，是所有混凝土過早破壞的先決條件。所以混凝土的完整性和水密性這個混凝土抗破壞的第一道防線是有關(guān)混凝土耐久性的首要環(huán)節(jié)，也就是說避免開裂的 能力至關(guān)重要。
　　
    熟料礦物成分中C3A雖然對早期強度有貢獻，卻對抗磨損、避免裂縫形成以及抗化學(xué)侵害不利。所以在高飽和比、高硅酸率、高鋁氧率這三高配料的思想指導(dǎo)下，應(yīng)盡可能降低C3A的含量，并且盡可能使高溫熟料得以淬冷。因此長徑比小的窯型和新型篦冷機應(yīng)得到優(yōu)先關(guān)注。另外，如果因原燃料的條件所限C3A不能降至7%以下，高細礦渣或粉煤灰的摻入 有利于降低水化熱，降低了新澆混凝土表面的溫度梯度[2]，并且減少了后期鈣礬石的形成，從而降低了混凝土開裂的風(fēng)險。
　　
    除了溫度梯度高產(chǎn)生收縮外，濕度梯度[2]高也是混凝土出現(xiàn)早期開裂的主要原因。現(xiàn)代化的裝備生產(chǎn)的水泥極大地提高了水泥活性，也就增大了水化熱和需水量，使混凝土表面的溫度梯度和濕度梯度增大，降低了徐變系數(shù)，使得高強混凝土比低強混凝土更易開裂。
　　
    為了解決既要高強、磨細，又要降低水化熱和需水量這一對矛盾，國內(nèi)外的水泥工作者做了大量工作，一方面努力降低C3A含量和加快冷卻速率，一方面努力調(diào)整水泥粉磨系統(tǒng)的工作參數(shù)使水泥的顆粒級配更合理，即調(diào)整RRB曲線的斜率(n值)，使盡可能在1．0左右。目前國內(nèi)以帶O—SEPA選粉機的圈流球磨生產(chǎn)的切割粒徑(也稱特征粒徑)x在22～24μm時，n值較高(1．2～1．3)，需水量相對不低(26%標準稠度)。如此粗的水泥，原標準可以達到525一級品水平，但按新標準僅可按一般的42．5級出廠。所以很多文章指出目前我國普遍的水泥細度較粗是符合實際情況的。x值與新/老標準的28d耐壓強度比有直接關(guān)系，當x在22～23μm時，上述比值在0．8左右；當x在16～18μm時，此比值可提高至0．9或以上。如果與歐洲的水泥比較，他們的42．5級水泥的切割粒徑一般在16～18μm，用上述圈流球磨生產(chǎn)如此細度的水泥，標準稠度恐怕要超過28%，但是國內(nèi)有的新型大廠用立磨(或輥壓機)一球磨聯(lián)合粉磨系統(tǒng)磨制水泥，達到上述x值時(n=1．0左右)，標準稠度不過27%。既可保證42．5級一級品，需水量又不致過大。
　　
    但是如果有些水泥廠因堿含量過高，或者因窯型等外因的限制，水泥熟料活性較差，為了努力提高28d抗壓強度從而大幅度提高比表面積，造成3d強度大增。這種水泥需水量、水化熱大增，混凝土早期裂縫頻繁出現(xiàn)，混凝土的耐久性不良。特別細的早強(R3／R28≥60％)水泥由于凝結(jié)較快，還使混凝土坍落度損失過大，對施工不利。
　　
    因此，沒有必要超越客觀條件以粉磨得更細的手段來提高水泥的標號。從而可以認為R型早強水泥不一定優(yōu)于非R型水泥。過去水泥熟料活性低，磨得也粗，混凝土標號又不高(≤C30)，水灰比較大(>0．5)，早強型水泥對施工是有利的。但現(xiàn)在新型水泥裝備的出現(xiàn)，高性能混凝土逐漸普及，水灰比下降(0．35～0．4)，早強型水泥就轉(zhuǎn)化為不利因素。國外之所以仍有標明R型水泥的銷售，主要因為該地區(qū)原料條件的限制而必然是早強型，標明R型就可使施工者配制混凝土?xí)r采取必要措施(包括水泥用量、水灰比、外摻料、養(yǎng)護條件等)，避免混凝土出現(xiàn)裂縫而過早地被破壞。
　　
    水泥中摻入較大量的磨細礦渣或粉煤灰時，上述矛盾可得到很大程度的緩解。
　　
    此外，上述混凝土坍落度損失過大的原因還有水泥粉磨過程中溫度太高(或因磨內(nèi)噴水設(shè)施損壞)，即使顆粒級配(x和n值)都正常，也會因石膏脫水而影響混凝土的施工性能。

    3 結(jié)論
　　
    1)用高強水泥制備高強混凝土可以提高混凝土的密實性，從而提高其耐久性。
　　
    2)生產(chǎn)高強水泥熟料時，提高硅酸鹽礦物含量的同時應(yīng)控制C3A含量，以利混凝土的耐久性。要充分注意熟料的冷卻速度，采用長徑比小的窯以及性能優(yōu)越的冷卻機是可取的措施。
　　
    3)提高水泥磨細的程度是必要的。要創(chuàng)造條件用x和n值來控制細度。和任何事物一樣，提高水泥磨細程度也有兩面性，它使需水量增加從而不利于耐久性。立磨(輥壓機)-球磨機聯(lián)合粉磨系統(tǒng)是較好的選擇，不但節(jié)能效果好而且有利于控制需水量?？刂扑喾勰r的溫度也很重要。
　　
    4)在原料條件不利時(如堿含量過高)不必過分以提高比表面積的手段追求較高的28d強度。R型水泥不—定優(yōu)于非R型水泥。
　　
    5)水泥中混合材粒徑較粗時對混凝土的耐久性不利，但是摻入細磨礦渣(分別粉磨)且摻量相對較養(yǎng)時對混凝土耐久性極為有利，在堿含量或C3A較高的情況下尤為如此。故應(yīng)大力推廣。

    此文之成，得益于黃士元教授之切磋良多，特止致謝。

    參考文獻
    1 黃士元等．近代混凝土技術(shù)．西安：陜西科技出版社，1998
    2 P K Mehta．Durabilty—Critical Issues For the Future．Concrete International，1997，(7)