基于現(xiàn)代混凝土的應(yīng)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(fù)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(biāo)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(shè)要求水泥產(chǎn)品不僅要滿足符合國家有關(guān)規(guī)范，而且要更加關(guān)注水泥應(yīng)用于配制混凝土?xí)r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(yīng)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(biāo)準的。也就是說，同樣符合國家標(biāo)準的水泥在配制混凝土?xí)r，在水泥用量、與外加劑適應(yīng)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(yīng)該引起雙方關(guān)注的應(yīng)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

　?。?）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(yù)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(yù)拌混凝土的坍落度普遍較大。

　　（2）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。

　?。?）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(dāng)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。

　　（4）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(shè)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(dāng)前，混凝土耐久性的研究已成為混凝土科學(xué)最前沿和最重要的課題?；炷量箖?、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(xué)者經(jīng)大量的研究后認為：與設(shè)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(guān)，更與水泥有關(guān)。水泥中的C3S、C3A含量，水泥細度、品種、標(biāo)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(biāo)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(yīng)該說與水泥顆粒越來越細有直接關(guān)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(biāo)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(yīng)過快，使混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的機會變大。

　?。?）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(yīng)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(fù)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(yīng)的要求。

　?。?）水泥標(biāo)號的要求。水泥要達到更高的標(biāo)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?？傊?，在同等條件下，使用高標(biāo)號水泥比使用低標(biāo)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(biāo)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(biāo)號”所謂的“三高”水泥對混凝土產(chǎn)生裂縫的不利影響應(yīng)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(biāo)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(biāo)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(yīng)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(biāo)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(biāo)準稠度用水量和出廠水泥溫度控制指標(biāo)在水泥標(biāo)準中并沒有明確的要求，但標(biāo)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?xí)r與外加劑適應(yīng)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(dāng)普遍。這也是混凝土耐久性變差的一個重要原因。對于相當(dāng)多的混凝土工程技術(shù)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(biāo)號水泥優(yōu)于低標(biāo)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(shù)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(shù)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(dǎo)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(biāo)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(shù)向高性能發(fā)展，需要水泥具有適應(yīng)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(biāo)準中增加以下指標(biāo)以適應(yīng)混凝土企業(yè)使用要求:

　?。?）水泥標(biāo)準稠度用水量指標(biāo)（建議≤26.0%）?？紤]水泥熟料在比表面積350m²/kg時，標(biāo)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(biāo)準稠度用水量≤26.0%。

　?。?）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(biāo)（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(biāo)準稠度用水量、水泥與外加劑的相容性及配制混凝土?xí)r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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(yīng)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(yīng)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(dāng)?shù)脑缙趶姸取⑤^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(shù)交流和溝通

　　目前，大多數(shù)水泥生產(chǎn)廠家對混凝土技術(shù)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(shù)人員在水泥應(yīng)用中注重的技術(shù)關(guān)鍵，水泥行業(yè)的技術(shù)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(biāo)準就行了。水泥的一些品質(zhì)特征也因國標(biāo)的局限，未引起水泥技術(shù)人員的重視和關(guān)注。

　　5結(jié)束語

　　（1）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(biāo)準制定也應(yīng)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(yīng)用，并取得了很好效果；清華大學(xué)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(yīng)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(yīng)該正是我們追求的目標(biāo)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。

　?。?）水泥使用者也應(yīng)加強學(xué)習(xí)，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(biāo)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(yīng)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(yīng)性變差，容易使混凝土出現(xiàn)假凝和塑性裂縫，使用時應(yīng)提前做與外加劑的適應(yīng)性試驗等。