水泥高品質(zhì)化的技術(shù)措施

  隨著我國水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，水泥強度較以前有了大幅度的提高，因此，有人認為我國應(yīng)生產(chǎn)高強度等級水泥，將 32.5 水泥、特別是復(fù)合 32.5 水泥歸為低檔次水泥，甚至有人將我國建筑物“短命”的原因歸咎于 32.5 水泥。那么，什么是高品質(zhì)水泥，本文進行了探討，僅供參考。

  1 高品質(zhì)水泥的特征

  1.1 高品質(zhì)水泥的先決條件

  所謂高品質(zhì)水泥，是與混凝土技術(shù)的發(fā)展和混凝土的使用條件密切相關(guān)的。一方面，水泥的高品質(zhì)是隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展而變化的。 在沒有大量使用減水劑之前，由于混凝土的強度主要取決于水泥的強度，因此，高強成為了那個時代水泥高品質(zhì)的代名詞。 但隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，大量外加劑的使用，使現(xiàn)代混凝土能夠在較低的水膠比下生產(chǎn)，混凝土強度不再依賴水泥強度，因此以強度論英雄的年代已經(jīng)過去， 甚至在某些情況下，高強反而成了水泥的缺點。另一方面，水泥的高品質(zhì)，應(yīng)是對于某一使用條件和要求而言，而不是泛指。 離開了使用條件和要求，無所謂高品質(zhì)，甚至南轅北轍：如用 P·Ⅰ水泥進行海洋工程或大體積混凝土建設(shè)、將 P·S 水泥用于凍融環(huán)境的混凝土建設(shè)等。

  1.2 現(xiàn)代高品質(zhì)水泥的特征

  適應(yīng)現(xiàn)代混凝土技術(shù)特點的水泥就是高品質(zhì)水泥。而現(xiàn)代混凝土技術(shù)的特點除了集中生產(chǎn)外，主要是較低的水膠比制備及較大的坍落度需求。 較低的水膠比決定了現(xiàn)代混凝土的強度不再依賴水泥的強度，因此水泥不必追求高強，老規(guī)范中“水泥強度應(yīng)是混凝土強度的 1.5~2 倍”的規(guī)定已成歷史，現(xiàn)今的 32.5級水泥能配制 C60 混凝土已是事實。同時，較低的水膠比能夠使摻合料的作用得以發(fā)揮，使其成為膠凝材料的一部分。

  但要實現(xiàn)混凝土較低水膠比制備和較大坍落度需求則造成混凝土較大的水泥用量。 較大的水泥用量，勢必造成混凝土的內(nèi)部較高溫升，導(dǎo)致混凝土的溫差開裂。有資料顯示，混凝土的熱膨脹系數(shù)一般在0.01mm/(m·℃)。目前，在我國混凝土開裂成為一項質(zhì)量通病，甚至影響工程的驗收。這些裂縫影響結(jié)構(gòu)物的使用功能和結(jié)構(gòu)的整體性及剛度，而且還會引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響結(jié)構(gòu)物的承載能力。為了降低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, 礦物摻合料在現(xiàn)代混凝土中大量使用, 而且有加大摻量的趨勢。因此，在目前中國還以 C30 混凝土為主的情況下以及現(xiàn)代混凝土技術(shù)條件下，高品質(zhì)水泥主要包括以下特征：

  1）含有一定量的混合材料；

  2）具有良好的工作性，主要表現(xiàn)為高流動性和抗離析性;

  3）不刻意追求高強，但具有較低的 1d 強度和持續(xù)增長的后期強度；

  4）具有較低的早期水化放熱；

  5）具有良好的抗裂性；

  6）滿足特定混凝土耐久性的要求，如抗凍融、抗侵蝕等。其中的第 1）～5）項為高品質(zhì)水泥的基本特征，而第 6）項為滿足特定使用條件下對水泥品質(zhì)的需求。

  2.水泥高品質(zhì)化的技術(shù)措施

  水泥的高品質(zhì)化，就是通過一些技術(shù)措施，克服水泥在某些性能方面的缺陷，使之能夠滿足混凝土設(shè)計和生產(chǎn)的需求。 如何使水泥高品質(zhì)化，筆者結(jié)合所做的工作和文獻資料，簡述如下。

  2.1 調(diào)整熟料的礦物組成

  水泥熟料是生產(chǎn)水泥的基礎(chǔ)材料。從不同的要求出發(fā)，水泥熟料應(yīng)具有不同的礦物組成。

  從與減水劑相容性來看，C3A 吸附減水劑的能力最強， 其次是 C4AF， C3S 與 C2S 對減水劑的吸附較少，應(yīng)減少 C3A 和 C4AF 的含量。 從開裂性來看，隨著C3S 含量增加，水泥的抗壓強度比抗折強度更快地增長，水泥的脆性增大，抗裂性變差。 從水化放熱來看，C3A、C4AF 的水化熱最高。 從干燥收縮來看，C3A 的收縮是其他礦物的 3～6 倍。 而對于這些性能影響最小的是 C2S。

  因此，為改善水泥的性能，應(yīng)減少 C3A 和 C3S 的量，提高 C2S 的量。 但如此一來，水泥的強度無法發(fā)揮，同時也造成熟料的燒成困難等問題。 而根據(jù)研究和實踐，降低熟料中的 C3A 含量，對改善水泥與減水劑的相容性作用有限。 文柏貞利用高溫煅燒、快燒以及快冷等手段，制備了 C3A 含量在 1.95%～9.85%之間波動、C3A+C4AF 含 量 在 16.08%～19.98%之 間 波 動 的熟料，而用此熟料制成水泥的凈漿流動度并沒有大的變化。

  根據(jù)筆者的試驗研究并結(jié)合文獻資料，建議在熟料煅燒裝備、工藝、原材料確定下來后，不要輕易改變熟料的率值去滿足水泥某些性能的需求，這樣做的成本極高、且效果不一定能達到。 同時，改變熟料的礦物組成只是改善水泥性能的途徑之一，還有其他更為經(jīng)濟有效的方法，即硫酸鹽飽和程度的控制。 控制此參數(shù)，不用改變熟料的配料、燒成制度，只需控制進廠原燃料的成分即可，簡便易行。

  硫酸鹽飽和程度 SD=SO₃/（1.292Na2O+0.85K2O）。在熟料煅燒過程中, 堿首先與氯化合成氯化堿, 氯化堿大部分在窯的高溫帶揮發(fā)進入氣相, 少量隨熟料一起出窯。 其次堿與 SO3 化合成硫酸堿。 當 SO₃ 數(shù)量相對于堿不足時, 有部分堿固溶于熟料礦物中, 主要是進入 C3A； 當有足夠的 SO3 時堿很少存在于 C3A 中。含有堿的 C3A 具有更高的活性, 對水泥與減水劑相容性更加不利。 因此控制熟料的硫堿比可以控制堿在熟料中的存在形式, 從而影響水泥與減水劑的相容性。因此，有資料建議 SD 的最佳值為 0.4～0.6。

  2.2 控制熟料的燒成溫度及燒成速度

  根據(jù)研究，高溫?zé)傻氖炝吓c低溫?zé)傻氖炝媳憩F(xiàn)出的性能不同。高溫快燒的熟料硅酸鹽礦物固溶較多其他組分， 如 C3S 固溶 Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO 等形成 A礦，這增加了 A 礦的含量及內(nèi)能，提高了水化活性，并使 C3A 與 C4AF 含量減少， 其固溶量隨溫度的升高及燒成速度的加快而增大，故高溫快燒的熟料 A 礦發(fā)育良好、尺寸適中、邊棱清晰，水泥強度較高，與外加劑相容性好。

  2.3 加強熟料的冷卻

  熟料在較高溫度階段的快速冷卻有利于 A 礦保持細小并發(fā)育完整的晶型，減少 C2S 粉化, 硅酸鹽礦物活性較高，溶劑礦物多以玻璃體存在，大量減少C3A 和 C4AF 的析晶。 因而對于快冷熟料， 即使 C3A含量較高，由于大部分以玻璃體存在，所磨制的水泥仍與外加劑相容性好、凝結(jié)時間正常、強度較高。

  2.4 選擇適宜的石膏種類

  在水泥用緩凝劑石膏中， 我國在 1999 版的六大水泥標準中規(guī)定的石膏為二水石膏或硬石膏。 在減水劑大量使用之后，由于硬石膏在使用木鈣、糖鈣減水劑時強烈吸附磺酸鹽，降低了硬石膏的 SO42-溶出，極易造成急凝現(xiàn)象。 因此，在 GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準中，將其取消，代之以混合石膏，不鼓勵單獨使用硬石膏。文獻主張按我國的國情, 一般不宜使用半水石膏， 相反, 根據(jù)熟料情況摻適量的天然硬石膏是有利的。

  2.5 適當提高水泥中的石膏摻量

  普遍來說, 目前我國水泥中的 SO3 含量偏低, 基本在 2%左右。 而適當提高水泥中 SO3 含量有利于提高水泥與減水劑相容性。 張大康曾將某廠水泥中SO3 控制目標值從 2.0%提高到 2.8% , 按 GB/T 8077—2000 檢驗的水泥凈漿流動度由 165mm 增 加 到187mm, 水泥與減水劑相容性明顯改善。

  2.6 控制出磨水泥溫度

  當二水石膏部分脫水形成 α-半水石膏、β-半水石膏、甚至可溶性無水石膏后，其溶解度比二水石膏提高了 3～4 倍。 因此，二水石膏的半水化利于改善水泥砂漿的流動度、改善水泥與減水劑相容性。使用二水石膏, 在水泥粉磨過程中控制磨內(nèi)水泥的溫度( 實際上可以方便測量的是出磨水泥的溫度) ,可以控制半水石膏和硬石膏的數(shù)量。 水泥的粉磨溫度主要與入磨熟料溫度、 磨機通風(fēng)量和磨機的大小有關(guān), 最有效的控制粉磨溫度的措施是在磨內(nèi)噴水( 以噴水量的多少來控制) 。因此，張大康建議水泥的出磨溫度控制在 120～125℃， 以保證水泥中存在一定量的 α-半水石膏、β-半水石膏、可溶性無水石膏，改善水泥與減水劑的相容性。

  2.7 合理選用混合材料

  根據(jù)前面的介紹，水泥中利用混合材料，可以改善水泥的某些性能，但不同混合材料對水泥的性能影響也不同，因此，應(yīng)根據(jù)用戶對水泥性能的需求，合理選用不同的混合材料進行性能調(diào)整。 如在使用性能上，礦渣可以大幅度改善水泥漿體的流變性能，而火山灰材料則能提高水泥漿體的塑性黏度從而提高漿體的穩(wěn)定性；而在力學(xué)性能上，活性混合材料能提供強勁的后期強度增長，利于水泥混凝土的耐久性。同時，充分利用混合材料的不同易磨性，通過選擇性粉磨實現(xiàn)水泥組成的合理分布。 合理的混合材料組合，即水泥組分中既有堅硬難磨的材料，又有軟性易磨材料，避免熟料被微粉化，從而改善水泥的性能。

  2.8 優(yōu)化水泥的顆粒分布和組成

  水泥顆粒堆積越緊密，在一定的用水量下，游離水就相應(yīng)的增多，流動性能增加，需要的減水劑用量就相應(yīng)減少，水泥與減水劑的相容性就好，反之則變差。對于合理的水泥顆粒分布，喬齡山介紹了早期和現(xiàn)代對水泥最佳顆粒分布的認識，同時著重介紹了最佳堆積密度的理想篩析曲線—Fuller 曲線。 在德國水泥協(xié)會發(fā)表的專題研究報告中就將其用作水泥顆粒分布的理想篩析曲線，并依此對水泥、砂漿及混凝土進行評價。 該篩析曲線具有較寬的顆粒分布，以及較多的微粉和粗顆粒，適用于大摻量、多品種混合材料的水泥。

  2.9 控制水泥強度的發(fā)展

  高強是世界水泥工業(yè)發(fā)展的潮流, 因為生產(chǎn)同一等級的混凝土高強度等級的水泥用量少。 早強有利于縮短混凝土施工周期, 加快模板周轉(zhuǎn)從而加快建設(shè)速度。但早期強度太高則水泥水化快, 水化熱集中于早期釋放, 易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)變而出現(xiàn)裂縫, 對耐久性不利。因此應(yīng)對水泥的 1d 強度適當進行控制。其控制依據(jù)是混凝土 12h 的強度為 3～6MPa, 只要 12h 強度超過 6MPa, 就用更多粉煤灰取代水泥(德國要求) ,或1d 強度不大于 12MPa。

  2.10 控制水泥中的堿含量

  過多的堿使水泥快凝, 標準稠度用水量增大, 雖然能提高 1d、3d 強度, 但降低 28d 強度。 它還能與活性集料起堿集料反應(yīng), 引起混凝土開裂。這些大家都很熟悉, 但對堿使混凝土干燥收縮大和易開裂的影響認識不足。堿是影響混凝土抗裂性能的最重要因素。 堿不但增大混凝土的收縮率, 即使水泥的水化速率和自由收縮值相同, 堿也使混凝土的抗裂性能明顯下降。 低堿水泥有良好的抗開裂性能, 特別是當堿當量低于 0.6%時,抗裂性大幅度提高。據(jù)喬 齡山報道，德國“道路建筑通函”18/1998(ARS18/1998)規(guī)定, 用于高速公路的混凝土路面的水泥“總堿含量[w(Na₂O)+0.658w(K₂O)]≤0.84%”, “最近又將使用 CEMⅠ和 CEMⅡ/A 類水泥時的總堿含量[w(Na₂O)+0.658 w(K₂O)]降為≤0.80%”。