水泥质量和外加剂对混凝土质量的影响因素

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按照传统理论方式混凝土是按强度进行设计，衡量混凝土质量的最终标准主要是混凝土的强度。因此混凝土生产商对水泥质量品质的要求也就是强调其强度；推而言之，认为强度越高的水泥其质量也就越高。依照如此观点，造成近年来混凝土结构出现裂缝尤其是早期开裂的现象日益普遍。其原因很复杂。单从水泥来说，比表面积、矿物组成中C3A、C3S、碱含量的增加，外加剂的掺入量和外加剂的品种性能，d．温度过高的出厂水泥用于混凝土搅拌站，生产预拌混凝土，都增加了开裂的敏感性，降低了混凝土的流变性能，这是混凝土的原材料中影响混凝土产品质量的主要原因。因此，应当把抗裂性作为水泥质量品质的重要要求，并对外加剂的掺入量和外加剂的品种性能作出严格的规定。
　　1、前 言
　　水泥和混凝土的关系，前者是后者产品质量的赖以生存的根基。水泥的强度，尤其是早期强度越来越高，虽然也是生产技术进步的一种表现，但也是一种盲目地追求市场结果的商业性行为——即满足混凝土早期强度不断提高的要求。从过去的习惯性思维来讲，由于人们对工程质量所注重的就是混凝土的强度表征，自然对水泥的要求也主要注重强度。尽管由于混凝土的耐久性问题开始显现，人们开始重视混凝土结构物的耐久性，但在实践中仍然把强度作为混凝土质量要求和验收的标准。尤其近两年来，混凝土施工中高效减水剂与水泥相容性不好的问题发生得比过去更多，地下连续墙和楼板甚至大梁开裂问题频频发生。其原因很复杂，涉及多方面因素，包括开发商、业主、建筑结构设计商、材料供应商、施工管理商等等。即使这些问题避开不谈，就材料本身来说，混凝土的质量不只是配合比的问题。设计的混凝土配合比只要是与原材料性质相匹配，质量差的原材料也很难做出高质量的混凝土商品，因此，有必要追溯原材料方面的原因。
　　只要混凝土骨料的质量品质满足设计的配合比要求，在原材料中，影响混凝土抗裂性的主要因素是水泥。购进水泥时只检验强度(当然有时还可能复验一下凝结时间)是不能判断水泥对混凝土抗裂性影响的。例如，两个不同厂家生产的相同品种水泥，B厂水泥的混凝土在约束条件下由于自收缩而产生较大的拉应力，使其对开裂敏感；A厂的水泥则稍有膨胀而有较小的约束应力，抗裂性较好。因此水泥、混凝土工作者应当除了关心按现行水泥标准规定的水泥性质外，更加关心水泥在混凝土中的行为，即对混凝土抗裂性能的影响。
　　随着商品混凝土的普及，混凝土的早期开裂现象普遍增多，一般情况无外乎以下两种现象：
　　1.1 塑性开裂
　　由于塑性阶段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表层混凝土的失水收缩，受内部混凝土与钢筋的约束造成受拉开裂。现今水泥的早强特性及外加剂的掺加使用不适当，使得混凝土较快或者过于缓慢凝结。凝结较快时易造成塑性开裂；当混凝土长时间处于塑性状态，将增加其塑性开裂的可能性，塑性开裂时对钢筋硅耐久性，特别是砼碳化导致的钢筋锈蚀有很大危害。
　　1.2 早期硬化开裂
　　瑞典水泥和混凝土研究所研究人员1980年发现，混凝土成型后水化塑性减小，弹性模量E增加，成型后4—8小时，E值从不起10MPa～102MPa 迅速增大到104MPa—105MPa，增加了3个数量级。而此时抗压和抗拉强度只以正常的速度增长，因此极限应变由2h的4．0×10—3急剧下降，6h～8h的应变降到最低值0．04×10—3左右，随后又逐步增大到硬化后混凝土的正常极限拉应变0.1×10—3。早期硬化混凝土有一个极限拉应变最低的时段，而现在水泥高早期产生的水化热，水泥胶凝材料的高细度和低水胶比，因高效减水剂造成的湿润角和毛细孔水力半径的降低，使得毛细孔压力增加，早期收缩(包括自收缩)可能在混凝土凝固初期就超过它的极限应变值而造成开裂。研究表明：24h抗压强度值越小，则早期收缩值、弹性模量E也越低，而徐变则较大，有利于减小早期开裂风险。有研究表明24h混凝土抗压强度值为12MPa时是拐点。因此，为保障混凝土的后期性能，选择合适的早期性能水泥、掺合料(品种、掺量)、外加剂对混凝土的凝结影响是极其重要的。
　　出现这种现象主要是随着水泥强度不断提高后才发生的，不同水泥厂家采用不同的方法满足强度(尤其足早期强度)的要求，例如提高比表面积，增加C3S、 C3A的含量等，我国有的水泥厂甚至还采用一些什么“增强剂”之类的措施(注意正像—些食品添加剂，短期无害，长期不一定安全)。
　　由于建筑业市场需求的变化，现代水泥的组成和细度发生厂很大变化。美国从1920年到1999年，70年中水泥和混凝土主要参数的变化的趋势是水泥中 C3S含量从35%增加到50～60%，比表面积从220cm2／kg增加到340～600m2／kg，混凝土的水灰比从0．56～0．8降低至 0．26～0．56。水泥的7d抗压强度增长了几乎2．5倍。近年来国外许多专家根据实际调查研究，对这种趋势提出了批评，指出当前混凝土结构不断增多的过早劣化现象主要原因是与此趋势有关。认为：“20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材料科学的基本规律——即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设项目的混凝土结构强度可持续发展的这个目标，有必要更新一些观念和建设实践。”
　　我国水泥标准的修订的方针是“与国际接轨”，因此也是在按此趋势发展。回顾这段发展，分析其与混凝土结构耐久性的关系，会有助于我们更新观念，从关注强度转变到关注耐久性，从耐久性的角度来评价水泥和混凝土的质量。
　　2 我国水泥质量品质变化的简单回顾
　　从水泥标准的修订能反映出水泥质量品质的变化(不说“质量”而说“质量品质”是为了避免对当前水泥产品质量的褒贬)。修订水泥标准的目的当然是想通过修订标准提高水泥的质量，但是由于缺乏与水泥的终端产品一一混凝土结构工程的联系，以至于忽视了水泥的质量品质对提高混凝土质量(不能只看到强度更重要的是耐久性)的影响。
　　二十多年来，我国水泥标准进行了三次大的修订。第一次修订的标准于1979年7月开始实施，第二次是1992年开始逐步实施，第三次，即最近的一次是 1999年开始实施。各次修订的基本出发点都是“与国际接轨”(尽管前两次还没有这个词，但实质意义相同)，以促进我国水泥生产工艺的改进和产品质量的提高。
　　第一次修订是将我国使用了20多年的“硬练”强度检验方法和标准改为“软练”强度和标准。
　　这次修订水泥标准的结果是增加了熟料中的C3S和C3A含量，水泥细度从比表面积平均300m2／kg增加到平均330m2／kg，提高了水泥强度，尤其是早期强度，同时也提高了水化热。因检验强度的水灰比大幅度增加，减小了掺入矿物掺和料后的强度的优势。
　　第二次修订后的GBl75—92、GBl344—92等强凋了水泥的早期强度，28d强度均提高了2%，增加了R型水泥品种。该标准强化了3d早期强度意识，倡导多生产R型水泥。普通水泥的细度进一步变细，从筛析法的<12%，改为<10%。
　　GBl75(—1999)GB1344(—1990)等把强度检验的加水量改为0.50，取消了GBl75—92中的325#水泥，水泥的强度进一步提高。迫使水泥厂以提高C3S、C3A和比表面积来提高水泥的强度。
　　某厂对21种来自不同厂家的熟料(包括新型干法水泥和立窑水泥的)进行分析，C3S超过60%的有4个样本(占总样本的19%)，超过58%的(含60%以上的)有10个(占47.6%)。有17个样本的C3A含量超过10%。大部分水泥细度超过了350m2／kg。
　　综上所述，可见我国水泥各有关参数和性质变化的历程和趋势与国外的相似。特点是增加C3S、C3A、细度趋向于细，因而强度尤其早期强度不断提高。此外，上世纪70年代后期我国开始引进国外新型干法先进水泥生产工艺，使水泥的含碱量提高，尤其使用北方的原材料的水泥含碱量普遍较高。GBl75(— 1999)对水泥中含碱量进行了限制，但只是出于对预防碱—骨料反应的考虑。这种变化的趋势虽然对混凝土提高早期强度有利，但却增加了混凝土的温度收缩、干燥收缩，在加上较低水灰比产生的自收缩，处于约束条件下的混凝土结构较大的收缩变形，因过高的早期强度而提高的早期弹性模量而产生较大的应力。而早期强度过高，又使得缓释收缩应变的徐变很小，于是开裂成为必然。
　　下面将要分别研究上述几个因素对混凝土抗裂性造成的影响：
　　3 水泥矿物组成的影响
　　众所周知，硅酸盐水泥主要的组成矿物有四种，它们的水化性质不同，在水泥中所占比例不同时将影响对水泥整体的性质。
　　表1所示为水泥中四种主要矿物的水化热和这四种主要矿物的收缩率。

  

　　C3A的水化热是其他矿物水化热的数倍，尤其在混凝土早期强度的发挥时期。C3S的水化热虽然比 C3A的小很多，但在3天却是C2S水化热的几乎5倍，因其含量在熟料中约占一半，故影响也很大；C3A的收缩率是C2S收缩率的3倍，是C4AF的 4～5倍。因此用C3A含量较大的早强水泥浇筑的混凝土容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。

　　4 各种外加剂对混凝土性能的影响

　　4.1 减水剂

　　目前我国混凝土尤其是中等以上强度等级的混凝土普遍使用高效减水剂和其他外加剂。当高效减水剂产品一定时，水泥的成分(主要是含碱量、C3A及其相应的SO3含量)和细度是影响水泥和高效减水剂相容性的主要因素。近年来随着水泥细度的变化加剧了水泥与高效减水剂的相容性问题。

　　混凝土干缩主要与混凝土中5～30nm孔径毛细孔所保持的水分有关；减水剂在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛细孔孔经减小，有实验证明：未添加减水剂的混凝土，水泥浆体的最可几孔径为389，而加入减水剂的则为240 。

　　掺加高效减水剂后，低水灰比使集料和水泥石间的弹性模量减小，集料水膜层厚度减薄，过渡区Ca(OH) 2及AFt的大小及趋向程度大大减小，导致过渡区毛细孔细化，增强过渡区收缩。

　　4.1.1 混凝土干燥失水时，孔隙液越集中于小孔隙中，含液孔隙半径愈来愈小。

　　现今普遍使用高效减水剂，其溶液与水泥湿润角下降较多，而其气液表面张力一般下降不多，再加上分散作用，使孔隙半径下降，将会增加收缩。内部毛系孔压力导致的混凝土收缩，其孔隙中的压力可由拉普拉斯公式表示：
ΔP=Pν—Pc=2γcosθ／r
式中，Pν——孔隙水蒸气压力，kPa
Pc——孔隙水压力，kPa
γ——气液表面张力，mN／m
r——孔隙水力半径，m
θ——湿润角，在混凝土中θ<90°

　　新型高效减水剂如聚羧酸的γ值有较多下降，其混凝土收缩也有所下降，见表2和图。

表2 减水剂的碱含量及表面张力

　　(注：图中混凝土配合比参数GB8076—1997，FDN的掺量0.50%，聚羧酸的掺量0.20%，均为外加剂)

部分外加剂对混凝土干燥收缩的影响规律