从混凝土角度讨论道路水泥的矿物组成

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摘要 从影响混凝土的收缩和耐磨性的因素出发,讨论道路水泥的矿物组成。由于混凝土的干燥收缩只有水泥净浆的1/5,而耐磨性随着水灰比的降低而提高,因此过分追求道路水泥中的C4AF含量高和降低C3A含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干缩性能,相反会给回转窑特别是预分解窑厂生产道路水泥带来困难。为此,建议适当降低道路水泥中C4AF和C3A含量的限制。

关键词 混凝土,道路水泥,矿物组成

1 引言

随着国民经济的发展,交通运输部门要求更多的高等级公路。为适应混凝土路面施工的要求,我国研制、生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准。道路硅酸盐水泥标准规定其C4AF含量不小于16%,C3A不大于5%,这主要是为了满足水泥的收缩和耐磨性能的指标。然而这一规定似乎从水泥浆体的性能考虑较多,而从混凝土角度的考虑欠缺。作为建筑材料,水泥只是一种半成品,它最终必须制作成混凝土,以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中。因此,道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑。本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的基础上,对道路水泥熟料矿物组成提出一点看法。

2 混凝土的收缩及其影响因素

混凝土的收缩主要有塑性收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩。

2.1 塑性收缩

塑性收缩是新拌混凝土失水引起的收缩。它的失水是由表面脱水而引起。新拌混凝土颗粒之间的空间完全充满水,当受高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度等因素作用时,水从浆体内部向表面移动,从表面脱水,这时,产生毛细管负压力,随着失水增加,毛细管负压逐渐增大,产生收缩力,使浆体产生收缩。当收缩力大于集体的抗拉强度时,就会使表面产生开裂。

图1 水泥净浆、砂浆和混凝土的24h塑性收缩〔1〕

图1为水泥净浆、砂浆和混凝土在浇灌后24h的塑性收缩,实验条件为温度20℃、相对湿度50%、风速1m/s。从图1可看出,水泥净浆、砂浆和混凝土24h塑性收缩分别为6.6mm/m、4.4mm/m和1.8mm/m,说明集料对混凝土早期的塑性收缩有抑制作用。从图1还可看出,水泥净浆、砂浆和混凝土早期塑性收缩最大速率发生在1～4h,此后收缩平缓。因此在收缩速率发生的时期采取保护措施对避免混凝土的塑性收缩裂缝很有必要。例如,在上述试验条件下,在混凝土梁上铺设2cm厚的1∶1砂浆,在20min时出现收缩裂缝,而1∶2的砂浆在1h10min出现收缩裂缝,而1∶2.5的砂浆则不开裂。对于混凝土,采取人工保持混凝土表面潮湿可避免水分的蒸发而防止收缩裂缝的出现。另外,使用高标号水泥,减少水泥用量而增加集料用量可以减少混凝土早期塑性收缩。

据认为〔1〕,影响混凝土塑性收缩的主要因素是风速、相对湿度、气温和混凝土本身的温度。高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度将使混凝土的失水加剧,从而增加塑性收缩。据报导,2cm厚的纯波特兰水泥净浆条板,在温度为20℃、相对湿度为50%的条件下,无强制通风8h,其收缩率为1700×10-6,而风速为0.6m/s、1m/s的条件下经过8h,其干缩率分别为6000×10-6和7300×10-6,这说明风速增大使水泥浆体的收缩增大。R.Dutron的实验〔1〕也证实此结果,他还提出,当风速为7～8m/s、气温为20℃时,收缩为14000×10-6,而100℃时为19000×10-6,说明温度提高,收缩增大。对于混凝土来说,其水泥用量和水灰比对其塑性收缩影响很大,水泥用量为200kg/m3、350kg/m3和500kg/m3的混凝土,其收缩率分别为800×10-6、1600×10-6和2300×10-6;水灰比为0.45、0.50、0.55和0.60的混凝土,其早期收缩率分别为1000×10-6、1530×10-6、1600×10-6和1350×10-6(注:原文如此)。从这些数据我们可以看出,降低环境风速,降低温度和提高相对湿度,减少水泥用量而增加集料用量,降低水灰比等措施均有利于减少混凝土的塑性收缩。混凝土的塑性收缩在夏季最为严重。据认为〔1〕,若混凝土表面脱水速率超过0.5kg/(m2·h),则失水将大于渗出水到达混凝土表面的速率,并造成毛细管负压,引起塑性收缩。若蒸发速率超过1.0kg/(m2·h),需采取预防开裂的方法。最常用和有效的方法是确保混凝土完成抹面并开始养护前一直保持湿润。

从上述结果看出,混凝土的收缩裂缝不一定来自于材料本身,而可能来自混凝土的施工。特别是道路混凝土路面,其表面积与体积比较大,暴露于大气中的表面积大,更容易产生早期塑性收缩裂缝。根据我国道路水泥混凝土路面的施工经验,加强初期(7d内)的潮湿养护和及时(在混凝土强度为6～12MPa时)切缝是防止道路混凝土路面早期裂缝的有效措施。

2.2 化学减缩

化学减缩主要是无水熟料与水起化学反应,使固相体积逐渐增加而水泥—水体系的总体积逐渐减少的缘故。具体地说是由于水化前后反应物和生成物的平均密度不同所引起。如果进一步分析,则可认为是水泥与水起化学反应过程中,原来的自由水成为水化产物的一部分,使它的比容由原来的1cm3/g变成0.737cm3/g的缘故(笔者注:指硅酸盐水泥化学结合水的比容,早期的文献认为是0.75cm3/g),化学减缩作用与化学结合水之间有直线关系,文献〔3〕认为:
　　Wn=KΔW (1)
　　式中:Wn——化学结合水量,g/100g水泥;
　　ΔW——化学减缩量,ml/100g水泥;
　　K——常数,对硅酸盐水泥K≈4。
　　(1)式可改写成
　　ΔW=Wn/K=Wn/4=0.25Wn (2)

也就是说,硅酸盐水泥的化学减缩量约为化学结合水的25%。因此可以认为,化学结合水量大的水泥,其最终化学减缩量也大。硅酸盐水泥不同龄期的化学减缩量与其矿物组成有关,因为不同的单矿在不同龄期的化学减缩量不同。文献〔2〕认为,C3S、C2S的化学减缩分别占原有绝对体积的5.31%和1.97%;C3A与水反应生成C3AH6时化学减缩占原有绝对体积的23.7%,而与CaSO4·2H2O作用生成3CA·3CaSO4·31H2O时化学减缩只有6.15%。Copeland〔2〕对水化1年的硅酸盐水泥化学结合水的研究表明(W/C=0.4),C3A、C3S、C2S和C4AF的化学结合水分别为42.9%、22.8%、16.8%和13.2%,从1年化学结合水来看,化学减缩的顺序是C3A>C3S>C2S>C4AF,这似乎与这些单矿对水泥的收缩影响相符。文献〔3〕认为,水化28d化学减缩的顺序为C3A>C4AF>C3S>C2S,它们28d化学减缩分别为17ml/100g、9.0ml/100g、5.2ml/100g和1.2ml/100g。这些数据均说明,C3A的化学减缩量最大,而在水泥的干缩试验中,C3A收缩最大,这与化学减缩是否有内在联系?值得深入研究。当水泥硬化时所产生的化学减缩,可发生两种结果。当在空气中凝结硬化时,或在体系中生成一些气孔,或者引起外表体积收缩。事实上二者常常是同时发生。当在水中养护时,则自外面吸入水分,若再干燥则水分蒸发,同样会使体积收缩。