水泥質(zhì)量和外加劑對混凝土質(zhì)量的影響因素

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按照傳統(tǒng)理論方式混凝土是按強度進行設(shè)計，衡量混凝土質(zhì)量的最終標準主要是混凝土的強度。因此混凝土生產(chǎn)商對水泥質(zhì)量品質(zhì)的要求也就是強調(diào)其強度；推而言之，認為強度越高的水泥其質(zhì)量也就越高。依照如此觀點，造成近年來混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫尤其是早期開裂的現(xiàn)象日益普遍。其原因很復(fù)雜。單從水泥來說，比表面積、礦物組成中C3A、C3S、堿含量的增加，外加劑的摻入量和外加劑的品種性能，d．溫度過高的出廠水泥用于混凝土攪拌站，生產(chǎn)預(yù)拌混凝土，都增加了開裂的敏感性，降低了混凝土的流變性能，這是混凝土的原材料中影響混凝土產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因。因此，應(yīng)當把抗裂性作為水泥質(zhì)量品質(zhì)的重要要求，并對外加劑的摻入量和外加劑的品種性能作出嚴格的規(guī)定。
　　1、前 言
　　水泥和混凝土的關(guān)系，前者是后者產(chǎn)品質(zhì)量的賴以生存的根基。水泥的強度，尤其是早期強度越來越高，雖然也是生產(chǎn)技術(shù)進步的一種表現(xiàn)，但也是一種盲目地追求市場結(jié)果的商業(yè)性行為——即滿足混凝土早期強度不斷提高的要求。從過去的習慣性思維來講，由于人們對工程質(zhì)量所注重的就是混凝土的強度表征，自然對水泥的要求也主要注重強度。盡管由于混凝土的耐久性問題開始顯現(xiàn)，人們開始重視混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性，但在實踐中仍然把強度作為混凝土質(zhì)量要求和驗收的標準。尤其近兩年來，混凝土施工中高效減水劑與水泥相容性不好的問題發(fā)生得比過去更多，地下連續(xù)墻和樓板甚至大梁開裂問題頻頻發(fā)生。其原因很復(fù)雜，涉及多方面因素，包括開發(fā)商、業(yè)主、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計商、材料供應(yīng)商、施工管理商等等。即使這些問題避開不談，就材料本身來說，混凝土的質(zhì)量不只是配合比的問題。設(shè)計的混凝土配合比只要是與原材料性質(zhì)相匹配，質(zhì)量差的原材料也很難做出高質(zhì)量的混凝土商品，因此，有必要追溯原材料方面的原因。
　　只要混凝土骨料的質(zhì)量品質(zhì)滿足設(shè)計的配合比要求，在原材料中，影響混凝土抗裂性的主要因素是水泥。購進水泥時只檢驗強度(當然有時還可能復(fù)驗一下凝結(jié)時間)是不能判斷水泥對混凝土抗裂性影響的。例如，兩個不同廠家生產(chǎn)的相同品種水泥，B廠水泥的混凝土在約束條件下由于自收縮而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，使其對開裂敏感；A廠的水泥則稍有膨脹而有較小的約束應(yīng)力，抗裂性較好。因此水泥、混凝土工作者應(yīng)當除了關(guān)心按現(xiàn)行水泥標準規(guī)定的水泥性質(zhì)外，更加關(guān)心水泥在混凝土中的行為，即對混凝土抗裂性能的影響。
　　隨著商品混凝土的普及，混凝土的早期開裂現(xiàn)象普遍增多，一般情況無外乎以下兩種現(xiàn)象：
　　1.1 塑性開裂
　　由于塑性階段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表層混凝土的失水收縮，受內(nèi)部混凝土與鋼筋的約束造成受拉開裂?，F(xiàn)今水泥的早強特性及外加劑的摻加使用不適當，使得混凝土較快或者過于緩慢凝結(jié)。凝結(jié)較快時易造成塑性開裂；當混凝土長時間處于塑性狀態(tài)，將增加其塑性開裂的可能性，塑性開裂時對鋼筋硅耐久性，特別是砼碳化導(dǎo)致的鋼筋銹蝕有很大危害。
　　1.2 早期硬化開裂
　　瑞典水泥和混凝土研究所研究人員1980年發(fā)現(xiàn)，混凝土成型后水化塑性減小，彈性模量E增加，成型后4—8小時，E值從不起10MPa～102MPa 迅速增大到104MPa—105MPa，增加了3個數(shù)量級。而此時抗壓和抗拉強度只以正常的速度增長，因此極限應(yīng)變由2h的4．0×10—3急劇下降，6h～8h的應(yīng)變降到最低值0．04×10—3左右，隨后又逐步增大到硬化后混凝土的正常極限拉應(yīng)變0.1×10—3。早期硬化混凝土有一個極限拉應(yīng)變最低的時段，而現(xiàn)在水泥高早期產(chǎn)生的水化熱，水泥膠凝材料的高細度和低水膠比，因高效減水劑造成的濕潤角和毛細孔水力半徑的降低，使得毛細孔壓力增加，早期收縮(包括自收縮)可能在混凝土凝固初期就超過它的極限應(yīng)變值而造成開裂。研究表明：24h抗壓強度值越小，則早期收縮值、彈性模量E也越低，而徐變則較大，有利于減小早期開裂風險。有研究表明24h混凝土抗壓強度值為12MPa時是拐點。因此，為保障混凝土的后期性能，選擇合適的早期性能水泥、摻合料(品種、摻量)、外加劑對混凝土的凝結(jié)影響是極其重要的。
　　出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是隨著水泥強度不斷提高后才發(fā)生的，不同水泥廠家采用不同的方法滿足強度(尤其足早期強度)的要求，例如提高比表面積，增加C3S、 C3A的含量等，我國有的水泥廠甚至還采用一些什么“增強劑”之類的措施(注意正像—些食品添加劑，短期無害，長期不一定安全)。
　　由于建筑業(yè)市場需求的變化，現(xiàn)代水泥的組成和細度發(fā)生廠很大變化。美國從1920年到1999年，70年中水泥和混凝土主要參數(shù)的變化的趨勢是水泥中 C3S含量從35%增加到50～60%，比表面積從220cm2／kg增加到340～600m2／kg，混凝土的水灰比從0．56～0．8降低至 0．26～0．56。水泥的7d抗壓強度增長了幾乎2．5倍。近年來國外許多專家根據(jù)實際調(diào)查研究，對這種趨勢提出了批評，指出當前混凝土結(jié)構(gòu)不斷增多的過早劣化現(xiàn)象主要原因是與此趨勢有關(guān)。認為：“20世紀混凝土業(yè)為滿足越來越高的強度要求，不可避免地違背了材料科學的基本規(guī)律——即開裂與耐久性之間存在的密切關(guān)系。為了實現(xiàn)建設(shè)項目的混凝土結(jié)構(gòu)強度可持續(xù)發(fā)展的這個目標，有必要更新一些觀念和建設(shè)實踐。”
　　我國水泥標準的修訂的方針是“與國際接軌”，因此也是在按此趨勢發(fā)展?；仡欉@段發(fā)展，分析其與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)系，會有助于我們更新觀念，從關(guān)注強度轉(zhuǎn)變到關(guān)注耐久性，從耐久性的角度來評價水泥和混凝土的質(zhì)量。
　　2 我國水泥質(zhì)量品質(zhì)變化的簡單回顧
　　從水泥標準的修訂能反映出水泥質(zhì)量品質(zhì)的變化(不說“質(zhì)量”而說“質(zhì)量品質(zhì)”是為了避免對當前水泥產(chǎn)品質(zhì)量的褒貶)。修訂水泥標準的目的當然是想通過修訂標準提高水泥的質(zhì)量，但是由于缺乏與水泥的終端產(chǎn)品一一混凝土結(jié)構(gòu)工程的聯(lián)系，以至于忽視了水泥的質(zhì)量品質(zhì)對提高混凝土質(zhì)量(不能只看到強度更重要的是耐久性)的影響。
　　二十多年來，我國水泥標準進行了三次大的修訂。第一次修訂的標準于1979年7月開始實施，第二次是1992年開始逐步實施，第三次，即最近的一次是 1999年開始實施。各次修訂的基本出發(fā)點都是“與國際接軌”(盡管前兩次還沒有這個詞，但實質(zhì)意義相同)，以促進我國水泥生產(chǎn)工藝的改進和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。
　　第一次修訂是將我國使用了20多年的“硬練”強度檢驗方法和標準改為“軟練”強度和標準。
　　這次修訂水泥標準的結(jié)果是增加了熟料中的C3S和C3A含量，水泥細度從比表面積平均300m2／kg增加到平均330m2／kg，提高了水泥強度，尤其是早期強度，同時也提高了水化熱。因檢驗強度的水灰比大幅度增加，減小了摻入礦物摻和料后的強度的優(yōu)勢。
　　第二次修訂后的GBl75—92、GBl344—92等強凋了水泥的早期強度，28d強度均提高了2%，增加了R型水泥品種。該標準強化了3d早期強度意識，倡導(dǎo)多生產(chǎn)R型水泥。普通水泥的細度進一步變細，從篩析法的<12%，改為<10%。
　　GBl75(—1999)GB1344(—1990)等把強度檢驗的加水量改為0.50，取消了GBl75—92中的325#水泥，水泥的強度進一步提高。迫使水泥廠以提高C3S、C3A和比表面積來提高水泥的強度。
　　某廠對21種來自不同廠家的熟料(包括新型干法水泥和立窯水泥的)進行分析，C3S超過60%的有4個樣本(占總樣本的19%)，超過58%的(含60%以上的)有10個(占47.6%)。有17個樣本的C3A含量超過10%。大部分水泥細度超過了350m2／kg。
　　綜上所述，可見我國水泥各有關(guān)參數(shù)和性質(zhì)變化的歷程和趨勢與國外的相似。特點是增加C3S、C3A、細度趨向于細，因而強度尤其早期強度不斷提高。此外，上世紀70年代后期我國開始引進國外新型干法先進水泥生產(chǎn)工藝，使水泥的含堿量提高，尤其使用北方的原材料的水泥含堿量普遍較高。GBl75(— 1999)對水泥中含堿量進行了限制，但只是出于對預(yù)防堿—骨料反應(yīng)的考慮。這種變化的趨勢雖然對混凝土提高早期強度有利，但卻增加了混凝土的溫度收縮、干燥收縮，在加上較低水灰比產(chǎn)生的自收縮，處于約束條件下的混凝土結(jié)構(gòu)較大的收縮變形，因過高的早期強度而提高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。而早期強度過高，又使得緩釋收縮應(yīng)變的徐變很小，于是開裂成為必然。
　　下面將要分別研究上述幾個因素對混凝土抗裂性造成的影響：
　　3 水泥礦物組成的影響
　　眾所周知，硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種，它們的水化性質(zhì)不同，在水泥中所占比例不同時將影響對水泥整體的性質(zhì)。
　　表1所示為水泥中四種主要礦物的水化熱和這四種主要礦物的收縮率。

  

　　C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍，尤其在混凝土早期強度的發(fā)揮時期。C3S的水化熱雖然比 C3A的小很多，但在3天卻是C2S水化熱的幾乎5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大；C3A的收縮率是C2S收縮率的3倍，是C4AF的 4～5倍。因此用C3A含量較大的早強水泥澆筑的混凝土容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。

　　4 各種外加劑對混凝土性能的影響

　　4.1 減水劑

　　目前我國混凝土尤其是中等以上強度等級的混凝土普遍使用高效減水劑和其他外加劑。當高效減水劑產(chǎn)品一定時，水泥的成分(主要是含堿量、C3A及其相應(yīng)的SO3含量)和細度是影響水泥和高效減水劑相容性的主要因素。近年來隨著水泥細度的變化加劇了水泥與高效減水劑的相容性問題。

　　混凝土干縮主要與混凝土中5～30nm孔徑毛細孔所保持的水分有關(guān)；減水劑在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛細孔孔經(jīng)減小，有實驗證明：未添加減水劑的混凝土，水泥漿體的最可幾孔徑為389，而加入減水劑的則為240 。

　　摻加高效減水劑后，低水灰比使集料和水泥石間的彈性模量減小，集料水膜層厚度減薄，過渡區(qū)Ca(OH) 2及AFt的大小及趨向程度大大減小，導(dǎo)致過渡區(qū)毛細孔細化，增強過渡區(qū)收縮。

　　4.1.1 混凝土干燥失水時，孔隙液越集中于小孔隙中，含液孔隙半徑愈來愈小。

　　現(xiàn)今普遍使用高效減水劑，其溶液與水泥濕潤角下降較多，而其氣液表面張力一般下降不多，再加上分散作用，使孔隙半徑下降，將會增加收縮。內(nèi)部毛系孔壓力導(dǎo)致的混凝土收縮，其孔隙中的壓力可由拉普拉斯公式表示：
ΔP=Pν—Pc=2γcosθ／r
式中，Pν——孔隙水蒸氣壓力，kPa
Pc——孔隙水壓力，kPa
γ——氣液表面張力，mN／m
r——孔隙水力半徑，m
θ——濕潤角，在混凝土中θ<90°

　　新型高效減水劑如聚羧酸的γ值有較多下降，其混凝土收縮也有所下降，見表2和圖。

表2 減水劑的堿含量及表面張力

　　(注：圖中混凝土配合比參數(shù)GB8076—1997，F(xiàn)DN的摻量0.50%，聚羧酸的摻量0.20%，均為外加劑)

部分外加劑對混凝土干燥收縮的影響規(guī)律