從混凝土角度討論道路水泥的礦物組成

摘要從影響混凝土的收縮和耐磨性的因素出發(fā),討論道路水泥的礦物組成。由于混凝土的干燥收縮只有水泥凈漿的1/5,而耐磨性隨著水灰比的降低而提高,因此過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縮性能,相反會給回轉(zhuǎn)窯特別是預(yù)分解窯廠生產(chǎn)道路水泥帶來困難。為此,建議適當(dāng)降低道路水泥中C4AF和C3A含量的限制。

關(guān)鍵詞混凝土,道路水泥,礦物組成

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運(yùn)輸部門要求更多的高等級公路。為適應(yīng)混凝土路面施工的要求,我國研制、生產(chǎn)了道路硅酸鹽水泥并制訂了道路硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)。道路硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其C4AF含量不小于16%,C3A不大于5%,這主要是為了滿足水泥的收縮和耐磨性能的指標(biāo)。然而這一規(guī)定似乎從水泥漿體的性能考慮較多,而從混凝土角度的考慮欠缺。作為建筑材料,水泥只是一種半成品,它最終必須制作成混凝土,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,道路水泥的生產(chǎn)及其標(biāo)準(zhǔn)的制訂也應(yīng)從混凝土的角度加以考慮。本文擬在討論影響混凝土收縮和耐磨性能的基礎(chǔ)上,對道路水泥熟料礦物組成提出一點(diǎn)看法。

2 混凝土的收縮及其影響因素

混凝土的收縮主要有塑性收縮、自收縮、干燥收縮和碳化收縮。

2.1 塑性收縮

塑性收縮是新拌混凝土失水引起的收縮。它的失水是由表面脫水而引起。新拌混凝土顆粒之間的空間完全充滿水,當(dāng)受高風(fēng)速、低相對濕度、高氣溫和高的混凝土溫度等因素作用時,水從漿體內(nèi)部向表面移動,從表面脫水,這時,產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓力,隨著失水增加,毛細(xì)管負(fù)壓逐漸增大,產(chǎn)生收縮力,使?jié){體產(chǎn)生收縮。當(dāng)收縮力大于集體的抗拉強(qiáng)度時,就會使表面產(chǎn)生開裂。

圖1 水泥凈漿、砂漿和混凝土的24h塑性收縮〔1〕

圖1為水泥凈漿、砂漿和混凝土在澆灌后24h的塑性收縮,實(shí)驗(yàn)條件為溫度20℃、相對濕度50%、風(fēng)速1m/s。從圖1可看出,水泥凈漿、砂漿和混凝土24h塑性收縮分別為6.6mm/m、4.4mm/m和1.8mm/m,說明集料對混凝土早期的塑性收縮有抑制作用。從圖1還可看出,水泥凈漿、砂漿和混凝土早期塑性收縮最大速率發(fā)生在1～4h,此后收縮平緩。因此在收縮速率發(fā)生的時期采取保護(hù)措施對避免混凝土的塑性收縮裂縫很有必要。例如,在上述試驗(yàn)條件下,在混凝土梁上鋪設(shè)2cm厚的1∶1砂漿,在20min時出現(xiàn)收縮裂縫,而1∶2的砂漿在1h10min出現(xiàn)收縮裂縫,而1∶2.5的砂漿則不開裂。對于混凝土,采取人工保持混凝土表面潮濕可避免水分的蒸發(fā)而防止收縮裂縫的出現(xiàn)。另外,使用高標(biāo)號水泥,減少水泥用量而增加集料用量可以減少混凝土早期塑性收縮。

據(jù)認(rèn)為〔1〕,影響混凝土塑性收縮的主要因素是風(fēng)速、相對濕度、氣溫和混凝土本身的溫度。高風(fēng)速、低相對濕度、高氣溫和高的混凝土溫度將使混凝土的失水加劇,從而增加塑性收縮。據(jù)報導(dǎo),2cm厚的純波特蘭水泥凈漿條板,在溫度為20℃、相對濕度為50%的條件下,無強(qiáng)制通風(fēng)8h,其收縮率為1700×10-6,而風(fēng)速為0.6m/s、1m/s的條件下經(jīng)過8h,其干縮率分別為6000×10-6和7300×10-6,這說明風(fēng)速增大使水泥漿體的收縮增大。R.Dutron的實(shí)驗(yàn)〔1〕也證實(shí)此結(jié)果,他還提出,當(dāng)風(fēng)速為7～8m/s、氣溫為20℃時,收縮為14000×10-6,而100℃時為19000×10-6,說明溫度提高,收縮增大。對于混凝土來說,其水泥用量和水灰比對其塑性收縮影響很大,水泥用量為200kg/m3、350kg/m3和500kg/m3的混凝土,其收縮率分別為800×10-6、1600×10-6和2300×10-6;水灰比為0.45、0.50、0.55和0.60的混凝土,其早期收縮率分別為1000×10-6、1530×10-6、1600×10-6和1350×10-6(注:原文如此)。從這些數(shù)據(jù)我們可以看出,降低環(huán)境風(fēng)速,降低溫度和提高相對濕度,減少水泥用量而增加集料用量,降低水灰比等措施均有利于減少混凝土的塑性收縮?；炷恋乃苄允湛s在夏季最為嚴(yán)重。據(jù)認(rèn)為〔1〕,若混凝土表面脫水速率超過0.5kg/(m2·h),則失水將大于滲出水到達(dá)混凝土表面的速率,并造成毛細(xì)管負(fù)壓,引起塑性收縮。若蒸發(fā)速率超過1.0kg/(m2·h),需采取預(yù)防開裂的方法。最常用和有效的方法是確?；炷镣瓿赡娌㈤_始養(yǎng)護(hù)前一直保持濕潤。

從上述結(jié)果看出,混凝土的收縮裂縫不一定來自于材料本身,而可能來自混凝土的施工。特別是道路混凝土路面,其表面積與體積比較大,暴露于大氣中的表面積大,更容易產(chǎn)生早期塑性收縮裂縫。根據(jù)我國道路水泥混凝土路面的施工經(jīng)驗(yàn),加強(qiáng)初期(7d內(nèi))的潮濕養(yǎng)護(hù)和及時(在混凝土強(qiáng)度為6～12MPa時)切縫是防止道路混凝土路面早期裂縫的有效措施。

2.2 化學(xué)減縮

化學(xué)減縮主要是無水熟料與水起化學(xué)反應(yīng),使固相體積逐漸增加而水泥—水體系的總體積逐漸減少的緣故。具體地說是由于水化前后反應(yīng)物和生成物的平均密度不同所引起。如果進(jìn)一步分析,則可認(rèn)為是水泥與水起化學(xué)反應(yīng)過程中,原來的自由水成為水化產(chǎn)物的一部分,使它的比容由原來的1cm3/g變成0.737cm3/g的緣故(筆者注:指硅酸鹽水泥化學(xué)結(jié)合水的比容,早期的文獻(xiàn)認(rèn)為是0.75cm3/g),化學(xué)減縮作用與化學(xué)結(jié)合水之間有直線關(guān)系,文獻(xiàn)〔3〕認(rèn)為:
　　Wn=KΔW (1)
　　式中:Wn——化學(xué)結(jié)合水量,g/100g水泥;
　　ΔW——化學(xué)減縮量,ml/100g水泥;
　　K——常數(shù),對硅酸鹽水泥K≈4。
　　(1)式可改寫成
　　ΔW=Wn/K=Wn/4=0.25Wn (2)

也就是說,硅酸鹽水泥的化學(xué)減縮量約為化學(xué)結(jié)合水的25%。因此可以認(rèn)為,化學(xué)結(jié)合水量大的水泥,其最終化學(xué)減縮量也大。硅酸鹽水泥不同齡期的化學(xué)減縮量與其礦物組成有關(guān),因?yàn)椴煌膯蔚V在不同齡期的化學(xué)減縮量不同。文獻(xiàn)〔2〕認(rèn)為,C3S、C2S的化學(xué)減縮分別占原有絕對體積的5.31%和1.97%;C3A與水反應(yīng)生成C3AH6時化學(xué)減縮占原有絕對體積的23.7%,而與CaSO4·2H2O作用生成3CA·3CaSO4·31H2O時化學(xué)減縮只有6.15%。Copeland〔2〕對水化1年的硅酸鹽水泥化學(xué)結(jié)合水的研究表明(W/C=0.4),C3A、C3S、C2S和C4AF的化學(xué)結(jié)合水分別為42.9%、22.8%、16.8%和13.2%,從1年化學(xué)結(jié)合水來看,化學(xué)減縮的順序是C3A>C3S>C2S>C4AF,這似乎與這些單礦對水泥的收縮影響相符。文獻(xiàn)〔3〕認(rèn)為,水化28d化學(xué)減縮的順序?yàn)镃3A>C4AF>C3S>C2S,它們28d化學(xué)減縮分別為17ml/100g、9.0ml/100g、5.2ml/100g和1.2ml/100g。這些數(shù)據(jù)均說明,C3A的化學(xué)減縮量最大,而在水泥的干縮試驗(yàn)中,C3A收縮最大,這與化學(xué)減縮是否有內(nèi)在聯(lián)系?值得深入研究。當(dāng)水泥硬化時所產(chǎn)生的化學(xué)減縮,可發(fā)生兩種結(jié)果。當(dāng)在空氣中凝結(jié)硬化時,或在體系中生成一些氣孔,或者引起外表體積收縮。事實(shí)上二者常常是同時發(fā)生。當(dāng)在水中養(yǎng)護(hù)時,則自外面吸入水分,若再干燥則水分蒸發(fā),同樣會使體積收縮。