基于現(xiàn)代混凝土的應用特點談水泥基材料及其發(fā)展

1 前言

水泥基材料是用量最大的人造材料，在今后數(shù)十年甚至上百年內仍然無可替代[1] 。新中國成立后，特別是近幾年，我國的水泥工業(yè)取得了持續(xù)、快速的發(fā)展，無論在水泥的產量、品種和質量等方面都有了很大的提高。如：目前我國常用的水泥品種有7個，年產量已超過10億t[1]。然而，就在水泥的生產和使用給人類帶來極大的方便和財富的同時，也遇到了全球性的資源、能源、生態(tài)環(huán)境等方面的嚴重挑戰(zhàn)。每生產1t水泥大約需消耗石灰石2t、標準煤0.4t，同時排放1t的CO2，另外還有NOx、SOx及大量的粉塵和煙塵排出[2] 。此外，社會發(fā)展還對水泥性能提出了更高的要求：施工性能更好、水化熱更低、強度更高、體積更穩(wěn)定、耐腐蝕性和耐久性更好。但在我國，水泥和混凝土分屬于兩個行業(yè)，行業(yè)的利益分割造成了很難把水泥和混凝土統(tǒng)一起來管理。工程建設要求水泥產品不僅要滿足符合國家有關規(guī)范，而且要更加關注水泥應用于配制混凝土時的使用性能。水泥企業(yè)也常收到用戶在使用水泥過程中的投訴，如水泥與混凝土外加劑適應性不好，混凝土用水量偏高、凝結時間異常以及容易出現(xiàn)裂縫等，但水泥檢測結果卻是符合國家標準的。也就是說，同樣符合國家標準的水泥在配制混凝土時，在水泥用量、與外加劑適應性、混凝土工作性能及控制裂縫等方面存在較大的差異。在生產環(huán)節(jié)上，水泥企業(yè)既要考慮降低成本，又要滿足客戶的喜好，還要考慮節(jié)能減排。同樣，混凝土生產企業(yè)為降低成本希望減少水泥用量和提高水泥的早期強度，但實際上最應該引起雙方關注的應該是成型后，特別是投入使用后的建筑物或者構筑物質量，只有大家統(tǒng)一在這一前提下才能使這兩個行業(yè)和諧發(fā)展。

2 現(xiàn)代混凝土的特點及對水泥基材料的要求

2.1現(xiàn)代混凝土的特點

工廠化的集中生產。區(qū)別于傳統(tǒng)上分散在工地現(xiàn)場拌制和吊斗澆筑的塑性混凝土，現(xiàn)代混凝土首先在工藝上是在工廠集中預拌，輸送至現(xiàn)場泵送澆筑，因此需要很好的施工性能，目前的預拌混凝土的坍落度普遍較大。

使用外加劑。不依靠水泥的自身品種而用外加劑進行改性已越來越普遍，例如對需水性、凝結時間、強度發(fā)展、變形性質、含氣量等。特別是高效減水劑改變了水泥本身的流變性能。

較低的水膠比。由于礦物摻和料對混凝土強度的貢獻顯著依賴于水膠比，則當混凝土水膠比≥0.5時，摻和料的作用不能得以發(fā)揮。因此除了不考慮耐久性的結構，常用的C3O、C4O混凝土水膠比一般都低于0.5。較低水膠比和較大坍落度造成混凝土較大的水泥用量。

摻用礦物摻和料。為了降低現(xiàn)代高強度水泥及其較大用量造成的混凝土內部較高溫升，也由于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，礦物摻和料已逐漸成為現(xiàn)代混凝土必需的組分，而且有加大摻量的趨勢，尤其是用于混凝土結構耐久性的設計，礦物摻和料是必需的組分，而且摻量要大于20%。加拿大已將大摻量礦物摻和料列入2004年12月頒布的混凝土規(guī)范，其中粉煤灰和礦渣單摻時最低摻量分別為30%和35%，沒有上限。

2.2現(xiàn)代混凝土對水泥基材料的要求

當前，混凝土耐久性的研究已成為混凝土科學最前沿和最重要的課題?；炷量箖?、抗?jié)B和抗碳化性能的高低都直接影響混凝土的耐久性。但近些年來，混凝土裂縫問題也日趨嚴重，混凝土裂縫對混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗碳化及結構受力的安全性都帶來了致命影響，成為降低混凝土耐久性的最直接的原因。對其產生的原因，許多專家學者經大量的研究后認為：與設計、施工工藝、混凝土配合比、鋼筋品種、原材料、氣候環(huán)境等有關，更與水泥有關。水泥中的C3S、C3A含量，水泥細度、品種、標號等因素都直接影響了混凝土裂縫的產生。因此，現(xiàn)代混凝土對水泥基材料提出了以下要求：

控制水泥細度。我國1999年強度檢驗方法和國際接軌后，進一步提高了水泥細度。以42.5級水泥為例：比表面積由過去的300～350m2/kg提高到350～380m2/kg，個別廠甚至達到了400m2/kg以上。比表面積的增大，大大提高了水泥的28d強度，尤其是3d強度提高幅度最大。水泥強度的提高，使混凝土強度也得到提高，強度的增長速度進一步加快。這給施工企業(yè)提前拆模、縮短工期都帶來了便利，也給混凝土界配制更高標號的混凝土創(chuàng)造了條件。但同時也帶來了不利因素，混凝土凝結速度的加快，使混凝土收縮速度加快，混凝土早期開裂的可能性大大提高。近幾年來，混凝土的普遍開裂應該說與水泥顆粒越來越細有直接關系。還有一個水泥中的粗顆粒問題，水泥界許多專家認為：水泥中＞45μm的熟料顆粒對28d強度基本沒有作用，所以這種顆粒可有可無或可以盡量降低。而混凝土界許多專家研究后認為：增加水泥中未水化的熟料顆?？梢源蟠鬁p少混凝土的收縮。而現(xiàn)在水泥細度的增加，使水泥中的粗顆粒大大減少，使混凝土的收縮量增大，產生裂縫的可能性變大。

控制水泥中C3S的含量。自水泥發(fā)明以來，水泥中的最有效的成分C3S的含量一直呈上升趨勢。仍以42.5級水泥為例，我國水泥目前的C3S含量已達52%～60%左右。C3S含量的提高，同樣對提前拆模、縮短工期、配制高標號混凝土帶來便利，但含量過高并非全是好事。C3S含量的增加，水泥水化時放熱量加大，強度和溫度上升速度相應過快，使混凝土產生收縮裂縫的機會變大。

控制水泥中的C3A含量。水泥中的C3A含量對混凝土的初凝和終凝都產生很大的影響。C3A含量高的水泥，使混凝土凝結時間縮短、失水加快。特別是對混凝土前3d產生收縮裂縫影響很大。有研究表明：C3A含量超過8%的水泥，凝結時間較快，與減水劑的適應性很差，經常使混凝土產生假凝現(xiàn)象，更容易使混凝土在強度增長初期產生較大的裂縫。

水泥品種的要求。我國的復合水泥、礦渣水泥等品種中，活性或非活性混合材摻量較大。為了達到更高的強度，一般水泥廠都采用進一步磨細的方法。這種水泥比其它品種的水泥更容易使混凝土產生收縮裂縫。因此，現(xiàn)代混凝土對所使用水泥的品種也根據(jù)工程項目的不同提出了相應的要求。

水泥標號的要求。水泥要達到更高的標號，一般的水泥廠都通過增加C3S含量、增加細度等措施。這些措施使混凝土產生裂縫的機會增加?？傊谕葪l件下，使用高標號水泥比使用低標號水泥更容易使混凝土產生裂縫。以上分析可以看出：隨著水泥產業(yè)的科技進步，水泥各方面性能指標得到了很大的提高，但對混凝土裂縫的產生及耐久性也帶來了不利影響。特別是“高細度、高C3S含量、高標號”所謂的“三高”水泥對混凝土產生裂縫的不利影響應該說是越來越大了。有許多的工程實例可以證明這一點，如我國某省近些年修建的混凝土高速公路，3年內不壞的極少。類似的例子還有，用一些高標號的所謂“好水泥”做的房屋散水，經一個冬天，就出現(xiàn)了掉皮裂縫問題，而用低標號所謂“差水泥”做的散水，卻一直保持完好。同樣在美國，從上世紀30年代開始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把細度由允許大于75μm顆粒含量為22%，改為基本為零。7O年后的今天，經調查發(fā)現(xiàn)，1930年前修建的橋梁有67%基本保持完好，而1930年后修建的橋梁只有27%基本保持完好。日本近幾年類似的例子也很多。以上問題雖然不能肯定說是由于水泥的原因引起，但應引起我們全方位的辯證思考，以便能從混凝土的角度發(fā)展水泥基材料。

3 我國目前水泥品質及使用現(xiàn)狀