潍坊市磊鑫混凝土有限公司 山东 潍坊 261207
【摘 要】通过回顾我国水泥质量的发展道路，试图探寻水泥质量变迁与混凝土耐久性劣化的关系。从混凝土耐久性破坏的本质，追溯分析已经提出的水泥早期强度高和细度细等影响耐久性的因素，提出水泥早期水化速率过快，和水泥碱含量高是导致混凝土耐久性劣化的两个本质因素。水泥早期强度高、细度细、C3S含量高等都是表象而非本质。化学减缩增加，早期水化热增加，开裂风险增加，皆为水泥早期水化速率过快的结果。从水泥行业技术推进的角度，提出了不显著增加环境、能源和资源代价，同时能够显著改善混凝土耐久性的水泥质量改进技术路线，主要内容是使用低C3A、C3S含量的熟料，采用分别粉磨工艺，生产早期水化速率低，而强度并不太低的水泥。
【关键词】混凝土；耐久性；水泥要求
1我国半个世纪水泥质量的变迁
以准确的数据全面回顾半个世纪水泥质量变迁，是一项繁复的工程，本研究只进行了有限的工作。这些工作包括：(1)请启新水泥厂、华新水泥厂、牡丹江水泥厂、琉璃河水泥厂(启新水泥厂建于1889年，华新水泥厂建于1907年；牡丹江水泥厂、琉璃河水泥厂都已有70年以上的历史)前辈质量管理人员回忆过去的数据。(2)查阅笔者三十余年积累的技术资料。(3)查阅已有技术文献。(4)对水泥厂进行调查，取得近年和当前的情况。综合上述调查工作，将半个世纪以来我国水泥强度、细度变化数据列于表1和图1所示。
图1显示，半个世纪以来，我国水泥强度逐步升高，细度逐步变细、这与我国混凝土耐久性越来越差的情况相对应。
如今新型干法水泥在通用硅酸盐水泥中的占比已经几近100。新型干法生产给水泥质量带来巨大变化。山于窑外分解窑的锻烧强度提高，使得通过提高熟料KH提高强度成为现实，意味着鲍格计算式计算的C3S提高；同时窑外分解窑采用的急烧快冷热工制度，使熟料C3S实际含量比鲍格计算式计算值高出许多。因此，熟料的C3S实际含量由50年前的50%，提高到了目前65%-68%。山于窑外分解窑挥发性组分循环，使得熟料中包括碱在内的挥发性组分含量较过去也有显著提高。这两个因素都导致水泥早期水化速率在增加，早期强度增加。熟料的C3A含量在几十年间没有显著增加，但由于碱含量的增加，导致熟料中高活性的斜方晶系C3A含量有所增加，C3A的总体水化速率增加。
2混凝土若干技术要求辨析
半个多世纪水泥质量的变迁，碱含量的提高是由于水泥企业为了降低能耗提高窑单位容积产量，主动采用窑外分解窑技术造成的。除此之外，C3S增加、早期强度提高以及细度变细都不是水泥企业的主动行为。水泥质量向错误方向的演变，是水泥使用者不断给水泥行业以误导造成的。这种误导有一些是技术性因素，也有一些是非技术性因素。
2.1水泥强度
理查德·W·伯罗斯在分析美国半个多世纪以来混凝土耐久性变差的原因时，特别强调水泥早期强度不断提高的危害。但降低水泥早期强度对于混凝土耐久性是充分条件而非必要条件。换言之，水泥早期强度高会导致混凝土耐久性劣化，降低水泥早期强度对混凝土耐久性有利；但危害混凝土耐久性的本质，不是水泥的早期强度高，而是水泥的早期水化速率快。如果在提高水泥早期强度的同时，不加快水泥的早期水化速率，则对混凝土耐久性没有明显危害。
水泥早期水化速率高的原因包括：(1)熟料早期水化速率(强度)高；(3)水泥中含有较多的熟料细粉(<3μm)；(3)水泥中石膏的形态和数量没有得到正确的优化；(4)碱含量高。将上述关系归纳如图2所示。
由图2可以看出，影响水泥早期强度的因素包含化学作用和物理作用两个方面。长期以来，我们几乎将水泥质量与水泥强度等同，同时又将水泥活性与水泥强度等同，认为提高水泥活性是提高水泥强度的唯一途径。而忽视了水泥强度的物理作用，忽视了通过优化水泥的粒度分布，提高水泥水化前的堆积密度，可以在显著提高水泥强度的同时降低水化速率这一重要事实。一项旨在通过优化水泥粒度分布以提高强度的试验，得到了如表2所示的试验结果。
表2数据表明，通过优化水泥粒度分布，可以在降低水泥水化热的同时，同时提高水泥早期、后期和长期强度。
2.2水泥细度
当希望与水泥性能建立联系的时候，水泥细度的含义不够明确。因为与水泥物理性能相关的是水泥粒度分布，筛余或比表面积只能作为水泥厂粉磨工艺的一个控制指标。
与水泥早期强度类似，粗水泥也只是混凝土耐久性的充分条件而非必要条件。混凝土要求水泥不能过细实际上想要表达的是：水泥过细会加快早期水化速率、提高早期水化热、增加早期收缩、提高减水剂掺量、增加坍落度损失。但事实上造成上述现象的主要是过细的熟料颗粒，水泥混合材料(于混凝土则为掺合料)过细基本上不会导致上述问题。水泥中不同组分(熟料、石膏、混合材料)的水化行为不同，在水泥石微结构中的作用不同，对水泥性能的影响不同，粒度分布的要求也不同。在探讨水泥最佳粒度分布时必需分别考虑。即分别确定熟料粒度分布、混合材料粒度分布和水泥粒度分布的要求。水泥中熟料的粒度分布要求是在保证较低细颗粒含量的前提下，尽量提高水化程度，熟料粒度分布应符合最佳性能RRSB方程。混合材料粒度分布要求是，与熟料配合后提高水泥颗粒的堆积密度，使得熟料+混合材料组成的水泥的粒度分布符合Fuller曲线。仅从水泥细度角度而言，符合现代混凝土要求的水泥应：(1)单位立方米混凝土中尽量低的熟料含量；(2)早期(数分钟至3d)尽量低的水化速率；(3)28d之内足够的水化程度，且至少保持5-10年持续提供水化产物的能力；(4)粉体颗粒具有较高的堆积密度。目前我国广泛应用的采用水泥混合粉磨工艺的水泥，不符合上述要求。为满足上述要求，熟料的细粉(<3μm颗粒)要有一个较低的限量，笔者建议一般性的标准<10%，严格标准<8%；同时混合材料更多地含有细粉。这需要在水泥粉磨时采用分别粉磨工艺。
3对水泥质量发展方向的修正
已经明确水泥存在的本质性问题是早期水化速率快、碱含量高。降低碱含量的困难已如前述。如果不能以较低的代价降低碱含量，要解决的核心问题就是降低水泥早期水化速率。技术路线如图3所示。
对于图3给出的技术路线图，可以概括表述为：使用低C3A、C3S的熟料，采用分别粉磨工艺，生产早期水化速率低，而强度并不太低的水泥。其中虚线框部分为重点内容。
结论
半个多世纪以来，混凝土耐久性越来越差，水泥质量错误的发展方向是最重要的原因。如不能尽快彻底改变水泥质量的发展方向和现状，混凝土耐久性问题就无法从根本上改观。由于水泥质量导致的混凝土耐久性问题，本质原因在于水泥的早期水化速率过快和碱含量过高。为提高混凝土耐久性，提出了如下的技术改进路线：使用低C3A、C3S的熟料，采用分别粉磨工艺，生产早期水化速率低，而强度并不太低的水泥。
参考文献
[1]王明军.水泥性能与混凝土耐久性的关系[J].河南建材，2010，01：44-47.
[2]谢克平.论现代混凝土对水泥性能的要求[J].新世纪水泥导报，2014，06：1-4.
[3]张亮，严建军，李响.混凝土结构耐久性的研究综述[J].材料导报，2013，S1：294-297.
论文作者:高树才
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9月第18期
论文发表时间:2016/11/17
标签：水泥论文; 水化论文; 熟料论文; 耐久性论文; 混凝土论文; 强度论文; 速率论文; 《低碳地产》2016年9月第18期论文;