水泥“能”論

吳來峰

（水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120）

評定水泥優(yōu)劣等級，以強度還是以耐久性為標(biāo)準(zhǔn)，多年來在學(xué)術(shù)界和工程界爭論頗多。先者缺乏產(chǎn)品真實性和科學(xué)性，后者難在對耐久性的各項指標(biāo)，如何統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)確定量。筆者提出以工程耐久主要因素水泥能，即補償收縮能、水化熱能、抗拉強度能之和作為水泥耐久性的評定標(biāo)準(zhǔn)，這不僅具有重大的學(xué)術(shù)意義，而且對工程不裂耐久的解決，有著重要的指導(dǎo)作用。

1 水泥能概念的提出及其現(xiàn)實意義

什么叫水泥能，以水泥為膠凝材料拌制混凝土建成的工程，其耐久性之能，稱之為水泥能。任何物質(zhì)都以其主要服務(wù)對象效果來評定其能量，如煤炭、天然氣人類目標(biāo)取其熱量，故以單位重量（體積）有多少熱能（卡或焦耳）來確定其優(yōu)劣和等級，熱能高效益大，質(zhì)量等級就高。水泥是用于建造工程和建筑物的產(chǎn)品，故建筑物和工程的耐久性是評定水泥優(yōu)劣和等級高低唯一正確標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)外由于種種原因，始1824年英國人發(fā)明波特蘭水泥以來，至今仍以水泥28天抗壓強度作為水泥優(yōu)劣和質(zhì)量等級評定標(biāo)準(zhǔn)，它帶來與工程實踐極不相符的結(jié)果，如標(biāo)號高價格高的水泥，不如低價標(biāo)號低變形性能好的水泥；再如使用價高強度高收縮率大的水泥，工程裂縫反而多而不耐久等等，以強度能評定水泥優(yōu)劣，我們稱其強度能理論。而實際工程，如大體積混凝土工程耐久，決定于水泥混凝土的補償收縮能、水化熱溫升能和抗拉強度能三者綜合之能。水泥能加澆筑溫度能我們稱其為抗裂能，它是工程耐久的決定性指標(biāo)。補償收縮能由補償干縮能和補償溫降收縮能組成。科學(xué)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，具有先進(jìn)的生產(chǎn)力。以水泥能作為產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不僅反映了產(chǎn)品的真實性和科技進(jìn)步，而且能促進(jìn)推廣、發(fā)展高水泥能產(chǎn)品，確保工程建筑物不裂耐久，從而為人類創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益。

2 補償收縮能在水泥能中的重要地位

國內(nèi)外百年工程建設(shè)、運行史表明，混凝土工程不耐久開裂是主因。開裂不僅破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，還引起溶蝕和鋼筋銹蝕，致使原可正常運行百年的耐久工程減為僅有50年壽命?；炷凉こ涕_裂由干縮和溫降收縮變形引起。大體積混凝土工程能否實現(xiàn)不裂耐久，是由消減混凝土干縮和溫降收縮產(chǎn)生的補償收縮能，減少溫降收縮量的水化熱溫升能和混凝土的澆筑溫度能，以及自身抗裂能力的抗拉強度能三部分能量之和決定。

當(dāng)前建筑工程均以強度理論進(jìn)行設(shè)計施工。大體積混凝土工程為防止裂縫發(fā)生，國家設(shè)計規(guī)范[1]規(guī)定，混凝土28天齡期的極限拉伸值不低于0.85×10-4，壩基礎(chǔ)以上不同高度、不同澆筑塊長度，嚴(yán)格控制允許基礎(chǔ)溫差。并要求特別注意混凝土澆筑初期（6～20天），由于氣溫驟降而引起的工程表面裂縫，美國和我國丹江口工程實踐表明，此類開始很淺的表面裂縫，由于溫度繼續(xù)變化，可以使一條裂縫形成破壞整體性的貫穿性裂縫，并用鉆孔攝像證明上述現(xiàn)象。規(guī)范規(guī)定當(dāng)混凝土齡期28天以前遇日平均氣溫在2～4天連續(xù)下降6℃～9℃，暴 露表面可能產(chǎn)生裂縫。因此，在基礎(chǔ)、上游面及其重要部位，遇上述氣溫驟降時，應(yīng)進(jìn)行表面保護(hù)。長期暴露的部位，由于氣溫年變化等因素形成過大的內(nèi)外溫差，在后期也有可能產(chǎn)生裂縫，因此，壩體上游面及其它暴露的重要部位表面保護(hù)的時間和材料應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件研究確定。國家設(shè)計規(guī)范中忽略了混凝土不裂耐久最主要防止或減少干縮和溫降收縮產(chǎn)生的補償收縮能。

而且國家規(guī)范中[1]：1)沒有提到防干縮裂縫，但大壩表面混凝土實際存在長時間干燥暴曬后產(chǎn)生的干縮裂縫。2)對防止氣溫驟降收縮產(chǎn)生的裂縫，僅有定性要求進(jìn)行表面保護(hù)。3)對防止大壩內(nèi)部溫降收縮產(chǎn)生的裂縫，規(guī)范條文也不夠完整準(zhǔn)確。1984年水利水電建設(shè)總局水利水電建設(shè)老前輩馬君壽教授與筆者共同商議“混凝土壩設(shè)計中的幾個問題”（國家水利水電建設(shè)優(yōu)秀科技論文）時指出，以混凝土壩的極限拉伸值（或熱強比）和基礎(chǔ)允許溫差作混凝土壩的抗裂設(shè)計規(guī)范，是不能完全解決工程裂縫發(fā)生的。

上述三種類型裂縫防止在作者補償收縮能提高研究中，以及低熱微膨脹水泥工程應(yīng)用研究，原型觀測資料反饋證明，補償收縮能是最重要的因素。眾所周知，工程最常見和經(jīng)常發(fā)生的裂縫，是由于混凝土的干縮和溫降收縮而引起，其主要原因是硅酸鹽水泥干縮率和收縮率太大。硅酸鹽水泥混凝土極限延伸率為1～2×10-4，而其干縮率為4～6×10-4，硅酸鹽水泥混凝土大收縮率和溫降收縮率的疊加，致使硅酸鹽水泥混凝土工程干縮裂縫和溫降引起的收縮裂縫，以及二者收縮疊加的收縮裂縫經(jīng)常發(fā)生。

美國為防止混凝土工程裂縫發(fā)生，采用能補償干縮收縮的補償收縮水泥— K型膨脹水泥，它以發(fā)明人A·Klein命名。這種水泥用石灰石、石膏和白礬土混合粉磨后，在1300℃高溫下煅燒而成的硫鋁酸鈣膨脹熟料，再與硅酸鹽水泥熟料共同粉磨至適當(dāng)細(xì)度而成?，F(xiàn)美國90%的補償收縮混凝土工程采用K型膨脹水泥。K型膨脹水泥與硅酸鹽水泥在公路橋面板工程作耐久性對比試驗，11年后經(jīng)檢查查明，前者比后者裂縫減少90%，后者鋼筋明顯銹蝕，氯鹽透過板厚，而前者K型補償收縮混凝土工程無此現(xiàn)象。K型水泥水化熱291KJ/kg與硅酸鹽水泥大致相當(dāng)，但強度（24.5MPa）卻低得多[3]，如配置30MPa混凝土，每m3水泥用量為384～415kg，我國WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥僅需188kg。

1979年我國補償收縮混凝土專家吳中偉院士出版了補償收縮混凝土（不裂或少裂混凝土）著作[2]，書中明確提出水泥混凝土具有補償收縮性能是混凝土工程和大體積混凝土工程防裂最重要的因素。

1975年中國建材研究院應(yīng)用明礬石補償收縮混凝土建成一座長52.3m、寬12m、高2.6m鋼筋混凝土地下人防建筑?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土底板、墻、柱與無梁頂板。水泥用量380kg/m3，28天強度300kg/cm2，自應(yīng)力值2～8kg/cm2。10年多來不裂不滲。

美國和我國的工程實例表明采用補償收縮混凝土均較好地解決了非大體積混凝土工程的裂縫。美國K型膨脹水泥雖然強度低，但補償收縮能解決了干縮收縮，經(jīng)實測，該K型補償收縮混凝土經(jīng)7天養(yǎng)護(hù)后置于空氣中90天，其膨脹率第7天為700×10-6，之后逐步下降至90天為零（低熱微膨脹水泥混凝土膨脹率從第七天的260×10-6，至90天下降至130×10-6，遇水又恢復(fù)至原始值），而同條件的硅酸鹽水泥混凝土收縮率從零一直收縮至500×10-6。實踐證明，防止工程裂縫，水泥的補償收縮能是治本，而非強度。

安康水電站混凝土高壩。1989年應(yīng)用WD-Ⅱ型水工補償收縮混凝土取消大壩甲、乙塊縱縫，進(jìn)行長38m寬19 m，6m高塊整體設(shè)計連續(xù)澆筑施工，水泥用量159kg/m3，大壩內(nèi)部實測混凝土自生體積變形至14天膨脹量達(dá)170×10-6，之后穩(wěn)定該值不變，水化熱溫升12.39℃,竣工后壩體內(nèi)溫度下降至7.6℃（接近穩(wěn)定溫度），防裂設(shè)計要求抗裂能大于1.2MPa，實測為1.4MPa。工程實測最大拉應(yīng)力0.4MPa，抗裂安全系數(shù)7.5，工程不裂不滲造價低。將中熱硅酸鹽水泥外摻粉煤灰混凝土的328天建設(shè)工期縮短為108天，創(chuàng)85萬kW水電站提前發(fā)電220天的高效益。并開創(chuàng)混凝土高壩建設(shè)，以水泥能、抗裂能理論進(jìn)行防裂設(shè)計施工又一成功范例。

應(yīng)用水泥能抗裂能新理論，和我國原創(chuàng)發(fā)明[5][6][8]高水泥能的水工補償收縮混凝土不僅實現(xiàn)了防止上述三種類型大壩裂縫的發(fā)生，而且在新型水泥的生產(chǎn)中，和多座水工補償收縮混凝土建壩實踐中，中國科學(xué)家還在世界上首創(chuàng)：1)實現(xiàn)大壩整體設(shè)計優(yōu)質(zhì)快速高效益建壩。2)實現(xiàn)水泥生產(chǎn)無污染無CO2排放。中國杰出力學(xué)科學(xué)家[8]錢令希教授、美國水工專家Feris、澳大利亞混凝土壩專家S.Vallappan、加拿大水利水電工程專家FrancisLi，對上述科技成就稱中國人創(chuàng)造了奇跡[6]。我國補償收縮混凝土杰出專家吳中偉院士說：水工補償收縮混凝土開創(chuàng)了大體積混凝土工程建設(shè)設(shè)計施工新時代，研究成果達(dá)到世界領(lǐng)先水平[8]。

3 補償收縮能計算

大體積混凝土工程中，產(chǎn)生裂縫最主要的收縮是溫降收縮，故補償收縮能要以補償大壩早期氣溫驟降和補償大壩內(nèi)部后期降溫的溫度幅度來衡量。

混凝土澆筑后發(fā)生膨脹，膨脹受約束而轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的預(yù)壓變形被蓄存起來。而補償收縮變形是預(yù)壓變形扣除徐變與塑性變形及彈性模量增長帶來影響后的可恢復(fù)部分。由于約束塊是澆筑已久的老混凝土，性能基本穩(wěn)定，其計算式為：

式中：∑gn是蓄存在被約束塊內(nèi)的可恢復(fù)的預(yù)壓變形，t為時間，τ為時間段，E為混凝土的彈性模量，∑g為混凝土的自生體積變形。

表1 以某工程為例

壩體實測6天混凝土自生體積變形為230×10-6；28天混凝土自生體積變形為255×10-6；90天混凝土自生體積變形為260×10-6。

經(jīng)計算，約束條件下各時段補償收縮變形為：第6天補償收縮變形為：35.9×10-6；第28天補償收縮變形為：37.6×10-6；第90天補償收縮變形為：40.8×10-6；即該工程低熱微膨脹水泥混凝土澆筑后90天的補償收縮變形為40.8×10-6，可對大壩后期降溫補償4.08℃。

4 WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥和中熱硅酸鹽水泥水泥能比較

補償收縮能。不收縮混凝土的補償收縮能為零。低熱微膨脹水泥混凝土，上述工程實例補償大壩后期溫降收縮的補償收縮能為4℃，而同條件，大壩內(nèi)部中熱硅酸鹽水泥外摻粉煤灰混凝土，90天齡期的收縮率為60～80×10-6，其補償收縮能為-2.5℃～-3.5℃，二者相差6.5℃～7.5℃。

水化熱能。設(shè)水化熱溫升18℃為零。少一度為1℃，多1度為-1℃。安康高混凝土壩，大壩內(nèi)部低熱微膨脹水泥混凝土水化熱溫升為12.39℃，水化熱能為5.61℃。相同條件，中熱硅酸鹽水泥外摻40%粉煤灰混凝土水化熱溫升為18.49℃，即水化熱能為-0.49℃，二者相差6.1℃。

強度能。以90天齡期混凝土抗拉強度2MPa為基點。WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥混凝土90天齡期抗拉強度3.40MPa（7天2.27MPa、28天3.05MPa），而同條件長江三峽大壩52.5中熱硅酸鹽水泥外摻30%粉煤灰混凝土90天齡期抗拉強度為2.59MPa（7天1.09MPa、28天1.93MPa，52.5中熱硅酸鹽水泥混凝土90天為2.2MPa），二者相差0.81MPa，即抗拉強度能，先者比后者可多抵抗8.1℃降溫所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

二種水泥混凝土水泥能相比，WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥混凝土比硅酸鹽水泥混凝土水泥能高20.7℃～21.7℃，即先者比后者水泥能高2.07～2.17MPa。

我國WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥，比美國應(yīng)用最廣泛的K型膨脹水泥性能、成本、能耗、工程耐久性、應(yīng)用范圍等均要優(yōu)越的多?，F(xiàn)將中國水工補償收縮抗裂水泥（WD-3低熱微膨脹水泥）與美國抗裂水泥（K型膨脹水泥）對比如下。

（1）補償收縮能。美國K型膨脹水泥混凝土經(jīng)7天養(yǎng)護(hù)后干燥至90天，膨脹率接近零，以后保持不變。我國水工補償收縮混凝土，在相同條件下，90天齡期膨脹率為130×10-6，以后保持不變，遇濕恢復(fù)至原始膨脹率200×10-6。在大壩內(nèi)部絕濕條件下，膨脹率達(dá)到最高值200×10-6后，則永久保持200×10-6。顯然，我國水工補償收縮水泥的補償收縮能優(yōu)于美國K型膨脹水泥。

（2）強度。美國K型膨脹水泥7天14.7MPa，28天24.5MPa。我國WD-3型低熱微膨脹水泥7天＞22.5（33.2）MPa，28天＞42.5（57.6）MPa，1年71.6MPa，3年82.7MPa，5年100.5MPa。配置30MPa混凝土，美國抗裂水泥（K型、M型膨脹水泥）用量，每立方米混凝土需384～415kg。我國WD-3型低熱微膨脹水泥用量僅為188kg。

（3）水化熱。美國K型膨脹水泥，7天291KJ/kg，我國WD-3型低熱微膨脹水泥3天170.4KJ/kg，7天185.8KJ/kg。

（4）能耗。美國K型膨脹水泥能耗估算要比我國WD-3型低熱微膨脹水泥大一倍。

（5）成本。美國K型膨脹水泥比硅酸鹽水泥貴10%～15%，WD-3型低熱微膨脹水泥與硅酸鹽水泥相當(dāng)。以工程混凝土成本計，美國抗裂水泥混凝土的膠凝材料要比WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥混凝土貴一倍以上。

（6）污染。美國K型膨脹水泥對環(huán)境污染和CO2排放與硅酸鹽水泥大致相當(dāng)。WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥CO2排放量比硅酸鹽水泥減少4/5以上。2003年我國硅酸鹽水泥產(chǎn)量達(dá)到8.62億t，占世界水泥總產(chǎn)量近50%，消耗煤7800萬t，排放CO25.8億t。WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥CO2排放量，僅我國就可減少4.6億t。

（7）資源。以我國2003年生產(chǎn)8.62億t硅酸鹽水泥計，它要消耗煤7800萬t，消耗礦山資源石灰石7.4億t，而WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥上述產(chǎn)量生產(chǎn)，可節(jié)約6200萬t煤，5.9億t石灰石。

（8）應(yīng)用范圍。美國抗裂水泥適用于工民建、公路、橋梁、停車場等非大體積混凝土工程，我國抗裂水泥適用所有混凝土工程。還特別適用國外沒有解決的水工、港口、國防等大體積混凝土工程，以及防裂防滲要求特別高的混凝土工程，如剛性防水屋面、核電站的貯水池、特大型石油貯油罐工程等。

5 以水泥能指標(biāo)評定水泥等級標(biāo)準(zhǔn)

(1)特等水泥※※ 對非大體積混凝土工程，因工程裂縫主要原因是混凝土干縮所造成，故水化熱能指標(biāo)可放寬至≥0℃或混凝土工程內(nèi)部溫度不得大于表面混凝土溫度10℃。補償收縮能指標(biāo)亦可放寬至混凝土干縮率≤50～100×10-6，或補償收縮能≥0℃。強度能以28天抗拉強度為準(zhǔn)。。水泥能≥1.5MPa，其中：補償收縮能≥4℃，水化熱能≥5℃，抗拉強度能≥3.0MPa。

(2)優(yōu)質(zhì)水泥※。水泥能≥0.8MPa，其中：補償收縮能≥2℃，水化熱能≥5℃，抗拉強度能≥2.5MPa。

(3)普通水泥。水泥能為正值，其中：補償收縮能≥0℃，水化熱能≥0℃，抗拉強度能≥2.5MPa。

(4)一般水泥。水泥能為負(fù)值，達(dá)不到1、2、3級水泥標(biāo)準(zhǔn)，但滿足現(xiàn)行國標(biāo)和可適用于次要工程使用。

按上述指標(biāo)評定，WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥為特等水泥。硅酸鹽水泥和仿冒的Ⅰ型低熱微膨脹水泥為3或4級水泥。1、2級水泥和優(yōu)秀設(shè)計、精心施工配合，可建造百年不裂耐久建筑物，而3、4級水泥則不能。

6 大力發(fā)展和推廣應(yīng)用高水泥能產(chǎn)品

水泥能抗裂能理論是在認(rèn)真總結(jié)百年來國內(nèi)外大量混凝土工程建設(shè)、運行的經(jīng)驗教訓(xùn)，包括大體積混凝土工程防裂設(shè)計施工理論，特別是40年來20多個水工補償收縮混凝土工程，以水泥能抗裂能理論進(jìn)行設(shè)計施工的成功實踐，并經(jīng)過理論升華而提出。國內(nèi)外波特蘭水泥混凝土工程全部存在開裂而不夠耐久，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部副部長在2010年綠色建筑大會上表示：“中國每年有20億m2的新建筑面積，相當(dāng)于消耗全世界40%的水泥和鋼材，而這些建筑只能持續(xù)使用25～30年。”美國能源部則表示美國商業(yè)建筑預(yù)期壽命為70～75年。美國對抗裂要求高的建筑物，不少是采用補償收縮 混凝土建造的。如洛杉磯世界貿(mào)易中心，貝聿銘主持設(shè)計的倒金字塔形達(dá)拉斯市政府建筑等等，后者是世界公認(rèn)的卓越建筑。美國對補償收縮混凝土與波特蘭水泥混凝土房屋建筑對比試驗表明，前者抗?jié)B性好，凈收縮大為減少，能保證不裂或少裂[4]。

再如我國水利水電硅酸鹽水泥混凝土大壩工程，全部存在裂縫、滲漏，工程不耐久，修補費用高。而采用高水泥能、補償收縮能高的正宗低熱微膨脹水泥水工補償收縮混凝土建造的池潭、安康、寶珠寺、銅街子、魯布革等大體積混凝土工程，則實現(xiàn)了工程不裂、不滲、耐久。因此，以水泥能抗裂能指標(biāo)評定水泥和工程耐久等級是科學(xué)和符合工程實際的。

理論和工程實踐表明，只有當(dāng)工程采用真實反映產(chǎn)品耐久性能，以水泥能為指標(biāo)評定的特等優(yōu)質(zhì)水泥，并以抗裂能理論進(jìn)行優(yōu)秀設(shè)計和精心施工，混凝土工程才能實現(xiàn)不裂不滲耐久。水泥產(chǎn)品的水泥能真實反映了水泥質(zhì)量的優(yōu)劣。它不僅為用戶對產(chǎn)品提供了科學(xué)正確的選擇標(biāo)準(zhǔn)，并將促進(jìn)生產(chǎn)、科研單位加強產(chǎn)品水泥能提高研究。高科技優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和科學(xué)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，具有先進(jìn)的生產(chǎn)力，水泥產(chǎn)品水泥能質(zhì)的飛躍，如我國原創(chuàng)發(fā)明正宗低熱微膨脹水泥，不僅使工程質(zhì)量好、成本低，建設(shè)周期短，效益高，而且水泥生產(chǎn)無污染、無CO2排放，并可使目前我國工程平均壽命50年提高到100年。

為加快實現(xiàn)上述目標(biāo)，國家應(yīng)大力發(fā)展和推廣應(yīng)用高水泥能產(chǎn)品。建立并實施水泥產(chǎn)品以水泥能為指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)，以抗裂能為指標(biāo)的工程耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以抗裂能為指標(biāo)的混凝土壩、大體積混凝土工程防裂設(shè)計規(guī)范。在水泥能理論指導(dǎo)下研制成功，并獲國家發(fā)明專利的新產(chǎn)品WD-Ⅲ型低熱微膨脹水泥，現(xiàn)已制定以混凝土抗裂等耐久性為指標(biāo)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，從而可確保工程優(yōu)質(zhì)耐久效益高。

[1] 混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范SDJ 21-78.中華人民共和國水利水電部.水利電力出版社,1983年6月;混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范SDJ 21-78編制說明.中華人民共和國水利電力部.水利電力出版社,1983年6月

[2] 吳中偉著.補償收縮混凝土（不裂或少裂混凝土）.中國建筑工業(yè)出版社,1979年

[3] ASTM C845-80美國膨脹水硬性水泥（K.M.S）標(biāo)準(zhǔn)

[4] 吳中偉著.膨脹混凝土.中國鐵道出版社,1990年

[5] WD-Ⅲ型抗裂水泥.專利實施信息.國家知識產(chǎn)權(quán)局,2002年

[6] 水工補償收縮混凝土建壩.世界優(yōu)秀專利精選.香港新華通訊出版社,1995年

[7] 水工補償收縮混凝土建壩.中外最新專利精選.香港大時代出版社,1997年

[8] 攀登者的足跡.國家科委.遼寧人民出版社,1995年