普通硅酸鹽水泥與混凝土性能關(guān)系的探討

張雷

四川廣元西南商品混凝土有限公司 四川廣元 628001

普通硅酸鹽水泥的主要品質(zhì)指標有：燒失量、三氧化硫、細度、凝結(jié)時間、安定性、標準稠度用水量、強度，此外還包括堿含量、水化熱等指標?；炷列阅馨ò韬衔锕ぷ餍阅埽ㄖ饕刑涠?、凝結(jié)時間和流動、黏聚、保水、泌水性能等）、力學性能（主要指混凝土強度）、長期性能和耐久性能（主要指抗凍、抗?jié)B、抗收縮、早期抗裂、受壓徐變、抗碳化、抗壓疲勞、堿-骨料反映等）。

1 水泥燒失量對混凝土的影響

國標GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》中對普通水泥燒失量控制在5%以內(nèi)，水泥燒失量對混凝土的用水量、密實度以及外加劑的摻量影響很大，水泥燒失量大，對混凝土的流變性、強度和混凝土變形都有不利的影響，原因主要是燒失量大的水泥需水量大[1]。

2 水泥三氧化硫?qū)炷恋挠绊?/h2>

三氧化硫主要是從石膏中帶入的，石膏在水泥中主要起緩凝作用，適量的石膏會調(diào)節(jié)適中的水泥凝結(jié)時間。若凝結(jié)時間正常，則影響不大；若因為三氧化硫過低，導致水泥的凝結(jié)時間不達標，則混凝土的凝結(jié)時間也會變短，甚至在攪拌、運輸過程中混凝土就會凝固，當混凝土中使用外加劑時，過低的三氧化硫可能會導致適應性不太好；若三氧化硫含量過高超過國家標準規(guī)定，會嚴重影響水泥及水泥制品的安定性，造成配置的混凝土產(chǎn)生膨脹、開裂等不良后果。

3 水泥細度對混凝土性能的影響

水泥細度主要影響混凝土的強度和長期性能，此外還對混凝土與外加劑的適應性產(chǎn)生影響。

3.1 水泥細度對強度的影響

水泥磨得越細，水泥在混凝土中的水化速度就越快。增加水泥細度，能提高混凝土的早期強度，但粒徑過小的水泥顆粒，對后期強度幾乎無貢獻，某些混凝土強度倒縮，雖然其他原因是主要的，但水泥過細也是原因之一。當然，水泥比表面積過小，粗顆粒過多，水化速度慢，凝結(jié)時間長，導致早期強度不足，影響施工進度。

水泥磨得越細，水泥標準用水量越大，在水泥配制混凝土要達到相同坍落度時，混凝土用水量增加，從而使水膠比增大，降低混凝土強度。

3.2 水泥細度對混凝土長期性能的影響

過細水泥，早期水化快、水化熱大、混凝土內(nèi)外溫差大，增加了混凝土溫度裂紋的風險。水化快的細顆粒水泥，消耗混凝土內(nèi)部的水分較快，引起混凝土的干燥收縮，增加了混凝土收縮裂紋產(chǎn)生的幾率。

水泥粗顆粒少，水泥在混凝土水化時，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆粒，影響混凝土的長期性能。但粗顆粒過多的水泥，在拌制混凝土時與水包裹的面積小，易產(chǎn)生游離水，造成混凝土拌合物較嚴重的泌水，泌水嚴重的混凝土，表層酥軟，這是由于表層水泥漿內(nèi)含水過大，水分蒸發(fā)后微孔過多所致，這即是常說的混凝土“脫皮起砂”現(xiàn)象。

4 水泥凝結(jié)時間對混凝土的影響

水泥的凝結(jié)時間與混凝土的凝結(jié)時間有相關(guān)性，凝結(jié)時間主要是對混凝土的施工性能和耐久性能的影響。

4.1 水泥凝結(jié)時間對混凝土工作性能的影響

一般而言，混凝土中骨料含量越高、水膠比越大、緩凝劑用量越多，則混凝土凝結(jié)時間越長。水泥凝結(jié)時間波動1小時，其配制的混凝土的凝結(jié)時間波動一般要大于1小時。

我們曾經(jīng)用廣元高力水泥有限公司的2批不同凝結(jié)時間的水泥，按相同材料、相同配合比（一種摻CKL-3高效減水劑，另一種未摻外加劑），在相同的溫度、濕度條件下，測定其凝結(jié)時間變化差異。通過試配試驗不難看出，兩批水泥的初凝時間、終凝時間差在1.0小時左右，但配制的混凝土，未摻外加劑的，初凝時間差約為1.5小時，終凝時間差接近2小時；摻CKL-3高效減水劑后，混凝土的初凝時間差超過2.5小時，終凝時間差超過3小時。這即是說，水泥配制成混凝土后，水泥的凝結(jié)時間波動“放大”了2-3倍左右。如果水泥的凝結(jié)時間波動過大，使混凝土，特別是摻緩凝劑的商品混凝土的凝結(jié)時間波動過大，凝結(jié)時間過長，一方面影響施工進度，另一方面引起混凝土產(chǎn)生裂紋的可能性大大增加，這必然導致施工單位的不滿。

4.2 水泥凝結(jié)時間對混凝土長期耐久性能的影響

水泥凝結(jié)時間波動大，會造成混凝土水化、硬化時間不一致，從而導致混凝土凝結(jié)和收縮不一致，增加混凝土的微觀缺陷，增加混凝土內(nèi)部裂紋的可能性。同時，水泥凝結(jié)時間過長，會導致混凝土的凝結(jié)時間更長，凝結(jié)時間越長的混凝土，越易引起沉降裂紋。商品混凝土由于坍落度大，凝結(jié)時間越長，骨料在砂漿中的分布越不均勻，密度大的下沉，與此同時，水泥中的輕物質(zhì)上浮，致使混凝土的強度及其發(fā)展在構(gòu)件的上下部位不一致，既影響混凝土構(gòu)件的受力，還會引起混凝土體積的收縮、徐變不一致[2]。

5 水泥安定性和堿含量對混凝土的影響

（1）安定性不合格的水泥是廢品，絕對不能用于混凝土工程，這是國家標準強制規(guī)定的。安定性不合格的水泥用于混凝土中，在數(shù)月到數(shù)年內(nèi)，會導致混凝土體積嚴重不穩(wěn)定、開裂，嚴重時崩潰。

（2）影響水泥安定性的MgO、SO3，國家標準有嚴格規(guī)定，而游離CaO是水泥安定性不良的主要因素，國家標準卻沒有規(guī)定，這是因為游離CaO所產(chǎn)生的危害還與水泥的細度有關(guān)，水泥越細，游離CaO水化速度越快，游離CaO的危害越小。因此，商混企業(yè)在使用水泥前，必須對水泥的安定性進行檢測。

（3）水泥中的堿含量（Na2O+0.658K2O計）也是影響混凝土體積不穩(wěn)定的重要原因，這主要是堿集料反應的原因。雖然堿集料反應有一定條件，但商混企業(yè)在使用水泥時應根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境和骨料的情況，重視水泥的含堿量，特別是商品混凝土由于外加劑的使用，更應注意外加劑的堿含量與水泥堿含量的疊加，導致堿集料反應的產(chǎn)生。雖然水泥堿含量在國標中未作嚴格規(guī)定，但水泥企業(yè)在條件許可的情況下，應盡可能生產(chǎn)低堿水泥，避免堿集料反應。

6 水泥強度對混凝土強度的影響

根據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的規(guī)定，碎石混凝土28d抗壓強度fcu.o與水泥28d膠砂強度fce存在如下關(guān)系：

fcu.o/fce=0.48/（W/B）-0.16-（5-1）

從（5-1）式可以看出，當W/B（水膠比）一定時，混凝土強度隨水泥強度的變化而呈線性關(guān)系變化，水泥強度越高，混凝土強度也越高。

6.1 水泥強度波動對混凝土強度的影響

不同等級的混凝土，其W/B（水膠比）不一樣，水泥強度對混凝土強度的影響也不一樣。

當W/B（水膠比）在0.72-0.34范圍內(nèi)變化時（混凝土強度等級大致在C15-C45范圍）。當水泥強度波動（△fce）1.0MPa，理論上各等級混凝土強度波動的變化值（△fcu.o）在0.51-1.25 Mpa范圍內(nèi)，但隨著混凝土強度等級的提高，水泥強度對混凝土的影響更為敏感，水泥強度變化1.0Mpa，對C45混凝土的強度影響是對C15混凝土強度影響的2倍還多。

6.2 水泥強度波動對混凝土富余強度的影響

混凝土生產(chǎn)企業(yè)，在配制C15-C30混凝土時，其混凝土富余強度一般為4-8Mpa；C35-C45混凝土配制時，其富余強度一般為6-12Mpa，上述分析表明，水泥在極端情況下波動引所起混凝土強度波動已接近，甚至超過混凝土配制時預留的富余強度，此時還未考慮骨料、外加劑、摻合料等材料變化，也未考慮施工、養(yǎng)護等工藝變異情況。

雖然上述分析是在極端情況下進行的，同一批或同一時期水泥的波動一般也不會如此大，但混凝土有時富余強度很高，有時富余強度很低，甚至達不到設計強度，這雖然與混凝土其他組成材料、配合比、生產(chǎn)施工控制、試塊制作和養(yǎng)護等條件密切相關(guān)，但水泥強度波動也是影響混凝土強度的重要因素之一。對商品混凝土，由于水泥用量大，水泥使用速度快，檢測的及時性有限，配制混凝土時，一方面要留足富余強度，另一方面要對進廠水泥及時、有效地檢測，確保水泥強度的波動不致使所配制的混凝土達不到設計和評定要求。水泥生產(chǎn)企業(yè)應盡可能使出廠水泥均勻、穩(wěn)定，充分滿足混凝土生產(chǎn)和施工的需要。

7 水泥標準稠度用水量對混凝土的影響

國標GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》規(guī)定，水泥膠砂強度檢測水膠比固定為0.50，用這種方法檢測，膠砂強度相同的水泥，卻不一定能夠配制相同強度的混凝土（假設其他條件也相同），這主要是水泥的標準稠度用水量不相同。但標準并未對標準稠度用水量進行規(guī)定，但混凝土拌合物性能、混凝土強度、混凝土的耐久性，都與水泥的標準稠度用水量有關(guān)系。

7.1 水泥標準稠度用水量對混凝土拌合物工作性能的影響

水泥標準稠度用水量越大，配制的混凝土達到相同坍落度的用水量越大。在用水量不變的情況下，標準稠度用水量大的水泥，其配制的混凝土坍落度小、流動性差、和易性差、施工困難。若要達到施工要求的工作性能，勢必增加用水量，而增加用水量，又必須增加水泥用量，否則，混凝土強度不能保證。

7.2 水泥標準稠度用水量對混凝土強度的影響

水泥標準稠度每增加1%（即500g水泥增加5ml的用水量），理論上混凝土的用水量需增加2-5Kg/m3。 實際上，由于砂石的吸水率、級配和礦物摻合料需水量的影響，水泥標準稠度增加1%，混凝土要達到相同的坍落度，一般需相應增加6-8 Kg/m3，影響混凝土水膠比0.015-0.04，導致混凝土28d強度下降4-8 Mpa。

7.3 水泥標準稠度用水量對混凝土耐久性能的影響

由于水泥標準稠度需水量增加，混凝土硬化后內(nèi)部空隙增加，密實度下降，混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗收縮、早期抗裂、抗碳化能力均要下降[3]。

8 水泥水化熱對混凝土的影響

水泥的水化熱主要來源于熟料礦物C3A、C3S，水化熱對混凝土的施工應用影響很大。對于小斷面小體積的混凝土構(gòu)件，在低溫季節(jié)施工，水泥水化熱可以加快其硬化速度，提高早期強度，有利于混凝土抵抗低溫凍害和加快混凝土施工。但對于水壩、大型基礎等大體積混凝土工程，由于水化熱在混凝土內(nèi)部積聚，內(nèi)部溫升過高，造成內(nèi)外溫差過大形成溫度梯度，內(nèi)部的溫度急需向外部擴散，致使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應力而開裂，降低混凝土的耐久性，嚴重時使混凝土崩裂而破壞。

9 結(jié)語

（1）水泥品質(zhì)是水泥礦物組成、煅燒冷卻制度、粉磨工藝和質(zhì)量控制的集中體現(xiàn)，雖然水泥僅是混凝土的一種組成材料，但通過上述討論，水泥品質(zhì)對混凝土的性能影響是十分重要的，因此，水泥生產(chǎn)企業(yè)應盡可能考慮水泥對混凝土的各方面的影響，不只重視滿足標準，重視強度和安定性等指標，還應該重視產(chǎn)品的適應性，樹立“高強度水泥不一定是優(yōu)質(zhì)水泥”的觀念。

（2）混凝土生產(chǎn)和施工企業(yè)，在使用水泥時應根據(jù)水泥的強度等級和其他性能特點，工程特征（工程所處的環(huán)境、結(jié)構(gòu)斷面、鋼筋最小間距等），砂石和外加劑等材料種類及規(guī)格，混凝土施工工藝等合理選擇水泥、合理設計配合比。

總之，水泥生產(chǎn)企業(yè)要了解混凝土的性能要求，混凝土生產(chǎn)和使用企業(yè)要了解水泥品質(zhì)指標，為經(jīng)濟、合理、安全地生產(chǎn)和使用水泥奠定技術(shù)基礎。