水泥特性對(duì)混凝土性能的影響

2006-05-09 00:00

水泥是混凝土最重要的組分之一，其物理和化學(xué)特性對(duì)混凝土性能具有重大的影響。現(xiàn)代混凝土，已不僅僅是水泥、砂石骨料和水的拌合物，還包括各種各樣的礦物摻合料和化學(xué)外加劑。隨著這些摻合料和外加劑的加入，混凝土的性能往往會(huì)變得更為復(fù)雜。一種特殊組分對(duì)新拌和硬化混凝土性能影響的預(yù)測(cè)也變得日益困難。礦物摻合料和化學(xué)外加劑的品種和百分比摻量，甚至其在配合比設(shè)計(jì)或攪拌程序的微小變化，都會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生影響，而這些微小變化往往又會(huì)掩蓋由于水泥的特性而引起的變化。然而，波特蘭水泥—一種在混凝土中產(chǎn)生反應(yīng)最大的材料，對(duì)混凝土的最終性能，具有決定性的影響。因此，更深入地了解水泥特性對(duì)混凝土的潛在影響是至關(guān)重要的。最近，美國(guó)波特蘭水泥協(xié)會(huì)的出版物對(duì)這一課題提供了極為有價(jià)值的信息和數(shù)據(jù)資料，這些信息和數(shù)據(jù)資料，無(wú)疑使那些使用水泥和混凝土的企業(yè)和個(gè)人倍感興趣。為此，本文將對(duì)某些更廣義的發(fā)展趨勢(shì)，作重點(diǎn)闡述和介紹。

新一期PCA（波特蘭水泥協(xié)會(huì)）出版物中的信息資料大致可分為兩大部分，第一部分闡述了有關(guān)波特蘭水泥生產(chǎn)商和用戶所關(guān)心的波特蘭水泥的物理和化學(xué)特性；第二部分則提供了有關(guān)水泥特性的任何微小變化，可能引起混凝土性能變化的有用信息資料。

過(guò)去五十多年來(lái)，美國(guó)市場(chǎng)上所供應(yīng)的波特蘭水泥特性的對(duì)比數(shù)據(jù)資料，向我們揭示了某些令人倍感興趣的水泥發(fā)展趨勢(shì)。作者對(duì)比了來(lái)自三項(xiàng)調(diào)查研究的數(shù)據(jù)資料，其一是，1995年由Gebhardt 所進(jìn)行的調(diào)查數(shù)據(jù)（136家水泥廠的387種水泥）；其二是，1999年P(guān)CA所進(jìn)行的調(diào)查數(shù)據(jù)（100家水泥廠的234種水泥）；其三是，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）對(duì)上世紀(jì)五十年代以來(lái)的水泥和測(cè)試結(jié)果所進(jìn)行的分析研究資料。來(lái)自對(duì)ASTM I至V型水泥前三項(xiàng)調(diào)查的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匯總表顯示，水泥組分的成分無(wú)實(shí)質(zhì)的變化。這就表明，上世紀(jì)九十年代美國(guó)生產(chǎn)的水泥中，其主要的氧化物和潛在的混合料的成分幾乎是相同的。

但是，如果把九十年代的水泥的數(shù)據(jù)資料和五十年代相比較，就會(huì)出現(xiàn)完全不同的情況了。從對(duì)比資料可以看出，雖然，硅酸鈣的總量沒(méi)有發(fā)生變化，但是，C₃S的含量增加了，而C₂S的含量下降了。舉例來(lái)說(shuō)，上世紀(jì)五十年代至九十年代期間，I型水泥中C₃S的含量從51%，增加到56%，而C₂S的含量從23%，下降到17%。此外，在同一期間，水泥的細(xì)度增加了，水泥中C₃S和堿的含量也增加了。直接對(duì)比九十年代和五十年代水泥砂漿立方體試塊的抗壓強(qiáng)度是不可能的，其原因是在此期間，試驗(yàn)程序（方法）發(fā)生了變化。但是，若把九十年代和五十年代水泥砂漿的強(qiáng)度曲線進(jìn)行比較，顯然，現(xiàn)代水泥7天強(qiáng)度的發(fā)展要快得多，其原因要?dú)w功于較高的C₃S含量及現(xiàn)代水泥更高的細(xì)度。眾所周知，該變化是受到市場(chǎng)對(duì)早期脫模，縮短施工工期需求的支配。

根據(jù)Gonnerman 和 Lerch 對(duì)從1916年到1950年期間水泥特性的數(shù)據(jù)匯總資料，也能反映出某些令人倍感興趣的水泥發(fā)展趨勢(shì)。從兩張資料匯總表可以觀察到重大的變化發(fā)生在上世紀(jì)二十年代至四十年代。在此期間，C₃S含量從21%，增加到50%，而C₂S和C₃A的含量分別從48%和25%，下降到23%和17%。值得指出的是，現(xiàn)代水泥成分的這些變化和水泥細(xì)度的提高，有助于獲得早高強(qiáng)。28天至十年齡期獲得的采用水養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度的增加量基本保持不變，即為20MPa。根據(jù)百分比來(lái)看，強(qiáng)度增加的變化超過(guò)二十年代水泥的100%，也超過(guò)四十年代水泥的近40%。

如前所說(shuō)，第二部分討論的是，水泥特性發(fā)展的任何單一變化，就有可能使混凝土性能發(fā)生變化。對(duì)在新拌狀態(tài)下混凝土性能（工作性、用水量、坍落度、流變性、凝結(jié)時(shí)間、秘水、外加劑的適用性和水化熱）以及硬化狀態(tài)下混凝土性能（抗壓強(qiáng)度、收縮、運(yùn)輸性能和耐久性等）一系列的變化進(jìn)行的探討，最后，作者將其歸納為兩張匯總表，經(jīng)PCA認(rèn)可，我們重新復(fù)制如下，供更廣泛的交流。1表列出了水泥特性變化對(duì)混凝土性能產(chǎn)生的影響，表2列出了每一項(xiàng)水泥特性的重大變化對(duì)混凝土性能可能產(chǎn)生變化的發(fā)展趨勢(shì)。在編制這些匯總表過(guò)程中，作者加入了這樣一句警示性的注釋語(yǔ)，即：“需著重指出：在編制這些匯總表時(shí)，我們假設(shè)僅一項(xiàng)所討論的參數(shù)發(fā)生變化，而其他參數(shù)保持不變?！?但是，在現(xiàn)實(shí)中，鑒于波特蘭水泥體系的復(fù)雜性和相關(guān)性，這幾乎是不可能的。……在參考這些匯總表時(shí)，應(yīng)對(duì)可能產(chǎn)生的比其直接影響更大的相互干擾和間接影響，給予必要的關(guān)注?！?盡管如此，這些匯總表對(duì)于施工實(shí)踐中的工程師仍然很有價(jià)值。它們能提供廣泛的使用指導(dǎo)和水泥的發(fā)展趨勢(shì)。雖然，美國(guó)ASTM型的水泥和印度水泥之間，在混合成分的數(shù)量范圍方面，存在一定的差異性。但是，本匯總表仍能對(duì)印度具有普遍的指導(dǎo)作用，特別是對(duì)那些還沒(méi)有同類(lèi)性質(zhì)數(shù)據(jù)資料的印度水泥也具有借鑒作用。

表1 水泥特性變化對(duì)混凝土性能的影響

混凝土性能

增加C₃S(降低C₂S)

增加C₃A(降低C₄AF)

增加堿含量

增加硫酸鹽含量

增加微量元素組分

提高細(xì)度

提高顆粒尺寸分布的斜度

外加劑不適應(yīng)性

改變C₃S可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性

改變C₃A可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性

改變堿含量可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性

改變硫酸鹽含量可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性

改變微量組分含量可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性

—

—

含氣量

—

—

增加

—

—

減少

—

秘水

—

減少

減少

—

—

減少

—

秘水

—

減少

減少

—

—

減少

—

氧化物結(jié)合

—

增加

—

—

—

—

—

氧化物滲透

—

下降

—

—

—

—

—

水化熱

增加

增加

增加

—

—

增加

—

與SCM反應(yīng)

增加

—

增加

—

—

—

—

ASR風(fēng)險(xiǎn)

—

—

增加

—

—

—

—

凝結(jié)時(shí)間

縮短

縮短，可能產(chǎn)生閃凝

變化

—

增加（若多加F和P₂O₅）

縮短

縮短

收縮

—

—

下降

下降

—

增加

—

坍落度損失

—

—

增加

下降

—

增加

—

強(qiáng)度

增加

增加

早期增加，后期下降

—

—

增加

增加

抗硫酸鹽

—

下降

—

—

—

—

—

用水量

—

增加

增加

增加

—

　

增加

工作性

—

下降

下降

—

—

增加

—

注： ASR-堿硅反應(yīng)， SCM-輔助膠凝材料

表2 水泥特性變化對(duì)混凝土性能的影響

水泥性能變化

假定僅一項(xiàng)組分發(fā)生變化,而其他組分不變,的條件下,對(duì)混凝土性能的影響

堿含量(增加)熟料中硫酸鹽含量(增加)

假定使用某一定劑量的引氣劑，使混凝土含氣量增加;

與另一種外加劑相互作用,使混凝土性能產(chǎn)生變化;

水泥凝結(jié)時(shí)間（增加）

早期強(qiáng)度增加,后期強(qiáng)度下降;

堿骨料反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)增加(與活性骨料);

在, 某些條件下,增加裂縫之風(fēng)險(xiǎn);

對(duì)輔助膠凝材料增加了活性;

增加水化熱的升溫速度。

C₃A含量（增加）C₄AF含量（下降）

工作性將下降；

可能產(chǎn)生閃凝；

產(chǎn)生熱的速度會(huì)增加；

早期強(qiáng)度會(huì)增加，后期強(qiáng)度不受影響；

水泥顏色將變淡

抗硫酸鹽性能變?nèi)?，（在硫酸鹽環(huán)境下）；

延遲性鈣礬石反應(yīng)之風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加（在適當(dāng)環(huán)境下）；

可能產(chǎn)生氯化物結(jié)合。

C₃S含量（增加）C₂S含量（下降）

工作性不受影響；

初凝時(shí)間會(huì)稍有縮短；

產(chǎn)生熱量的速度會(huì)增加；

早期強(qiáng)度會(huì)增加，后期強(qiáng)度可能受到的影響取決于C3S和C2S相應(yīng)的百分比含量趨向；

可能增加膠凝材料的用量。

水泥砂漿強(qiáng)度（增加）

混凝土強(qiáng)度會(huì)增加（早期強(qiáng)度的相關(guān)性一般，后期強(qiáng)度的相關(guān)性較差）。

水泥凝結(jié)時(shí)間（增加）

混凝土的凝結(jié)時(shí)間會(huì)增加（相關(guān)性較差）。

水泥中硫酸鹽含量（石膏與半水化合物之比）

閃凝之風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加，強(qiáng)度也會(huì)變化，取決于水泥的最佳硫酸鹽含量，及強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)混凝土的齡期。

細(xì)度（增加）

工作性下降，用水量增加；

在一定的引氣劑劑量下，含氣量會(huì)下降；

凝結(jié)時(shí)間縮短；

產(chǎn)生熱量的速度會(huì)增加；

早期強(qiáng)度會(huì)增加，后期強(qiáng)度不受影響；

收縮會(huì)增加；

游離氧化鈣含量（增加）

由于不安定性增加，會(huì)產(chǎn)生膨脹之風(fēng)險(xiǎn)。

鎂含量（增加）

由于不安定性增加，會(huì)產(chǎn)生膨脹之風(fēng)險(xiǎn)。

微量元素組分的變化

微量元素組分含量的變化，不可能導(dǎo)致混凝土性的重大變化，但眾所周知，F和P₂O₅的變化，會(huì)增加凝結(jié)時(shí)間；

可能會(huì)有例外，可向?qū)＜耀@取合理的咨詢指導(dǎo)。

顆粒尺寸分布（斜度更大的曲線）

用水量增加；

早期強(qiáng)度增加；

孔隙率會(huì)增加；

凝結(jié)時(shí)間縮短。

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表1 水泥特性變化對(duì)混凝土性能的影響
混凝土性能	增加C₃S(降低C₂S)	增加C₃A(降低C₄AF)	增加堿含量	增加硫酸鹽含量	增加微量元素組分	提高細(xì)度	提高顆粒尺寸分布的斜度
外加劑不適應(yīng)性	改變C₃S可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性	改變C₃A可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性	改變堿含量可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性	改變硫酸鹽含量可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性	改變微量組分含量可能會(huì)導(dǎo)致外加劑不適應(yīng)性	—	—
含氣量	—	—	增加	—	—	減少	—
秘水	—	減少	減少	—	—	減少	—
秘水	—	減少	減少	—	—	減少	—
氧化物結(jié)合	—	增加	—	—	—	—	—
氧化物滲透	—	下降	—	—	—	—	—
水化熱	增加	增加	增加	—	—	增加	—
與SCM反應(yīng)	增加	—	增加	—	—	—	—
ASR風(fēng)險(xiǎn)	—	—	增加	—	—	—	—
凝結(jié)時(shí)間	縮短	縮短，可能產(chǎn)生閃凝	變化	—	增加（若多加F和P₂O₅）	縮短	縮短
收縮	—	—	下降	下降	—	增加	—
坍落度損失	—	—	增加	下降	—	增加	—
強(qiáng)度	增加	增加	早期增加，后期下降	—	—	增加	增加
抗硫酸鹽	—	下降	—	—	—	—	—
用水量	—	增加	增加	增加	—		增加
工作性	—	下降	下降	—	—	增加	—
注： ASR-堿硅反應(yīng)， SCM-輔助膠凝材料

表2 水泥特性變化對(duì)混凝土性能的影響
水泥性能變化	假定僅一項(xiàng)組分發(fā)生變化,而其他組分不變,的條件下,對(duì)混凝土性能的影響
堿含量(增加)熟料中硫酸鹽含量(增加)	假定使用某一定劑量的引氣劑，使混凝土含氣量增加;
堿含量(增加)熟料中硫酸鹽含量(增加)	與另一種外加劑相互作用,使混凝土性能產(chǎn)生變化;
水泥凝結(jié)時(shí)間（增加）	早期強(qiáng)度增加,后期強(qiáng)度下降;
	堿骨料反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)增加(與活性骨料);
	在, 某些條件下,增加裂縫之風(fēng)險(xiǎn);
	對(duì)輔助膠凝材料增加了活性;
	增加水化熱的升溫速度。
C₃A含量（增加）C₄AF含量（下降）	工作性將下降；
	可能產(chǎn)生閃凝；
	產(chǎn)生熱的速度會(huì)增加；
	早期強(qiáng)度會(huì)增加，后期強(qiáng)度不受影響；
	水泥顏色將變淡
	抗硫酸鹽性能變?nèi)?，（在硫酸鹽環(huán)境下）；
	延遲性鈣礬石反應(yīng)之風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加（在適當(dāng)環(huán)境下）；
	可能產(chǎn)生氯化物結(jié)合。
C₃S含量（增加）C₂S含量（下降）	工作性不受影響；
	初凝時(shí)間會(huì)稍有縮短；
	產(chǎn)生熱量的速度會(huì)增加；
	早期強(qiáng)度會(huì)增加，后期強(qiáng)度可能受到的影響取決于C3S和C2S相應(yīng)的百分比含量趨向；
	可能增加膠凝材料的用量。
水泥砂漿強(qiáng)度（增加）	混凝土強(qiáng)度會(huì)增加（早期強(qiáng)度的相關(guān)性一般，后期強(qiáng)度的相關(guān)性較差）。
水泥凝結(jié)時(shí)間（增加）	混凝土的凝結(jié)時(shí)間會(huì)增加（相關(guān)性較差）。
水泥中硫酸鹽含量（石膏與半水化合物之比）	閃凝之風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加，強(qiáng)度也會(huì)變化，取決于水泥的最佳硫酸鹽含量，及強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)混凝土的齡期。
細(xì)度（增加）	工作性下降，用水量增加；
	在一定的引氣劑劑量下，含氣量會(huì)下降；
	凝結(jié)時(shí)間縮短；
	產(chǎn)生熱量的速度會(huì)增加；
	早期強(qiáng)度會(huì)增加，后期強(qiáng)度不受影響；
	收縮會(huì)增加；
游離氧化鈣含量（增加）	由于不安定性增加，會(huì)產(chǎn)生膨脹之風(fēng)險(xiǎn)。
鎂含量（增加）	由于不安定性增加，會(huì)產(chǎn)生膨脹之風(fēng)險(xiǎn)。
微量元素組分的變化	微量元素組分含量的變化，不可能導(dǎo)致混凝土性的重大變化，但眾所周知，F和P₂O₅的變化，會(huì)增加凝結(jié)時(shí)間；
微量元素組分的變化	可能會(huì)有例外，可向?qū)＜耀@取合理的咨詢指導(dǎo)。
顆粒尺寸分布（斜度更大的曲線）	用水量增加；
	早期強(qiáng)度增加；
	孔隙率會(huì)增加；
	凝結(jié)時(shí)間縮短。