基于现代混凝土的应用特点谈水泥基材料及其发展

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1 前言

水泥基材料是用量最大的人造材料，在今后数十年甚至上百年内仍然无可替代[1] 。新中国成立后，特别是近几年，我国的水泥工业取得了持续、快速的发展，无论在水泥的产量、品种和质量等方面都有了很大的提高。如：目前我国常用的水泥品种有7个，年产量已超过10亿t[1]。然而，就在水泥的生产和使用给人类带来极大的方便和财富的同时，也遇到了全球性的资源、能源、生态环境等方面的严重挑战。每生产1t水泥大约需消耗石灰石2t、标准煤0.4t，同时排放1t的CO2，另外还有NOx、SOx及大量的粉尘和烟尘排出[2] 。此外，社会发展还对水泥性能提出了更高的要求：施工性能更好、水化热更低、强度更高、体积更稳定、耐腐蚀性和耐久性更好。但在我国，水泥和混凝土分属于两个行业，行业的利益分割造成了很难把水泥和混凝土统一起来管理。工程建设要求水泥产品不仅要满足符合国家有关规范，而且要更加关注水泥应用于配制混凝土时的使用性能。水泥企业也常收到用户在使用水泥过程中的投诉，如水泥与混凝土外加剂适应性不好，混凝土用水量偏高、凝结时间异常以及容易出现裂缝等，但水泥检测结果却是符合国家标准的。也就是说，同样符合国家标准的水泥在配制混凝土时，在水泥用量、与外加剂适应性、混凝土工作性能及控制裂缝等方面存在较大的差异。在生产环节上，水泥企业既要考虑降低成本，又要满足客户的喜好，还要考虑节能减排。同样，混凝土生产企业为降低成本希望减少水泥用量和提高水泥的早期强度，但实际上最应该引起双方关注的应该是成型后，特别是投入使用后的建筑物或者构筑物质量，只有大家统一在这一前提下才能使这两个行业和谐发展。

2 现代混凝土的特点及对水泥基材料的要求

2.1现代混凝土的特点

工厂化的集中生产。区别于传统上分散在工地现场拌制和吊斗浇筑的塑性混凝土，现代混凝土首先在工艺上是在工厂集中预拌，输送至现场泵送浇筑，因此需要很好的施工性能，目前的预拌混凝土的坍落度普遍较大。

使用外加剂。不依靠水泥的自身品种而用外加剂进行改性已越来越普遍，例如对需水性、凝结时间、强度发展、变形性质、含气量等。特别是高效减水剂改变了水泥本身的流变性能。

较低的水胶比。由于矿物掺和料对混凝土强度的贡献显著依赖于水胶比，则当混凝土水胶比≥0.5时，掺和料的作用不能得以发挥。因此除了不考虑耐久性的结构，常用的C3O、C4O混凝土水胶比一般都低于0.5。较低水胶比和较大坍落度造成混凝土较大的水泥用量。

掺用矿物掺和料。为了降低现代高强度水泥及其较大用量造成的混凝土内部较高温升，也由于可持续发展战略的需要，矿物掺和料已逐渐成为现代混凝土必需的组分，而且有加大掺量的趋势，尤其是用于混凝土结构耐久性的设计，矿物掺和料是必需的组分，而且掺量要大于20%。加拿大已将大掺量矿物掺和料列入2004年12月颁布的混凝土规范，其中粉煤灰和矿渣单掺时最低掺量分别为30%和35%，没有上限。

2.2现代混凝土对水泥基材料的要求

当前，混凝土耐久性的研究已成为混凝土科学最前沿和最重要的课题。混凝土抗冻、抗渗和抗碳化性能的高低都直接影响混凝土的耐久性。但近些年来，混凝土裂缝问题也日趋严重，混凝土裂缝对混凝土的抗冻、抗渗、抗碳化及结构受力的安全性都带来了致命影响，成为降低混凝土耐久性的最直接的原因。对其产生的原因，许多专家学者经大量的研究后认为：与设计、施工工艺、混凝土配合比、钢筋品种、原材料、气候环境等有关，更与水泥有关。水泥中的C3S、C3A含量，水泥细度、品种、标号等因素都直接影响了混凝土裂缝的产生。因此，现代混凝土对水泥基材料提出了以下要求：

控制水泥细度。我国1999年强度检验方法和国际接轨后，进一步提高了水泥细度。以42.5级水泥为例：比表面积由过去的300～350m2/kg提高到350～380m2/kg，个别厂甚至达到了400m2/kg以上。比表面积的增大，大大提高了水泥的28d强度，尤其是3d强度提高幅度最大。水泥强度的提高，使混凝土强度也得到提高，强度的增长速度进一步加快。这给施工企业提前拆模、缩短工期都带来了便利，也给混凝土界配制更高标号的混凝土创造了条件。但同时也带来了不利因素，混凝土凝结速度的加快，使混凝土收缩速度加快，混凝土早期开裂的可能性大大提高。近几年来，混凝土的普遍开裂应该说与水泥颗粒越来越细有直接关系。还有一个水泥中的粗颗粒问题，水泥界许多专家认为：水泥中＞45μm的熟料颗粒对28d强度基本没有作用，所以这种颗粒可有可无或可以尽量降低。而混凝土界许多专家研究后认为：增加水泥中未水化的熟料颗粒可以大大减少混凝土的收缩。而现在水泥细度的增加，使水泥中的粗颗粒大大减少，使混凝土的收缩量增大，产生裂缝的可能性变大。

控制水泥中C3S的含量。自水泥发明以来，水泥中的最有效的成分C3S的含量一直呈上升趋势。仍以42.5级水泥为例，我国水泥目前的C3S含量已达52%～60%左右。C3S含量的提高，同样对提前拆模、缩短工期、配制高标号混凝土带来便利，但含量过高并非全是好事。C3S含量的增加，水泥水化时放热量加大，强度和温度上升速度相应过快，使混凝土产生收缩裂缝的机会变大。

控制水泥中的C3A含量。水泥中的C3A含量对混凝土的初凝和终凝都产生很大的影响。C3A含量高的水泥，使混凝土凝结时间缩短、失水加快。特别是对混凝土前3d产生收缩裂缝影响很大。有研究表明：C3A含量超过8%的水泥，凝结时间较快，与减水剂的适应性很差，经常使混凝土产生假凝现象，更容易使混凝土在强度增长初期产生较大的裂缝。

水泥品种的要求。我国的复合水泥、矿渣水泥等品种中，活性或非活性混合材掺量较大。为了达到更高的强度，一般水泥厂都采用进一步磨细的方法。这种水泥比其它品种的水泥更容易使混凝土产生收缩裂缝。因此，现代混凝土对所使用水泥的品种也根据工程项目的不同提出了相应的要求。

水泥标号的要求。水泥要达到更高的标号，一般的水泥厂都通过增加C3S含量、增加细度等措施。这些措施使混凝土产生裂缝的机会增加。总之，在同等条件下，使用高标号水泥比使用低标号水泥更容易使混凝土产生裂缝。以上分析可以看出：随着水泥产业的科技进步，水泥各方面性能指标得到了很大的提高，但对混凝土裂缝的产生及耐久性也带来了不利影响。特别是“高细度、高C3S含量、高标号”所谓的“三高”水泥对混凝土产生裂缝的不利影响应该说是越来越大了。有许多的工程实例可以证明这一点，如我国某省近些年修建的混凝土高速公路，3年内不坏的极少。类似的例子还有，用一些高标号的所谓“好水泥”做的房屋散水，经一个冬天，就出现了掉皮裂缝问题，而用低标号所谓“差水泥”做的散水，却一直保持完好。同样在美国，从上世纪30年代开始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把细度由允许大于75μm颗粒含量为22%，改为基本为零。7O年后的今天，经调查发现，1930年前修建的桥梁有67%基本保持完好，而1930年后修建的桥梁只有27%基本保持完好。日本近几年类似的例子也很多。以上问题虽然不能肯定说是由于水泥的原因引起，但应引起我们全方位的辩证思考，以便能从混凝土的角度发展水泥基材料。

3 我国目前水泥品质及使用现状