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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学、河北工大、北京交大硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员、混凝土耐久性专业委员会委员,全国混凝土标准化技术委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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关于水泥性能对混凝土性能影响的研究  

2016-11-18 07:58:18|  分类: 混凝土理论知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  一、引言
  水泥性能的好坏,对混凝土的质量和性能有较大影响。但水泥性能与混凝土性能之间的关系又十分复杂,目前两者之间或者难以确定定量关系,或者虽有一定程度的定量关系,但这种定量关系受许多因素的制约。本文就水泥对混凝土性能影响进行研究,并提出混凝土施工时对水泥的一些基本要求。
  二、混凝土性能与水泥性能的关系
  1、水泥矿物组成的影响
  众所周知,硅酸盐水泥主要的组成矿物有C3S、C2S、C3A、C4AF四种,C3S凝结硬化快,水化时放热较高,但能给水泥提高较高的早期强度;C2S凝结硬化慢,水化热低,能保证水泥的后期强度;C4AF的各项指标都属中等;C3A凝结硬化速度最快,水化热是其他矿物水化热的数倍。因此C3A含量较大的早强水泥极容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂,耐蚀性也最差。
  2、水泥细度对混凝土的影响
  在目前我国大多数水泥粉磨条件下,水泥磨得越细,其中的细颗粒越多。增加水泥的比表面积能提高水泥的水化速率,提高早期强度,但是粒径在1μm以下的颗粒不到一天就完全水化,几乎对后期强度没有任何贡献。倒是对早期的水化热、混凝土的自收缩和干燥收缩有贡献——水化快的水泥颗粒水化热释放得早;因水化快消耗混凝土内部的水分较快,引起混凝土的自干燥收缩。同时,粗颗粒的减少,减少了稳定体积的未水化颗粒,因而影响到混凝土的长期性能。随水泥比表面积的增加,与相同高效减水剂的适应性差,为减小流动度损失需要增加更多掺量的高效减水剂,不仅增加施工费用,而且可导致混凝土中水泥用量的增加,影响混凝土的耐久性。另外,水泥细度还会影响混凝土的抗冻性、抗裂性。
  3、水泥中含碱量对混凝土影响
  大量的调查研究发现碱和细度、C3A和C4AF的因素一起极大地影响水泥的抗裂性。即使水泥有相同水化率(强度)和相同的自由收缩,显然低碱水泥有内在的抵抗开裂的能力。当含碱量低于0.6%Na2O当量时,水泥的抗裂性明显增加。
  4、水泥凝结时间对对混凝土影响
  凝结时间反映了水泥的水化速度,决定了水化反应的快慢。理论上分析,凝结时间应该与新拌混凝土的工作性有明显相关性,它是混凝土凝结硬化过程的决定因素,对于凝结时间短的水泥,水化反应速度越快,坍落度损失越快,即坍落度经时损失越大,因而使混凝土的工作性降低。在混凝土施工过程中,初凝时间不宜过短,以便有足够的时间对混凝土进行搅拌、运输和浇筑;当施工完毕之后,则要求混凝土尽快硬化,产生强度,以利于下一步施工工作的进行,因此,水泥终凝时间又不宜过长。
  
  5、水泥需水量对混凝土流变性能的影响
  水泥标准稠度需水量对混凝土的流变性能影响很大。有研究表明,对普通混凝土而言,水泥的标准稠度用水量每波动一个百分点,要达到同样的坍落度,每方混凝土就要增加6~8kg拌合水,这势必要降低混凝土的强度。我们接着可以推测,如果再要维持混凝土强度基本不变,每方混凝土就需相应增加水泥用量10kg以上,这对混凝土的成本就影响很大了;如果不增加用水量,那么混凝土的坍落度就要减少20mm以上,这直接影响建筑施工操作。标准稠度需水量大的水泥同外加剂特别是同萘系外加剂的适应性往往很差,主要表现在混凝土坍落度经时损失偏大;不同厂家的水泥,外加剂对它的初始塑化效果同标准稠度相关性不强。
  6、水泥与外加剂适应性对混凝土的影响
  混凝土的性能不仅取决于各组成材料的性能,更取决于材料之间的适应性及其配合比。外加剂作为混凝土的一个组分,所占比重很小,但对水泥的性能却是影响很大,能够明显提高混凝土的坍落度、调节凝结时间,从而改善混凝土施工性能或节约成本。水泥同外加剂适应性不好,在实际工程中主要表现在以下几个方面:一是混凝土拌和物初始流动度很差,明显达不到设计要求,减水率低于用基准水泥的检测值;二是混凝土初始流动度较好,但经时损失较大;三是所配制的高流动性混凝土有明显严重的泌水离析,甚至出现“扒底”的现象;四是出现不正常凝结现象,如有急凝、假凝现象发生。究其原因,主要有几点:一、外加剂自身的因素,外加剂的品种不同、结构官能团的不同、聚合度不同、复配组分不同均会影响与水泥的适应性;二、水泥矿物组成对外加剂的影响,水泥矿物组成对外加剂的影响因素大小依次为C3A>C4AF>C3S>C2S。C3A水化反应快,需水量大,吸附外加剂量大,外加剂作用损失大,因而C3A含量高的水泥一般与外加剂的适应性差。三、水泥熟料中添加调凝石膏品种的影响,调凝石膏对外加剂的影响因素大小依次为硬石膏(工业无水石膏)>半水石膏>二水石膏,而水泥厂家为了节约成本往往使用硬石膏,掺硬石膏的水泥需水量大,吸附外加剂量大,外加剂作用损失就大了。四、水泥细度和颗粒级配,水泥厂家通过提高水泥细度来提高水泥强度,但水泥过细,需水量大,同样会吸附大量的外加剂从而使外加剂作用损失掉。硬石膏对木钙类影响更加显著,甚至会出现急凝(假凝)现象。水泥颗粒级配不好,水泥净浆泌水率大的水泥与外加剂的适应也较差。五、水泥的碱含量,碱含量过高或者过低的水泥与某些外加剂产生反应时,会引起水泥中的石膏溶解度变化,使水泥矿物成分C3A水化速度加快,需水量增大,工作度损失也变快。这时加入可溶性Na2SO4,能提高其与外加剂的适应性。
  在实际生产中,混凝土坍落度经时损失大的问题,主要出现在气温较高时段,一般通过采取对骨料浇水降温的办法,减少坍落度的损失。或者适当调整外加剂配方可以缓解或克服,比如复合少量的保坍成份等。但外加剂对水泥初始塑化效果差的问题靠简单的调整外加剂配方很难解决,混凝土生产厂家应根据情况,以实验为基础,分析查找原因,通过试验选取出相适宜的原材料,并对原材料厂家提出具体的质量指标,要求质量稳定,研配出合适的配合比以提高混凝土初始塑化效果。
  三、混凝土对水泥的基本要求
  1、质量稳定性
  混凝土的以下要求需要水泥的质量稳定性予以保证:
  (1)混凝土生产过程的稳定性;
  (2)混凝土的匀质性;
  (3)混凝土要求的特殊性能。
  混凝土生产过程稳定性是指混凝土连续生产的一定时期内的质量稳定性,水泥的质量稳定性是混凝土质量稳定性的重要保证。混凝土的匀质性可以划分为宏观、细观和微观3个层次,其中混凝土的宏观匀质性与水泥的质量稳定性相关,混凝土不泌水、不离析是宏观匀质性的主要内容。某些时候混凝土有一些特殊性能的要求,也会对水泥的质量稳定性提出要求。例如,对于清水路面硅灰混凝土,水泥颜色的稳定性就是一个十分重要的指标,其重要程度甚至超过强度。为了满足混凝土生产稳定性和匀质性的要求,所有与混凝土性能有关的水泥性能均应该具有稳定性的要求。
  2、与高效减水剂具有良好的相容性
  水泥与减水剂相容性的较大变化,将直接影响混凝土坍落度的大小。水泥与高效减水剂的相容性不好时,不仅会影响高效减水剂的减水率,更重要的是会造成混凝土严重的坍落度损失,影响混凝土的施工性能,如果是泵送混凝土则可能导致无法泵送;相容性突然变好,混凝土坍落度会明显增大,可能出现泌水、离析。因此混凝土施工时要求水泥与高效减水剂要具有良好的相容性,特别是在低水胶比的高性能混凝土中,相容性问题就更加突出。从外加剂与水泥产生不相适应问题的因素中可以发现:需水量大的水泥更容易出现与外加剂不相适应的问题,所以使用中应选择需水量小、强度又较高的水泥更加重要。
  3、合理的早期、后期和长期强度
  水泥强度主要来自于早期强度(C3S)及后期强度(C2S),而且这些影响贯穿于混凝土中。用C3S含量较高的水泥来制作混凝土,其强度增长较快,但在后期可能以较低的强度而告终。而无论通过改变成分、养护条件或者利用外加剂而比较缓慢地水化,都可使水泥产生较高的最终强度。因此选用水泥时,应考虑合理的早期、后期和长期强度。
  4、较低的水化热
  水泥的水化热简单的说就是水泥水化过程中放出的热量。水化热与水泥矿物成分、细度、掺入的外加剂品种、数量、水泥品种及混合材料掺入量有关。水泥的水化热主要在早期释放,后期逐渐减少。
  对于大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土工程,由于水化热积聚在内部不易发散,使内部温度上升到50-60度以上,内外温度差引起的应力使混凝土可能产生裂缝,因此水化热对大体积混凝土工程是不利的。
  5、较小的体积收缩
  自身收缩是指混凝土中的水泥与水发生水化反应,水化反应产物的体积小于参加反应的水泥浆体系的体积,而造成混凝土体积收缩。混凝土的自身收缩在混凝土内部各向同性地发生,与外界温湿度不相干。由混凝土的自身收缩引发的裂缝,叫自身收缩裂缝。水泥是混凝土的一个重要组成成分,水泥的物理化学性质将直接影响到混凝土的收缩性。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥所拌制的水泥收缩性较高;普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥所拌制的混凝土收缩性较低。细度越细的水泥拌制的混凝土收缩量越大;水泥用量大的混凝土收缩量大;高标号水泥所拌制的混凝土收缩量大。因此,混凝土施工时,要根据其收缩性要求来选用水泥。
  6、适宜的碱含量
  水泥中的碱主要由生产水泥的原料粘土和燃料煤引入。水泥中的碱一部分以硫酸盐(K2SO4,Na2SO4,3K2SO4?Na2SO4,2CaS04?K2SO4)及碳酸盐(K2CO3,Na2CO3)的形式存在,一部分则固溶在熟料矿物中,如KC23S12,NC23?S12,KC8A3,NC8A3。当水泥加水后,硫酸盐及碳酸盐形式的碱很快溶入水中,固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而慢慢地溶入水中,同时溶入水中的碱又有部分被水化产物所吸收。高含碱量的水泥会生成抗裂性能差的凝胶,加重混凝土后期的干燥收缩,所以不论骨料是否有活性,都应当限制对水泥和混凝土中的含碱量。
  四、满足混凝土性能的水泥应具有的质量标准
  混凝土所用水泥应具有较高的强度、良好的流变性能以及与高效减水剂良好的相容性。因此,选择水泥时,应重点按照其强度等级、水化热、需水量、碱含量等指标进行评定,为确保其流动性,所用水泥的流变性能更为重要,一般要求选用中热硅酸盐水泥,并宜选择活性较高的,这样其标准稠度用水量较低,能使混凝土在较低水灰比例下具有良好的工作性,并可以降低水泥的水化热,提高硅灰混凝土的体积稳定性,减少温度裂缝的产生机会。
  五、结束语
  由此可见,水泥需水性、细度、凝结时间、同外加剂的适应性对混凝土的成本、性能产生较大影响。在混凝土施工时就应十分注意所用水泥的各项性能指标,混凝土施工应选择需水性小、细度控制合理、凝结时间稳定正常、同外加剂适应良好的水泥作原料,以保证混凝土质量的稳定性与持久性。
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