關(guān)于水泥性能對混凝土性能影響的研究
關(guān)鍵詞：水泥；混凝土；性能；影響
一、引言
水泥性能的好壞，對混凝土的質(zhì)量和性能有較大影響。但水泥性能與混凝土性能之間的關(guān)系又十分復(fù)雜,目前兩者之間或者難以確定定量關(guān)系,或者雖有一定程度的定量關(guān)系,但這種定量關(guān)系受許多因素的制約。本文就水泥對混凝土性能影響進(jìn)行研究，并提出混凝土施工時(shí)對水泥的一些基本要求。
二、混凝土性能與水泥性能的關(guān)系
1、水泥礦物組成的影響
眾所周知，硅酸鹽水泥主要的組成礦物有C3S、C2S、C3A、C4AF四種，C3S凝結(jié)硬化快，水化時(shí)放熱較高，但能給水泥提高較高的早期強(qiáng)度；C2S凝結(jié)硬化慢，水化熱低，能保證水泥的后期強(qiáng)度；C4AF的各項(xiàng)指標(biāo)都屬中等；C3A凝結(jié)硬化速度最快，水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍。因此C3A含量較大的早強(qiáng)水泥極容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂，耐蝕性也最差。
2、水泥細(xì)度對混凝土的影響
在目前我國大多數(shù)水泥粉磨條件下，水泥磨得越細(xì)，其中的細(xì)顆粒越多。增加水泥的比表面積能提高水泥的水化速率，提高早期強(qiáng)度，但是粒徑在1μm以下的顆粒不到一天就完全水化，幾乎對后期強(qiáng)度沒有任何貢獻(xiàn)。倒是對早期的水化熱、混凝土的自收縮和干燥收縮有貢獻(xiàn)——水化快的水泥顆粒水化熱釋放得早；因水化快消耗混凝土內(nèi)部的水分較快，引起混凝土的自干燥收縮。同時(shí)，粗顆粒的減少，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆粒，因而影響到混凝土的長期性能。隨水泥比表面積的增加，與相同高效減水劑的適應(yīng)性差，為減小流動(dòng)度損失需要增加更多摻量的高效減水劑，不僅增加施工費(fèi)用，而且可導(dǎo)致混凝土中水泥用量的增加，影響混凝土的耐久性。另外，水泥細(xì)度還會(huì)影響混凝土的抗凍性、抗裂性。
3、水泥中含堿量對混凝土影響
大量的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)堿和細(xì)度、C3A和C4AF的因素一起極大地影響水泥的抗裂性。即使水泥有相同水化率（強(qiáng)度)和相同的自由收縮，顯然低堿水泥有內(nèi)在的抵抗開裂的能力。當(dāng)含堿量低于0.6％Na2O當(dāng)量時(shí)，水泥的抗裂性明顯增加。
4、水泥凝結(jié)時(shí)間對對混凝土影響
凝結(jié)時(shí)間反映了水泥的水化速度,決定了水化反應(yīng)的快慢。理論上分析,凝結(jié)時(shí)間應(yīng)該與新拌混凝土的工作性有明顯相關(guān)性,它是混凝土凝結(jié)硬化過程的決定因素，對于凝結(jié)時(shí)間短的水泥，水化反應(yīng)速度越快，坍落度損失越快，即坍落度經(jīng)時(shí)損失越大，因而使混凝土的工作性降低。在混凝土施工過程中，初凝時(shí)間不宜過短，以便有足夠的時(shí)間對混凝土進(jìn)行攪拌、運(yùn)輸和澆筑；當(dāng)施工完畢之后，則要求混凝土盡快硬化，產(chǎn)生強(qiáng)度，以利于下一步施工工作的進(jìn)行，因此，水泥終凝時(shí)間又不宜過長�！�
5、水泥需水量對混凝土流變性能的影響
水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量對混凝土的流變性能影響很大。有研究表明，對普通混凝土而言，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量每波動(dòng)一個(gè)百分點(diǎn)，要達(dá)到同樣的坍落度，每方混凝土就要增加6～8kg拌合水，這勢必要降低混凝土的強(qiáng)度。我們接著可以推測，如果再要維持混凝土強(qiáng)度基本不變，每方混凝土就需相應(yīng)增加水泥用量10kg以上,這對混凝土的成本就影響很大了；如果不增加用水量，那么混凝土的坍落度就要減少20mm以上，這直接影響建筑施工操作。標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量大的水泥同外加劑特別是同萘系外加劑的適應(yīng)性往往很差，主要表現(xiàn)在混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失偏大；不同廠家的水泥，外加劑對它的初始塑化效果同標(biāo)準(zhǔn)稠度相關(guān)性不強(qiáng)。
6、水泥與外加劑適應(yīng)性對混凝土的影響
混凝土的性能不僅取決于各組成材料的性能，更取決于材料之間的適應(yīng)性及其配合比。外加劑作為混凝土的一個(gè)組分，所占比重很小，但對水泥的性能卻是影響很大，能夠明顯提高混凝土的坍落度、調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，從而改善混凝土施工性能或節(jié)約成本。水泥同外加劑適應(yīng)性不好，在實(shí)際工程中主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是混凝土拌和物初始流動(dòng)度很差，明顯達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，減水率低于用基準(zhǔn)水泥的檢測值；二是混凝土初始流動(dòng)度較好，但經(jīng)時(shí)損失較大；三是所配制的高流動(dòng)性混凝土有明顯嚴(yán)重的泌水離析，甚至出現(xiàn)“扒底”的現(xiàn)象；四是出現(xiàn)不正常凝結(jié)現(xiàn)象，如有急凝、假凝現(xiàn)象發(fā)生。究其原因，主要有幾點(diǎn)：一、外加劑自身的因素，外加劑的品種不同、結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的不同、聚合度不同、復(fù)配組分不同均會(huì)影響與水泥的適應(yīng)性；二、水泥礦物組成對外加劑的影響，水泥礦物組成對外加劑的影響因素大小依次為C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。C3A水化反應(yīng)快，需水量大，吸附外加劑量大，外加劑作用損失大，因而C3A含量高的水泥一般與外加劑的適應(yīng)性差。三、水泥熟料中添加調(diào)凝石膏品種的影響，調(diào)凝石膏對外加劑的影響因素大小依次為硬石膏（工業(yè)無水石膏）＞半水石膏＞二水石膏，而水泥廠家為了節(jié)約成本往往使用硬石膏，摻硬石膏的水泥需水量大，吸附外加劑量大，外加劑作用損失就大了。四、水泥細(xì)度和顆粒級(jí)配，水泥廠家通過提高水泥細(xì)度來提高水泥強(qiáng)度，但水泥過細(xì)，需水量大，同樣會(huì)吸附大量的外加劑從而使外加劑作用損失掉。硬石膏對木鈣類影響更加顯著，甚至?xí)霈F(xiàn)急凝（假凝）現(xiàn)象。水泥顆粒級(jí)配不好，水泥凈漿泌水率大的水泥與外加劑的適應(yīng)也較差。五、水泥的堿含量，堿含量過高或者過低的水泥與某些外加劑產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)引起水泥中的石膏溶解度變化，使水泥礦物成分C3A水化速度加快，需水量增大，工作度損失也變快。這時(shí)加入可溶性Na2SO4,能提高其與外加劑的適應(yīng)性。
在實(shí)際生產(chǎn)中，混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失大的問題，主要出現(xiàn)在氣溫較高時(shí)段，一般通過采取對骨料澆水降溫的辦法，減少坍落度的損失�；蛘哌m當(dāng)調(diào)整外加劑配方可以緩解或克服，比如復(fù)合少量的保坍成份等。但外加劑對水泥初始塑化效果差的問題靠簡單的調(diào)整外加劑配方很難解決，混凝土生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)情況，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析查找原因，通過試驗(yàn)選取出相適宜的原材料，并對原材料廠家提出具體的質(zhì)量指標(biāo)，要求質(zhì)量穩(wěn)定，研配出合適的配合比以提高混凝土初始塑化效果。
三、混凝土對水泥的基本要求
1、質(zhì)量穩(wěn)定性
混凝土的以下要求需要水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性予以保證：
（1）混凝土生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性；
�。�2）混凝土的勻質(zhì)性；
（3）混凝土要求的特殊性能。
混凝土生產(chǎn)過程穩(wěn)定性是指混凝土連續(xù)生產(chǎn)的一定時(shí)期內(nèi)的質(zhì)量穩(wěn)定性，水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性是混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性的重要保證�；炷恋膭蛸|(zhì)性可以劃分為宏觀、細(xì)觀和微觀3個(gè)層次，其中混凝土的宏觀勻質(zhì)性與水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性相關(guān)，混凝土不泌水、不離析是宏觀勻質(zhì)性的主要內(nèi)容。某些時(shí)候混凝土有一些特殊性能的要求，也會(huì)對水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性提出要求。例如，對于清水飾面混凝土，水泥顏色的穩(wěn)定性就是一個(gè)十分重要的指標(biāo)，其重要程度甚至超過強(qiáng)度。為了滿足混凝土生產(chǎn)穩(wěn)定性和勻質(zhì)性的要求，所有與混凝土性能有關(guān)的水泥性能均應(yīng)該具有穩(wěn)定性的要求。
2、與高效減水劑具有良好的相容性
水泥與減水劑相容性的較大變化，將直接影響混凝土坍落度的大小。水泥與高效減水劑的相容性不好時(shí)，不僅會(huì)影響高效減水劑的減水率，更重要的是會(huì)造成混凝土嚴(yán)重的坍落度損失，影響混凝土的施工性能，如果是泵送混凝土則可能導(dǎo)致無法泵送；相容性突然變好，混凝土坍落度會(huì)明顯增大，可能出現(xiàn)泌水、離析。因此混凝土施工時(shí)要求水泥與高效減水劑要具有良好的相容性，特別是在低水膠比的高性能混凝土中，相容性問題就更加突出。從外加劑與水泥產(chǎn)生不相適應(yīng)問題的因素中可以發(fā)現(xiàn)：需水量大的水泥更容易出現(xiàn)與外加劑不相適應(yīng)的問題，所以使用中應(yīng)選擇需水量小、強(qiáng)度又較高的水泥更加重要。
3、合理的早期、后期和長期強(qiáng)度
水泥強(qiáng)度主要來自于早期強(qiáng)度（C3S）及后期強(qiáng)度（C2S），而且這些影響貫穿于混凝土中。用C3S含量較高的水泥來制作混凝土，其強(qiáng)度增長較快，但在后期可能以較低的強(qiáng)度而告終。而無論通過改變成分、養(yǎng)護(hù)條件或者利用外加劑而比較緩慢地水化，都可使水泥產(chǎn)生較高的最終強(qiáng)度。因此選用水泥時(shí)，應(yīng)考慮合理的早期、后期和長期強(qiáng)度。
4、較低的水化熱
水泥的水化熱簡單的說就是水泥水化過程中放出的熱量。水化熱與水泥礦物成分、細(xì)度、摻入的外加劑品種、數(shù)量、水泥品種及混合材料摻入量有關(guān)。水泥的水化熱主要在早期釋放，后期逐漸減少。
對于大型基礎(chǔ)、水壩、橋墩等大體積混凝土工程，由于水化熱積聚在內(nèi)部不易發(fā)散，使內(nèi)部溫度上升到50-60度以上，內(nèi)外溫度差引起的應(yīng)力使混凝土可能產(chǎn)生裂縫，因此水化熱對大體積混凝土工程是不利的。
5、較小的體積收縮
自身收縮是指混凝土中的水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，水化反應(yīng)產(chǎn)物的體積小于參加反應(yīng)的水泥漿體系的體積，而造成混凝土體積收縮�；炷恋淖陨硎湛s在混凝土內(nèi)部各向同性地發(fā)生，與外界溫濕度不相干。由混凝土的自身收縮引發(fā)的裂縫，叫自身收縮裂縫。水泥是混凝土的一個(gè)重要組成成分，水泥的物理化學(xué)性質(zhì)將直接影響到混凝土的收縮性。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥所拌制的水泥收縮性較高；普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥所拌制的混凝土收縮性較低。細(xì)度越細(xì)的水泥拌制的混凝土收縮量越大；水泥用量大的混凝土收縮量大；高標(biāo)號(hào)水泥所拌制的混凝土收縮量大。因此，混凝土施工時(shí)，要根據(jù)其收縮性要求來選用水泥。
6、適宜的堿含量
水泥中的堿主要由生產(chǎn)水泥的原料粘土和燃料煤引入。水泥中的堿一部分以硫酸鹽(K2SO4，Na2SO4，3K2SO4•Na2SO4，2CaS04•K2SO4)及碳酸鹽(K2CO3，Na2CO3)的形式存在，一部分則固溶在熟料礦物中，如KC23S12，NC23•S12，KC8A3，NC8A3。當(dāng)水泥加水后，硫酸鹽及碳酸鹽形式的堿很快溶入水中，固溶在熟料中的堿則隨著礦物水化的進(jìn)行而慢慢地溶入水中，同時(shí)溶入水中的堿又有部分被水化產(chǎn)物所吸收。高含堿量的水泥會(huì)生成抗裂性能差的凝膠，加重混凝土后期的干燥收縮，所以不論骨料是否有活性，都應(yīng)當(dāng)限制對水泥和混凝土中的含堿量。
四、滿足混凝土性能的水泥應(yīng)具有的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
混凝土所用水泥應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的流變性能以及與高效減水劑良好的相容性。因此，選擇水泥時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)按照其強(qiáng)度等級(jí)、水化熱、需水量、堿含量等指標(biāo)進(jìn)行評定，為確保其流動(dòng)性，所用水泥的流變性能更為重要，一般要求選用中熱硅酸鹽水泥，并宜選擇活性較高的，這樣其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較低，能使混凝土在較低水灰比例下具有良好的工作性，并可以降低水泥的水化熱，提高混凝土的體積穩(wěn)定性，減少溫度裂縫的產(chǎn)生機(jī)會(huì)。
五、結(jié)束語
由此可見，水泥需水性、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、同外加劑的適應(yīng)性對混凝土的成本、性能產(chǎn)生較大影響。在混凝土施工時(shí)就應(yīng)十分注意所用水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo),混凝土施工應(yīng)選擇需水性小、細(xì)度控制合理、凝結(jié)時(shí)間穩(wěn)定正常、同外加劑適應(yīng)良好的水泥作原料，以保證混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性與持久性�！�
參考文獻(xiàn):
[1]包先誠,馮云,趙云中.對預(yù)拌混凝土使用水泥的思考[J].混凝土,2007(1)
[2]胡如進(jìn).水泥水化熱對混凝土早期開裂的影響[J].水泥,2007(4)
