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美欧四个通用水泥标准简介与特点

2016/12/23 丁美荣 水泥标准水泥特点 评论0 2

所有国际标准都是推荐性,随着世界各国“采标”步伐的加快,绝大多数国家水泥产品标准趋向一致。深入了解先进国家水泥标准情况,掌握国际先进标准发展方向,消除“人云亦云,以讹传讹”带来的危害,对于我国制修订科学合理的水泥标准与调整水泥级别设置有重大意义。......

  1 美国通用水泥标准ASTM C1157-2011《水泥标准性能规范》

  ASTM C1157 Standard Performance Specification for Hydraulic Cement《水泥标准性能规范》覆盖了所有通用硅酸盐水泥,也包含了美国另外二个通用水泥标准即ASTMC150、ASTMC595中所有水泥品种。ASTM C1157将通用硅酸盐水泥分为GU型(普通型)、HE型(早强型)、MS型(中抗硫酸盐型)、HS型(高抗硫酸盐型)、MH型(中热型)和LH型(低热型)。

  ASTM C1157对水泥组分、化学指标、矿物组成和细度没有任何要求及限制,只规定了传统标准要求的物理力学性能,包括安定性、凝结时间、引气量、抗压强度、水化热指标,以及选择性指标-早期凝固性能和干燥收缩率、碱-骨料反应活性的指标,增设了耐久性指标,其技术性能要求见表1。

  ASTM C1157只有普通型(GU)、高抗硫酸盐型(HS)、低热型(LH型)规定了28天强度指标,分别仅为28MPa、25MPa和21MPa,其它三品种即早强型(HE型)、中热型(MH)、中抗硫型(HS),则只规定1天或3天、7天强度,没有规定28天强度要求,且使用0.5的水胶比。

  ASTM C1157仅对水泥“性能”进行规范和要求,非常“直接”和“简洁”。一张表就“简洁”列明了所有通用水泥性能要求,“直接”则体现在“不用间接指标体现性能”,而是直接测试水泥的相关性能指标。

  例如,传统水泥标准依靠限制水泥的C 3 A含量,保证水泥的抗硫酸盐性能;C1157则采用水泥砂浆试件浸泡在硫酸盐溶液(ASTM C1202方法),直接试验评价水泥的抗硫酸盐性能。又如,传统上使用低碱水泥(当量Na2O含量低于0.6%)防止混凝土发生碱-骨料反应;C1157则通过试验测试水泥与高碱活性骨料一起的反应活性(ASTM C227方法),直接评价水泥抑制碱-骨料反应的性能。测试水泥的化学成分或矿物指标虽然简单快速,但对于有混合材的水泥产品,化学指标实际上不能正确反映水泥的耐久性能,直接的性能试验测试则更准确和有效。此外,C1157规定水泥包装和质保书上要标明水泥的所有组分,保证用户的知情权,也利于评定水泥和工程结构的“绿色化”程度。

  ASTM C1157是美国三个通用水泥产品标准中影响最大及应用面最广的,代表了国际通用水泥产品标准的发展方向,已在北美广泛接受和采用,越来越多的国家将借鉴釆用。

  2 美国水泥标准ASTM C150 、ASTM C595简介

  ASTM C150《波特兰水泥标准规范》(简译称《波特兰水泥》)系美国三个通用水泥产品标准其中一个,仅针对混合材掺量<5%的硅酸盐水泥,相当于将我国标准其中的P.Ⅰ、P.Ⅱ两个硅酸盐水泥品种单列成一个标准。ASTM C150 规定:其由粉末状硅酸盐水泥熟料、水、 硫酸钙类物质、石灰石(≤5%)和外加剂混合而成,即可以掺加≤5%的石灰石。根据使用范围将硅酸盐水泥细分为I型(普通和引气)、Ⅱ型(中抗硫、 中抗硫引气、中抗硫中热和中抗硫中热引气)、Ⅲ型(高早强和高早强引气)、Ⅳ型(低热)和Ⅴ型(高抗硫)五种类型。

  硅酸盐水泥化学指标包括不溶物、烧失量、三氧化硫、氧化镁、氯离子和碱含量等。我国与欧美标准对于化学指标规定大致一样,对于不溶物和烧失量指标,C150与GB175 P.Ⅰ、P.Ⅱ要求相似,C150没有规定氯离子指标,要求氧化镁指标≤6.0%。C150根据不同类型的水泥规定了不同的三氧化硫指标:Ⅰ型和Ⅱ型要求≤3.0%,Ⅲ型要求≤3.5%,Ⅳ和Ⅴ型要求≤2.3%;C150规定,在满足三氧化硫和烧失量要求时,硫酸钙质调凝材料可以以二水石膏、半水石膏和硬石膏的任意形式和任意比例加入。

  ASTM C150物理指标,初凝时间要求与GB175 P.Ⅰ、P.Ⅱ相似,但终凝时间要求比GB175 规定早 15min。 考虑到美国检验方法标准稠度用水量少于我国标准,所以实物水泥凝结时间的差异并不大。对于比表面积,美国标准规定≥260m2/kg,同时要求Ⅱ(MH)、Ⅱ(MH)A和Ⅳ三种类型水泥的比表面积≤430m2/kg;美国标准则根据水泥品种规定其龄期和强度指标,其中龄期主要分为1d、3d、7d 和 28d,C150根据水泥品种和类型取其中的两到四个龄期。

  美国三个通用水泥产品标准之一的ASTMC595《混合水泥标准规范》(简译称《混合水泥》),则针对混合材掺量>5%的硅酸盐水泥, 相当于将我国标准的除P.Ⅰ、P.Ⅱ之外的所有通用硅酸盐水泥品种归类成为一个水泥产品标准。美国 ASTM C595规定:由矿渣和火山灰质材料与硅酸盐水泥或熟料混合而成的胶凝性材料为掺有混合材的硅酸盐水泥,依据单掺或复合掺加混合材,分为二元和三元硅酸盐水泥(相当于我国的复合水泥),其中二元水泥分为硅酸盐矿渣水泥和硅酸盐火山灰水泥。

  ASTM C595中规定二元硅酸盐高炉矿渣水泥、 三元混合水泥(火山灰掺量低于矿渣掺量并低于 70%或矿渣掺量大于 70%)和矿渣水泥的不溶物含量低于1.0%;C595对所有混合水泥烧失量指标都进行了规定;对于三氧化硫指标,C595分别要求了三氧化硫和硫化物两种硫含量,根据不同的混合材种类和掺量,规定各不相同。对于氧化镁指标, C595仅对二元硅酸盐火山灰水泥和三元水泥(火山灰掺量大于矿渣掺量)规定≤6.0%,C595对于氯离子指标没有要求。

  ASTM C595物理指标, 我国标准除普通硅酸盐水泥用比表面积指标外,其余的只要满足80μm 筛余≤10%或 45μm 筛余≤30%的任一条即可;美国标准要求测定45μm 筛余,但无指标要求,需要在检验报告中说明;C595与GB175对于凝结时间的规定基本一致。美国标准规定水泥样品取样后,5d 内完成各龄期强度成型试验;我国和欧洲标准体系中对检验时间没有要求。

  对于强度及龄期,ASTM C595规则与C150不完全相同,C595根据类型、品种以及混合材掺量的不同规定不同龄期及抗压强度指标,龄期主要有 3d、7d 和28d 或其中的两个。ASTM C595规定的强度指标,除IS(≥70)(二元水泥)、IT(≥70)(三元水泥)两个品种规定3d、28d抗压强度指标分别为5 MPa和11 Mpa外,对其它所有类型混合水泥品种规定的28天抗压强度要求是不低于25MPa。

  3 欧洲EN 197-1 《通用水泥的组成、规格要求和合格评定准则》

  现行欧洲水泥产品标准主要是 EN 197-1:2011, 有中文资料又翻译成《通用波特兰水泥》,EN197-1《通用水泥的组成、规格要求和合格评定准则》分32.5、42.5、52.5三个等级,没有62.5等级。

  将通用水泥分为5类:波特兰水泥(CEMⅠ)、波特兰复合水泥(CEMⅡ)、矿渣水泥(CEMⅢ)、火山灰水泥(CEMⅣ)、复合水泥(CEMⅤ)。根据混合材料种类和掺量将水泥品种划分得很细,共 27 种通用水泥,<5%混合材掺量的只有一个品种即 CEM I型,允许加入≤5%的辅助混合材(矿渣、火山灰、粉煤灰、烧页岩、硅灰、窑灰和石灰石),主要用于调整水泥的物理性能。

  欧洲标准EN 197-1规定掺有 >5% 混合材的硅酸盐水泥品种有26个,根据混合材的种类和掺量,分为Ⅱ~Ⅴ 型,其中Ⅱ型有:硅酸盐矿渣水泥、硅酸盐硅灰水泥、硅酸盐火山灰水泥、硅酸盐粉煤灰水泥、硅酸盐烧页岩水泥、硅酸盐石灰石水泥和硅酸盐复合水泥;Ⅲ 型为矿渣水泥; Ⅳ 型为火山灰水泥; Ⅴ 型为复合水泥。混合材涵盖为矿渣、硅灰、粉煤灰、火山灰、烧页岩、石灰石等,混合材最高掺量分别为95%(矿渣矿渣)、55%(火山灰) 、35%(粉煤灰、石灰石、烧页岩)、10%(硅灰)。欧洲通用水泥 CEMⅡ类中,混合材料掺量 6%~20%的 9 种水泥大体上相当于我国的普通水泥。CEMⅡ类中混合材料掺量 21%~35%的 8 种水泥,同我国的矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥中实际混合材料掺加量大体一致。

  欧洲EN197-1通用水泥标准中CEMⅢ、CEMⅣ、CEMⅤ(复合水泥)三类水泥主要是混合材料单掺和复合掺加量较多的水泥(如大于36%)。欧洲标准对于掺两种及以上混合材的复合硅酸盐水泥有三种:一种在 CEMⅡ型水泥中,混合材掺量在 21%~35% ;第二种在CEMⅣ 型水泥中, 混合材掺量在 11%~55%;第三种为 CEM Ⅴ 型水泥,混合材掺量在 36%~80%,只有在掺矿渣的情况下才可以掺加硅质粉煤灰、火山灰质材料。

  欧洲标准EN197-1分为早期强度( 2d 或 7d )和标准强度( 28d ),除 32.5 等级设置为7 天、28 天,其余等级均为 2 天、28 天,也未有“普通硅酸盐水泥”这一名称。EN197-1不仅对不同强度等级水泥的 28d 强度下限提出要求,而且对其上限也进行了规定。EN197-1要求混合材特性标识清晰:火山灰质材料分为自然和人工两类,粉煤灰分为钙质和硅质两类,石灰石按有机碳含量分为两类。掺有不同混合材水泥出厂时,需要在符号中明示。

  我国与欧洲标准对于化学指标项目规定大致一样,EN 197-1对CEM I型(混合材掺量≤5%)不溶物和烧失量要求较宽松,为≤5.0%,氯离子指标规定≤0.10%,氧化镁要求≤6.0%。

  EN197-1对掺有 >5%混合材的硅酸盐水泥即其它有26个品种化学指标要求,不溶物、烧失量指标仅对矿渣水泥限制≤5.0%;根据不同的强度等级对于三氧化硫指标规定了不同的指标;氯离子规定≤0.10%,氧化镁指标没有要求。

  EN197-1则根据不同的强度类型(标准强度和早期强度)规定了不同的指标。对掺有>5% 混合材的硅酸盐水泥,根据水泥的强度等级规定的强度指标、凝结时间与 CEMⅠ型一致。EN197-1对细度、比表面积没有指标要求。对初凝时间要求:32.5 等级水泥≥75min,42.5 等级水泥≥60min,52.5 等级水泥≥45min,对终凝时间没有要求。

  4 欧美通用水泥产品标准特点与分析

  根据以上介绍与简要对比,就很好理解美国三大水泥标准为什么没有划分水泥等级。实际上,ASTMC150仅是美国水泥三大标准之一,ASTMC150 仅将混合材掺量<5%的硅酸盐水泥或者说单掺<5%石灰石42.5、52.5通用硅酸盐水泥单列成一个标准。因为限制了混合材掺量<5%,故基本确定了强度等级为42.5及以上级别。可根据用户要求,通过调整比表面积、石灰石掺量生产销售相应强度等级或要求的产品。ASTM C595除IS(≥70)、IT(≥70)两个品种规定3d、28d抗压强度指标分别为5 MPa和11 Mpa外(类似我国的砌筑水泥),对其它所有类型混合水泥品种规定的28天抗压强度最高要求是不低于25Mpa,其化学、物理性能基本与我国32.5水泥的要求相近。可根据用户要求,通过调整细度、混合材掺量及种类生产销售相应强度等级或要求的产品。

  ASTM C 1157-11、ASTMC595则针对用于直接配制混凝土及掺加混合材的所有通用水泥品种,也就更好理解美国标准对水泥28天强度指标要求相对较低、较松。其中 LH型7 、28天强度指标分别为11、21 MPa,由于美国检验方法标准与中欧采用的ISO法有所区别,有关权威专家换算分别约相当于我国检测方法强度值14.8、28.5MPa。

  美国水泥产品标准这样宽松而实事求是的要求,为大掺量应用混合材、改善混凝土后期性能及耐久性提供了很大的余地,为供需双方提供了较大的自由度。ASTM C 1157直接而简洁地体现了水泥标准的本质和功能,较好地克服了标准滞后性的缺点,能够开放性地包容材料和技术发展。更体现了标准的科学性、适用性、公平的原则,为水泥企业生产销售直接配制混凝土的专用水泥提供了依据和技术条件,更有利于确保工程质量。欧洲标准复合水泥中混合材掺量允许最高达80%, ASTMC595《混合水泥》中规定三元水泥允许混合材掺量最高95%,而我国标准规定混合材掺量 >20% 且≤50%,严于欧美标准要求。

  我国水泥标准系参照采用ISO及欧洲标淮修订的,GB/T17671《水泥胶砂强度检验方法》是根据ISO679《水泥试验方法-强度测定》制定的,主要内容完全一致。GB175《通用硅酸盐水泥》与欧洲水泥标准 EN197-1《通用波特兰水泥》非常相似,GB175与EN197-1一致性程度为非等效,相当于目前国家标委会要求的“等同或修改”两种采用国际标准形式的其中一种“修改采用”。欧美水泥标准均没有所谓62.5 水泥,仅我国标准有62.5等级,但可以说完全没有生产应用,欧美标准对水泥的抗折强度均没有要求。

  欧美中三国通用水泥均属硅酸盐水泥即波特兰水泥系列,刘晨等“我国水泥产品标准与欧美标准的对比分析”结论:“从目前各国标准现状来看,欧美标准和我国标准从材料组成、物理性能和化学指标等项目都比较接近,这为下一步实现统一奠定了良好基础” 。

  所有国际标准都是推荐性,随着世界各国“采标”步伐的加快,绝大多数国家水泥产品标准趋向一致。深入了解先进国家水泥标准情况,掌握国际先进标准发展方向,消除“人云亦云,以讹传讹”带来的危害,对于我国制修订科学合理的水泥标准与调整水泥级别设置有重大意义。

  参考文献:

  [1]王旭方,颜小波,刘 晨等.我国水泥产品标准与欧美标准的对比分析 [J].水泥,2014 ( 11 )

  [2]赵 筠,廉慧珍.水泥标准应有利于充分利用矿物掺和料--水泥性能标准 ASTM C1157 的启示 [J]. 混凝土世界,2014( 2 ):45-54.

(责任编辑:刘群)

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