水泥高品质化的技术措施

  随着我国水泥生产技术的发展，水泥强度较以前有了大幅度的提高，因此，有人认为我国应生产高强度等级水泥，将 32.5 水泥、特别是复合 32.5 水泥归为低档次水泥，甚至有人将我国建筑物“短命”的原因归咎于 32.5 水泥。那么，什么是高品质水泥，本文进行了探讨，仅供参考。

  1 高品质水泥的特征

  1.1 高品质水泥的先决条件

  所谓高品质水泥，是与混凝土技术的发展和混凝土的使用条件密切相关的。一方面，水泥的高品质是随着混凝土技术的发展而变化的。 在没有大量使用减水剂之前，由于混凝土的强度主要取决于水泥的强度，因此，高强成为了那个时代水泥高品质的代名词。 但随着混凝土技术的发展，大量外加剂的使用，使现代混凝土能够在较低的水胶比下生产，混凝土强度不再依赖水泥强度，因此以强度论英雄的年代已经过去， 甚至在某些情况下，高强反而成了水泥的缺点。另一方面，水泥的高品质，应是对于某一使用条件和要求而言，而不是泛指。 离开了使用条件和要求，无所谓高品质，甚至南辕北辙：如用 P·Ⅰ水泥进行海洋工程或大体积混凝土建设、将 P·S 水泥用于冻融环境的混凝土建设等。

  1.2 现代高品质水泥的特征

  适应现代混凝土技术特点的水泥就是高品质水泥。而现代混凝土技术的特点除了集中生产外，主要是较低的水胶比制备及较大的坍落度需求。 较低的水胶比决定了现代混凝土的强度不再依赖水泥的强度，因此水泥不必追求高强，老规范中“水泥强度应是混凝土强度的 1.5~2 倍”的规定已成历史，现今的 32.5级水泥能配制 C60 混凝土已是事实。同时，较低的水胶比能够使掺合料的作用得以发挥，使其成为胶凝材料的一部分。

  但要实现混凝土较低水胶比制备和较大坍落度需求则造成混凝土较大的水泥用量。 较大的水泥用量，势必造成混凝土的内部较高温升，导致混凝土的温差开裂。有资料显示，混凝土的热膨胀系数一般在0.01mm/(m·℃)。目前，在我国混凝土开裂成为一项质量通病，甚至影响工程的验收。这些裂缝影响结构物的使用功能和结构的整体性及刚度，而且还会引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响结构物的承载能力。为了降低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, 矿物掺合料在现代混凝土中大量使用, 而且有加大掺量的趋势。因此，在目前中国还以 C30 混凝土为主的情况下以及现代混凝土技术条件下，高品质水泥主要包括以下特征：

  1）含有一定量的混合材料；

  2）具有良好的工作性，主要表现为高流动性和抗离析性;

  3）不刻意追求高强，但具有较低的 1d 强度和持续增长的后期强度；

  4）具有较低的早期水化放热；

  5）具有良好的抗裂性；

  6）满足特定混凝土耐久性的要求，如抗冻融、抗侵蚀等。其中的第 1）～5）项为高品质水泥的基本特征，而第 6）项为满足特定使用条件下对水泥品质的需求。

  2.水泥高品质化的技术措施

  水泥的高品质化，就是通过一些技术措施，克服水泥在某些性能方面的缺陷，使之能够满足混凝土设计和生产的需求。 如何使水泥高品质化，笔者结合所做的工作和文献资料，简述如下。

  2.1 调整熟料的矿物组成

  水泥熟料是生产水泥的基础材料。从不同的要求出发，水泥熟料应具有不同的矿物组成。

  从与减水剂相容性来看，C3A 吸附减水剂的能力最强， 其次是 C4AF， C3S 与 C2S 对减水剂的吸附较少，应减少 C3A 和 C4AF 的含量。 从开裂性来看，随着C3S 含量增加，水泥的抗压强度比抗折强度更快地增长，水泥的脆性增大，抗裂性变差。 从水化放热来看，C3A、C4AF 的水化热最高。 从干燥收缩来看，C3A 的收缩是其他矿物的 3～6 倍。 而对于这些性能影响最小的是 C2S。

  因此，为改善水泥的性能，应减少 C3A 和 C3S 的量，提高 C2S 的量。 但如此一来，水泥的强度无法发挥，同时也造成熟料的烧成困难等问题。 而根据研究和实践，降低熟料中的 C3A 含量，对改善水泥与减水剂的相容性作用有限。 文柏贞利用高温煅烧、快烧以及快冷等手段，制备了 C3A 含量在 1.95%～9.85%之间波动、C3A+C4AF 含 量 在 16.08%～19.98%之 间 波 动 的熟料，而用此熟料制成水泥的净浆流动度并没有大的变化。

  根据笔者的试验研究并结合文献资料，建议在熟料煅烧装备、工艺、原材料确定下来后，不要轻易改变熟料的率值去满足水泥某些性能的需求，这样做的成本极高、且效果不一定能达到。 同时，改变熟料的矿物组成只是改善水泥性能的途径之一，还有其他更为经济有效的方法，即硫酸盐饱和程度的控制。 控制此参数，不用改变熟料的配料、烧成制度，只需控制进厂原燃料的成分即可，简便易行。

  硫酸盐饱和程度 SD=SO₃/（1.292Na2O+0.85K2O）。在熟料煅烧过程中, 碱首先与氯化合成氯化碱, 氯化碱大部分在窑的高温带挥发进入气相, 少量随熟料一起出窑。 其次碱与 SO3 化合成硫酸碱。 当 SO₃ 数量相对于碱不足时, 有部分碱固溶于熟料矿物中, 主要是进入 C3A； 当有足够的 SO3 时碱很少存在于 C3A 中。含有碱的 C3A 具有更高的活性, 对水泥与减水剂相容性更加不利。 因此控制熟料的硫碱比可以控制碱在熟料中的存在形式, 从而影响水泥与减水剂的相容性。因此，有资料建议 SD 的最佳值为 0.4～0.6。

  2.2 控制熟料的烧成温度及烧成速度

  根据研究，高温烧成的熟料与低温烧成的熟料表现出的性能不同。高温快烧的熟料硅酸盐矿物固溶较多其他组分， 如 C3S 固溶 Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO 等形成 A矿，这增加了 A 矿的含量及内能，提高了水化活性，并使 C3A 与 C4AF 含量减少， 其固溶量随温度的升高及烧成速度的加快而增大，故高温快烧的熟料 A 矿发育良好、尺寸适中、边棱清晰，水泥强度较高，与外加剂相容性好。

  2.3 加强熟料的冷却

  熟料在较高温度阶段的快速冷却有利于 A 矿保持细小并发育完整的晶型，减少 C2S 粉化, 硅酸盐矿物活性较高，溶剂矿物多以玻璃体存在，大量减少C3A 和 C4AF 的析晶。 因而对于快冷熟料， 即使 C3A含量较高，由于大部分以玻璃体存在，所磨制的水泥仍与外加剂相容性好、凝结时间正常、强度较高。

  2.4 选择适宜的石膏种类

  在水泥用缓凝剂石膏中， 我国在 1999 版的六大水泥标准中规定的石膏为二水石膏或硬石膏。 在减水剂大量使用之后，由于硬石膏在使用木钙、糖钙减水剂时强烈吸附磺酸盐，降低了硬石膏的 SO42-溶出，极易造成急凝现象。 因此，在 GB175—2007《通用硅酸盐水泥》标准中，将其取消，代之以混合石膏，不鼓励单独使用硬石膏。文献主张按我国的国情, 一般不宜使用半水石膏， 相反, 根据熟料情况掺适量的天然硬石膏是有利的。

  2.5 适当提高水泥中的石膏掺量

  普遍来说, 目前我国水泥中的 SO3 含量偏低, 基本在 2%左右。 而适当提高水泥中 SO3 含量有利于提高水泥与减水剂相容性。 张大康曾将某厂水泥中SO3 控制目标值从 2.0%提高到 2.8% , 按 GB/T 8077—2000 检验的水泥净浆流动度由 165mm 增 加 到187mm, 水泥与减水剂相容性明显改善。

  2.6 控制出磨水泥温度

  当二水石膏部分脱水形成 α-半水石膏、β-半水石膏、甚至可溶性无水石膏后，其溶解度比二水石膏提高了 3～4 倍。 因此，二水石膏的半水化利于改善水泥砂浆的流动度、改善水泥与减水剂相容性。使用二水石膏, 在水泥粉磨过程中控制磨内水泥的温度( 实际上可以方便测量的是出磨水泥的温度) ,可以控制半水石膏和硬石膏的数量。 水泥的粉磨温度主要与入磨熟料温度、 磨机通风量和磨机的大小有关, 最有效的控制粉磨温度的措施是在磨内喷水( 以喷水量的多少来控制) 。因此，张大康建议水泥的出磨温度控制在 120～125℃， 以保证水泥中存在一定量的 α-半水石膏、β-半水石膏、可溶性无水石膏，改善水泥与减水剂的相容性。

  2.7 合理选用混合材料

  根据前面的介绍，水泥中利用混合材料，可以改善水泥的某些性能，但不同混合材料对水泥的性能影响也不同，因此，应根据用户对水泥性能的需求，合理选用不同的混合材料进行性能调整。 如在使用性能上，矿渣可以大幅度改善水泥浆体的流变性能，而火山灰材料则能提高水泥浆体的塑性黏度从而提高浆体的稳定性；而在力学性能上，活性混合材料能提供强劲的后期强度增长，利于水泥混凝土的耐久性。同时，充分利用混合材料的不同易磨性，通过选择性粉磨实现水泥组成的合理分布。 合理的混合材料组合，即水泥组分中既有坚硬难磨的材料，又有软性易磨材料，避免熟料被微粉化，从而改善水泥的性能。

  2.8 优化水泥的颗粒分布和组成

  水泥颗粒堆积越紧密，在一定的用水量下，游离水就相应的增多，流动性能增加，需要的减水剂用量就相应减少，水泥与减水剂的相容性就好，反之则变差。对于合理的水泥颗粒分布，乔龄山介绍了早期和现代对水泥最佳颗粒分布的认识，同时着重介绍了最佳堆积密度的理想筛析曲线—Fuller 曲线。 在德国水泥协会发表的专题研究报告中就将其用作水泥颗粒分布的理想筛析曲线，并依此对水泥、砂浆及混凝土进行评价。 该筛析曲线具有较宽的颗粒分布，以及较多的微粉和粗颗粒，适用于大掺量、多品种混合材料的水泥。

  2.9 控制水泥强度的发展

  高强是世界水泥工业发展的潮流, 因为生产同一等级的混凝土高强度等级的水泥用量少。 早强有利于缩短混凝土施工周期, 加快模板周转从而加快建设速度。但早期强度太高则水泥水化快, 水化热集中于早期释放, 易产生较大的温度应变而出现裂缝, 对耐久性不利。因此应对水泥的 1d 强度适当进行控制。其控制依据是混凝土 12h 的强度为 3～6MPa, 只要 12h 强度超过 6MPa, 就用更多粉煤灰取代水泥(德国要求) ,或1d 强度不大于 12MPa。

  2.10 控制水泥中的碱含量

  过多的碱使水泥快凝, 标准稠度用水量增大, 虽然能提高 1d、3d 强度, 但降低 28d 强度。 它还能与活性集料起碱集料反应, 引起混凝土开裂。这些大家都很熟悉, 但对碱使混凝土干燥收缩大和易开裂的影响认识不足。碱是影响混凝土抗裂性能的最重要因素。 碱不但增大混凝土的收缩率, 即使水泥的水化速率和自由收缩值相同, 碱也使混凝土的抗裂性能明显下降。 低碱水泥有良好的抗开裂性能, 特别是当碱当量低于 0.6%时,抗裂性大幅度提高。据乔 龄山报道，德国“道路建筑通函”18/1998(ARS18/1998)规定, 用于高速公路的混凝土路面的水泥“总碱含量[w(Na₂O)+0.658w(K₂O)]≤0.84%”, “最近又将使用 CEMⅠ和 CEMⅡ/A 类水泥时的总碱含量[w(Na₂O)+0.658 w(K₂O)]降为≤0.80%”。