水泥特性对混凝土性能的影响

2006-05-09 00:00

水泥是混凝土最重要的组分之一，其物理和化学特性对混凝土性能具有重大的影响。现代混凝土，已不仅仅是水泥、砂石骨料和水的拌合物，还包括各种各样的矿物掺合料和化学外加剂。随着这些掺合料和外加剂的加入，混凝土的性能往往会变得更为复杂。一种特殊组分对新拌和硬化混凝土性能影响的预测也变得日益困难。矿物掺合料和化学外加剂的品种和百分比掺量，甚至其在配合比设计或搅拌程序的微小变化，都会对混凝土的性能产生影响，而这些微小变化往往又会掩盖由于水泥的特性而引起的变化。然而，波特兰水泥—一种在混凝土中产生反应最大的材料，对混凝土的最终性能，具有决定性的影响。因此，更深入地了解水泥特性对混凝土的潜在影响是至关重要的。最近，美国波特兰水泥协会的出版物对这一课题提供了极为有价值的信息和数据资料，这些信息和数据资料，无疑使那些使用水泥和混凝土的企业和个人倍感兴趣。为此，本文将对某些更广义的发展趋势，作重点阐述和介绍。

新一期PCA（波特兰水泥协会）出版物中的信息资料大致可分为两大部分，第一部分阐述了有关波特兰水泥生产商和用户所关心的波特兰水泥的物理和化学特性；第二部分则提供了有关水泥特性的任何微小变化，可能引起混凝土性能变化的有用信息资料。

过去五十多年来，美国市场上所供应的波特兰水泥特性的对比数据资料，向我们揭示了某些令人倍感兴趣的水泥发展趋势。作者对比了来自三项调查研究的数据资料，其一是，1995年由Gebhardt 所进行的调查数据（136家水泥厂的387种水泥）；其二是，1999年PCA所进行的调查数据（100家水泥厂的234种水泥）；其三是，由美国国家标准局（NIST）对上世纪五十年代以来的水泥和测试结果所进行的分析研究资料。来自对ASTM I至V型水泥前三项调查的统计数据汇总表显示，水泥组分的成分无实质的变化。这就表明，上世纪九十年代美国生产的水泥中，其主要的氧化物和潜在的混合料的成分几乎是相同的。

但是，如果把九十年代的水泥的数据资料和五十年代相比较，就会出现完全不同的情况了。从对比资料可以看出，虽然，硅酸钙的总量没有发生变化，但是，C₃S的含量增加了，而C₂S的含量下降了。举例来说，上世纪五十年代至九十年代期间，I型水泥中C₃S的含量从51%，增加到56%，而C₂S的含量从23%，下降到17%。此外，在同一期间，水泥的细度增加了，水泥中C₃S和碱的含量也增加了。直接对比九十年代和五十年代水泥砂浆立方体试块的抗压强度是不可能的，其原因是在此期间，试验程序（方法）发生了变化。但是，若把九十年代和五十年代水泥砂浆的强度曲线进行比较，显然，现代水泥7天强度的发展要快得多，其原因要归功于较高的C₃S含量及现代水泥更高的细度。众所周知，该变化是受到市场对早期脱模，缩短施工工期需求的支配。

根据Gonnerman 和 Lerch 对从1916年到1950年期间水泥特性的数据汇总资料，也能反映出某些令人倍感兴趣的水泥发展趋势。从两张资料汇总表可以观察到重大的变化发生在上世纪二十年代至四十年代。在此期间，C₃S含量从21%，增加到50%，而C₂S和C₃A的含量分别从48%和25%，下降到23%和17%。值得指出的是，现代水泥成分的这些变化和水泥细度的提高，有助于获得早高强。28天至十年龄期获得的采用水养护的混凝土强度的增加量基本保持不变，即为20MPa。根据百分比来看，强度增加的变化超过二十年代水泥的100%，也超过四十年代水泥的近40%。

如前所说，第二部分讨论的是，水泥特性发展的任何单一变化，就有可能使混凝土性能发生变化。对在新拌状态下混凝土性能（工作性、用水量、坍落度、流变性、凝结时间、秘水、外加剂的适用性和水化热）以及硬化状态下混凝土性能（抗压强度、收缩、运输性能和耐久性等）一系列的变化进行的探讨，最后，作者将其归纳为两张汇总表，经PCA认可，我们重新复制如下，供更广泛的交流。1表列出了水泥特性变化对混凝土性能产生的影响，表2列出了每一项水泥特性的重大变化对混凝土性能可能产生变化的发展趋势。在编制这些汇总表过程中，作者加入了这样一句警示性的注释语，即：“需着重指出：在编制这些汇总表时，我们假设仅一项所讨论的参数发生变化，而其他参数保持不变。…… 但是，在现实中，鉴于波特兰水泥体系的复杂性和相关性，这几乎是不可能的。……在参考这些汇总表时，应对可能产生的比其直接影响更大的相互干扰和间接影响，给予必要的关注。” 尽管如此，这些汇总表对于施工实践中的工程师仍然很有价值。它们能提供广泛的使用指导和水泥的发展趋势。虽然，美国ASTM型的水泥和印度水泥之间，在混合成分的数量范围方面，存在一定的差异性。但是，本汇总表仍能对印度具有普遍的指导作用，特别是对那些还没有同类性质数据资料的印度水泥也具有借鉴作用。

表1 水泥特性变化对混凝土性能的影响

混凝土性能

增加C₃S(降低C₂S)

增加C₃A(降低C₄AF)

增加碱含量

增加硫酸盐含量

增加微量元素组分

提高细度

提高颗粒尺寸分布的斜度

外加剂不适应性

改变C₃S可能会导致外加剂不适应性

改变C₃A可能会导致外加剂不适应性

改变碱含量可能会导致外加剂不适应性

改变硫酸盐含量可能会导致外加剂不适应性

改变微量组分含量可能会导致外加剂不适应性

—

—

含气量

—

—

增加

—

—

减少

—

秘水

—

减少

减少

—

—

减少

—

秘水

—

减少

减少

—

—

减少

—

氧化物结合

—

增加

—

—

—

—

—

氧化物渗透

—

下降

—

—

—

—

—

水化热

增加

增加

增加

—

—

增加

—

与SCM反应

增加

—

增加

—

—

—

—

ASR风险

—

—

增加

—

—

—

—

凝结时间

缩短

缩短，可能产生闪凝

变化

—

增加（若多加F和P₂O₅）

缩短

缩短

收缩

—

—

下降

下降

—

增加

—

坍落度损失

—

—

增加

下降

—

增加

—

强度

增加

增加

早期增加，后期下降

—

—

增加

增加

抗硫酸盐

—

下降

—

—

—

—

—

用水量

—

增加

增加

增加

—

　

增加

工作性

—

下降

下降

—

—

增加

—

注： ASR-碱硅反应， SCM-辅助胶凝材料

表2 水泥特性变化对混凝土性能的影响

水泥性能变化

假定仅一项组分发生变化,而其他组分不变,的条件下,对混凝土性能的影响

碱含量(增加)熟料中硫酸盐含量(增加)

假定使用某一定剂量的引气剂，使混凝土含气量增加;

与另一种外加剂相互作用,使混凝土性能产生变化;

水泥凝结时间（增加）

早期强度增加,后期强度下降;

碱骨料反应风险增加(与活性骨料);

在, 某些条件下,增加裂缝之风险;

对辅助胶凝材料增加了活性;

增加水化热的升温速度。

C₃A含量（增加）C₄AF含量（下降）

工作性将下降；

可能产生闪凝；

产生热的速度会增加；

早期强度会增加，后期强度不受影响；

水泥颜色将变淡

抗硫酸盐性能变弱，（在硫酸盐环境下）；

延迟性钙矾石反应之风险会增加（在适当环境下）；

可能产生氯化物结合。

C₃S含量（增加）C₂S含量（下降）

工作性不受影响；

初凝时间会稍有缩短；

产生热量的速度会增加；

早期强度会增加，后期强度可能受到的影响取决于C3S和C2S相应的百分比含量趋向；

可能增加胶凝材料的用量。

水泥砂浆强度（增加）

混凝土强度会增加（早期强度的相关性一般，后期强度的相关性较差）。

水泥凝结时间（增加）

混凝土的凝结时间会增加（相关性较差）。

水泥中硫酸盐含量（石膏与半水化合物之比）

闪凝之风险会增加，强度也会变化，取决于水泥的最佳硫酸盐含量，及强度试验时混凝土的龄期。

细度（增加）

工作性下降，用水量增加；

在一定的引气剂剂量下，含气量会下降；

凝结时间缩短；

产生热量的速度会增加；

早期强度会增加，后期强度不受影响；

收缩会增加；

游离氧化钙含量（增加）

由于不安定性增加，会产生膨胀之风险。

镁含量（增加）

由于不安定性增加，会产生膨胀之风险。

微量元素组分的变化

微量元素组分含量的变化，不可能导致混凝土性的重大变化，但众所周知，F和P₂O₅的变化，会增加凝结时间；

可能会有例外，可向专家获取合理的咨询指导。

颗粒尺寸分布（斜度更大的曲线）

用水量增加；

早期强度增加；

孔隙率会增加；

凝结时间缩短。

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表1 水泥特性变化对混凝土性能的影响
混凝土性能	增加C₃S(降低C₂S)	增加C₃A(降低C₄AF)	增加碱含量	增加硫酸盐含量	增加微量元素组分	提高细度	提高颗粒尺寸分布的斜度
外加剂不适应性	改变C₃S可能会导致外加剂不适应性	改变C₃A可能会导致外加剂不适应性	改变碱含量可能会导致外加剂不适应性	改变硫酸盐含量可能会导致外加剂不适应性	改变微量组分含量可能会导致外加剂不适应性	—	—
含气量	—	—	增加	—	—	减少	—
秘水	—	减少	减少	—	—	减少	—
秘水	—	减少	减少	—	—	减少	—
氧化物结合	—	增加	—	—	—	—	—
氧化物渗透	—	下降	—	—	—	—	—
水化热	增加	增加	增加	—	—	增加	—
与SCM反应	增加	—	增加	—	—	—	—
ASR风险	—	—	增加	—	—	—	—
凝结时间	缩短	缩短，可能产生闪凝	变化	—	增加（若多加F和P₂O₅）	缩短	缩短
收缩	—	—	下降	下降	—	增加	—
坍落度损失	—	—	增加	下降	—	增加	—
强度	增加	增加	早期增加，后期下降	—	—	增加	增加
抗硫酸盐	—	下降	—	—	—	—	—
用水量	—	增加	增加	增加	—		增加
工作性	—	下降	下降	—	—	增加	—
注： ASR-碱硅反应， SCM-辅助胶凝材料

表2 水泥特性变化对混凝土性能的影响
水泥性能变化	假定仅一项组分发生变化,而其他组分不变,的条件下,对混凝土性能的影响
碱含量(增加)熟料中硫酸盐含量(增加)	假定使用某一定剂量的引气剂，使混凝土含气量增加;
碱含量(增加)熟料中硫酸盐含量(增加)	与另一种外加剂相互作用,使混凝土性能产生变化;
水泥凝结时间（增加）	早期强度增加,后期强度下降;
	碱骨料反应风险增加(与活性骨料);
	在, 某些条件下,增加裂缝之风险;
	对辅助胶凝材料增加了活性;
	增加水化热的升温速度。
C₃A含量（增加）C₄AF含量（下降）	工作性将下降；
	可能产生闪凝；
	产生热的速度会增加；
	早期强度会增加，后期强度不受影响；
	水泥颜色将变淡
	抗硫酸盐性能变弱，（在硫酸盐环境下）；
	延迟性钙矾石反应之风险会增加（在适当环境下）；
	可能产生氯化物结合。
C₃S含量（增加）C₂S含量（下降）	工作性不受影响；
	初凝时间会稍有缩短；
	产生热量的速度会增加；
	早期强度会增加，后期强度可能受到的影响取决于C3S和C2S相应的百分比含量趋向；
	可能增加胶凝材料的用量。
水泥砂浆强度（增加）	混凝土强度会增加（早期强度的相关性一般，后期强度的相关性较差）。
水泥凝结时间（增加）	混凝土的凝结时间会增加（相关性较差）。
水泥中硫酸盐含量（石膏与半水化合物之比）	闪凝之风险会增加，强度也会变化，取决于水泥的最佳硫酸盐含量，及强度试验时混凝土的龄期。
细度（增加）	工作性下降，用水量增加；
	在一定的引气剂剂量下，含气量会下降；
	凝结时间缩短；
	产生热量的速度会增加；
	早期强度会增加，后期强度不受影响；
	收缩会增加；
游离氧化钙含量（增加）	由于不安定性增加，会产生膨胀之风险。
镁含量（增加）	由于不安定性增加，会产生膨胀之风险。
微量元素组分的变化	微量元素组分含量的变化，不可能导致混凝土性的重大变化，但众所周知，F和P₂O₅的变化，会增加凝结时间；
微量元素组分的变化	可能会有例外，可向专家获取合理的咨询指导。
颗粒尺寸分布（斜度更大的曲线）	用水量增加；
	早期强度增加；
	孔隙率会增加；
	凝结时间缩短。