对如何提高我国通用水泥质量的探讨(一)

　　近几年，我国水泥实物质量引起了许多方面的关注，议论较多的是水泥强度采用ISO检验方法和实施新产品标准后对强度的影响，由此提出了提高水泥质量的要求，其实这仅是一个方面，即使不修改标准我国水泥质量也应该提高，单靠修改标准也还不够，尤其应用技术性能方面还须格外重视。本文意想结合国外尤其是德国水泥与混凝土技术的发展现状和经验，谈一下我国水泥质量存在的主要问题和进一步提高的途径。

1　国际水泥与混凝土产品的新进展

　　90年代，国际混凝土技术有了很大发展，开发和应用了高强混凝土、高性能混凝土、高耐磨混凝土、自密实和高强自密实混凝土以及纺织物混凝土等等，图1所示为混凝土品种的发展进程。最近出现的高强度自密实混凝土，或称活性微细粉混凝土，抗压强度很容易达到和超过200MPa，水灰比在0.15～0.20之间，若通过热处理和采用其它外加剂等措施，抗压强度可以达到800MPa。今后更加要求混凝土表面不出现裂纹，密实度高，抗渗性、抗碳化性、抗冻性和抗化学腐蚀性高，使用寿命长。如高负荷的混凝土高速公路路面寿命要超过30年，甚至50年。通过调整水泥、水、集料、外加剂和添加料这5种组分的特性、数量和相容性，混凝土便可达到所需要的性能。二十一世纪混凝土将向更加高性能、组成和施工更简单以及更加可靠的方向发展。例如，进一步提高强度和耐久性，不需要养护，满足各种生态要求等等。
　　

　　图1　混凝土品种发展进程

　　水泥是混凝土的重要组分，对新拌混凝土浆的特性和硬化后的性能都有决定性影响。近半个世纪以来，通用波特兰水泥(即我国的硅酸盐类水泥)的基本组成和性能虽然没有根本性变化，但某些特性如早期强度、砂浆和易性、与混凝土其它组分和工艺要求的适应性等都有很大发展。出现许多专用水泥，它们的某些特性为适应特定的使用领域实现了最佳化，如低热水泥，喷射水泥，超细水泥等。这些专用水泥数量虽然不多，却对水泥新技术的开发和应用起很大推动作用，也使一些新建筑施工方法的实施成为可能。
　

今后水泥在品种和特性方面将会有更大的进展，更能适应混凝土工艺的需要，成为高性能、廉价和对环境友好的工业用胶结材料。

2　我国水泥质量存在的主要问题

水泥质量包括许多方面，这里仅就与国际先进水平比较存在差距较大的几个主要方面作些论述。

2.1　高标号水泥数量少，最高强度比较低
　　

一般认为水泥抗压强度3d为35～40MPa，28d为60～70MPa才算国际先进水平；3d为30MPa，28d为60MPa为国际一般水平。我认为这种提法和用这个标准来衡量我国水泥质量不太合适。水泥标号取决于混凝土工艺要求，国外如欧盟国家水泥标准就规定有32.5号水泥28d抗压强度最高不得超过52.5MPa，32.5号水泥的比例占60%左右。德国1999年公布的混凝土公路路面用水泥使用规范中明确规定，混凝土公路用路面混凝土一般应使用32.5R强度等级的CEM I型波特兰水泥，即相当于我国的P·Ⅱ型硅酸盐水泥，又规定3d抗压强度不应大于29MPa。德国斯图佳特机场1996年建成的60m宽新跑道使用的就是符合道路用水泥规定的CEM I 32.5R型水泥，仅冬季施工时使用了CEM I 42.5R型水泥。从混凝土标号的发展趋势看自然是向高标号方向发展，但到1998年德国的混凝土仍然以B25为主，占65%，<B35的混凝土量约占80%，B35占14%，>B45占5%。
　　

从这些实例可以看出，高标号水泥和高标号混凝土所占比例不大，这不能就说这些水泥不是优质水泥，同样也不能说我国水泥28d强度达不到60～70MPa就未达到国际先进水平。强度不是衡量水泥质量的唯一指标，也不是越高越好。准确地说应该是我国生产和使用的高标号水泥数量少，最高强度也相对较低。若将我国1995年的统计数据与德国1981年和1997年国内销售的水泥进行比较，便可明显看出我国水泥的这两个不足。我国的数据均降低1个标号列入表1。

　　从表1中可以看出，52.5号高标号水泥，德国1981年为3.2%，1997年为5.7%，我国1995年仅占0.17%；≤32.5号水泥，德国1981年为74.6%，1997年为61.6%，我国1995年占89.4%。两者相比，高标号水泥的抗压强度值我国水泥约低15MPa。这个差距固然与我国混凝土技术发展水平和市场需求有关，但也说明近十多年来，我国水泥和混凝土材料性能的发展速度不快，配合不好。今天即使有市场要求，若让水泥厂生产R_ISO为80MPa左右的水泥还有些困难。

2.2　水泥早期相对强度较低
　　

欧美等一些工业发达国家，早在三四十年前便开始提高水泥及混凝土早期强度，一般把早期强度高的熟料和水泥称为高活性熟料和水泥，即活性的含义表示强度发挥速度。高活性水泥不仅早期强度高，同时还要求标准稠度需水量低，凝结时间合适，通常控制初凝在2h左右，终凝在3h左右，水化热也不应太高，这就要靠一系列工艺技术来实现。
　　

德国对不同标号水泥的混凝土试体标准早期强度也有一个控制指标，具体列于表2。

　　德国水泥厂实际生产的水泥早期强度还高于表2的混凝土早期强度值。一般3d强度的相对值，32.5号为53%～62%，早强型则高达76%，42.5号为52%～68%，52.5号为73%～84%。表3列出几种水泥的强度值，其中最后两项为Rüdersdorf水泥厂1995年投产的5000t/d预分解窑生产的水泥，其中52.5R型水泥16h抗压强度达28.1MPa。

　　注：1.水泥品种中F、R为早强型；2.PKZ为石灰石波特兰水泥；PZ为油页岩波特兰水泥；3.3d强度按R_3d=R_2d×1.175计算得出。
　　

从表1也可以看出德国是以生产和使用早强型水泥为主，早强型水泥1981年占78.8%，1997年占83.6%，高标号水泥占的比例更高，1997年52.5号水泥早强型占89.5%，今后仍有扩大早强型水泥使用量的趋势。
　　

表4为中国建材研究院统计的几种水泥强度值，表5为几家水泥厂的生产数据。从表3、4、5的比较中可以看出，我国水泥早期强度无论绝对值还是相对值都比德国低很多，若采用新的检验方法，低得还要多。我国早强型水泥的3d强度相对值也低于德国的相对值至少10～20个百分点。表5中列出的都是优质水泥，可以代表较好水平，一般质量的水泥相差就更大了。

　　我国水泥早期强度低，与生产工艺和装备落后有一定关系，但也是由于我们没有给予足够的重视，或没有充分认识到它的好处，尤其对混凝土质量的影响更很少关注。
　

　提高水泥早期强度，主要有以下几条理由:
　　

1)早期强度高的熟料能增加混合材掺加量，减少有用能源和资源消耗，对保护环境有利。
　　

2)早期强度高有利于提高混凝土质量，降低出现早期裂纹的危险。混凝土表层极易出现裂纹，它是混凝土过早损坏的根源之一。产生裂纹的原因很多，这里不便展开细论，其中很重要的一点是混凝土早期强度不够，养护不充分。混凝土浇注后，由于结构内部温度和湿度变化会产生一定的内应力，加上构件自身和外加负荷产生的应力，便有可能超过当时混凝土的抗拉强度。尤其混凝土表层由于振捣和静力液压等作用，有一个水和水泥浆的富集层，使表层强度低于内部强度，表层结构较松，受外界条件作用大，产生应力又大，一旦内应力超过了混凝土的抗拉强度便产生裂纹，如图2所示。早期开裂常在10～48h内出现，后期开裂则在2周以后出现。若水泥早期强度较低，又没有充分地养护，便会出现如图2所示的开裂。同样标号的水泥，早期强度高出现裂纹的危险性就小，或者说养护时间可以缩短。德国水泥厂协会提出的规范要求，新浇注混凝土湿养护时间要延续到混凝土表层强度达到或超过设计强度的50%，所以提高水泥早期强度有利于提高混凝土质量。
　　

　　图2　混凝土构件抗拉强度与应力变化情况

　　3)可以少加或不加早强剂或抗冻剂。冬季施工或需要提早使用的混凝土工程，常常使用早强剂和抗冻剂，这些外加剂一般都含有氯离子和碱，对混凝土耐久性不利，有些国家已很少使用或不再使用这类外加剂，用高早强水泥及其他改善混凝土物理性能的外加剂已完全能够满足要求。
　　

4)早期强度高，还可以提早拆模板，提早投入使用，提高混凝土早期的抗机械碰撞性、抗碳化性、抗冻性及抗起砂性等等。
　　所以，我国水泥早期强度偏低问题应该受到更大的重视。

2.3　没有控制水泥颗粒级配
　　

我国水泥粉磨细度普遍较粗，细粉含量低，没有主动控制水泥颗粒级配和水泥中各组分的颗粒级配。水泥的细粉含量和颗粒级配主要影响混凝土浆的和易性、需水量、硬化混凝土的早期强度、强度增进率、密实性、易开裂性和耐久性。细粉能提高早期强度和密实性及砂浆流动性，但对干缩裂纹不利。颗粒分布过窄需水量高，对和易性不利。目前德国水泥厂生产的水泥，4900孔筛筛余都在1%以下，一般都为0%，勃氏比表面积在350m²/kg以上，需要粗磨的道路水泥比表面积不得超过350m²/kg。<16μm的细粉量一般大于50%，甚至接近70%。水泥的颗粒分布RRSB曲线的特征粒径d′(通过量为63.2%的粒径)球磨机生产的水泥一般都在26μm以下，有的52.5号水泥为9～11μm，42.5号水泥为13～22μm，均匀性系数n值在0.85～1.05之间，辊压机生产的水泥d′在20μm左右，n值都大于1.10。d′值决定水泥细粉含量，主要影响强度增进率，n值决定颗粒分布宽度，影响水泥标准稠度需水量。一般要求n值不大于1.0，d′值则根据工程需要决定。
　　

表6列出我国几家水泥厂生产优质525水泥的数据，从中可以看出，这几家的水泥比表面积都很高，但细粉含量很低，尤其后三家立窑厂水泥的细粉含量更低，d′值也稍偏大，但还算可以，n值除Y厂小于1.0外都偏高，特别是立窑厂的水泥n值高达1.42～1.66，这对混凝土需水量和密实性不利。目前一般认为混凝土的密实性、抗渗性和抗碳化性主要取决于毛细孔含量，简单计算是大于0.1μm的孔隙量占总孔隙量20%以下时混凝土便是密实的、不透水的，大于0.1μm的孔隙量取决于水灰比和水泥水化程度，按T.C.Powers提出的混凝土孔结构与渗水性的关系，若水灰比稍大于0.5，就必须100%水化才能达到不透水性，若水灰比为0.4则水化程度为70%即可达到密实要求。混凝土强度高，密实性高，抗碳化性也高。水泥完全水化一般是不可能的，所以需水量和减少粗水泥颗粒含量对提高混凝土质量十分重要，这也是国外对n值控制由大于1.0转为小于1.0的原因。并用含量<5%的次要组分(即我国通称的混合材)来调控颗粒级配，用以提高水泥和易性，降低水泥和混凝土浆的需水量。新公布的欧洲水泥标准对各种水泥都规定允许加入≤5%的次要组分，其目的也就在于调节水泥的颗粒级配。水泥生产厂都配有激光颗粒分析仪，日常生产虽然也以检验筛析和勃氏比表面积值为主，但化验室(或控制室)实际是通过d′和n值控制颗粒组成。

　　我国对颗粒分布与水泥质量间的关系，对混凝土性能包括干缩开裂等方面的影响和水泥颗粒分布、水泥各组分颗粒分布的关系和调控方法等方面的报道文章还很少见，水泥厂绝大部分还没有条件控制颗粒分布，从思想认识上也还没有完全扭转过来，仍然过多地重视水泥标号，忽视水泥应用技术性能，常把高标号水泥通称为优质水泥。实际上若水泥强度虽高但需水量过大(>29%)，和易性不好，砂浆容易变稠，颗粒级配不佳，易使混凝土出现早期裂纹，干缩开裂，不密实，影响混凝土质量，这种水泥不能算优质水泥。

2.4　还没有能按混凝土工艺要求及时生产和供应最佳性能和足够数量的均质水泥
　　

国际上，水泥混凝土界一直在努力减少和避免混凝土出现裂纹，提高其密实性、抗渗性、抗冻性、抗碳化性和抗蚀性，也可以简单地说是提高耐久性。一个重要的技术措施是，根据环境条件如空气温度、相对湿度、风力等并按混凝土部件特性要求供应特定品种、性能和数量的水泥。早在十几年前就有人提出，水泥企业的出路是生产适销对路的水泥，要由过去面向少数大用户转变为面向数量多又十分挑剔的大、中、小各类用户，并能及时地供应适用的优质水泥，现在许多国家实现了这一发展目标。德国及其周边国家的水泥工业就在这个方向上发生了一些变化，一个是通用水泥特性化，即在通用波特兰水泥的基础上更突出某些特性，以适应特定工程部位所用混凝土的要求。除标准规定的水泥品种和性能外，还对某些特定工程规定一些使用水泥的规范，如“混凝土公路路面用水泥规范”就对水泥品种、需水量、2d强度、比表面积和水泥温度等都作了明确规定。另一个变化是不再完全由水泥生产厂向用户供应水泥，而是通过一些水泥中转站供应水泥。中转站建有带十几个以上分室的多仓室式水泥库，或有十几个小贮存仓的组合式水泥库，其中分别贮存不同活性和不同细度的水泥，以及不同品种及细度的混合材。根据用户对水泥性能的要求，用精确的称量配料设备选取不同组分调配，经高效混合机拌和后装运发货。混合机有连续式和间歇式的，双轴或单轴，目前是以单轴间歇式的为主。德国在这方面的转变是比较快的。1998年70家水泥生产厂向国内市场供应的水泥品种已超过480种，一个中转站每年周转量20～30万t，1998年有的中转站售出了40多个品种的通用水泥和许多品种的特种水泥，今后新建的中转站按能供应100个品种水泥的方案设计，这些水泥品种的差别也包括不同凝结硬化特性，不同细度，不同颗粒组成，对不同外加剂的不同适应性等的同一类水泥。
　　

除品种和性能外还要求能供应大量质量均匀的水泥和预拌混凝土，有些大工程要求使用同一厂家生产的同一品种水泥，这就要求不仅水泥生产厂要有足够大的规模，各水泥中转站和预拌混凝土厂还要联网，用计算机统一管理调配，按规定计划适时供应拌好的混凝土。例如，法兰克福一栋高层建筑6m厚的底板，需用19000m³混凝土，24h施工，3d浇注完毕，混凝土平均浇注量为280m³/h，最高时达380m³/h，没有各供应点的联网和周密地计划是难以实现的。
　　以上这些变化在我国还没有开始，我们还有一段路程要走。
　　

关于水泥质量的均匀性近几年也有很大改善，如德国东部地区的Bernburg水泥厂，以前用10台窑生产，出厂水泥28d抗压强度的标准偏差为3.24MPa，现在用一台5000t/d的预分解窑生产CEM I 42.5R型水泥，28d抗压强度的标准偏差降至1.10MPa。又如Rüdersdorf水泥厂水泥石灰标准值KSt的标准偏差只有0.9。我国某两家大型预分解窑厂生产的优质425和525水泥，按质检站检验数据计算的28d抗压强度标准偏差值分别为1.49、1.95、2.33和2.83MPa。其他一些小型设备水泥厂生产的水泥，其均匀性还达不到这个水平。
　　

以上仅是从4个主要方面比较了我国水泥质量与国外先进水平的差距，由此可以看出，我们再不能只偏重于提高产量，应该更加重视产品质量。目前水泥总量已有富余，个别工厂的产量仅影响一个厂的经济效益，而产品质量则涉及到工程质量，百年大计，也关系到尽最大努力节约有用资源和能源，现在若不加紧抓产品质量提高和新产品开发，我们在这方面与国外先进水平的差距有进一步拉大的危险。(待续)