优质水泥的评价

　　1 对水泥品质的认识水泥胶砂强度的高低一直以来是评价水泥质量的重要标准， 实施 IsＯ 方法后， 水泥的检测性能与国际接轨，但与其在现代混凝土中的作用相差还较远。水泥胶砂强度高是水泥实物质量一方面的体现， 却不是混凝土质量的唯一保证。水泥生产技术人员普遍认为水泥的富余强度越高， 产品质量越好， 产品质量的改善往往只体现在胶砂强度的提高方面； 施工单位则普遍认为水泥的早期强度越高， 混凝土强度发展得越快， 其质量越有保证。而且水泥早期强度越高， 施工速度可以加快， 成本可大幅度下降。在市场竞争日益激烈的情况下，   水泥生产企业为了迎合施工单位的需要， 对水泥胶砂强度的追求已远超出国标的要求，  早强与高强被视为优质水泥的唯一准则。这种对优质水泥的片面认识已经形成强大的力量，  引导着水泥生产企业及技术人员不断为之而努力。然而正是这种认识给水泥生产与混凝土工程带来了一系列的问题。水泥生产更加依赖于优质的石灰石资源（caＯ含 量＞51%）， 熟料烧成热耗增加， 水泥比表面积提高， 粉磨能耗增大， 生产成本上升。早强水泥在配制混凝土时，虽然混凝土的强度等级在不断提高， 但结构内应力增大， 开裂现象增多， 混凝土工程耐久寿命遭到置疑［1］。针对目前水泥生产与使用的技术人员的认识及混凝土工程所面对的问题， 本文提出了从现代混凝土生产技术及性能（如高工作性能、高耐久性能、高体积稳定性、低生产成本及其它特殊性能）要求出发评价水泥品质优劣，并提出了生产优质水泥的技术措施。为此将分两篇文章（《优质水泥的评价》《、优质水泥的生产技术》）来论述。

　　2 优质水泥的评价方法

　　水泥产品的国家标准要求是其基本性能与品质的保证， 不是优质水泥的标准。作为混凝土的主要胶凝材料，水泥品质的优劣应从其配制现代混凝土的性能要求来衡量。不考虑混凝土综合性能的要求， 一味盲目迎合施工速度对水泥高早强的需要，往往是造成混凝土温升大、结构应力增大、早期开裂增多、耐久性较差的主要原因之一，也会造成水泥生产成本增大，资源浪费等问题。下面从现代混凝土生产技术及混凝土 5 项主要性能来评价对水泥品质的要求。

　　2．1 混凝土的工作性能

　　预拌混凝土对拌和物的施工性能要求比较严格。它关系到混凝土材料的可施工性及均匀性。若混凝土拌和物施工性能较差，出现振捣不密实， 或骨料与砂浆分离较严重， 混凝土的结构缺陷增多， 混凝土结构将无法达到其设计的其它性能要求， 导致建筑物存在质量隐患。故拌和物的施工性能是混凝土其它各项性能的基础。它是指在设定 w/c 及一定外加剂掺量条件下， 所达到的塌落度及其经时损失、扩展度和可泵性等各项性能的总称。影响这一性能的因素很多， 如配制技术，外加剂、砂、石、掺合料等材料， 但水泥也是重要的因素之一。与水泥的关系主要体现在水泥与外加剂的相容性及其保水性。

　　2．1．1 水泥与外加剂相容性

　　水泥与外加剂的相容性是从水泥净浆流变性能角度评价两者对混凝土拌和物工作性能作用效果的一项指标。它用 maRsh筒［2］或净浆流动度［3］方法所检测到的饱和点掺量、饱和点 maRsh 时间（ 饱和点流动度）及 maRsh 时间（流动度） 经时损失三者来进行综合评价。相容性较好， 即饱和点掺量小， 饱和点对应的流动性能好，流动性经时损失小。相容性好的水泥在配制混凝土时可以用较少的外加剂或较少的水泥来达到较好的流动性能和较小的流动性经时损失； 可用较低的成本获得优质的混凝土［4］， 并且可显著改善混凝土早期开裂现象。经较大量的调查试验研究， 作者认为对于 42．5等级的水泥， 若在0.35水灰比条件下， 用普通中浓萘系的减水剂， 饱和点掺量小于 1.4%， 饱和点maRsh时间小于12s，且 1h maRsh 时间损失较小时，水泥与外加剂的相容性较好。 相容性问题是伴随现代混凝土技术而出现的。水泥产品标准中对此项性能没有明确的规定，水泥生产企业不了解相容性的概念、意义及没有相应的检测手段，更不了解控制和改善水泥与外加剂相容性的技术措施。目前，水泥与外加剂相容性差及不稳定的现象十分普遍，造成混凝土拌和物施工性能大幅度波动。若混凝土生产中用调整砂石含水率的方法来调整混凝土的施工性能，就会造成混凝土强度的较大波动。

　　2．1．2 水泥的保水性

　　水泥的保水性反映了水泥浆中水泥颗粒与水分离的难易程度。它与水泥的颗粒分布及比表面积有着紧密的关系。保水性较好的水泥， 在配制混凝土时有利于减少内部的泌水腔和表面的泌水层， 改善混凝土的界面结构与表面硬度， 可提高混凝土的匀质性、强度及耐久性能［5］。由此可见， 从混凝土拌和物的工作性能要求出发， 水泥具有良好及稳定的外加剂相容性及保水性是配制优质混凝土必须具备的条件，  这是评价优质水泥的重要指标之一。

　　2．2 混凝土的力学性能

　　混凝土的力学性能取决于其结构的致密程度及水化产物的黏结力。结构的致密程度主要由混凝土的水灰比（水胶比）决定，水化产物的黏结力实际是通过胶凝材料的胶凝性（胶砂强度）来体现。过去大部分混凝土由于没有掺用外加剂，为达到工作性能的水灰比较大， 混凝土的强度往往依赖于水泥胶砂强度的提高。随着混凝土技术的发展，外加剂与矿物掺合料的广泛应用， 配制同强度等级混凝土的水灰比较以前大幅度下降， 混凝土结构更加致密。因此，提高混凝土的力学性能已不仅限于依赖提高水泥的胶砂强度来实现， 通过减少单方用水量来提高混凝土各项性能的空间往往更大。水泥生产的技术人员多数只考虑从提高水泥胶砂强度来提高水泥的质量， 而忽视了或尚未认识到水泥对混凝土用水量的影响。若提高水泥胶砂强度是通过增加早强矿物、增加水泥比表面积来达到的， 则会引起需水量大及与外加剂相容性差的问题，这样既增加了水泥的生产成本， 又不利于配制良好力学性能的混凝土， 造成资源浪费。

　　目前， 市场对水泥早期强度（3d） 的要求， 实际是施工单位的要求， 其目的是加快施工周期， 提高模板使用率，降低施工成本。这对水泥性能是一种误导。水泥的早期强度越高， 水化热早期集中释放， 导致混凝土内部温升快且高，冷却后残余的温度应力较高， 混凝土的抗裂性能下降［6］。相反， 作者认为水泥的后期（28d）及远龄期（90d 或180d）强度十分重要。这是因为混凝土是多相复合材料， 不可避免存在结构缺陷，而且它通常处于日晒雨淋、干湿交替、冻融循环，甚至更加恶劣的环境条件下， 在漫长的使用过程中强度损失或受到损害或破坏是不可避免的。要保持混凝土材料的耐久性，强度的补充与自愈合能力非常重要， 其远龄期的强度增长不可忽视。由此可见， 水泥的 3d 强度是施工的要求， 水泥的 28d强度是混凝土设计强度的需要， 而远龄期强度指标则是混凝土耐久性（强度补充及自愈合）的需要。合理或较低的早期强度、较高的后期及远龄期强度是优质水泥重要的性能指标之一。

　　随着水泥混凝土道路、大跨度结构工程的增多，对混凝土抗折强度也提出了较高的要求， 在混凝土抗压强度等级相同的情况下，若水泥的抗折强度较高，则混凝土的抗折强度也较高。高等级的道路混凝土要求优质水泥 28d 抗折强度最好达到 9．0mpa以上。

　　2．3 混凝土耐久性能 

　　混凝土耐久性能主要包括混凝土的抗渗性、抗冻性与抗腐蚀性。提高混凝土耐久性对延长建筑工程的使用寿命，减少建筑物维修加固甚至重建费用均有重大的意义。提高混凝土材料的耐久寿命也是实现可持续发展的重要途径之一。目前提高耐久性的主要渠道有： 

　　1） 提高混凝土的致密性； 

　　2） 改善水泥水化产物的组成； 

　　3）提高混凝土的远龄期强度。提高耐久性的责任部分落在混凝土配制技术上， 但水泥性能是其中一个重要影响因素。若水泥的标准稠度用水量低， 与外加剂的相容性好， 保水性好，则有利于提高混凝土结构的致密性； 水泥熟料中 fcaＯ、c3a 含量低， 硅酸盐矿物含量多。

　　通常其水化产物具有更强的抗腐蚀能力；水泥中 c2s 含量较高， 颗粒分散，则有利于提高水泥的远龄期强度。这些均有利于提高混凝土的耐久性能。本文建议， 优质水泥的熟料中 fcaO 含量小于1%，C3A含量小于 6%， c2s 含量大于 20%。

　　2．4 混凝土体积稳定性能

　　工程建设中， 混凝土结构开裂现象十分普遍， 是混凝土损坏的主要原因之一。混凝土开裂与设计、施工、混凝土配制技术以及混凝土配制材料密切相关。混凝土因水泥安定性不合格而产生膨胀开裂的现象已较少见， 大多数是由混凝土的自生收缩、干燥收缩、冷缩及碳化收缩而产生。在配制混凝土时可采用各种技术来减少混凝土的收缩开裂。要减少混凝土的开裂，优化水泥的性能是不可忽视的工作。

　　2．4．1 自生收缩与水泥的关系

　　混凝土的自生收缩往往出现在水灰比 （ 水胶比）较低的情况（ 通常小于 0．45）， 在较早龄期产生，它与水泥的早期水化速度有关。一般水泥的早期水化速度越快（c3a 含量越多， 比表面积越大， 细颗粒越多，C3A水化加速期来得越早等）， 早期水化热越大， 混凝土的凝结时间越短， 自生收缩来得也越早、越快，易导致混凝土开裂。由此可见， 早强水泥和混凝土拌和物的浇注温度较高时， 水泥早期水化速度加快， 易产生较大的自生收缩。

　　因此，要减少混凝土的自生收缩， 就水泥而言， 要降低水泥早期水化速度， 尽量降低出厂水泥的温度（＜75℃）。

　　2．4．2 干燥收缩与水泥的关系

　　混凝土的干燥收缩与其毛细孔尺寸、数量、连通情况密切相关，即与混凝土的配制技术和施工养护关系较大。但也与水泥水化产物的种类及致密程度有关， 通常 c3a 的水化产物干燥收缩较大；水化产物堆积越致密， 干燥收缩越小。

　　2．4．3 冷缩与水泥的关系

　　水泥水化时的放热使大体积混凝土内外产生较大的温差， 在冷却过程中混凝土结构会产生巨大的温度应力，甚至导致混凝土开裂。一般混凝土内部温升可达 50～60℃， 中心部位最高温度可达80～100℃。虽然在施工过程中可不惜代价地采用加冰等方法降低拌和物的入模温度，铺设冷却水管以及加强外保温等措施减少温度应力及防止开裂， 但水泥水化热的大小仍直接影响混凝土的绝热温升及温度应力。对于C50的混凝土， 在水泥用量为 350～380kg/m3 的条件下， 若水泥 3d 水化热相差30kj/kg，混凝土的绝热温升可相差 5～7℃。因此较低的水化热也是优质水泥的重要指标之一。目前， 广东省市场上 p·II42．5R水泥水化热的情况如表 1 所示。而 42．5 等级的低热硅酸盐水泥国标要求 3d 水化热小于 230kj/kg， 7d水化热小于260kj/kg。表 1 中的较好水平与之相比， 3d、7d 水化热相差 30～40kj/kg以上；一般水平的相差 60～80kj/kg 以上

　　因此， 在保证混凝土的施工及力学性能的前提下，应大力提倡使用中低热的水泥品种， 这对混凝土寿命及社会节能、可持续发展均十分重要。

表 1 广东省部分 p·II 42．5R 水泥水化热的情况 kj/kg 

　　2．5 特殊混凝土工程的性能

　　2．5．1 高等级水泥路面混凝土对水泥性能的要求高等级水泥混凝土道路设计耐久寿命为 30～50年，而实际上我国现有很多水泥混凝土路面在通车5～10 年后， 就出现严重的断裂和破损， 不适合继续行车，造成资源能源及建设费用浪费很大。这里有路基、施工和超载等的原因，也有水泥混凝土材料自身的原因。很多路面在投入使用前就已出现裂缝或表面“起粉”等耐磨性极差的现象。要建造优质的混凝土路面，就水泥方面应考虑： 具有高抗折强度 （28d 达到9．0mpa 以上）、高耐磨性 （≤3．6kg/m2，力争≤3．0kg/m2）、致密的浆体及混凝土结构（ 颗粒分布好， 需水量低， 外加剂相容性好）、低水化热。

　　2．5．2 管桩混凝土对水泥性能的要求由于管桩要求较高蒸压强度（c80 以上） 和高抗冲击性， 混凝土水胶比在0.25～0.26 左右， 故对水泥品质的要求特别高。它要求水泥具有优良的外加剂相容性，高硅酸盐矿物含量（c2s+C3A＞75%； 掺细磨砂后，可降低对硅酸盐矿物总量的要求）； 为保证浆体的致密性，要求水泥颗粒分布及比表面积合理； 为加快脱模时间， 一般要求水泥胶砂的早后期强度高， 一般是早强型的 p·II42．5水泥。

　　3 结束语

　　综上所述， 从现代混凝土的综合性能出发， 本文认为优质水泥应具有下列性能： ①颗粒分布及比表面积合理 （45μm 筛余10%～16%， 80μm 筛余为 1%～2%， 比表面积 360～380m2/kg）， 标准稠度用水量低（＜25%），配制混凝土时需水量较小； ②良好及稳定的外加剂相容性（ 饱和点＜1．4%）； ③水泥合理或较低的早期胶砂强度，较高的后期（28d）和远龄期（90d 或180d）胶砂强度； ④抗冲击、耐磨性好； ⑤低收缩性； ⑥低水化热 （3d水化热小于 270kj/kg， 7d 水化热小于315kj/kg）。为此， 本文建议水泥熟料中 c3a 含量小于6%，C2S含量大于 20%， fcaＯ 含量小于 1%。这样的水泥能满足混凝土的不同用途要求，使混凝土具有优良的工作性能、力学性能、耐久性能、体积稳定性及最低的混凝土生产成本。