刘加平:高性能混凝土发展对水泥性能及生产的要求

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▍发表于《江苏建材》2016年03期已获作者授权

「摘要」

　　高性能混凝土是未来混凝土技术发展的主要方向之一。水泥是混凝土制备过程中的重要原材料。现代水泥的发展体现了绿色化的理念，但是石膏、混合材和水泥的矿物组成与细度等技术指标的变化．带来了外加剂适应性、混凝土抗裂性与耐久性等诸多问题。文章围绕中低强高性能混凝土、高强高性能混凝土以及高耐久长寿命混凝土3个主要领域，分析高性能混凝土发展对水泥性能及生产的要求。

「关键词」

　　高性能混凝土；水泥；性能；生产

0 引言

　　我国的基础设施建设规模宏大，其中混凝土工程占有极大比重，目前我国混凝土年产量已超40亿立方米[1]，但混凝土生产存在强度等级偏低、绿色生产水平不高、质量控制水平较低及施工管理粗放等问题。高性能混凝土是“以建设工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求为总体目标，选用优质常规原材料，合理掺加外加剂和矿物掺合料，采用较低水胶比并优化配合比，通过预拌和绿色生产方式以及严格的施工措施，制成具有优异的拌合物性能、力学性能和耐久性能的混凝土”[2]。与普通混凝土相比，高性能混凝土在降低资源消耗、减少能源消耗和减小环境影响方面都具有突出优势，如表1所示。[3]，江苏省也在积极制定《江苏省高性能混凝土应用技术规程》，发展与推广高性能混凝土技术，对提高建筑工程质量，降低全寿命周期综合成本，推动节能减排，发展循环经济，促进建筑业技术进步，推进建材工业结构调整具有重大意义。

　　高性能混凝土发展离不开优质常规原材料的支撑，如表2所示，水泥既是混凝土制备不可或缺的原材料，又是混凝土生产过程中的主要能耗来源，占混凝土生产总能耗约80%[4]。因此，实现高性能混凝土的科学、长远发展，应对水泥的生产与性能提出更新更高要求。

　　本文从高性能混凝土推广的3个主要方向—中低强高性能混凝土、高强高性能混凝土和高耐久长寿命混凝土出发，分析技术现状和亟需解决的问题，明确高性能混凝土发展对水泥性能及生产的要求，提出相应的建议举措。

1 中低强高性能混凝土发展对水泥的要求

1.1 现状与问题分析

　　工业副产物和固体废渣在水泥生产过程中的应用须满足中低强高性能混凝土“绿色化”发展需求，但也为混凝土性能的保障与提升带来了许多障碍。石膏是水泥中的重要辅助材料，它可以吸附于铝酸三钙（C3A）表面，使C3A溶解变慢，延缓钙矾石（AFt）的生成，控制水泥的水化，调整混凝土的流动度与坍落度保持能力。但是当工业副产石膏应用于水泥行业中时，由于石膏种类多样、粉磨温度控制水平参差不齐以及离子溶出过程复杂的问题，导致水泥与外加剂适应性问题突显。此外，中低强混凝土多采用普通硅酸盐水泥制备，普通硅酸盐水泥生产过程中，可掺入5%~20%的混合材[5]。随着资源的日益匮乏，混合材品质逐年降低，而固体废渣作为低品质混合材引入水泥粉磨过程，既降低了混凝土的性能，也带来了外加剂的适应性问题。在发展中低强高性能混凝土时要围绕适应性问题对水泥性能提出要求。

1.2 石膏与适应性

（1）石膏种类控制

　　现代水泥生产过程中除天然石膏外主要涉及三个种类的工业副产石膏：脱硫石膏、磷石膏和氟石膏。

　　脱硫石膏通过干法脱硫和湿法脱硫工艺生产，前者生产出的石膏中主要成分为CaSO3·0.5H2O，溶解速率较慢，无法抑制早期C3A的快速水化，导致水泥的初凝时间缩短，减水剂被快速掩埋失去分散能力。后者生产出的石膏主要成分为CaSO4·2H2O，但是颗粒较小，会在一定程度上加快钙矾石的生成速率，降低混凝土的保塑性。

　　磷石膏主要成分为CaSO4·2H2O，但是其还含有Ca(H2PO4)2，CaHPO4，NaF，Na3PO4以及可溶性的磷和氟等杂质。不溶性的磷酸钙和氟化钙覆盖水泥颗粒表面，阻碍了水泥颗粒的溶解与水化。采用磷石膏后会导致水泥的凝结时间不正常，因此在实际中一般水泥厂会严格控制使用磷石膏以消除其杂质导致的水泥与外加剂间的适应性问题。

氟石膏的主要成分为硬石膏CaSO4（无水石膏），其溶解速率慢，从而早期SO42-浓度偏低，C3A快速水化，导致假凝和失去流动度等问题。

（2）石膏组成控制

在水泥粉磨过程中，由于磨机内的温度较高，二水石膏会部分的脱水变成溶解度较大的半水石膏。不同类型的石膏溶解度和溶解速率差别较大（表3），如果温度太高，就会形成大量的半水石膏，导致水泥的假凝；如果温度太低，半水石膏数量不足，可能导致水泥急凝。因此，在水泥粉磨过程中，生产温度的控制至关重要。

（3）SO42-浓度的控制

水泥中因石膏掺量或种类不同而导致的SO42-浓度变化对外加剂的吸附存在较大影响。图1和图2展示了SO42-浓度变化对外加剂在水泥颗粒表面吸附量以及流动度的影响。

　　随着SO42-浓度的增加，外加剂对水泥颗粒的吸附量减少，同时导致外加剂支链压缩，使其对水泥颗粒的分散能力变差，进而降低了水泥浆体的流动度。因此，水泥生产时，可溶SO42-浓度的控制对水泥流动度和坍落度保持十分必要。

1.3 混合材与适应性

　　粉煤灰常用做水泥生产过程中的混合材，但随着资源消耗的加剧以及环保力度的提升，许多粉煤灰品质出现了波动，而粉煤灰对混凝土性能将造成影响，在进行普通硅酸盐水泥生产时要特别主要粉煤灰品质的控制。从表4可以看出，高钙灰由于游离氧化钙（f-CaO）的存在，对混凝土收缩性能存在较大影响；炉底灰由于细度以及球形颗粒与II级粉煤灰存在差距而对混凝土工作性能和力学性能造成负面影响；脱硫灰由于存在较多的SO42-，对外加剂的吸附存在较大影响，进而降低了混凝土的工作性；脱硝灰由于工艺的不同，导致部分粉煤灰中带有余量的铵盐，在拌制混凝土过程中，遇碱会放出较多的气体，对混凝土的外观可能存在影响。

2 高强高性能混凝土发展对水泥的要求

　　随着我国大规模的基础设施建设和现代土木结构技术的发展，高强高性能混凝土是未来建筑发展的重要方向，使得“高标号水泥”也在工程中得到了广泛应用。但“高标号水泥”由于具有高比表面积、高C3A和高碱含量等特性，虽然满足了水泥强度发展的需求，但也导致混凝土开裂风险增大。因此，在发展高强高性能混凝土时要围绕混凝土开裂问题对水泥组成及性能提出要求。

　　Burrows R W[6]指出，一味快速施工的需求导致了水泥在半个世纪以来细度增加了不止1倍（图3），而水泥细度的增加，使得早期水化速度明显加快，虽然增加了水泥早期强度，却导致了早期的放热速率急剧增加。如图4所示，当水泥细度从160cm2/g增加到300cm2/g时，1d的放热比率（占28d）从40%增加到近75%。早期集中放热导致结构温升提高，在降温过程中较大的温度收缩再加上早期水化自收缩的叠加，导致混凝土早期开裂风险显著增加。采用温度应力试验机（RILEM TC 199推荐的可以综合反映混凝土的水化温升、收缩、弹性模量、抗拉强度等因素的交互影响）测试的开裂温度结果（开裂温度越高，抗裂性越差）表明[7]，细度从280 m2/kg 升至380m2/kg，开裂温度增加了9.5℃（掺加17%粉煤灰开裂温度仅降低2℃）。因此，制备高强高性能混凝土时，“高标号水泥”的细度需进行合理控制。

　　此外，水泥化学组中C3A和碱含量的增加，也对混凝土早期的抗裂性能造成了负面影响，如表5所示，水泥C3A含量增加4%，开裂温度增加6℃，开裂时间提前约5h；碱含量从0.55%增至0.95%，开裂温度增加7℃，开裂时间提前约5d。因此，发展高强高性能混凝土也要严格控制“高标号水泥”中C3A和碱的含量。

3 高耐久长寿命混凝土发展对水泥的要求

　　随着“”战略的提出，更多的基础设施建设向沿海西部发展，而在南海、西部等严酷环境下，混凝土结构化学腐蚀破坏严重，如海工结构混凝土服役寿命不到50年，西部盐湖等地区则出现了“年粉化，3年坍塌”的现象[8]，这主要是由于长期受到SO42-和Cl-侵蚀的缘故。最新的《高性能混凝土应用技术指南》[2]和JGJ/T385-2015《高性能混凝土评价标准》[9]中均提到混凝土耐久性应与强度并重，高耐久、长寿命是未来混凝土发展的重要方向。

　　我国有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、特种水泥等多个水泥品种，而不同品种水泥中的矿物组成有较大差异。因此，在发展高耐久长寿命混凝土时，需要根据混凝土所处环境不同而合理进行水泥矿物组成的优化设计。

　　表6以海工混凝土最常用的硅酸盐水泥和盐渍土环境中最常用的抗硫酸盐硅酸盐水泥为例分析了矿物组成不同的水泥抗硫酸盐腐蚀性能的影响。硅酸盐水泥中C3A含量较高，强度发展快，抗渗性好；抗硫酸盐硅酸盐水泥（SRPC）C3A含量较低（5%以内），抗静态硫酸盐腐蚀性能优异；当C3A含量降低到5%以下时，抗SO42-能力大幅度提升。

　　但是当把C3A较低的SRPC用于海工混凝土制备时，与普通硅酸盐水泥（OPC）相比，混凝土中氯离子扩散系数却提高了30%（图5），即耐久性能变差。此外，SRPC较低的C3A含量在抑制化学腐蚀反应的同时带来了水化程度的降低，并改变了水泥的自由和结合Cl-能力[10]。由表7可以看出，SRPC混凝土在掺入不同比例氯盐后，自由Cl-增大，而结合Cl-能力降低，这说明SRPC在海洋环境下使用时其抗渗性和钢筋保护性存在问题。因此，发展高耐久长寿命海工混凝土应选择硅酸盐水泥。

　　表8从水化、强度、耐腐蚀和抗裂等多个角度给出了水泥中矿物组成对性能影响的差异。对于服役于不同环境的混凝土结构而言，宜合理进行水泥中矿物组成的调控，满足结构耐久性的要求。

4 实现高性能混凝土发展的水泥性能及生产建议与举措

　　高性能混凝土发展是实现我国建筑行业可持续发展的关键，水泥行业要顺应高性能混凝土发展的大趋势，在以下方面做出改进和突破：

　　（1）正确认识新常态下高性能混凝土的发展对水泥性能及生产的需求。中低强混凝土：控制石膏、混合材，满足适应性需求；高强混凝土：控制水泥比表面积和矿物组成，注重抗裂性问题；长寿命高耐久混凝土：根据服役环境进行水泥矿物组成针对性调控设计。

　　（2）科研单位与企业联合推进技术发展。对于基础理论问题，由科研单位牵头进行攻关。对于生产问题，由生产企业为主进行攻关。对于应用问题，由混凝土科研院所或相关企业为主进行攻关。

　　（3）积极建立技术体系和标准。编制实施细则（地方标准），确定重点推进内容。

　　（4）制定配套政策和措施。参评获奖必要条件，财税优惠。

　　（5）加强试点示范和培训。

参考文献

[1] 中国建筑学会建材分会混凝土基本理论及应用专业委员会. 我国混凝土技术进展及工程应用[C]//2008中国建筑学会建筑材料分会2008年第一届年会论文集.2008.

[2] 丁威，黄小坤，冷发光，等. 高性能混凝土应用技术指南[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2015.

[3] , . 住建部工信部关于推广应用高性能混凝土的若干意见[J]. 江苏建材, 2014,6： 1-2.

[4] Miao C W. The influence of high performanceconcrete on low-carbon economy[J]. Advanced MaterialsResearch, 2012, 374： 1646-1656.

[5] 全国信息与文献工作标准化技术委员会出版物格式分委员会. GB 175-2007 通用硅酸盐水泥[S].北京：中国标准出版社, 2007.

[6] R W Burrows. 混凝土的可见与不可见裂缝[M]. 廉慧珍等，译. 北京：中国水利水电出版社,2013.

[7] Burrows R W, Kepler W F, Hurcomb D, et al.Three simple tests for selecting low-crack cement[J].Cement and Concrete Composites, 2004, 26 (5)：509-519.

[8] 余红发. 盐湖地区高性能混凝土的耐久性、机理与使用寿命预测方法[D]. 南京：东南大学材料学院, 2004.

[9] 全国信息与文献工作标准化技术委员会出版物格式分委员会. JGJ/T 385-2015 高性能混凝土评价标准[S]. 北京：中国标准出版社, 2015.

[10] Arya C, Buenfeld N R, Newman J B. Factors influencing chloride binding in concrete [J]. Cement & Concrete Research, 1990, 20(2)：291-300.

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