1 问题的提出
产品为用户服务, 这是商品经济的铁律。但“服务”并不是简单的“你要什么我卖什么”, 而是要为用户的根本利益着想。用户对产品的需要是随着客观世界的发展和自身的认识而变化的。但是认识往往滞后于实践。对于用户个体或个别群体的人来说, 由于认识水平的差异, 未必都了解其自身的实际需要, 产品生产者常会受到用户无意间的误导。作为两个独立生产和经营的行业, 水泥和混凝土也存在这样的问题。
由于生产工艺的限制, 硅酸盐水泥和混凝土在问世后的早期, 相对于工程建设发展的需要, 强度问题突出。众所周知, Bolomy 灰水比定则近100 年来一直指导着传统混凝土配合比的设计。Bolomy 公式明确表明, 混凝土28d 抗压强度与水泥强度成正比, 与水灰比倒数成正比。于是给水泥生产者的信息就是“需要提高水泥强度”。20 世纪20 年代, 欧美国家水泥中C3S 约为35%, 如今达50%～70%; 水泥细度从220m2/kg 到现今的340～600m2/kg[1]; 图1 是美国从1920年到1990 年70 年间水泥7d 抗压强度提高的情况[2]。
我国水泥在30 年前最高强度(GB175—63)相当于20世纪末的425 号(GB175—92), 相当于目前的32.5级; 相同水泥的标称强度下降了, 实际强度是相当的; 标称强度相同的水泥, 如果用30 年前的水灰比检测, 则现在我国水泥28d 抗压强度提高了约20MPa。水泥的水灰比越大, 早期强度与后期强度的比值(例如3d/ 28d 或7d/28d) 越小, 而我国现行水泥标准在检测水泥强度的水灰比增大后, 对水泥3d 标称强度的规定却仍与修订前水灰比较低时的一样, 因而实际上的早期强度提高得更多。不断提高水泥强度的技术路线主要是增加C3S 和C3A 和提高比表面积。那些技术力量达不到要求的水泥厂增加C3S 和C3A 有困难, 则主要依靠提高比表面积和想方设法在水泥中添加按标准检测不出来的什么“增强剂”。由于行业的隔离, 生产者和使用者都不知道这些措施对混凝土会产生什么后果。相互不了解, 自己对自己也不了解, 以至于互相误导。工程中发生问题时很少能从根本上找出原因。
图1 1920～1990 年美国水泥7d 抗压强度的增长[2]
互相以强度为第一需求误导的结果是, 水泥中高强和早强组分越来越多, 比表面积由于没有上限而越来越大, 水化热越来越大, 抗裂性、抗腐蚀性越来越差, 混凝土强度的后期增长率下降甚至倒缩, 作为混凝土的主要组分, 严重影响了混凝土结构抵抗环境作用的耐久性能。
图2 不同水泥配制的混凝土在室外暴露50 年后强度变化[1]
美国的Withy 分别于1910、1923 和1937 年成型了5 000 多个水泥净浆、砂浆和混凝土试件, 在室外暴露, 1975 年由Washa 和Wendt 发表了暴露试验的结果如图2 所示[1]。图2 表明, 用7M水泥配制的混凝土50 年后抗压强度达到52MPa, 而用I 型水泥( 当时的快硬水泥) 配制的混凝土10 年后强度开始倒缩;1937 年按快硬水泥生产的I 型水泥与现今水泥的平均水平很相似。Lemish 和Elwell 1996 年在对依阿华州劣化的公路路面钻芯取样的一项研究中, 也发现10～14 年强度倒缩而得出结论: 性能良好的混凝土与其强度增长慢相关[1]。
此外, 水泥厂目前所采取提高水泥强度的技术路线还导致混凝土使用上的困难。这是造成目前水泥产品不能满足用户要求更直接的原因。而水泥厂却从另一方面误解了混凝土的需求。某些水泥科技人员不了解当前供需关系的症结所在, 误以为混凝土掺矿物掺和料后强度会下降, 应当生产更高强度的水泥来提供混凝土增大矿物掺和料用量的条件, 因此仍然执意于继续提高硅酸盐水泥的强度。
面临可持续发展的挑战, 水泥和混凝土双方能否转变思想方法和传统观念, 互相沟通、互相了解、互相支持、共同前进, 已经关系到我国工程建设长久大计。出现当前水泥和混凝土双方的矛盾, 主要原因在于近100 年来, 尤其是最近十几年, 混凝土结构工程技术有很大的变化和发展, 而水泥则主要是因工艺上的进步促使高强和早强组分的不断增加、强度的不断提高。思维方法和观念依然陈旧, 尚未从计划经济年代真正转变到市场经济社会中来, 不了解因而不能为最终用户──建设工程的根本利益服务。
为了使本来应当是一家的水泥和混凝土互相了解、和谐相处, 共同进步, 在此提供一些双方的信息和观点, 一己之见, 欢迎讨论。
2 现代混凝土的特点及其存在的问题
2.1 现代混凝土的特点
1850 年法国人取得钢筋混凝土专利以后, 使混凝土在结构构件中得以物尽其用, 是混凝土应用技术的第一次飞跃; 1928 年法国的E.Freyssinet 发明预应力锚具是混凝土应用技术又一次的飞跃性发展; 就混凝土材料本身来说, 1918 年美国的D.Abrams 提出著名的水灰比定则, 使混凝土的配合比选择和制备工艺有了依据, 成为混凝土技术发展的第一个里程碑; 直到化学外加剂特别是超塑化剂(高效减水剂)的大规模使用后, 大大改变了混凝土的配制、性能和工艺。高效减水剂使混凝土能在比检测水泥强度所用低得多的水灰比下达到比水泥强度高得多的强度, 而施工性能却很好, 改变了传统上混凝土的强度不能高于水泥强度而依赖于水泥强度的规律。水泥强度对混凝土的强度不再起主导作用, 水泥的性质也不再代表混凝土的性质。由此带来现代混凝土的特点如下:
1) 工厂化的集中生产。区别于传统上分散在工地现场拌制和吊斗浇筑的塑性混凝土, 现代混凝土首先在工艺上是在工厂集中预拌, 输送至现场泵送浇筑,因此需要很好的施工性能, 目前的预拌混凝土的坍落度普遍较大。
2) 使用外加剂。不依靠水泥的品种而用外加剂进行改性已越来越普遍, 例如对需水性、凝结时间、强度发展、变形性质、含气量等。特别是高效减水剂改变了水泥本身的流变性能。
3) 较低的水胶比。由于矿物掺和料对混凝土强度的贡献显著依赖于水胶比, 则当混凝土水胶比≥0.5时, 掺和料的作用不能得以发挥。因此除了不考虑耐久性的结构, 常用的C30、C40 混凝土水胶比一般都低于0.5。较低水胶比和较大坍落度造成混凝土较大的水泥( 胶凝材料) 用量。
4) 掺用矿物掺和料。为了降低现代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, 矿物掺和料已逐渐成为现代混凝土必需的组分, 而且有加大掺量的趋势──尤其是用于混凝土结构耐久性的设计, 矿物掺和料是必需的组分, 而且掺量要大于20%[3]。加拿大已将大掺量矿物掺和料( 粉煤灰和矿渣) 列入2004 年12 月颁布的混凝土规范[4], 其中粉煤灰和矿渣单掺时最低掺量分别为30%和35%, 没有上限。
2.2 存在的问题
任何事物都有其利必有其弊, 现代混凝土是水泥和混凝土技术发展进步的体现, 但是在前进过程中难免会出现另一方面的问题, 主要表现在以下方面:
1) 组分多增加了过程控制的复杂性。在混凝土生产时除了水、水泥、砂、石4 种传统材料之外, 为了工程的需要, 掺入的有机或无机添加物质已成为必需的其他组分, 有时外加剂还不止一种, 矿物掺和料也不止一种。例如日本的明石大桥所用外加剂包括超塑化剂、引气剂和引气减水剂, 胶凝材料使用磨细矿渣、粉煤灰和少量石灰石粉。这无疑增加了原材料管理和上料控制的工作量。近10 年间, 在我国, 把粉煤灰误用作水泥的事故曾多次发生。
2) 现行搅拌机搅拌时间太短存在的匀质性问题。在搅拌机中添加多种物质, 增加质量控制的难度和拌和物匀质性的问题。目前的搅拌时间一般只有30s,这是大多数搅拌站按购进设备的说明书设定的。实际上这个搅拌时间原本是针对不用掺和料的传统混凝土设定的, 对于掺用掺和料和外加剂、水胶比又较低的拌和物, 在强制式搅拌机中搅拌时间至少应达到1min 以上, 否则难以保证匀质性。曾经有施工单位反映过: 为什么预留的掺膨胀剂混凝土试件有的会胀裂? 显然这是搅拌不均匀导致膨胀剂在局部过量所造成的。
3) 同掺法影响外加剂的效率。外加剂的掺入方法有以下几种: ①同掺法: 与拌和水同时掺入。目前我国绝大多数搅拌站都这样使用; ②后掺法: 在达到现场时掺入; ③分次掺法: 先掺一部分, 隔一段时间后再掺其余部分。效果见图3 所示。总掺量相同时, 分次掺法比同掺法效果好得多; 同掺法想要达到和分次掺法相当的效果时, 掺量要加大。绝大多数搅拌站现行将外加剂溶于拌和水一次性掺入的方法是外加剂效率最低的掺法。国外使用外加剂大多采用分次掺入法──例如, 初始掺入一半, 随后通过安装在搅拌车上测拌和物黏度的传感器控制自动续掺, 以保持到达施工现场时拌和物的坍落度。目前在我国难以改变现行外加剂的掺法。
图3 高效减水剂用不同掺入法时拌和物坍落度经时变化
4) 大掺量矿物掺和料使胶凝材料中SO3 不足。矿物掺和料的活性需要CaO 和SO3 激发, 故水泥标准规定允许矿渣水泥中SO3 最大掺量可达4%。而在混凝土中使用大掺量矿物掺和料会稀释水泥中的SO3,掺量越大, SO3 越不足。因此混凝土早期强度低、凝结缓慢、收缩大。如图4 所示, 矿渣和粉煤灰总掺量为40%时, 水泥中的SO3 被稀释至1.3%后, 砂浆水养护14d 后存放于空气中76d 收缩值达0.036%, 补充石膏后, 同龄期收缩值随SO3 的增加而减少, 而且从在水中膨胀到随后在空气中收缩的差值(称作膨胀率的落差, 低落差对砂浆或混凝土的体积稳定性很重要)也随之减小。图5 是矿物掺和料总量50%时相同流动度砂浆的抗压强度和抗折强度与SO3 掺量的关系。在20 世纪80 年代我国水泥中的SO3 一般都在1.7% 左右, 现在随着熟料中C3A 的增加, 已提高到2.3%左 右。在传统上, 生产水泥时对石膏的优化主要是为了调节凝结时间, 基本上未考虑其他影响。在混凝土中掺入掺和料稀释SO3 的同时当然也稀释C3A, 但是石膏在有掺和料的浆体中的作用并不只涉及C3A, 对大掺量掺和料混凝土凝结时间的影响机理不同于和 C3A 的关系。混凝土中掺和料只要掺量大于20%, 则 SO3 不足的影响就会有表现, 掺量越大影响越大。
图4 SO3 含量对砂浆体积稳定性的影响
图5 SO3 含量对砂浆强度的影响
3 水泥品质现状对混凝土生产和质量的影响
对混凝土影响的水泥现状主要是: 因现行标准不设强度的上限和比表面积的上限, 水泥比表面积太大, 早期强度太高而长期增长率低甚至倒缩, 实际强度浮动幅度太大; 不控制碱含量、氯离子含量; 不检测开裂敏感性; 无法提供在混凝土中与外加剂的相容性; 出厂水泥温度太高, 难以控制混凝土结构中的温度应力。
3.1 水泥细度的影响
水泥流变性能对混凝土施工性能有重要影响, 而施工性能是硬化后混凝土质量的重要保证。粗细颗粒级配恰当的水泥, 可得到良好的流变性能。水泥中3～30μm 的颗粒起强度增长的主要作用, >60μm 的颗粒则对强度不起作用, 但起稳定体积的作用。因此3～30μm 的颗粒应当约占90%[5]; <10μm 的颗粒起早期强度的作用, 且需水量大, 而其中<3μm 的颗粒只起早强作用, 因此流变性能好的水泥<10μm 的颗粒应当<10%。我国多数水泥的生产则基本上只关心细度,很少注重水泥颗粒的级配。在我国目前多数生产条件下, 水泥磨得越细, 细颗粒越多, 早期强度发展很快,而又很快被耗尽, 后期增长余地就会减少。有人认为提高水泥强度最简单的技术就是增加比表面积。近年来许多质检实验室用筛析法检测水泥细度时, 大多筛余量都小于3%, 甚至没有筛余, 水泥比表面积已高达400m2/kg。越细的水泥需水量越大, 与外加剂相容性越差, 水化热越大, 开裂敏感性越大。
1) 越细的水泥与外加剂相容性越差。天津雍阳外加剂厂邱汉用该厂生产的萘系高效减水剂UNF- 5 与不同细度的水泥进行相容性试验。用相同水灰比的净浆, 改变外加剂掺量, 分别于搅拌后5min 和60min 检测流动度, 试验外加剂对不同细度水泥的饱和点、1h后的流动度损失以及使流动度不损失的掺量点。结果见图6。
图6 水泥细度对其与高效减水剂相容性的影响
由图6 可见, 水泥比表面积为3 014cm2/g 时, 高效减水剂饱和点为0.8%, 流动度无损失的掺量为1.6%; 水泥比表面积为3 982cm2/g 时, 高效减水剂饱和点为1.2%, 流动度无损失的掺量为1.82%; 比表面积为4 445cm2/g 时, 高效减水剂饱和点为1.6%, 找不到流动度的无损失点; 当水泥比表面积达5 054cm2/g时, 则高效减水剂饱和点为2.0%, 同样找不到流动度的无损失点。该试验表明, 水泥比表面积的增大, 外加剂与水泥的相容性随之下降。著名水泥化学家T.C.Powers 早在40 年前就指出过, 并非水化越充分的水泥浆体强度越高, 因为水泥水化物强度和体积稳定性都比熟料的低。因此需要有一部分未水化颗粒来保持强度和稳定体积[6], 这就是“化学成分通过结构起作用”。水泥比表面积增加后,对砂浆长期抗拉强度的影响更明显, 如图7 所示[1]。图7 表明, 砂浆抗拉强度随水泥比表面积的增加而呈线性下降, 碳化深度总的趋势是随水泥比表面积增大而减小。粗水泥碳化深度大但强度高, 可能是表面的碳化对水泥有增强作用。
图7 水泥细度对抗拉强度的影响[1]
2) 有研究者(Heam 1949 年, Mather 1993 年)报道粗水泥的渗透性随龄期而下降, 表明其具有自愈能力[1]。混凝土抗冻性随水泥比表面积减小而提高(见图8)可能也和碳化降低渗透性有关[1]。
图8 抗冻性与水泥比表面积的关系[1]
3) 过细的水泥具有更大的开裂敏感性, 如图9 和图10 所示[1]。图9 中用收缩开裂环检测水泥开裂的敏感性, 从成型到开裂经过的时间越短, 抗裂性越差。从图9 可以看出, 开裂敏感性随水泥比表面积的增大而增大。在图10 中可见, 水泥浆体因干燥而开裂的程度随水泥比表面积增大而严重; 水泥比表面积只有220m2/kg 时, 混凝土中微裂缝极少; 当水泥比表面积增加到490m2/kg 时, 则混凝土中密布微裂缝。这些肉眼不可见微裂缝在早期可能是不连通和不开放的, 但却是在服役期间受到温度、湿度的反复作用出现可见裂缝的开裂源, 成为侵蚀型介质侵入的通道,响混凝土结构的耐久性。
图9 水泥细度和开裂敏感性的关系[1]
图10 水泥细度对水泥浆体和混凝土开裂的影响[1]
3.2 水泥的强度
任何水泥基材料的强度都是在一定的标准条件下测得的。如果水灰比、试件尺寸、养护条件、试验方法都相同, 则净浆强度高于砂浆强度, 砂浆强度高于混凝土强度。然而, 事实是水泥强度和混凝土强度的定义不同, 也就是检测强度的标准条件不同。在高效减水剂问世之前, 由于施工的需要, 混凝土的水灰比受到限制, 必然大于检测水泥强度的水灰比, 因此混凝土强度依赖于水泥强度, 混凝土标称强度也必然不会超过水泥的标称强度。现在高效减水剂的使用打破了这一传统的常规: 混凝土的水灰比可以减小到比检测水泥的水灰比低得很多, 老规范中“水泥强度应是混凝土强度的1.5～2 倍”的规定已成为历史, 现今的32.5 级水泥能配制C60 混凝土已是现实。
就提高水泥强度的技术路线来看, 将近200 年来水泥强度的发展已步入尽头: 高强和早强的矿物以及过大的比表面积给混凝土带来的后果已是弊大于利。过去只有水工的大坝混凝土被称为大体积而需要控制温度, 而今由于水泥的水化热增大、混凝土水泥用量增多、早期强度提高, 最小断面只有20～30cm 的构件, 其早期开裂也有约60%来自温度应力。混凝土构件断面可因混凝土强度的提高而减小, 但是构件断面不可小到超过保证稳定的极限, 因此对强度的需要也有限, 当前的水泥强度已足够。至于有特殊用途的所谓“超高强混凝土”(例如无粗集料而由活性粉末和细颗粒级配制成的RPC, 抗压强度可达200MPa) , 其所用的水泥强度等级也是现行的42.5 即可[8]。因此水泥生产实在不必再追求更高的强度。现在的问题是, 配制高强混凝土, 乃至C100 的混凝土已不是难事, 倒是能保证28d 抗压强度不超过30MPa、拌和物施工性能良好(不泌水、不离析)的C25以下混凝土做不出来。虽然总的趋势是混凝土强度都普遍提高了, 但是对于像需要很大断面的铁路或公路桥墩、某些小开间楼板、基础垫层以及其他一些素混凝土构件, 按承载力计算确实只需要很低的强度(虽
然能通过加大活性的或非活性矿物掺和料来解决, 但又受到传统观念和现行规范的限制) 。保留一些低强度等级的水泥, 商家虽然单位产品利润低, 但是目前C30 以下的混凝土需求量仍然很大, 薄利多销是市场经营的重要策略之一。
有证据表明, 高强度水泥的耐储存性能很差, 现行的52.5 级水泥与42.5 级水泥的28d 实际强度差别不大, 越存放差别越小, 甚至会倒过来。过去水泥的保质期是3 个月, 而今52.5 级水泥可能只有1 个月了吧? 主要是因为目前普遍以增加比表面积作为提高强度的主要手段。
3.3 其他影响
1) 现行水泥标准不规定水泥出厂前检测含碱量(不仅当混凝土集料有活性时影响混凝土碱- 集料反应, 而且即使集料没有碱活性, 含碱量过大时还影响水泥的抗裂性)和氯离子含量, 使有的水泥厂添加“不知道成分”的“增强剂”有了空子可钻, 给混凝土结构耐久性增加了隐患。
2) 试验和实践表明, 不同厂家生产的相同强度等级、相同品种水泥在开裂敏感性上可能有很大差别,水泥出厂前不做抗裂性检验, 增加了混凝土抗裂性能的不可知性和控制裂缝的难度。
3) 由于现代混凝土普遍使用高效减水剂, 水泥与高效减水剂相容性问题和水泥的品质有很大关系, 目前水泥厂不检测水泥与外加剂相容性, 影响混凝土对水泥的选用。
4) 散装水泥的好处不言而喻, 但是水泥厂只“用其利”却未能对“弃其弊”做出贡献。近年来散装水泥出厂的温度普遍过高, 运至搅拌站入仓后又散热困难, 造成水泥上料时仍有很高的温度, 混凝土浇筑温度居高不下, 增加了混凝土因温度应力而早期开裂的倾向。还要采取措施降低因此而造成的混凝土的浇筑温度, 在水资源和能源匮乏的今天, 从总体来看不能说不有悖于发展散装水泥以节约水泥包装资源和环保的初衷。
4 结论
1) 影响混凝土质量的水泥现状主要是: 水泥比表面积太大, 早期强度太高而长期强度增长率低甚至倒缩, 实际强度浮动幅度太大, 不利于质量的均匀控制;不控制碱和氯离子含量; 不检测开裂敏感性; 不提供与外加剂的相容性, 工程无法选定合适的水泥; 出厂水泥温度太高, 难以控制混凝土结构中的温度应力。
2) 现代混凝土普遍使用减水剂以降低水灰比, 故其强度不再依赖于水泥强度, 现行提高水泥强度的技术路线不利于混凝土结构质量的稳定和长期性能, 不必再追求水泥向更高的强度发展; 水泥品种单一化不仅不利于水泥的发展, 而且也不利于市场经济的发展。
3) 现代混凝土结构需要水泥具有良好的匀质性和稳定性、低的开裂敏感性、与外加剂良好的相容性、有利于混凝土结构长期性能的发展以及无损害混凝土结构耐久性的超量成分。
4) 思维方法和观念应当适应客观世界的发展而转变, 产品应为用户长远利益的需要服务; 现代混凝土已大不同于传统混凝土, 作为产品的水泥应当按混凝土的需要生产, 并按混凝土的规律检验。
参考文献:
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[2] R W Burrows. The visible and invisible cracking of concrete[J]. ACI Monograph No.11.
[3] 土木工程学会.CCES 01- 2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2005.
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