不同生产工艺的水泥配制混凝土性能的差异

华南理工大学材料学院 吴笑梅  樊粤明  林东  陈东河  张艳铃

随着混凝土技术进步与商品混凝土的大量推广使用，混凝土外加剂、矿物掺合料的大量应用与混凝土强度等级的逐步提高，不同生产工艺生产的水泥配制混凝土时性能、成本的差异日趋显著。为了达到同样工作性能与强度等级的要求，单方混凝土水泥、外加剂、用水量差异显著，由此造成生产成本差异较大，同时引起混凝土收缩开裂的程度不同。在目前我国新型干法回转窑水泥生产能力不够，立窑水泥仍占较大比例的情况下，如何选择水泥及如何根据不同水泥的品质生产混凝土，在保证混凝土质量的前提下如何进一步降低生产成本等问题一直是困扰商品混凝土搅拌站的难题。为此，本文对比研究了不同生产工艺的水泥在配制混凝土时的配合比、性能的差异，就如何在配置技术方面减少由水泥品种带来的质量与成本上的差异提出一些个人见解。

1        实验材料与方法

1.1 实验材料

（1）实验选用了广东省内较具代表性的干法回转窑、湿法回转窑及立窑水泥厂生产的PII42.5R水泥，编号分别为水泥1、水泥2、水泥3；粉煤灰为广州黄埔电厂II级灰。水泥熟料与粉煤灰的化学成分如表1所示。

表1、水泥熟料及粉煤灰的化学成分

（2）混凝土用砂的细度模数为2.6，表观密度为2600kg/m3，松散密度为1500 kg/m3，紧密密度为1590 kg/m3。石为5~31.5mm连续级配碎石，表观密度为2650kg/m3，松散密度为1410 kg/m3，紧密密度为1560 kg/m3。

（3）外加剂：选用具有代表性的几类常用混凝土商品外加剂。分别是：38%的氨基磺酸盐，38%的聚羧酸减水剂，糖钙粉剂，木钙粉剂，华西高浓萘系粉剂，38%AP-1F无缓凝萘系高效减水剂。文中所指外加剂掺量均为胶凝材料总量的质量百分数。

（4）水：自来水。

1.2实验方法

（1）标准砂浆的胶砂强度按GB/T17671－1999《水泥胶砂强度检验方法》的规定进行，干燥收缩按JC/T603－1995《水泥胶砂干缩试验方法》的规定进行。标准砂浆的三种养护条件分别是：

A标准养护——试件自加水时算起，在温度20±3℃，相对湿度为90％以上的养护箱养护24±2h后脱模，然后放入20±3℃的水中养护2天，再放入温度为20±3℃，相对湿度为（50±4）％的干缩室，进行不同龄期干燥收缩值的检测；

B直接干燥——试件按JC/T603－1995成型、养护、脱模后，直接放入温度为20±3℃，相对湿度为（50±4）％的干缩室，进行不同龄期干燥收缩值的检测；

C保湿预养护——试件按JC/T603－1995成型、养护、脱模、水养2天后，取出用湿毛巾覆盖表面，在温度20±3℃，相对湿度为90％以上的养护箱养护5天，再放入温度为20±3℃，相对湿度为（50±4）％的干缩室，进行不同龄期干燥收缩值的检测。

（2）砂、石、水泥、粉煤灰、外加剂与水按混凝土配合比称料并投入50升强制式搅拌机中，外加剂先加入拌合水中搅拌均匀，混合料先干搅拌30s，再加入混有外加剂的拌合水搅拌3min。按照标准GBJ80－85的方法检测新拌混凝土的塌落度，然后成型为GBJ81－85、GBJ82－85要求的抗压强度、弹性模量及混凝土干缩标准试件。将搅拌均匀的混凝土用孔径为5mm的振动筛筛去粗骨料，筛下的砂浆成型为25×25×280mm的收缩试件。并按标准要求进行各项性能检测。

（3）水泥与外加剂的相容性用Marsh筒法检测。

2  结果与讨论

2.1水泥与外加剂的相容性

实验检测了三种水泥与目前市场上较有代表性的六种类型纯减水剂的相容性，结果如图1所示。

图1、水泥与外加剂的相容性

三种水泥中干法窑水泥1对各种外加剂的饱和点最低，流动度最大，流动性经时损失最小，与外加剂的相容性最好，其次是立窑水泥3，最差是湿法窑水泥2。水泥3与外加剂的相容性与水泥1接近，水泥2与外加剂的相容性与水泥1和水泥3相差较大，与各种外加剂的饱和点掺量普遍比水泥1和水泥2高出0.2％～0.6％，且流动性差，流动性经时损失大。这主要与熟料的矿物组成、煅烧制度与水泥的颗粒分布直接相关，与水泥的生产窑型有一定关系，但不是必然的关系；水泥与纯萘系、氨基磺酸盐与聚羧酸等高效减水剂的相容性较好，与纯糖钙、木钙普通减水剂的相容性较差。

2.2水泥砂浆及混凝土强度

三种水泥在不同水灰比条件下的ISO标准砂砂浆的强度如表2、表3所示。

表2、不同水灰比条件下三种水泥ISO砂浆抗折强度

表3、不同水灰比条件下三种水泥ISO砂浆抗压强度

    由表2、表3可见，虽然三种水泥都是PII42.5R水泥，但其各龄期强度依然存在差异，即无论是1d、3d、28d抗折抗压强度均是水泥1>水泥2>水泥3，且水灰比越大，强度差距也越大。因此在设计混凝土配合比时，为达到相同的强度等级和初始工作性能，配合比中各水泥的用量不同。通过配合比设计、实验室试配、调整，确定表4所示的配合比，使新拌混凝土的塌落度达到19±2cm，混凝土28天抗压强度等级达到C30 要求。按上述配合比配制混凝土的强度与弹性模量如表5所示。

表4、混凝土配合比

表5、三种水泥配制的混凝土的抗压强度及弹性模量

由表5可见，三种水泥所配制混凝土的3天抗压强度以水泥1最高，水泥3其次，水泥2最低，3天轴心抗压强度的规律与此相同；7天抗压强度基本相当，均达到27～28 MPa，28天抗压强度分别为37.3 MPa ，38.2 MPa ，40.4 MPa，均达到C30强度等级混凝土的要求。即三种水泥因其自身胶砂强度不同、与外加剂的相容性不同，在配制同样工作性能与强度等级的混凝土时，用水量、水泥用量与外加剂用量均不相同，造成成本差异较大。为最大限度的减少混凝土的水泥用量，首先应调整好砂石级配，选择适当的砂率，使混凝土达到工作性能要求的前提下尽可能减少浆体总量；其次降低混凝土单方用水量，在粘聚性许可的条件下，适当增大外加剂掺量（接近饱和点掺量），以最大程度地降低水胶比；再次根据水泥胶砂强度的情况调整水泥与粉煤灰的比例，确定水泥用量。

2.3标准砂浆的干缩

分别检测了表6中的样品在三种养护制度条件下的干缩率，结果如图2所示。

表6、标准砂浆的样品代码

                       (a) 标准养护制度A条件下砂浆的干缩率 

            (b) 直接干燥制度B条件下砂浆的干缩率

    (c) 保湿预养护制度C条件下砂浆的干缩率 

   (d) 水泥3在三种养护制度下砂浆的干缩率