對水泥性能指標及檢驗方法的構(gòu)想

對水泥性能指標及檢驗方法的構(gòu)想分析研究了新拌混凝土性能指標與水泥有關(guān)性能指標的關(guān)系,結(jié)果表明,目前水泥的性能指標尚不能很好地與新拌混凝土的性能指標對應(yīng)。從新拌混凝土的質(zhì)量要求和主要性能指標出發(fā),對相應(yīng)的水泥性能指標及檢驗方法的建立提出了建議。力求通過簡便可行的檢驗,其結(jié)果能夠與新拌混凝土的性能有很好的相關(guān)關(guān)系。0引言從滿足混凝土質(zhì)量的角度出發(fā),探索對水泥性能指標和生產(chǎn)工藝的要求,已有一些研究成果[1～6]。特別是混凝土行業(yè)的研究人員,對水泥細度、堿含量、C3A含量、強度(特別是早期強度)、水化熱、標準稠度用水量、石膏的種類與含量等水泥的性能指標與混凝土性能的關(guān)系進行了探討[2～5]。這些意見尤其值得水泥行業(yè)研究者和生產(chǎn)者關(guān)注。水泥在混凝土中的使用表現(xiàn),是評價水泥質(zhì)量最終也應(yīng)該是唯一的標準,水泥的質(zhì)量必須滿足混凝土這一最終產(chǎn)品性能的要求。水泥性能指標與混凝土性能之間的關(guān)系十分復(fù)雜,目前兩者之間或者難以確定定量關(guān)系,或者雖有一定程度的定量關(guān)系,但這種定量關(guān)系受到許多因素的制約。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn),混凝土攪拌站使用不同水泥廠相同品種和強度等級的水泥,按相同配比配制的混凝土性能差異巨大;或者,配制性能相同的混凝土,水泥和減水劑使用量差別巨大。將不同水泥按現(xiàn)有水泥標準的技術(shù)要求和檢驗方法評價,卻沒有明顯差別。這種現(xiàn)象,讓我們不得不重新考慮現(xiàn)有水泥標準中技術(shù)要求和檢驗方法的合理性。從混凝土的性能指標要求出發(fā),探索對應(yīng)的水泥性能指標,并力圖使二者之間具有良好的相關(guān)性,無論對混凝土行業(yè)還是水泥行業(yè)都具有重要意義。本文為根據(jù)混凝土質(zhì)量要求探討水泥性能指標及檢驗方法系列研究的第一篇。根據(jù)新拌混凝土的性能指標要求,對相應(yīng)的水泥性能指標及檢驗方法提出了一些構(gòu)想,對其實用性和標準化的可能性給予了特別的關(guān)注。1新拌混凝土與現(xiàn)有水泥性能指標對比表1列出了新拌混凝土與現(xiàn)有水泥性能指標及檢驗方法的對比。其中檢驗方法只列出已經(jīng)形成國家標準或行業(yè)標準、法規(guī)的部分。新拌混凝土的性能主要是混凝土的工作性,除表1所列項目外,在一些資料[7,8]中還包括:可塑性、易密實性、充填性等項目。水泥與高效減水劑相容性不屬于新拌混凝土的性能,但是與新拌混凝土的性能密切相關(guān),故在此一并討論。與新拌混凝土性能指標相關(guān)的現(xiàn)有水泥性能指標是膠砂流動度、標準稠度用水量、凝結(jié)時間和水泥凈漿流動度,這些指標與新拌混凝土的工作性之間均沒有很好的相關(guān)性。2現(xiàn)有水泥性能指標的局限2.1水泥膠砂流動度下述試驗分析了膠砂流動度與混凝土的工作性之間的相關(guān)性。使用的5種水泥其膠砂流動度按GB/T2419—2005檢驗,檢驗時固定水灰比為0.5。按相同的混凝土配比(見表2)分別配制C40的流動性混凝土,其坍落度按GB/T50080—2002檢驗,水泥膠砂流動度與混凝土坍落度關(guān)系如圖1所示。2.2水泥凝結(jié)時間凝結(jié)時間反映了水泥的水化速度,理論上分析,凝結(jié)時間應(yīng)該與新拌混凝土的工作性有明顯相關(guān)性,在混凝土行業(yè),將緩凝劑與高效減水劑復(fù)合使用,能夠有效改善混凝土的工作性,特別是減少坍落度損失,已經(jīng)成為共識。但是,水泥廠的生產(chǎn)實踐表明,水泥用戶反映混凝土坍落度減小,坍落度損失偏大,分析原因的時候,很少發(fā)現(xiàn)水泥凝結(jié)時間有明顯的變化?？赡苡幸韵聝蓚€方面的原因:第一,在影響水泥流變性能的諸多因素中,凝結(jié)時間只是其中一個影響不太明顯的因素;第二,正常生產(chǎn)條件下,凝結(jié)時間呈長周期小振幅波動,對水泥流變性能的影響不易察覺。在水泥廠原料或生產(chǎn)工藝有較大變化,引起水泥凝結(jié)時間明顯變化時,水泥用戶可以察覺混凝土坍落度的變化。例如,某水泥廠使用占石膏總數(shù)量20%的磷石膏代替天然石膏,因為磷石膏含有少量磷的緣故,水泥初凝時間和終凝時間均延長1h左右,混凝土攪拌站反映,混凝土的坍落度損失減小。2.3水泥的標準稠度用水量在比較簡單的條件下,根據(jù)水泥的標準稠度用水量可以較好地預(yù)測新拌混凝土的工作性。目前還很少有關(guān)于水泥標準稠度用水量與混凝土工作性之間相關(guān)性的定量研究結(jié)果,這里所言比較簡單的條件是指2.2水泥凝結(jié)時間凝結(jié)時間反映了水泥的水化速度,理論上分析,凝結(jié)時間應(yīng)該與新拌混凝土的工作性有明顯相關(guān)性,在混凝土行業(yè),將緩凝劑與高效減水劑復(fù)合使用,能夠有效改善混凝土的工作性,特別是減少坍落度損失,已經(jīng)成為共識。但是,水泥廠的生產(chǎn)實踐表明,水泥用戶反映混凝土坍落度減小,坍落度損失偏大,分析原因的時候,很少發(fā)現(xiàn)水泥凝結(jié)時間有明顯的變化?？赡苡幸韵聝蓚€方面的原因:第一,在影響水泥流變性能的諸多因素中,凝結(jié)時間只是其中一個影響不太明顯的因素;第二,正常生產(chǎn)條件下,凝結(jié)時間呈長周期小振幅波動,對水泥流變性能的影響不易察覺。在水泥廠原料或生產(chǎn)工藝有較大變化,引起水泥凝結(jié)時間明顯變化時,水泥用戶可以察覺混凝土坍落度的變化。例如,某水泥廠使用占石膏總數(shù)量20%的磷石膏代替天然石膏,因為磷石膏含有少量磷的緣故,水泥初凝時間和終凝時間均延長1h左右,混凝土攪拌站反映,混凝土的坍落度損失減小。2.3水泥的標準稠度用水量在比較簡單的條件下,根據(jù)水泥的標準稠度用水量可以較好地預(yù)測新拌混凝土的工作性。目前還很少有關(guān)于水泥標準稠度用水量與混凝土工作性之間相關(guān)性的定量研究結(jié)果,這里所言比較簡單的條件是指水泥廠熟料質(zhì)量和粉磨工藝正常、穩(wěn)定,正常生產(chǎn)P·Ⅱ42.5R水泥的時候,取大磨水泥,此為水泥樣品1;在水泥磨磨頭取熟料、石膏、混合材料樣品,按水泥磨的配比配料,在試驗小磨中粉磨至與水泥樣品1相同的比表面積,此為水泥樣品2;在水泥樣品1中摻入5%比表面積1200m2/kg的高細石灰石粉,20%比表面積480m2/kg的礦渣粉,此為水泥樣品3。3個水泥樣品的物理性能見表3。綜合表3、表4的結(jié)果,比較水泥1和水泥2,二者成分組成完全相同,唯粉磨方式不同,其標準稠度用水量相差明顯。按預(yù)期標準稠度用水量較低的水泥2應(yīng)該具有較大的混凝土坍落度,但試驗結(jié)果正好相反。比較水泥1和水泥3,水泥3在水泥1中加入了25%的比水泥更細的混合材料,水泥3比水泥1比表面積大幅度提高,均勻性系數(shù)和特征粒徑降低。水泥3標準稠度用水量比水泥1略有減少;同時,水泥3拌制的混凝土坍落度大于水泥1,坍落度經(jīng)時損失小于水泥1。現(xiàn)有的有限試驗結(jié)果,尚不足以確切地探索發(fā)生上述現(xiàn)象的原因。但至少可以肯定,水泥標準稠度用水量與混凝土坍落度之間的對應(yīng)關(guān)系只能在特定的條件下成立,水泥標準稠度用水量無法確定地預(yù)期混凝土的工作性。2.4水泥凈漿流動度GB50119—2003和GB/T8077—2000都規(guī)定了使用微型坍落度儀的凈漿流動度檢驗方法。水泥凈漿流動度測試的本意是為減水劑生產(chǎn)廠提供了一種檢驗、評價減水劑產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的方法。該方法用料少,簡便快捷,便于減水劑生產(chǎn)廠家檢驗產(chǎn)品質(zhì)量波動。近年來,凈漿流動度檢驗結(jié)果被廣泛用作評價水泥與減水劑相容性好壞的依據(jù),有些夸大了該方法的作用。研究表明[10],至少對于高強度自流平混凝土,凈漿流動度與混凝土坍落度之間沒有很好的相關(guān)關(guān)系。盡管如此,國內(nèi)一些特別關(guān)注水泥與高效減水劑相容性問題的企業(yè),還是在根據(jù)凈漿流動度對水泥質(zhì)量進行評價和控制。在沒有更好的檢驗方法之前,凈漿流動法只能是有勝于無。目前,水泥與減水劑之間相容性的研究成為熱點,許多水泥廠根據(jù)現(xiàn)代混凝土大流動度的要求,致力于改善水泥與減水劑的相容性。但是,如果沒有可行、可靠的相容性檢驗方法,這方面的研究和水泥廠的質(zhì)量控制就沒有可靠的評價標準。水泥與減水劑相容性的一些研究成果,不同文獻的結(jié)論存在一些差異,部分原因也在于相容性檢驗方法不夠可靠。凈漿流動度檢驗方法同時提供了一種基準水泥,可以用于評價不同減水劑對于水泥相容性的相對值。這對于該方法建立的目的、用途似乎已經(jīng)沒有問題。但是,基準水泥使用量較大,同時難以保證長期儲存后質(zhì)量不發(fā)生變化,限制了它的應(yīng)用。該方法用于水泥的生產(chǎn)者和使用者,有很大的局限性。筆者對數(shù)十個水泥用戶進行調(diào)查,其中只有1個用戶正在使用基準水泥,3個用戶曾經(jīng)使用過基準水泥,大多數(shù)用戶從來沒有使用過基準水泥。該方法沒有提供基準減水劑,用于水泥廠對水泥與減水劑相容性的評價顯得困難。大型水泥廠往往有數(shù)十個至上百個用戶,這些用戶使用的減水劑雖然大多數(shù)為萘系,但是質(zhì)量參差不齊,各個用戶使用各自的減水劑檢驗的凈漿流動度差距巨大。水泥廠在水泥與減水劑相容性正常的情況下,面對個別由于所用減水劑質(zhì)量不好的用戶提出的相容性投訴,在標準未提供基準減水劑及用戶沒有基準水泥的情況下,能夠提供的水泥與減水劑相容性良好的證據(jù)顯得蒼白無力。3對新拌混凝土對應(yīng)的水泥性能指標的構(gòu)想對應(yīng)新拌混凝土性能指標,建議水泥建立如下性能指標來對應(yīng),如表5所示。3.1混凝土流動性及與流動性相關(guān)性能對應(yīng)的水泥性能指標判斷水泥在混凝土流動性的表現(xiàn),最直接可靠的方法當然是拌制混凝土,然后直接檢驗混凝土的流動性指標。但該方法存在以下不足:1)石子、砂因為使用量大,難以標準化,即使標準化,其試驗材料成本也很大。2)試驗過程繁復(fù),工作量大。3)水泥廠需要增加混凝土試驗設(shè)備。尋找一種簡單易行,檢驗結(jié)果與混凝土流動性及與流動性相關(guān)性能有很好相關(guān)性的檢驗方法,無疑是各方面所共同期待的。該方法應(yīng)該滿足如下條件:1)同時滿足水泥、混凝土和減水劑三方的需要。于水泥生產(chǎn),可以用于評價水泥對減水劑的相容性;于混凝土生產(chǎn),可以預(yù)期特定的水泥、減水劑在一定水膠比、減水劑摻入量下配制混凝土的坍落度;于減水劑生產(chǎn),可以用于評價減水劑的質(zhì)量。2)具有明確的流變學(xué)意義,能夠準確反映流變學(xué)參數(shù)。3)能夠確定減水劑飽和摻入量、最佳摻入量及相應(yīng)摻入量下混凝土的泌水性。4)由檢驗結(jié)果和混凝土的某些參數(shù),如砂灰比、水膠比、石子最大粒徑構(gòu)造的函數(shù),可以用于預(yù)期混凝土流動性及與流動性相關(guān)性能。5)提供基準減水劑。6)試驗材料可以標準化。7)試驗方法方便、快捷,試驗儀器設(shè)備不過于復(fù)雜,試驗費用低廉。從20世紀60年代開始,國外學(xué)者就在努力尋求一種簡單的試驗方法,用以代替繁復(fù)的混凝土試驗。日本學(xué)者通過大量試驗表明,膠砂流動度輔以砂灰比、水膠比等參數(shù),與混凝土的流動性有很好的相關(guān)性。目前日本的水泥廠即以膠砂擴展度來評價水泥在混凝土中的流動性。我國徐永模等人[11,12]也進行了類似的研究,結(jié)論表明,膠砂擴展度可以多方面地評價減水劑與水泥的相容性,以及在減水劑作用下水-水泥-細集料懸浮體系的穩(wěn)定性;可以得到極限擴展度、減水劑飽和摻入量和經(jīng)時損失等參數(shù);并且,膠砂擴展度與混凝土擴展度具有很好的相關(guān)性。新拌混凝土的流動性及與流動性相關(guān)性能主要取決于水泥漿體的性能,但由于混凝土中存在粗細集料,水泥凈漿的流變性能難以簡單地與混凝土的流變性能對應(yīng)。原因在于水-水泥懸浮體系與水-水泥-集料懸浮體系的顆粒粒徑差別太大,前者處于微米級,后者主要處于毫米至厘米級。這種顆粒尺寸的差別使得不同體系在黏性流動變形中,顆粒之間的內(nèi)摩擦機制存在顯著不同。混凝土的流動性及與流動性相關(guān)性能可以分為3個層次研究:以水為分散體系的水泥漿體系;以水泥漿為分散體系的砂漿體系;以砂漿為分散體系的混凝土。水泥凈漿的流變性能與混凝土的流變性能相關(guān)性較差,直接檢驗混凝土的流變性能又存在試驗材料難以標準化、試驗過程繁復(fù)的問題,從實用化角度考慮,對砂漿體系的流變性能進行表征的膠砂擴展度,可能是一個很好的折中。因此可以將膠砂擴展度作為與混凝土流動性及與流動性相關(guān)性能對應(yīng)的水泥性能指標。一個值得注意的問題,礦物摻合料對混凝土流動性及與流動性相關(guān)性能有顯著影響[13,14]。對于考察水泥自身的流變性能和水泥與減水劑相容性而言,礦物摻合料的影響不必考慮;膠砂擴展度與混凝土流動性及與流動性相關(guān)性能建立相關(guān)關(guān)系則必須考慮礦物摻合料的影響。膠砂擴展度的檢驗方法在GB/T8077—2000已有規(guī)定,要滿足本節(jié)開始提出的條件,尚需進一步完善:1)用于評價水泥與減水劑相容性時,首先需要將砂標準化,為方便起見,可以使用符合GB/T17671—1999要求的標準砂。2)提供基準減水劑。水泥廠使用基準減水劑可以評價水泥與減水劑的相容性;減水劑廠也可以就近選擇市場銷售的水泥,用基準減水劑確認它與減水劑的相容性沒有問題后,將該水泥用于日常的質(zhì)量控制。3)確定試驗結(jié)果與混凝土的流動性及與流動性相關(guān)性能的關(guān)系,嘗試與混凝土的砂灰比、水膠比、石子最大粒徑構(gòu)造出某個函數(shù),用于預(yù)期混凝土的流動性及與流動性相關(guān)性能。4)確定檢驗方法的重要參數(shù),如砂灰比、水灰比等。5)探討重新設(shè)計流動度跳桌的必要性。6)探討對膠砂進行泌水量檢驗的可能性。7)將檢驗方法標準化。目前國內(nèi)尚沒有基準減水劑?；ㄍ豕旧a(chǎn)的一種萘系基準減水劑在日本至少使用了10年以上。筆者曾經(jīng)對比過貯存8年的產(chǎn)品和新生產(chǎn)的產(chǎn)品,凈漿流動度檢驗結(jié)果沒有區(qū)別。與混凝土的坍落度類似,膠砂擴展度能夠很好地表征膠砂的屈服值,但是幾乎不能反映膠砂的黏度。在較大的水泥用量,摻入礦物摻合料、低水膠比的條件下,混凝土的黏度是一個必須考慮的指標。因此這成為膠砂擴展度的一個明顯的缺陷。文獻[15]報告了使用Orimet法(漏斗法)評價高流動性混凝土工作度的研究成果。文獻[16]報道了使用L型流動儀檢驗大流動性混凝土工作性的研究成果。這2種方法均可以較好地表征新拌混凝土的黏度,可以考慮經(jīng)過改進后用于檢驗?zāi)z砂的黏度。減水劑對水泥的最大分散作用,必須以沒有明顯泌水為前提。因此有必要嘗試檢驗最大擴展度或某一擴展度下膠砂的泌水量。如果可以定量檢驗,還應(yīng)該對其進行限定。有必要將①水泥與減水劑的相容性與②混凝土的流動性及與流動性相關(guān)性能進行區(qū)分,盡管二者之間密切相關(guān)。首先,混凝土的流動性及與流動性相關(guān)性能受到的影響因素更多,如砂率、砂石級配、漿骨比等;其次,二者關(guān)注的重點不同,水泥與減水劑的相容性更加關(guān)注水泥或減水劑自身質(zhì)量和它們之間的互相協(xié)調(diào)。膠砂擴展度的檢驗方法應(yīng)該對此給予充分考慮。3.2混凝土保水性對應(yīng)的水泥性能指標非干硬性混凝土拌合物在澆注與搗實以后、凝結(jié)(不再發(fā)生沉降)之前,表面會出現(xiàn)一層水分或水泥浮漿,這種現(xiàn)象稱為泌水[17]。水可以由混凝土固體顆粒的縫隙或毛細孔均勻、緩慢地向上滲透;也可以由混凝土的局部通道向表面迅速傳遞。前一種泌水與水泥性能有關(guān);后一種泌水主要取決于混凝土的性能,與水泥性能關(guān)系不大。影響混凝土泌水性的水泥方面的因素包括:比表面積、顆粒分布、凝結(jié)時間、堿含量、C3A含量及SO3含量[18～20]。描述混凝土泌水特性的參數(shù)有:泌水量———混凝土拌合物單位體積的平均泌水量;泌水率———泌水量與混凝土拌合物含水量之比;泌水速度———析出水的速度;泌水容量———混凝土拌合物單位厚度平均泌水深度?？梢詺w結(jié)為泌水數(shù)量和泌水速度兩個方面。混凝土保水性對應(yīng)的水泥性能指標是水泥的保水性,為簡便起見,可用膠砂或凈漿作為檢驗對象。目前還沒有水泥膠砂或凈漿保水性的檢驗方法。GB/T3183—2003《砌筑水泥》附錄A提供了《砌筑水泥的保水率測定方法》,該方法以膠砂為檢驗對象,按GB/T17671—1999規(guī)定的灰砂比、水灰比、