中圖分類號: TQ172.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B 文章編號: 1002- 9877( 2007) 04- 0016- 04
1 預(yù)拌混凝土需要什么樣的水泥
發(fā)展預(yù)拌混凝土和混凝土的商品化是當(dāng)今混凝土工業(yè)發(fā)展的方向。以西安市為例, 近年來隨著工農(nóng)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施和市政建設(shè)的迅猛發(fā)展, 預(yù)拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生, 在短短的三四年時間內(nèi)已建成40余家, 發(fā)展勢頭方興未艾。預(yù)拌混凝土與傳統(tǒng)的現(xiàn)場攪拌混凝土有許多不同點(diǎn), 預(yù)拌混凝土技術(shù)將混凝土專業(yè)技術(shù)與現(xiàn)代先進(jìn)的生產(chǎn)、運(yùn)輸及泵送技術(shù)相結(jié)合, 是混凝土生產(chǎn)上的一次革命。因此, 水泥的研究和生產(chǎn)者應(yīng)關(guān)注這一重大的變革。
根據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗(yàn), 對于混凝土攪拌站, 如使用水泥不當(dāng)或水泥本身存在某種品質(zhì)缺陷時, 就可能出現(xiàn)如下問題:
?、倩炷翉?qiáng)度達(dá)不到設(shè)計要求;
?、谒嗯c外加劑適應(yīng)性問題突出, 或流動性能差, 或坍落度損失大, 致使無法施工, 有時甚至在運(yùn)輸途中發(fā)生凝固;
?、刍炷两Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、裂紋;
?、芑炷凉こ掏庥^顏色不一, 影響美觀。
上述問題的存在, 影響了混凝土的施工性能和工程質(zhì)量。當(dāng)然混凝土出現(xiàn)問題是由多種因素造成的,不能不加區(qū)分全歸咎于水泥。但在混凝土組成材料中, 水泥作為主要的膠凝材料, 其生產(chǎn)工藝、品質(zhì)指標(biāo)必然會對混凝土的性能起重要的影響, 特別是預(yù)拌混凝土與傳統(tǒng)的現(xiàn)場攪拌方法相比較, 有其特殊的技術(shù)要求, 所以水泥廠家應(yīng)根據(jù)混凝土攪拌站這位大用戶的需求, 提供與預(yù)拌混凝土工藝相匹配和適應(yīng)的水泥。筆者認(rèn)為該種水泥應(yīng)滿足如下一些要求:
?、偎喔黜?xiàng)技術(shù)性能除必須滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求外, 還應(yīng)保持產(chǎn)品的勻質(zhì)性和穩(wěn)定性, 化學(xué)成分、細(xì)度、各齡期強(qiáng)度等級、凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量等指標(biāo)不能有較大波動, 特別是強(qiáng)度值不能大起大落;
?、谠谂渲苹炷?xí)r需水量要小、流動性要好, 與外加劑有較好的適應(yīng)性;
?、鬯喾勰r不僅要控制細(xì)度( 比表面積) , 而且要合理控制水泥顆粒級配和顆粒形狀;
④水泥混合材品種的匹配、摻入量要科學(xué)、合理;重視石膏品種的選擇;
⑤重視出廠水泥溫度的控制;
?、拊诨炷劣刑厥庖髸r, 應(yīng)提供專用的水泥,如低堿水泥、水化熱低的水泥。
2 生產(chǎn)與預(yù)拌混凝土相匹配的水泥的指導(dǎo)思想和途徑
2.1 應(yīng)將水泥的勻質(zhì)性與穩(wěn)定性放在第一位
目前在新型干法窯生產(chǎn)高強(qiáng)度水泥已不再困難,陜西省絕大部分新型干法企業(yè)均能生產(chǎn)42.5 級水泥, 秦嶺、聲威公司已批準(zhǔn)生產(chǎn)52.5 級水泥, 水泥強(qiáng)度已不再是制備高等級混凝土的制約因素。廉慧珍指出[1], “水泥廠目前所采取提高水泥強(qiáng)度的技術(shù)路線”是沒有必要的, 甚至“還導(dǎo)致混凝土使用上的困難”,因?yàn)樘岣咚鄰?qiáng)度的技術(shù)路線是增加C3S、C3A 和提高水泥細(xì)度( 比表面積) , 更有甚者是違規(guī)在水泥中摻加“增強(qiáng)劑”, 其后果是: 水泥需水量增大, 對外加劑適應(yīng)能力下降, 水化熱增加, 抗裂性、抗腐蝕性下降, 混凝土的后期強(qiáng)度增進(jìn)率下降甚至倒縮, 從而嚴(yán)重影響混凝土的耐久性能。因此在目前情況下, 應(yīng)更多的關(guān)注水泥的勻質(zhì)性和穩(wěn)定性。
水泥強(qiáng)度的大幅度波動, 無疑會嚴(yán)重影響混凝土強(qiáng)度等級的波動。如某廠的P·O42.5R 水泥強(qiáng)度極差大, 高的達(dá)56MPa, 而低的只有42.2MPa, 標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)3.5MPa 以上, 造成混凝土強(qiáng)度波動, 甚至個別試塊強(qiáng)度只有設(shè)計值的92%。只有水泥強(qiáng)度穩(wěn)定, 攪拌站方能設(shè)計出合理的配合比, 才能確保達(dá)到混凝土設(shè)計強(qiáng)度的要求, 不致發(fā)生工程事故。在施工中常常會碰到施工方要求“立即停用”某廠水泥, 甚至要求承擔(dān)工程質(zhì)量事故責(zé)任, 要求索賠等, 但在驗(yàn)證其水泥強(qiáng)度后, 并非不符合國家標(biāo)準(zhǔn), 而是強(qiáng)度達(dá)不到企業(yè)承諾指標(biāo), 實(shí)物強(qiáng)度極差過大, 按既定配合比作業(yè), 就發(fā)生了混凝土強(qiáng)度的大起大落。
目前水泥工廠生產(chǎn)高質(zhì)量熟料的技術(shù)已比較成熟, 在此不再討論, 而保持水泥勻質(zhì)性和穩(wěn)定性則主要在于保證進(jìn)廠原燃材料的穩(wěn)定、生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、有效的均化措施、合理儲存量、出廠水泥嚴(yán)格控制。一般來說, 立窯水泥廠水泥勻質(zhì)性比回轉(zhuǎn)窯廠差,大型窯、磨的產(chǎn)品勻質(zhì)性、穩(wěn)定性好。但不能忽視的是, 有些廠的同一品種同一強(qiáng)度等級的不同批次水泥, 其技術(shù)指標(biāo)如強(qiáng)度、顏色、需水量波動較大, 而與外加劑適應(yīng)性上波動更為突出, 究其原因, 是在工廠生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量管理方面存在不穩(wěn)定因素, 水泥生產(chǎn)廠應(yīng)立足于自身予以改進(jìn)。還應(yīng)提倡水泥生產(chǎn)廠與攪拌站加強(qiáng)溝通, 當(dāng)水泥廠生產(chǎn)條件( 如原材料、混合材變更,設(shè)備、控制手段出現(xiàn)問題, 不可抗拒自然災(zāi)害等) 發(fā)生變化時, 應(yīng)主動告知用戶, 以采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?/P>
2.2 努力解決水泥和外加劑適應(yīng)性問題
水泥與外加劑適應(yīng)性的影響因素很多, 一般認(rèn)為有: 水泥熟料的礦物組成、水泥細(xì)度( 比表面積) 和顆粒級配、石膏的種類和摻量、混合材種類和摻量、水泥溫度和水泥的陳放時間等。
解決水泥與外加劑適應(yīng)性問題應(yīng)雙向互動, 需要外加劑及水泥生產(chǎn)研發(fā)部門加強(qiáng)互相交流協(xié)作, 而不能相互推諉。在國家重點(diǎn)工程鄭西客運(yùn)專線的箱梁制作施工中, 聲威公司和蘇博特外加劑廠相互配合, 通過雙方努力, 成功解決了困擾施工的水泥與外加劑適應(yīng)性問題, 確保了工程正常進(jìn)行。
2.2.1 水泥熟料成分影響
水泥熟料中C3A 對外加劑的吸附量遠(yuǎn)高于其它礦物組成, 這是由于C3A 水化速度最快, 對減水劑的吸附量最大。C3A 含量高的水泥, 其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量上升, 有人作了定量研究, 當(dāng)C3A 含量上升1%, 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量也增加1%, 而混凝土用水量相應(yīng)提高6～7kg/m3。因此我們希望熟料中的C3A 要少一些,聲威涇陽公司在綜合考慮各種因素后將C3A 控制在6%左右, 低于我省大部分水泥廠家。
2.2.2 石膏的種類及摻量
不同品種和形態(tài)的石膏由于其溶解速度和溶解度不同、雜質(zhì)含量不同, 在很大程度上影響外加劑使用效果。韓越等人在研究了“不同石膏種類及摻量對高效減水劑—緩凝劑—水泥三元體系的輔助塑化效應(yīng)的影響”[2]后指出: “當(dāng)萘系高效減水劑摻量為l%的條件下, 摻用二水石膏時, 五種緩凝劑( 三聚磷酸鈉、葡萄糖酸鈉、檸檬酸、白糖、六偏磷酸鈉) 水泥凈漿流動度的絕對值最大, 流動度的經(jīng)時損失最小, 所以釆用二水石膏作為熟料的調(diào)凝劑是最佳選擇”, 而“在所用的三種石膏( 半水石膏、二水石膏、無水石膏) 中, 硬石膏與減水劑相容性最差”。因此, 我們必須明確認(rèn)識到: 按現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)作檢驗(yàn)時, 雖然不同品種、形態(tài)的石膏作緩凝劑都可能是合乎要求的, 但在預(yù)拌混凝土中由于摻入了外加劑, 情況發(fā)生了變化, 會發(fā)生水泥與外加劑不適應(yīng)的情況。資料[3]介紹了使用不同類型石膏粉磨成水泥, 摻用外加劑配制混凝土?xí)r, 混凝土坍落度及經(jīng)時變化的情況( 見表1) , 其結(jié)論與韓越等人的研究是一致的。
表1 不同種類石膏作調(diào)凝劑的水泥所配制的混凝土坍落度
此外, 磷石膏、氟石膏等工業(yè)副產(chǎn)品由于其雜質(zhì)及含量波動也會影響水泥和外加劑的適應(yīng)性。筆者曾在實(shí)際工作中經(jīng)歷過如下三種情況: ①2004 年10 月發(fā)現(xiàn)某廠適應(yīng)性良好的水泥, 使用后混凝土發(fā)生急凝, 追究其原因是使用了工業(yè)副產(chǎn)品磷石膏所致; ②2005 年某廠水泥在攪拌站使用時, 發(fā)生未到目的地就凝固, 經(jīng)查成分并無差異, 也用二水石膏,但后經(jīng)檢驗(yàn)該石膏SO3 雖在35%左右, 但結(jié)晶水只有4%, 實(shí)際上是硬石膏與二水石膏的混生物, 由于仍然存在“溶解速度”的問題, 致使發(fā)生不適應(yīng)狀況; ③水泥廠在粉磨水泥時即使用了優(yōu)質(zhì)二水石膏, 但因磨內(nèi)溫升過高造成石膏脫水, 工程使用時也發(fā)生急凝、假凝現(xiàn)象。
但值得注意的是, 我國優(yōu)質(zhì)石膏儲量不多, 從節(jié)約資源和利用工業(yè)廢料( 或副產(chǎn)品) 角度出發(fā), 水泥工業(yè)仍應(yīng)使用硬石膏、磷石膏和脫硫石膏。因此, 聲威公司正與西安建筑科技大學(xué)合作研究解決這一問題。
2.2.3 粉磨細(xì)度( 比表面積) 及顆粒級配和顆粒形狀
水泥細(xì)度問題是混凝土界和水泥界分歧最大的問題之一。為了最大限度的發(fā)揮熟料潛能, 目前多數(shù)水泥企業(yè)十分注重粉磨細(xì)度, 一般來說水泥磨得越細(xì)( 比表面積越高) , 細(xì)顆粒越多, 水泥水化越快, 有利于強(qiáng)度的發(fā)展。為此不少水泥廠采用了助磨劑, 有的甚至違規(guī)摻入“增強(qiáng)劑”。在混凝土界則認(rèn)為[1], “越細(xì)的水泥需水量越大, 與外加劑相容性越差, 水化熱越大,
開裂敏感性越大”。我們應(yīng)認(rèn)真考慮這一問題, 辯證地處理好這一問題。
從混凝土角度看, 下述問題確要引起我們注意:
1) 從聲威公司某月份數(shù)據(jù)可以看到粉磨細(xì)度和外加劑適應(yīng)性的關(guān)系, 見表2。
表2 聲威公司某月水泥的粉磨細(xì)度與外加劑的適應(yīng)性情況
從表2 可以看出, 凈漿流動度較好的6、7 號樣,其篩余明顯較大, 比表面積明顯較小。
2) 邱漢用萘系高效減水劑UNF- 5 與不同細(xì)度的水泥做了適應(yīng)性試驗(yàn)[1], 用相同水灰比的凈漿, 改變外加劑摻量, 分別于攪拌后5min 和60min 檢測流動度?，F(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果整理如表3。
表3 萘系高效減水劑UNF- 5 與不同細(xì)度水泥的適應(yīng)性
該結(jié)果表明, 隨著水泥比表面積的增大, 外加劑與水泥的適應(yīng)性隨之下降。
因此, 我們在水泥細(xì)度問題上不應(yīng)顧此失彼, 而應(yīng)科學(xué)、合理地作出處理。研究表明: 水泥中3～30μm的顆粒對水泥強(qiáng)度增長起主要作用, >60μm 的顆粒則對強(qiáng)度不起作用, 但起穩(wěn)定體積的作用, 可是熟料的潛力得不到充分發(fā)揮, 因此3～30μm 的顆粒應(yīng)占90%[4] ; < 10μm 的顆粒主要對早期強(qiáng)度起作用, 且需水量大, 其中< 3μm 的顆粒只起早強(qiáng)作用, 而流變性能好的水泥< 10μm 的顆粒應(yīng)當(dāng)< 10%, 過細(xì)的顆粒,粉磨電耗會急劇增加, 故不宜過多。我們還應(yīng)充分注意到, 目前制備混凝土?xí)r, 都摻了超細(xì)微粉( 礦渣微粉、1～2 級粉煤灰) , 也起到了調(diào)節(jié)混凝土中膠凝材料顆粒級配的作用。因此, 水泥廠應(yīng)予重視, 與混凝土業(yè)合作解決好這一問題, 找出水泥適宜的顆粒級配, 既有利于水泥廠節(jié)能增產(chǎn), 也能適應(yīng)混凝土工藝的需要, 那么雙方的矛盾就能迎刃而解了。水泥企業(yè)應(yīng)運(yùn)用新的檢測手段, 配置顆粒分析儀, 進(jìn)行對比、研究,找出合理的質(zhì)量控制指標(biāo)。
此外, 不少研究指出, 水泥的顆粒形狀對外加劑的適應(yīng)性有明顯影響, 水泥顆粒越接近球形, 其比面積越小, 外加劑塑化效果就越好。輥壓機(jī)作終粉磨時,水泥顆粒形狀復(fù)雜, 需水量偏高, 因此一般認(rèn)為, 輥壓機(jī)作終粉磨時適應(yīng)性不如球磨機(jī)粉磨的水泥好。
2.2.4 混合材的品種和摻入量
聲威公司技術(shù)中心曾對不同混合材( 礦渣、粉煤灰、石灰石) 以不同比例與熟料共同粉磨制得水泥后,進(jìn)行了水泥與外加劑適應(yīng)性的研究( 見表4) , 結(jié)果表明, 加入混合材能改善水泥與外加劑的適應(yīng)性, 而摻用不同種類的混合材、不同組合的水泥時則對外加劑適應(yīng)性會產(chǎn)生不同的效果。
表4 摻加不同混合材的水泥對外加劑的適應(yīng)性試驗(yàn)
注: 各試樣均摻入了0.75%的聚羧酸鹽外加劑。
從表4 可知水泥中摻入礦渣粉、粉煤灰、石灰石等混合材有利于改善漿體流動性能, 而雙摻效果較單摻好; 對改善水泥與外加劑適應(yīng)性的排序是: 石灰石>礦渣( 430m2/kg) >礦渣( 380m2/kg) >原狀二級粉煤灰>磨細(xì)二級粉煤灰( 550m2/kg) 。該結(jié)論可作為生產(chǎn)時選擇混合材種類、復(fù)摻組合的參考。
由于摻不同種類混合材的水泥對外加劑吸附能力不同, 從而產(chǎn)生了不同效果。從我們的經(jīng)驗(yàn)看, 摻礦渣對萘系減水劑適應(yīng)性優(yōu)于摻煤矸石的水泥, 摻煤矸石的水泥主要表現(xiàn)為流動性差、坍落度經(jīng)時損失大,但當(dāng)摻礦渣過多時易產(chǎn)生泌水。而摻不同品種形態(tài)粉煤灰時水泥與外加劑適應(yīng)性差異較大: 使用優(yōu)質(zhì)粉煤灰( 含碳量< 5%) 時的塑化效果好, 而使用含碳量高( >5%) 的粉煤灰時塑化效果差。應(yīng)提倡在水泥生產(chǎn)中復(fù)摻混合材, 而磨細(xì)石灰石粉最有利于改善適應(yīng)性。
從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā), 水泥廠在選擇混合材時,應(yīng)盡可能多摻工業(yè)廢物, 如銅川地區(qū)存在大量的煤矸石資源, 用煤矸石作水泥混合材會使需水量加大, 適應(yīng)性變差, 因而不受混凝土界歡迎。我們也正在與西安建筑科技大學(xué)合作, 通過復(fù)摻或開發(fā)研究新的外加劑等辦法來改善摻煤矸石水泥與外加劑的適應(yīng)性。
2.2.5 水泥中含堿量
聲威公司將生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的堿含量與適應(yīng)性好壞進(jìn)行了排隊(duì)后發(fā)現(xiàn), 對外加劑適應(yīng)性較好的水泥堿含量均較低, 而適應(yīng)性較差的水泥堿含量相對較高。所以控制較低且較穩(wěn)定的堿含量, 對提高水泥與外加劑的適應(yīng)性是有意義的。
2.2.6 水泥溫度及存放時間
水泥溫度過高, 其不良后果有二: 一是可能造成石膏脫水( 一般認(rèn)為二水石膏在超過135℃時將失去結(jié)晶水, 變?yōu)榘胨? ; 二是溫度較高水泥水化速度較快。表5 是不同溫度下的水泥在摻0.8%UNF、W/C=0.29 時凈漿流動度的變化情況[5]。
表5 不同溫度的水泥其凈漿流動度變化情況
水泥廠應(yīng)特別注意對水泥溫度的控制, 設(shè)法從熟料冷卻開始抓, 控制好入磨熟料溫度, 必要時可采取入磨前淋水或磨內(nèi)噴水。應(yīng)杜絕過熱水泥的出廠。
水泥廠為了加快周轉(zhuǎn), 希望水泥盡快出廠, 而混凝土界從經(jīng)驗(yàn)中得知, “新鮮水泥”會影響外加劑的塑化效果, 反而希望使用陳放一段時間后的水泥。事實(shí)上出粉磨設(shè)備時間間隔越短, 水泥顆粒間吸附、凝聚的能力越強(qiáng), 因而致使適應(yīng)性變差。
2.3 提供適應(yīng)用戶“個性”要求的產(chǎn)品
1) 低堿要求: 某些工程對使用水泥提出了低堿要求, 水泥廠家應(yīng)變更原料( 采用低堿硅石或砂巖代替黏土) , 改變窯磨工藝操作參數(shù), 按標(biāo)準(zhǔn)要求生產(chǎn)Na2O 當(dāng)量< 0.6%的水泥。1998 年陜西信息大廈基礎(chǔ)、2006 年鄭西客運(yùn)專線均使用低堿水泥。
2) 低水化熱水泥: 2005 年某攪拌站接受亞洲最大的( 長×寬×高為32m×22m×11.8m) 、超厚墻體( 3.2m) , γ射線輻射能量為15MV 防輻射混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)拌混凝土的供應(yīng), 需低熱礦渣水泥, 但當(dāng)時在省內(nèi)暫無此資源, 而工程急需開工, 經(jīng)認(rèn)真選擇, 某水泥廠提供了低C3A 含量( 熟料中< 6%) 的P·C32.5R 水泥, 經(jīng)試驗(yàn)其水化熱符合要求、配制混凝土收縮率低、與減水劑適應(yīng)性好、混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計要求, 經(jīng)專家論證后用于正式工程, 效果良好, 最可喜的是在施工階段有效地控制了可見裂縫。
3) 防止產(chǎn)生變形裂縫: 90 年代后, 隨著調(diào)整水泥的礦物組成、增大比表面積、提高早強(qiáng), 混凝土裂縫現(xiàn)象普遍增多。因此水泥廠應(yīng)適應(yīng)預(yù)拌混凝土的需要,
從礦物組成、細(xì)度、混合材、石膏、堿含量、水泥品種等方面進(jìn)行優(yōu)化。只要雙方緊密合作, 裂縫問題還是有望緩解和解決的。
3 結(jié)論
1) 預(yù)拌混凝土工藝有其特殊的技術(shù)要求, 水泥廠家應(yīng)提供與預(yù)拌混凝土工藝相匹配和適應(yīng)的水泥。
2) 預(yù)拌混凝土要求水泥的勻質(zhì)性與穩(wěn)定性是第一位的, 要求出廠水泥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)特別是強(qiáng)度穩(wěn)定, 不能大起大落。
3) 混凝土外加劑與水泥的適應(yīng)性問題應(yīng)由水泥廠家與外加劑生產(chǎn)廠雙向努力予以解決, 水泥廠家可從熟料礦物組成和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、合理選擇粉磨細(xì)度( 比表面積) 及優(yōu)化顆粒級配和顆粒形狀、在粉磨過程中合理確定石膏品種及摻量、混合材的種類及摻量、控制含堿量、降低水泥溫度和適當(dāng)陳化時間等方面來改善適應(yīng)性。
4) 在預(yù)拌混凝土有特殊要求時, 水泥廠應(yīng)能提供適應(yīng)用戶“個性”要求的產(chǎn)品, 如低堿水泥、水化熱低的水泥, 對抗裂性能有要求時, 應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要適度調(diào)整熟料化學(xué)成分、粉磨細(xì)度以及石膏和混合材的品種和摻入量等。
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