摘要:按照傳統(tǒng)理論方式混凝土是按強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，衡量混凝土質(zhì)量的最終標(biāo)準(zhǔn)主要是混凝土的強(qiáng)度。因此混凝土生產(chǎn)商對(duì)水泥質(zhì)量品質(zhì)的要求也就是強(qiáng)調(diào)其強(qiáng)度；推而言之，認(rèn)為強(qiáng)度越高的水泥其質(zhì)量也就越高。依照如此觀點(diǎn)，造成近年來(lái)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫尤其是早期開(kāi)裂的現(xiàn)象日益普遍。其原因很復(fù)雜。單從水泥來(lái)說(shuō)，比表面積、礦物組成中C3A、C3S、堿含量的增加，外加劑的摻入量和外加劑的品種性能，d．溫度過(guò)高的出廠水泥用于混凝土攪拌站，生產(chǎn)預(yù)拌混凝土，都增加了開(kāi)裂的敏感性，降低了混凝土的流變性能，這是混凝土的原材料中影響混凝土產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因。因此，應(yīng)當(dāng)把抗裂性作為水泥質(zhì)量品質(zhì)的重要要求，并對(duì)外加劑的摻入量和外加劑的品種性能作出嚴(yán)格的規(guī)定。
1、 前 言
水泥和混凝土的關(guān)系，前者是后者產(chǎn)品質(zhì)量的賴以生存的根基。水泥的強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度越來(lái)越高，雖然也是生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步的一種表現(xiàn)，但也是一種盲目地追求市場(chǎng)結(jié)果的商業(yè)性行為——即滿足混凝土早期強(qiáng)度不斷提高的要求。從過(guò)去的習(xí)慣性思維來(lái)講，由于人們對(duì)工程質(zhì)量所注重的就是混凝土的強(qiáng)度表征，自然對(duì)水泥的要求也主要注重強(qiáng)度。盡管由于混凝土的耐久性問(wèn)題開(kāi)始顯現(xiàn)，人們開(kāi)始重視混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性，但在實(shí)踐中仍然把強(qiáng)度作為混凝土質(zhì)量要求和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。尤其近兩年來(lái)，混凝土施工中高效減水劑與水泥相容性不好的問(wèn)題發(fā)生得比過(guò)去更多，地下連續(xù)墻和樓板甚至大梁開(kāi)裂問(wèn)題頻頻發(fā)生。其原因很復(fù)雜，涉及多方面因素，包括開(kāi)發(fā)商、業(yè)主、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)商、材料供應(yīng)商、施工管理商等等。即使這些問(wèn)題避開(kāi)不談，就材料本身來(lái)說(shuō)，混凝土的質(zhì)量不只是配合比的問(wèn)題。設(shè)計(jì)的混凝土配合比只要是與原材料性質(zhì)相匹配，質(zhì)量差的原材料也很難做出高質(zhì)量的混凝土商品，因此，有必要追溯原材料方面的原因。
只要混凝土骨料的質(zhì)量品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)的配合比要求，在原材料中，影響混凝土抗裂性的主要因素是水泥。購(gòu)進(jìn)水泥時(shí)只檢驗(yàn)強(qiáng)度(當(dāng)然有時(shí)還可能復(fù)驗(yàn)一下凝結(jié)時(shí)間)是不能判斷水泥對(duì)混凝土抗裂性影響的。例如，兩個(gè)不同廠家生產(chǎn)的相同品種水泥，B廠水泥的混凝土在約束條件下由于自收縮而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，使其對(duì)開(kāi)裂敏感；A廠的水泥則稍有膨脹而有較小的約束應(yīng)力，抗裂性較好。因此水泥、混凝土工作者應(yīng)當(dāng)除了關(guān)心按現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水泥性質(zhì)外，更加關(guān)心水泥在混凝土中的行為，即對(duì)混凝土抗裂性能的影響。
隨著商品混凝土的普及，混凝土的早期開(kāi)裂現(xiàn)象普遍增多，一般情況無(wú)外乎以下兩種現(xiàn)象：
1.1塑性開(kāi)裂
由于塑性階段混凝土失水速度大于泌水速度，造成表層混凝土的失水收縮，受內(nèi)部混凝土與鋼筋的約束造成受拉開(kāi)裂?，F(xiàn)今水泥的早強(qiáng)特性及外加劑的摻加使用不適當(dāng)，使得混凝土較快或者過(guò)于緩慢凝結(jié)。凝結(jié)較快時(shí)易造成塑性開(kāi)裂；當(dāng)混凝土長(zhǎng)時(shí)間處于塑性狀態(tài)，將增加其塑性開(kāi)裂的可能性，塑性開(kāi)裂時(shí)對(duì)鋼筋硅耐久性，特別是砼碳化導(dǎo)致的鋼筋銹蝕有很大危害。
1.2早期硬化開(kāi)裂
瑞典水泥和混凝土研究所研究人員1980年發(fā)現(xiàn)，混凝土成型后水化塑性減小，彈性模量E增加，成型后4—8小時(shí)，E值從不起10MPa～102MPa迅速增大到104MPa—105MPa，增加了3個(gè)數(shù)量級(jí)。而此時(shí)抗壓和抗拉強(qiáng)度只以正常的速度增長(zhǎng)，因此極限應(yīng)變由2h的4．0×10—3急劇下降，6h～8h的應(yīng)變降到最低值0．04×10—3左右，隨后又逐步增大到硬化后混凝土的正常極限拉應(yīng)變0.1×10—3。早期硬化混凝土有一個(gè)極限拉應(yīng)變最低的時(shí)段，而現(xiàn)在水泥高早期產(chǎn)生的水化熱，水泥膠凝材料的高細(xì)度和低水膠比，因高效減水劑造成的濕潤(rùn)角和毛細(xì)孔水力半徑的降低，使得毛細(xì)孔壓力增加，早期收縮(包括自收縮)可能在混凝土凝固初期就超過(guò)它的極限應(yīng)變值而造成開(kāi)裂。研究表明：24h抗壓強(qiáng)度值越小，則早期收縮值、彈性模量E也越低，而徐變則較大，有利于減小早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。有研究表明24h混凝土抗壓強(qiáng)度值為12MPa時(shí)是拐點(diǎn)。因此，為保障混凝土的后期性能，選擇合適的早期性能水泥、摻合料(品種、摻量)、外加劑對(duì)混凝土的凝結(jié)影響是極其重要的。
出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是隨著水泥強(qiáng)度不斷提高后才發(fā)生的，不同水泥廠家采用不同的方法滿足強(qiáng)度(尤其足早期強(qiáng)度)的要求，例如提高比表面積，增加C3S、C3A的含量等，我國(guó)有的水泥廠甚至還采用一些什么“增強(qiáng)劑”之類的措施(注意正像—些食品添加劑，短期無(wú)害，長(zhǎng)期不一定安全)。
由于建筑業(yè)市場(chǎng)需求的變化，現(xiàn)代水泥的組成和細(xì)度發(fā)生廠很大變化。美國(guó)從1920年到1999年，70年中水泥和混凝土主要參數(shù)的變化的趨勢(shì)是水泥中C3S含量從35％增加到50～60％，比表面積從220cm2／kg增加到340～600m2／kg，混凝土的水灰比從0．56～0．8降低至0．26～0．56。水泥的7d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了幾乎2．5倍。近年來(lái)國(guó)外許多專家根據(jù)實(shí)際調(diào)查研究，對(duì)這種趨勢(shì)提出了批評(píng)，指出當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)不斷增多的過(guò)早劣化現(xiàn)象主要原因是與此趨勢(shì)有關(guān)。認(rèn)為：“20世紀(jì)混凝土業(yè)為滿足越來(lái)越高的強(qiáng)度要求，不可避免地違背了材料科學(xué)的基本規(guī)律——即開(kāi)裂與耐久性之間存在的密切關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可持續(xù)發(fā)展的這個(gè)目標(biāo)，有必要更新一些觀念和建設(shè)實(shí)踐?！?
我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂的方針是“與國(guó)際接軌”，因此也是在按此趨勢(shì)發(fā)展。回顧這段發(fā)展，分析其與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)系，會(huì)有助于我們更新觀念，從關(guān)注強(qiáng)度轉(zhuǎn)變到關(guān)注耐久性，從耐久性的角度來(lái)評(píng)價(jià)水泥和混凝土的質(zhì)量。
2 我國(guó)水泥質(zhì)量品質(zhì)變化的簡(jiǎn)單回顧
從水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂能反映出水泥質(zhì)量品質(zhì)的變化(不說(shuō)“質(zhì)量”而說(shuō)“質(zhì)量品質(zhì)”是為了避免對(duì)當(dāng)前水泥產(chǎn)品質(zhì)量的褒貶)。修訂水泥標(biāo)準(zhǔn)的目的當(dāng)然是想通過(guò)修訂標(biāo)準(zhǔn)提高水泥的質(zhì)量，但是由于缺乏與水泥的終端產(chǎn)品一一混凝土結(jié)構(gòu)工程的聯(lián)系，以至于忽視了水泥的質(zhì)量品質(zhì)對(duì)提高混凝土質(zhì)量(不能只看到強(qiáng)度更重要的是耐久性)的影響。
二十多年來(lái)，我國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了三次大的修訂。第一次修訂的標(biāo)準(zhǔn)于1979年7月開(kāi)始實(shí)施，第二次是1992年開(kāi)始逐步實(shí)施，第三次，即最近的一次是1999年開(kāi)始實(shí)施。各次修訂的基本出發(fā)點(diǎn)都是“與國(guó)際接軌”(盡管前兩次還沒(méi)有這個(gè)詞，但實(shí)質(zhì)意義相同)，以促進(jìn)我國(guó)水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。
第一次修訂是將我國(guó)使用了20多年的“硬練”強(qiáng)度檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)改為“軟練”強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)。
這次修訂水泥標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果是增加了熟料中的C3S和C3A含量，水泥細(xì)度從比表面積平均300m2／kg增加到平均330m2／kg，提高了水泥強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度，同時(shí)也提高了水化熱。因檢驗(yàn)強(qiáng)度的水灰比大幅度增加，減小了摻入礦物摻和料后的強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。
第二次修訂后的GBl75—92、GBl344—92等強(qiáng)凋了水泥的早期強(qiáng)度，28d強(qiáng)度均提高了2%，增加了R型水泥品種。該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化了3d早期強(qiáng)度意識(shí)，倡導(dǎo)多生產(chǎn)R型水泥。普通水泥的細(xì)度進(jìn)一步變細(xì)，從篩析法的<12%，改為<10%。
GBl75(—1999)GB1344(—1990)等把強(qiáng)度檢驗(yàn)的加水量改為0．50，取消了GBl75—92中的325#水泥，水泥的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。迫使水泥廠以提高C3S、C3A和比表面積來(lái)提高水泥的強(qiáng)度。
某廠對(duì)21種來(lái)自不同廠家的熟料(包括新型干法水泥和立窯水泥的)進(jìn)行分析，C3S超過(guò)60%的有4個(gè)樣本(占總樣本的19%)，超過(guò)58％的(含60%以上的)有10個(gè)(占47.6%)。有17個(gè)樣本的C3A含量超過(guò)10%。大部分水泥細(xì)度超過(guò)了350m2／kg。
綜上所述，可見(jiàn)我國(guó)水泥各有關(guān)參數(shù)和性質(zhì)變化的歷程和趨勢(shì)與國(guó)外的相似。特點(diǎn)是增加C3S、C3A、細(xì)度趨向于細(xì)，因而強(qiáng)度尤其早期強(qiáng)度不斷提高。此外，上世紀(jì)70年代后期我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外新型干法先進(jìn)水泥生產(chǎn)工藝，使水泥的含堿量提高，尤其使用北方的原材料的水泥含堿量普遍較高。GBl75(—1999)對(duì)水泥中含堿量進(jìn)行了限制，但只是出于對(duì)預(yù)防堿—骨料反應(yīng)的考慮。這種變化的趨勢(shì)雖然對(duì)混凝土提高早期強(qiáng)度有利，但卻增加了混凝土的溫度收縮、干燥收縮，在加上較低水灰比產(chǎn)生的自收縮，處于約束條件下的混凝土結(jié)構(gòu)較大的收縮變形，因過(guò)高的早期強(qiáng)度而提高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的應(yīng)力。而早期強(qiáng)度過(guò)高，又使得緩釋收縮應(yīng)變的徐變很小，于是開(kāi)裂成為必然。
下面將要分別研究上述幾個(gè)因素對(duì)混凝土抗裂性造成的影響：
3 水泥礦物組成的影響
眾所周知，硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種，它們的水化性質(zhì)不同，在水泥中所占比例不同時(shí)將影響對(duì)水泥整體的性質(zhì)。
表1所示為水泥中四種主要礦物的水化熱和這四種主要礦物的收縮率。
C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍，尤其在混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)揮時(shí)期。C3S的水化熱雖然比C3A的小很多，但在3天卻是C2S水化熱的幾乎5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大；C3A的收縮率是C2S收縮率的3倍，是C4AF的4～5倍。因此用C3A含量較大的早強(qiáng)水泥澆筑的混凝土容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開(kāi)裂。
4 各種外加劑對(duì)混凝土性能的影響
4.1 減水劑
目前我國(guó)混凝土尤其是中等以上強(qiáng)度等級(jí)的混凝土普遍使用高效減水劑和其他外加劑。當(dāng)高效減水劑產(chǎn)品一定時(shí)，水泥的成分(主要是含堿量、C3A及其相應(yīng)的SO3含量)和細(xì)度是影響水泥和高效減水劑相容性的主要因素。近年來(lái)隨著水泥細(xì)度的變化加劇了水泥與高效減水劑的相容性問(wèn)題。
混凝土干縮主要與混凝土中5～30nm孔徑毛細(xì)孔所保持的水分有關(guān)；減水劑在混凝土中的作用，是使硬化混凝土中的毛細(xì)孔孔經(jīng)減小，有實(shí)驗(yàn)證明：未添加減水劑的混凝土，水泥漿體的最可幾孔徑為389，而加入減水劑的則為240 。
摻加高效減水劑后，低水灰比使集料和水泥石間的彈性模量減小，集料水膜層厚度減薄，過(guò)渡區(qū)Ca(OH) 2及AFt的大小及趨向程度大大減小，導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)毛細(xì)孔細(xì)化，增強(qiáng)過(guò)渡區(qū)收縮。
4.1.1 混凝土干燥失水時(shí)，孔隙液越集中于小孔隙中，含液孔隙半徑愈來(lái)愈小
現(xiàn)今普遍使用高效減水劑，其溶液與水泥濕潤(rùn)角下降較多，而其氣液表面張力一般下降不多，再加上分散作用，使孔隙半徑下降，將會(huì)增加收縮。內(nèi)部毛系孔壓力導(dǎo)致的混凝土收縮，其孔隙中的壓力可由拉普拉斯公式表示：
ΔP=Pν—Pc=2γcosθ／r
式中，Pν——孔隙水蒸氣壓力，kPa
Pc——孔隙水壓力，kPa
γ——?dú)庖罕砻鎻埩Γ琺N／m
r——孔隙水力半徑，m
θ——濕潤(rùn)角，在混凝土中θ<90°
新型高效減水劑如聚羧酸的γ值有較多下降，其混凝土收縮也有所下降，見(jiàn)表2和圖。
4.1.2 低水膠比混凝土的自收縮
隨著混凝土技術(shù)的進(jìn)步，高效減水劑的使用，出現(xiàn)了低水膠混凝土，隨著水化的進(jìn)行試件表面的水分向內(nèi)部遷移，水膠比越小，在混凝土硬化后這種遷移越困難，內(nèi)外差別越小，內(nèi)部含水率也越低。硬化后的混凝土，水泥水化的化學(xué)減縮會(huì)使混凝土的內(nèi)部形成毛細(xì)孔。當(dāng)孔隙水的遷移速率低于毛細(xì)孔的形成速率時(shí)，則內(nèi)部含水率自發(fā)地降低，孔隙濕度降低，引起毛細(xì)管壓力增大，而加重自干燥收縮。自干燥產(chǎn)生的原始裂縫，將影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性，濕度降低導(dǎo)致的毛細(xì)孔壓力可由開(kāi)爾文公式表示：
P= Pν—Pc =[(RT)／(MV)]× 1n(h) (2)
式中，Pv——孔隙水蒸氣壓力，kPa
Pc——孔隙水壓力，kPa
R——理想氣體常數(shù)，JK-1mol-1
T——開(kāi)爾文溫度，K
M——水克分子量，g
V——一mol水的體積量，m’
h——相對(duì)濕度，%
ln——自然對(duì)數(shù)
4.2 礦物摻合料
4.2.1 膨脹劑
膨脹劑因鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)的生成產(chǎn)生體積膨脹，從而補(bǔ)償混凝土的收縮。摻膨脹劑混凝土只有在限制條件下，才能使混凝土硬化漿體和界面至密，存儲(chǔ)膨脹能，因此，限制膨脹率是使用膨脹劑的基本指標(biāo)。
膨脹劑在混凝土中產(chǎn)生膨脹與諸多因素有關(guān)，如：
a．水泥及摻合料中C3A、SO3含量
在一定的范圍內(nèi)，較高的SO3含量會(huì)導(dǎo)致較高的限制膨脹率；同時(shí)，C3A含量愈高，其限制膨脹率也就愈大。然而，熟料中的C3A含量—般在7%～15%，這就直接會(huì)導(dǎo)致?lián)郊优蛎泟┑乃嗷炷僚蛎浡实牟▌?dòng)。
b．凝結(jié)時(shí)間
混凝土凝結(jié)時(shí)間愈長(zhǎng)，鈣礬石消耗在塑性狀混凝土中的量愈多，膨脹率將會(huì)大大下降，，因此，應(yīng)選擇與混凝土凝結(jié)時(shí)間相適應(yīng)的，亦即生成鈣礬石速度適宜的膨脹劑，或者選擇抑制膨脹劑水化的緩凝劑。
c．膨脹劑可以造成的危害
使用膨脹劑合理的情況下(合適的水泥、摻量、養(yǎng)護(hù)等)，在混凝土中將會(huì)產(chǎn)生較好的效果。如養(yǎng)護(hù)不合適，可能造成破壞性后果。
硫鋁酸鹽類膨脹劑，水泥水化后形成的鈣礬石，其結(jié)晶水的吸附和脫離是可逆過(guò)程。在干燥條件下比一般水化礦物更易脫水，因此干縮較大。為了防止收縮裂縫，應(yīng)選擇膨脹結(jié)束后收縮較小的膨脹劑。鈣礬石的生成需要大量的水，當(dāng)水分供應(yīng)不充分時(shí)，會(huì)消耗內(nèi)部會(huì)與水泥爭(zhēng)奪水份，加劇自收縮。大體積混凝土中較高溫度(>85℃)及摻加膨脹劑的蒸養(yǎng)混凝土由于AFt在此溫度下不能保持穩(wěn)定，從而形成AFm。較多的SO3含量會(huì)造成延遲鈣礬石的形成，導(dǎo)致混凝土的后期開(kāi)裂。
從一般常識(shí)上講，摻加膨脹劑混凝上，其膨脹礦物較易失水，膨脹降低孔隙的孔徑，導(dǎo)致5～30nm孔增多，其膨脹之后，在干燥的環(huán)境中有較大的收縮落差。若光考慮水中限制膨脹率，仍可能造成后期開(kāi)裂。
c．粉煤灰
粉煤灰加入水泥混凝土中，將降低水化速率，使導(dǎo)水化較快的膨脹劑的膨脹效率降低。粉煤灰與Ca(OH)2的火山灰效應(yīng)將增大混凝土中的凝膠份額，使更多的膨脹能消耗在凝膠的粘性流動(dòng)中。
粉煤灰等量替代硅酸鹽水泥，在粉煤灰漿體有相同的水膠比下與硅酸鹽水泥相比，由于早期粉煤灰反應(yīng)程度較小，粉煤灰水泥漿體的空隙率明顯大于硅酸鹽水泥漿體。28天粗孔(C>l000)明顯多于硅酸鹽水泥混凝土試件。
在混凝土凝結(jié)后期，粉煤灰與水泥水化生成的Ca(COH)2亦生成C—S—H凝膠。這部分水化生成物一部分沉積在粉煤灰顆粒表面，另一部分填充在水泥水化生成物如Ca(COH) 2粗晶體與C—S—H凝膠之間的粗空中，使整個(gè)漿體孔發(fā)生細(xì)化，整個(gè)收縮將向硅酸鹽水泥混凝土靠近。
4.2.3 礦 粉
現(xiàn)今一般使用的超細(xì)礦粉，使整個(gè)膠結(jié)材料的粒徑分布發(fā)生變化，改進(jìn)基體與界面的孔結(jié)構(gòu)。礦粉的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥，則產(chǎn)生填充作用，使得混凝土的孔洞結(jié)構(gòu)細(xì)化。超細(xì)礦粉從幾乎是由玻璃體組成，高鈣玻璃相與高鋁中硅玻璃相的復(fù)合體系水化液相主要為Ca2+、AlO2-和SiO2-4。當(dāng)有SiO2-4存在時(shí)，則生成穩(wěn)定性好，溶積度小的AFt，這又促使兩種玻璃體失去穩(wěn)定性，加上較大的比表面積，使超細(xì)礦粉具有較高的活性，與Ca(OH) 2反應(yīng)生成較多的成C—S—H凝膠，并使得過(guò)渡區(qū)和基體的孔隙細(xì)化，有實(shí)驗(yàn)證明其等量替代混凝土的早期自干燥收縮較大，后期收縮與未摻礦粉的混凝土相當(dāng)。
4.2.4 合成纖維
在混凝土的塑性收縮狀態(tài)下，若在其中摻加適量的細(xì)纖維，并使細(xì)纖維成三維網(wǎng)絡(luò)狀分布，則可承受因不一致的變形而引起的內(nèi)應(yīng)力，從而抑制塑性裂縫的生成與發(fā)展。纖維在塑性混凝土階段的阻裂效應(yīng)，可以看作是纖維對(duì)塑性混凝土的增強(qiáng)作用，這種增強(qiáng)作用的有效性主要和纖維在混凝土中的分散程度有關(guān)，即纖維愈細(xì)，纖維間距愈小，增強(qiáng)作用愈有效。
當(dāng)纖維混凝土中的拉應(yīng)力達(dá)到基材抗拉強(qiáng)度時(shí)，基材出現(xiàn)裂縫。但因纖維的阻裂作用使裂縫難于擴(kuò)大，橫跨裂縫的纖維又將拉應(yīng)力傳遞至纖維混凝土未開(kāi)裂的部位，因而出現(xiàn)新的細(xì)裂縫，最終在纖維混凝中存在多出微細(xì)裂縫，但纖維混凝土并未發(fā)生發(fā)生開(kāi)裂。
5 水泥細(xì)度對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響
目前，在我國(guó)大多數(shù)水泥粉磨條件下，水泥磨得越細(xì)，其中的細(xì)顆粒越多。增加水泥的比表面積能提高水泥的水化速率，提高早期強(qiáng)度，引起徐變松馳能力下降，彈性模量增加。粒徑在1μm以下的顆粒水化很快，幾乎對(duì)后期強(qiáng)度沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。倒是對(duì)早期的水化熱、混凝土的自收縮和干燥收縮有貢獻(xiàn)——水化快的水泥顆粒水化熱釋放得早；因水化快消耗混凝土內(nèi)部的水分較快，引起混凝土的自干燥收縮；使收縮速度大大增加，細(xì)顆粒容易水化充分，產(chǎn)生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化物。粗顆粒的減少，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆粒，因而影響到混凝土的長(zhǎng)期性能，尤其水泥用量大的比低水灰比混凝土未水化顆粒對(duì)抑制干燥收縮有極大貢獻(xiàn)。
例如，美國(guó)1937年按特快硬水泥生產(chǎn)的水泥與現(xiàn)今水泥的平均水平的組成和細(xì)度相當(dāng)，當(dāng)時(shí)采用這種快硬水泥的混凝土10年后強(qiáng)度倒縮了；而1923年使用粗水泥的混凝土，直到50年強(qiáng)度還在增長(zhǎng)。水泥細(xì)度還會(huì)影響混凝土的抗凍性，這可能是細(xì)水泥的易裂性可能與其低抗拉強(qiáng)度有關(guān)。
6 水泥中含堿量和混凝土開(kāi)裂的關(guān)系
GBl75(—1999)出于對(duì)預(yù)防堿—骨料反應(yīng)的考慮對(duì)水泥中含堿量進(jìn)行了限制。
Burrows在美國(guó)克羅里達(dá)的青山壩對(duì)104種混凝土的面板進(jìn)行了53年的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂嚴(yán)重的劣化了的混凝土中，有的水泥含堿量高，但所用骨料并沒(méi)有堿活性；還有的使用高堿水泥同時(shí)所用骨料也有相當(dāng)?shù)膲A活性，但是檢測(cè)的結(jié)果卻沒(méi)有堿—骨料反應(yīng)的產(chǎn)物，而混凝土卻因開(kāi)裂而劣化了，這表明堿能促進(jìn)水泥的收縮開(kāi)裂。
Blaine用環(huán)形收縮測(cè)定儀測(cè)定水泥中含堿量對(duì)水泥開(kāi)裂情況的的影響以及1996年相應(yīng)水泥混凝土狀況，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)當(dāng)量在0．6以下時(shí)對(duì)混凝土狀況有所改善，同時(shí)注意到了水泥的細(xì)度和可經(jīng)受住550次凍融循環(huán)，用粉磨的高堿水泥則經(jīng)受不到100次凍融循環(huán)。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局對(duì)199種水泥進(jìn)行了18年以上的調(diào)研，大量發(fā)現(xiàn)混凝土的開(kāi)裂是受堿含量、細(xì)度、C3A和C3S等因素的影響。即使水泥有相同水化率(也包括強(qiáng)度)和相同的自由收縮，顯然低堿水泥有內(nèi)在的抵抗開(kāi)裂的能力。當(dāng)含堿量低于0.6%Na2O當(dāng)量時(shí)，水泥的抗裂性明顯增加，當(dāng)含堿量進(jìn)一步降低到趨向于0時(shí)，這種能力會(huì)進(jìn)一步改善。
雖然，堿—骨料反應(yīng)必須在混凝土中有足夠的含堿量、足夠數(shù)量的堿活性骨料和足夠的水分供應(yīng)這三個(gè)條件同時(shí)存在的情況下才會(huì)發(fā)生，并不要求任何情況下都限制水泥的含堿量，但是，促進(jìn)混凝土收縮裂縫的生成和發(fā)展以至造成混凝土結(jié)構(gòu)物的劣化，卻是高含堿量水泥對(duì)混凝土更大的安全威脅。不管是否使用活性骨料，必須將水泥中的含堿量減到最少。
7 對(duì)水泥抗裂性評(píng)價(jià)和選擇方法的推薦
用環(huán)形約束試驗(yàn)評(píng)價(jià)水泥域混凝土抗裂性的方法已有60多年的歷史。世界許多國(guó)家的學(xué)者對(duì)鋼環(huán)的材料、尺寸、信息收集和處理方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)，以至基于彈性力學(xué)的力學(xué)模型等都有研究，并分別用此方法研究過(guò)影響水泥和混凝土開(kāi)裂敏感性的因素。Burrows建議使用Blaine的方法評(píng)價(jià)水泥的抗裂性：開(kāi)裂時(shí)間<1h的是很差的水泥，開(kāi)裂時(shí)間>15h的為優(yōu)。清華大學(xué)建材研究所的學(xué)者對(duì)此方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：按他們選用的鋼環(huán)材料和設(shè)計(jì)的鋼環(huán)尺寸，來(lái)進(jìn)行環(huán)形試驗(yàn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的混凝土所用膠凝材料的抗裂性結(jié)果是有效的。這種試驗(yàn)當(dāng)使用熱膨脹系數(shù)小的材料時(shí)，不僅可檢測(cè)水泥的干縮開(kāi)裂性能，還可檢測(cè)由于溫度收縮引起的開(kāi)裂性能。
8 討論和建議
8．1 眾所周知，凡是能提高混凝土早期強(qiáng)度的因素，都會(huì)影響混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，目前在配制混凝土?xí)r都有較大的強(qiáng)度富余，以期補(bǔ)償這種后期強(qiáng)度的損失，這無(wú)疑造成很大的浪費(fèi)。事實(shí)上現(xiàn)在看來(lái)，問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)比此種行為更為嚴(yán)重，早期的高強(qiáng)度所帶來(lái)的后患是混凝土結(jié)構(gòu)物提早劣化。因此，除非工程有特別特殊需要，一般情況下應(yīng)盡量避免使用早強(qiáng)水泥。
8．2 混凝土早期高強(qiáng)度的需求促使了水泥向高C3S和高C3A、高比表面積方向發(fā)展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超細(xì)礦物摻和料的使用，以及水泥出廠溫度普遍過(guò)高以及各種混凝土外加劑的使用，造成在約束狀態(tài)下的混凝土因溫度收縮、自收縮、干燥收縮和較高的早期彈性模量而產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，早期的低徐變無(wú)法緩解這種應(yīng)力，而產(chǎn)生早期裂縫；內(nèi)部不可見(jiàn)的微裂縫在混凝土長(zhǎng)期使用過(guò)程的：廠燥環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展，是混凝土提早劣化的主要原因。
8．3 高含堿量的水泥會(huì)生成抗裂性能很差的凝膠，加重混凝土后期的干燥收縮，所以不論骨料是否有堿活性，都應(yīng)當(dāng)限制對(duì)水泥和混凝土中的含堿量。
8．4 水泥和混凝土質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門要有像管理食品添加劑那樣管理水泥和混凝土生產(chǎn)中的“各種添加劑”一類的技術(shù)措施，要求產(chǎn)品出廠時(shí)應(yīng)注明添加劑的主要成分，并有1年以上添加劑的長(zhǎng)期觀測(cè)的數(shù)據(jù)，證明其對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能的影響。
8．5 因加強(qiáng)混凝土減縮劑及堿骨料反應(yīng)抑制材料研究及應(yīng)用；
8．6 使用膨脹劑前應(yīng)作充分實(shí)驗(yàn)；
8．7 建議今后在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，要對(duì)水泥和混凝土的質(zhì)量品質(zhì)增加抗裂性的技術(shù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)要求。
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