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1、-word.zl-从混凝土角度讨论道路水泥的矿物组成 2007-11-23 作者:王善拔 广州市建筑材料研究所 陈义兵 湖北武汉长江科学院 摘要 从影响混凝土的收缩和耐磨性的因素出发,讨论道路水泥的矿物组成。由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的 1/5,而耐磨性随着水灰比的降低而提高,因此过分追求道路水泥中的C4AF含量高和降低C3A含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干缩性能,相反会给回转窑特别是预分解窑厂生产道路水泥带来困难。为此,建议适当降低道路水泥中C4AF 和 C3A 含量的限制。关键词 混凝土,道路水泥,矿物组成 1 引言 随着国民经济的开展,交通运输部门要求更多的高等级
2、公路。为适应混凝土路面施工的要求,我国研制、生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准。道路硅酸盐水泥标准规定其 C4AF 含量不小于 16%,C3A 不大于 5%,这主要是为了满足水泥的收缩和耐磨性能的指标。然而这一规定似乎从水泥浆体的性能考虑较多,而从混凝土角度的考虑欠缺。作为建筑材料,水泥只是一种半成品,它最终必须制作成混凝土,以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中。因此,道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑。本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根底上,对道路水泥熟料矿物组成提出一点看法。2 混凝土的收缩及其影响因素 混凝土的收缩主要有塑性收缩、自收缩
3、、枯燥收缩和碳化收缩。2.1 塑性收缩 塑性收缩是新拌混凝土失水引起的收缩。它的失水是由外表脱水而引起。新拌混凝土颗粒之间的空间完全充满水,当受高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度等因素作用-word.zl-时,水从浆体内部向外表移动,从外表脱水,这时,产生毛细管负压力,随着失水增加,毛细管负压逐渐增大,产生收缩力,使浆体产生收缩。当收缩力大于集体的抗拉强度时,就会使外表产生开裂。图 1 水泥净浆、砂浆和混凝土的 24h塑性收缩1 图 1 为水泥净浆、砂浆和混凝土在浇灌后 24h的塑性收缩,实验条件为温度 20、相对湿度 50%、风速 1m/s。从图 1 可看出,水泥净浆、砂浆和混凝土
4、24h 塑性收缩分别为 6.6mm/m、4.4mm/m 和 1.8mm/m,说明集料对混凝土早期的塑性收缩有抑制作用。从图 1 还可看出,水泥净浆、砂浆和混凝土早期塑性收缩最大速率发生在 14h,此后收缩平缓。因此在收缩速率发生的时期采取保护措施对防止混凝土的塑性收缩裂缝很有必要。例如,在上述试验条件下,在混凝土梁上铺设 2cm 厚的 11 砂浆,在 20min 时出现收缩裂缝,而 12 的砂浆在 1h10min 出现收缩裂缝,而 12.5的砂浆那么不开裂。对于混凝土,采取人工保持混凝土外表潮湿可防止水分的蒸发而防止收缩裂缝的出现。另外,使用高标号水泥,减少水泥用量而增加集料用量可以减少混凝土
5、早期塑性收缩。据认为1,影响混凝土塑性收缩的主要因素是风速、相对湿度、气温和混凝土本身的温度。高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度将使混凝土的失水加剧,从而增加塑性收缩。据报导,2cm 厚的纯波特兰水泥净浆条板,在温度为 20、相对湿度为 50%的条件下,无强制通风 8h,其收缩率为 170010-6,而风速为 0.6m/s、1m/s 的条件下经过 8h,其干缩率分别为600010-6和 730010-6,这说明风速增大使水泥浆体的收缩增大。R.Dutron 的实验1也证实混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高
6、因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-此结果,他还提出,当风速为 78m/s、气温为 20时,收缩为 1400010-6,而 10
7、0时为1900010-6,说明温度提高,收缩增大。对于混凝土来说,其水泥用量和水灰比对其塑性收缩影响很大,水泥用量为 200kg/m3、350kg/m3和 500kg/m3的混凝土,其收缩率分别为 80010-6、160010-6和 230010-6;水灰比为 0.45、0.50、0.55和 0.60的混凝土,其早期收缩率分别为100010-6、153010-6、160010-6和 135010-6(注:原文如此)。从这些数据我们可以看出,降低环境风速,降低温度和提高相对湿度,减少水泥用量而增加集料用量,降低水灰比等措施均有利于减少混凝土的塑性收缩。混凝土的塑性收缩在夏季最为严重。据认为1,假
8、设混凝土外表脱水速率超过 0.5kg/(m2h),那么失水将大于渗出水到达混凝土外表的速率,并造成毛细管负压,引起塑性收缩。假设蒸发速率超过 1.0kg/(m2h),需采取预防开裂的方法。最常用和有效的方法是确保混凝土完成抹面并开场养护前一直保持湿润。从上述结果看出,混凝土的收缩裂缝不一定来自于材料本身,而可能来自混凝土的施工。特别是道路混凝土路面,其外表积与体积比较大,暴露于大气中的外表积大,更容易产生早期塑性收缩裂缝。根据我国道路水泥混凝土路面的施工经历,加强初期(7d 内)的潮湿养护和及时(在混凝土强度为 612MPa 时)切缝是防止道路混凝土路面早期裂缝的有效措施。2.2 化学减缩 化
9、学减缩主要是无水熟料与水起化学反响,使固相体积逐渐增加而水泥水体系的总体积逐渐减少的缘故。具体地说是由于水化前后反响物和生成物的平均密度不同所引起。如果进一步分析,那么可认为是水泥与水起化学反响过程中,原来的自由水成为水化产物的一局部,使它的比容由原来的 1cm3/g 变成 0.737cm3/g 的缘故(笔者注:指硅酸盐水泥化学结合水的比容,早期的文献认为是 0.75cm3/g),化学减缩作用与化学结合水之间有直线关系,文献3认为:Wn=KW (1)式中:Wn化学结合水量,g/100g 水泥;W化学减缩量,ml/100g 水泥;K常数,对硅酸盐水泥K4。(1)式可改写成 W=Wn/K=Wn/4
10、=0.25Wn (2)也就是说,硅酸盐水泥的化学减缩量约为化学结合水的 25%。因此可以认为,化学结合水量大的水泥,其最终化学减缩量也大。硅酸盐水泥不同龄期的化学减缩量与其矿物组成有关,因为不同的单矿在不同龄期的化学减缩量不同。文献2认为,C3S、C2S 的化学减缩分别占原有混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅
11、酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-绝对体积的 5.31%和 1.97%;C3A 与水反响生成 C3AH6时化学减缩占原有绝对体积的 23.7%,而与 CaSO42H2O 作用生成 3CA3CaSO431H2O 时化学减缩只有 6.15%。Copeland2对水化 1 年的硅酸盐水泥化学结合水的研究说明(W/C=0.4),C3A、C3
12、S、C2S 和 C4AF 的化学结合水分别为 42.9%、22.8%、16.8%和 13.2%,从 1 年化学结合水来看,化学减缩的顺序是C3AC3SC2SC4AF,这似乎与这些单矿对水泥的收缩影响相符。文献3认为,水化 28d化学减缩的顺序为 C3AC4AFC3SC2S,它们 28d化学减缩分别为 17ml/100g、9.0ml/100g、5.2ml/100g 和 1.2ml/100g。这些数据均说明,C3A 的化学减缩量最大,而在水泥的干缩试验中,C3A 收缩最大,这与化学减缩是否有内在联系?值得深入研究。当水泥硬化时所产生的化学减缩,可发生两种结果。当在空气中凝结硬化时,或在体系中生成一
13、些气孔,或者引起外表体积收缩。事实上二者常常是同时发生。当在水中养护时,那么自外面吸入水分,假设再枯燥那么水分蒸发,同样会使体积收缩。2.3 枯燥收缩 混凝土枯燥收缩的影响因素很多,本文仅就材料性能方面的影响因素进展讨论。2.3.1 水泥浆体对混凝土收缩的影响 有些文献4认为,水泥的性能和细度、化学组成等对水泥收缩值有影响,但对混凝土的收缩影响不大。有些文献甚至认为,矾土水泥配制的混凝土比普通硅酸盐水泥配制的混凝土收缩快得多,但长龄期收缩值根本一样。笔者认为,尽管各种混凝土收缩的最终值可能差异不大,但在早期,由于收缩的速率不同,C3A 含量较多的混凝土在早期(比方 1d、3d、7d 乃至 28
14、d)的收缩还是比 C3A 含量少的水泥混凝土收缩值大,而混凝土的裂缝多在早期产生,因此在考虑道路水泥混凝土用的水泥时,还是以 C3A 含量低些的水泥为好。2.3.2 混凝土的质量 混凝土的性质中影响最大的是集料的用量及其刚性,还有水灰比。集料对混凝土起着限制收缩的作用,假定集料本身不收缩且集料和水泥均为弹性体,那么混凝土收缩率与水泥石收缩率的关系如(3)式4:c=p(1-Va)n=pVpn (3)式中:c混凝土的收缩率;p水泥石的收缩率;Vpn水泥石的体积率;Va集料的体积率;混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因
15、此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-n与集料弹性性质有关的常数,n=1.21.7。图 2 集料含量对混凝土相对收缩率的影响5 图
16、2 为集料含量对混凝土相对收缩率的影响。从图可见,随着集料含量的增加,混凝土的干缩值减小。另外,混凝土的收缩只有水泥净浆的 20%左右,文献6认为,在一般情况下,水泥浆的收缩值为 28510-5m/m,而混凝土的极限值收缩值为 5010-55510-5m/m,在一般工程设计中采用的混凝土收缩值为0.150.2mm/m。从图2还可以看出,增加集料用量可降低收缩率,通过混凝土工艺也可降低混凝土收缩率。另外,弹性模量低的集料使混凝土的收缩比弹性模量高的集料的混凝土收缩值大。Troxell7发现,用石英和石灰石骨料的混凝土,其 23年收缩值分别为 55010-6m/m 和 65010-6m/m,而砾石
17、和砂石的混凝土,其干缩值分别为114010-6m/m 和 126010-6m/m。水灰比对混凝土的收缩影响也很大。图 3 为水灰比对混凝土收缩率的影响。从图 3 可见,不管集灰比方何,但凡水灰比大者,其枯燥收缩率均大。例集灰比为 5 时,水灰比从 0.4分别增大至 0.5、0.6和 0.7,那么其干缩率从 40010-6分别增大至 60010-6、75010-6和 85010-6;而集灰比为 6 的混凝土,其干缩率那么从 30010-6分别增大至 40010-6、55010-6和65010-6。因此减少水灰比是减小混凝土干缩率的重要途径。混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于
18、混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-图 3 水灰比对混凝土干缩率的影
19、响(根据文献4数据)周围环境的相对湿度对混凝土的收缩值也有很大影响。图 4 为环境的相对湿度对混凝土收缩值的影响。从图可见,环境的相对湿度小那么混凝土的收缩值大。图 4 环境相对湿度对混凝土干缩值的影响7 混凝土的几何形状对混凝土的失水速率和枯燥收缩的速度也有很大影响,失水速率随着混凝土体积与外表积的比率的增大而减小。2.4 碳化收缩 碳化收缩是大气中的 CO2在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成 CaCO3、硅胶、铝胶和游离水而引起的收缩。产生收缩的原因在于这些游离水的蒸发。关于碳化收缩的机理尚未完全清楚。有人认为,可能是由于水化产物被碳化,引起浆体构造解体所致。笔者认为,碳化收缩主要是碳
20、化作用所产生的游离水蒸发所致。碳化作用必定产生游离水,这些游离水蒸发时产生毛细管张力,从而引起浆体收缩。而碳化作用那么是 CO2的混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至
21、钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-存在使水泥浆体孔液的 pH 值降低,消耗了孔液中的 OH-离子。因此水化产物必须释放出 OH-到孔液中,使孔液 OH-浓度保持一定值,即要使孔液保持一定 pH 值才能使水化产物平衡存在。假设 CO2使孔液中 OH-浓度值小于某一水化产物保持平衡存在所必须的 pH 值,那么反响产物将分解。例如,钙矾石平衡存在的 pH 值为 10.8,假设由于 CO2的作用使孔液 pH 值低于 10.8,那么有一局部钙矾石必须分解出一局部 OH-进入孔液,使孔液
22、保持 pH=10.8;假设 CO2不断作用,那么钙矾石最终分解。碳化作用其实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。而碳化收缩那么是由于碳化作用新增的游离水的蒸发引起。但浆体在充分枯燥和水饱和的场合都不易产生碳化作用。因为在完全枯燥的场合毛细管水已蒸发,CO2无法在毛细管中形成碳酸,因此无法与水化产物直接作用,当然也就不会产生碳化收缩。而在水饱和的状态下,CO2很难进入毛细孔内,也无法在毛细管内形成碳酸。正因为如此,碳化作用和碳化收缩均发生在混凝土的外表。据报导,对碳化收缩影响最大的是相对湿度。对于先枯燥再碳化的浆体,在环境相对湿度 50%时碳化收缩最大;而枯燥和碳化同时进展的,那么在相对湿度 25%左右
23、有最大的碳化收缩值。至今尚未见到有关水泥熟料矿物组成对碳化收缩影响的报导。估计在硅酸盐水泥熟料的矿物组成范围中,各矿物含量的变化可能对碳化收缩没有多大影响。3 混凝土的耐磨性 水泥浆体的抗磨性并不好。混凝土的抗磨性主要取决于水灰比和集料的硬度。图 5 为水灰比对混凝土抗磨性的影响。从图 5 可见,随着水灰比增大,混凝土的抗磨性下降,因此低水灰比而高强密实的混凝土的耐磨性应该比较好。但凡能提高混凝土强度的因素均应是提高混凝土耐磨性的措施。据文献8报导,用 C135修筑的混凝土路面的寿命是 C55的 4 倍。挪威用 C85混凝土修筑高速公路与普通混凝土相比,耐磨性有成倍的提高。因此对混凝土路面,为
24、提高其耐磨性,应想方法提高混凝土强度,而不一定要过分追求水泥熟料中 C4AF 含量。降低水灰比和掺加超细粉同样可使混凝土密实而提高其耐磨性。用耐磨性集料也可提高混凝土的耐磨性。混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只
25、是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-图 5 水灰比对混凝土抗磨性的影响5 为了获得耐磨性良好的混凝土外表,美国 ACI201 委员会曾建议,在任何情况下,混凝土的抗压强度都不小于 4000psi(相当于 28MPa),并且认为,用低水灰比、正确级配的粗细集料以及适宜的养护条件、最小空气含量等可获得适宜的强度。他们还认为,就提高混凝土耐磨性而言,应减少混凝土的浮浆软弱层,建议延迟至外表不再泌水后再抹平和抹光外表。关于 C3A 和 C4
26、AF 对水泥耐磨性的报道,普遍认为 C4AF 含量高,水泥的耐磨性好,但在潘刚华等人的研究中9却看不到这种规律。表 1 为他们的研究结果。从表 1 可以看出,江南水泥厂的 525OPC、龙潭水泥厂的 525PC、江南水泥厂的 525K、淮海水泥厂 525PC和光华白水泥厂 425OPC(PC硅酸盐水泥、OPC普通硅酸盐水泥、K矿渣水泥)的 C3A 含量分别为 4.81%、4.65%、4.81%、8.95%和 13.64%,而 C4AF 含量分别为 16.72%、14.64%、16.72%、10.59%和 0.49%,但用它们制成的混凝土的 28d磨耗量分别为 0.334g/cm2、0.390g
27、/cm2、0.396g/cm2、0.406g/cm2和 0.345g/cm2,其数值差异不大。如果一定要从磨耗值考虑,那么,含 C4AF 只有 0.49%的光华白水泥厂的 425PC,其耐磨性优于淮海、龙潭和江南水泥厂的 525PC、OPC 和江南的 525K,但比江南水泥厂的 525PC稍差。看来,对水泥的耐磨性来说,熟料 C4AF 含量是很重要的因素。但从混凝土耐磨性角度考虑,提高水泥熟料中 C4AF 含量并不是唯一的有效途径。表 1 几种水泥混凝土的收缩与耐磨性9 名称 C3A 含量(%)C4AF 含量(%)混凝土收缩率(%)混凝土磨耗(g/cm2)1d 3d 7d 28d 60d 江南
28、4.81 16.72 0.0019 0.0048 0.0079 0.0111 0.0123 0.334 混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑
29、物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-525PC 淮南525PC 8.95 10.59 0.0018 0.0056 0.0124 0.0159 0.0148 0.406 龙潭525PC 4.65 14.64 0.0019 0.0039 0.0098 0.0142 0.0147 0.390 江南 525K 4.81 16.72 0.0009 0.0012 0.0030 0.0134 0.0160 0.396 光华425PC 13.64 0.49 0.0023 0.0054 0.0099 0.0139 0.0
30、156 0.345 4 从混凝土性能角度讨论道路水泥熟料的矿物组成 我国现行的道路水泥标准 GB1369392规定,道路水泥熟料中 C3A 含量不得大于5.0%,C4AF 含量不得小于 16.0%。其目的是确保水泥胶砂 28d干缩率小于 1.0%,其磨耗量不大于 3.60kg/m2。C3A 增大水泥的干缩而 C4AF 提高水泥的耐磨性这是众所周知的事实。但这只是对水泥浆体而言。水泥只是生产混凝土的原料,只是一种半成品。水泥的干缩率和耐磨性影响到混凝土的干缩率和耐磨性。但由于骨料的存在,水泥浆体的干缩受到限制,其耐磨性也与混凝土的W/C等因素有很大关系,因此在考虑道路混凝土的干缩和耐磨时,不能单
31、从水泥熟料矿物组成考虑,而应从混凝土角度综合考虑。从上面的讨论可以看出,混凝土的干缩和耐磨性能与集灰比(也就是单位混凝土的水泥用量)和W/C有关,因此在制定道路水泥标准中似乎不宜过分强调 C3A 和 C4AF 含量的限制,事实上,从水泥生产角度以下诸方面同样可减少混凝土的干缩和磨耗率。4.1 生产高强水泥 由于混凝土的干缩率是混凝土中水泥浆体体积的函数,因此减少混凝土中的水泥浆体体积可减少混凝土的干缩率,图 6 为混凝土中水泥用量对干缩率的影响。从图可见,水泥用量增大,混凝土收缩值大。如果我们能生产出高强水泥,那么可减少混凝土中的水泥用量,从而减少混凝土的干缩。混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨
32、论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-图 6
33、水泥用量对混凝土收缩的影响7 另外,笔者在八十年代出口的五羊牌水泥的一些数据10中发现,湘乡、英德、华新、广州等硅酸盐水泥的熟料标号平均值为56.9MPa,标准稠度需水量平均值为23.9%,其28d的平均干缩率为 0.096%,小于道路水泥标准规定的 0.10%。其 28d磨耗率平均值为 1.23%,只略高于道路水泥标准规定的等效数值 1.20%(道路水泥规定为磨耗量:3.60kg/m2,相当于磨耗率1.20%)。4.2 提高硅率,生产硅酸盐矿物多而熔剂矿物少的水泥 C3A 含量高的水泥,其标准稠度需水量大,C4AF 含量高的水泥浆体耐磨性好,因此在道路水泥中应尽量减少 C3A 含量而增大 C
34、4AF 含量,此思路无疑是正确的。但这并不是减少水泥标准稠度需水量提高耐磨性的唯一途径。提高硅酸盐水泥熟料的硅酸率,增加硅酸盐矿物特别是C2S 含量而减少熔剂矿物同样可到达此目的。一般说来,回转窑特别是预分解窑的熔剂矿物少而 C2S 含量较高,其标准稠度需水量要比立窑的少些。例如珠江水泥厂的水泥标准稠度需水量只有 24.0%甚至更低,此数值低于许多立窑的道路水泥标准稠度需水量。笔者曾对江南水泥厂、苏州第二水泥厂等 17家工厂生产的 425和 525道路硅酸盐水泥以及普通道路硅酸盐水泥的标准稠度需水量11进展统计,发现其标准稠度需水量的平均值为 24.3%,其中江南水泥厂、苏州第二水泥厂等 4
35、家生产的 525道路硅酸盐水泥标准稠度需水量的平均值为 23.87%,与珠江水泥厂的相近。预分解窑配料一般采用高铝率方案,C3A 含量远高于道路硅酸盐水泥,为什么其标准稠度需水量与后者相差无几?笔者认为,这与预分解窑采取中饱和比高硅酸率配料有关。由于采用中饱和比高硅率高铝率的配料方案,尽管需水量大的 C3A 含量增加,但标准稠度需水量最少的 C2S 含量增加,加上需水量居第二、第三位的 C3S 和 C4AF 含量减少,从整体上看,预分解窑生产的水泥标准稠度需水量并不比道路硅酸盐水泥增大。标准稠度需水量的减小显然有利于减少浆体的干缩和耐磨性的提高。混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物
36、组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-4.3 提高煅烧温度和快
37、速冷却 在道路硅酸盐水泥标准中规定了熟料中C3A和C4AF的含量。其实这里所规定的C3A、C4AF含量仅是从化学组成计算而得的潜在矿物组成。熟料中的 C3A 和 C4AF 实际含量会随熟料煅烧制度主要是煅烧温度、保温时间和冷却速度而变化。钟景裕12发现,随着煅烧温度提高,含铝相减少,水泥的诱导期延长。笔者13的研究中也发现,高温煅烧的含氟熟料,其含铝相比低温时的少,而铁相固溶体增加。这是因为煅烧温度提高使液相粘度降低,有利于 Al2O3溶进铁相,形成 C6A2F,这样铁相就增加,剩余下来生成含铝相的 Al2O3就减少了。煅烧温度的提高还可能使 A 矿和 B 矿中固溶的 Al2O3增加,从而减少
38、含铝相。据文献2介绍,A 矿中固溶的 Al2O3为 0.70%2.47%,B矿中固溶的 Al2O3为 1.10%1.88%。假设以熟料中 A 矿 50%、B 矿 25%计,那么固溶进 A 矿和 B 矿的 Al2O3就可达 0.58%1.88%,相当于 C3A 含量减少了 1.54%4.98%。此外,MgO、CaF2、ZnO 等微组分的存在也会降低液相粘度而有利于 C4AF 向 C6A2F转变,减少熟料中 C3A 含量而增加铁相固溶体含量。因此,熟料中 C3A 的实际含量总是比化学组成计算得的潜在矿物组成含量要少。延长煅烧时间也会使 C3A 含量减少而铁相固溶体含量增加。快速冷却也可减少 C3A
39、 含量。因为 C3A 和 C4AF 是在熟料冷却过程中从液相中结晶出来的。快速冷却可使 C3A 和 C4AF 中有一局部以玻璃体的形式存在。J.Stark等14对KSt=80.5、SM=2.4、IM=2.4 的水泥熟料研究说明,当冷却速度从 20K/min 提高至 1000K/min 时,熟料中C3A 含量从 15%下降到 10%。就高温煅烧和快速冷却的条件而言,预分解窑比立窑乃至大局部湿法窑和预热器窑均为优越。由于预分解窑入窑生料分解率已达 85%90%,故窑内主要是承担烧成任务,而烧成阶段硅酸二钙与氧化钙生成硅酸三钙的化学反响,热效应几乎等于零(微吸热反响),加上入窑二次风温度高,因此窑内
40、物料受热温度高也就是煅烧温度高。徐德龙等15用计算机对4.5m60m的旋风预热器窑和 4.5m60m的预分解窑内气体温度、物料温度、窑壁温度等沿窑长的分布进展计算,发现预分解窑内物料最高温度比旋风预热器窑的高 100。由于旋风预热器窑入窑生料碳酸钙分解率已达 40%,因此有理由认为预分解窑内物料煅烧温度比湿法窑更高。另外,预分解窑窑内几乎无冷却带,熟料的冷却全都在篦式冷却机中进展。熟料离开预分解窑时的温度达1300,此时液相仍存在,进入篦式冷却机时受高压空气骤冷,使一局部C3A以玻璃体形式存在。因此,我们有理由认为,在熟料化学成分完全一样的情况下,预分解窑熟料中的C3A 实际含量很可能比其它窑
41、型的低,而铁相固溶体实际含量很可能比其它窑型的高。遗憾混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从
42、混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-的是,在以往对道路水泥的研制和标准的制订过程中,缺乏对预分解窑熟料的研究。以往对干缩性和耐磨性的研究中,以立窑熟料居多。今后,在道路水泥的研究中,应把预分解窑熟料也考虑进去。4.4 减少熟料中的碱含量或使之硫酸盐化 众所周知,碱使硅酸盐水泥标准稠度需水量增大,凝结加快,早期强度高但 28d强度降低。琉璃河水泥厂干法中空窑生产的熟料16,碱含量为 1.3%1.6%时标准稠度需水量为 26%28%,碱含量增加到 1.7%2.0%时标准稠度需水量增加到 32%33%。标准稠度需水量的增加必然导致水泥浆体干缩增大和耐磨性下降
43、。Blain认为,含碱较高会导致水泥净体收缩较大。张大康17发现,含碱较高的熟料,其安定性试验的试饼发生干缩裂纹,甚至弯曲、崩溃,影响体积安定性。而在石灰石中掺入一定石膏后煅烧的熟料,使碱硫酸盐化,那么安定性改善。瞿修平18用含NaOH 的水拌和某水泥并在100%的相对湿度中养护,发现水泥浆体在早期是收缩而不是湿膨胀,并且收缩随着 NaOH 浓度的增加而增大,而用纯水拌和的水泥净体那么产生膨胀。碱的存在还会导致水泥浆体的耐磨性下降。刘涛19的试验说明,随着熟料碱含量的增加,水泥浆体的耐磨性下降,见图 7。他把浆体耐磨性的下降归因于强度的下降。此结果与耐磨性随水灰比增大而下降的结论相符。据此,笔
44、者认为,在道路硅酸盐水泥的生产中应尽量采用碱含量低的原料并在熟料煅烧中使之硫酸盐化,以硫酸碱的形式存在,使碱对熟料性能的有害作用减少到最低的程度。图 7 熟料中碱含量对水泥浆体耐磨性的影响19 4.5 适当放宽道路硅酸盐水泥熟料中 C3A 和 C4AF 含量的规定 从以上讨论可以看出,混凝土的干缩率只有水泥净浆的,混凝土的耐磨性随水灰比的降混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门
45、要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根-word.zl-低而提高,影响混凝土干缩率和耐磨性的主要因素是水灰比和单位体积混凝土的水泥用量,而影响水灰比和水泥用量的因素并非只是 C3A 和 C4AF 含量。综合诸多因素考虑,建议放宽道路硅酸盐水泥熟料中的 C3A 和 C4AF 的含量,以利于道
46、路水泥的生产和推广应用。终究应放宽到多少?应通过研究来确定。5 结语 (1)影响混凝土干缩率和耐磨性的主要因素是混凝土的水灰比和单位体积混凝土的水泥用量。一切降低混凝土水灰比和水泥用量的措施均有利于提高混凝土的耐磨性和减少干缩率。(2)降低 C3A 含量和提高 C4AF 含量是提高水泥浆体耐磨性、减少干缩率的重要措施,但它不是减少混凝土干缩率提高耐磨性的唯一措施。生产高标号水泥从而减少混凝土中的水泥用量以及减少水灰比等措施也有利于混凝土耐磨性的提高。在水泥生产中,硅酸二钙含量高而熔剂矿物少的水泥同样有利于减少浆体和混凝土干缩率,提高其耐磨性。(3)水泥中的碱使水泥标准稠度用水量增加、收缩增大和
47、耐磨性降低。道路水泥中的碱含量应尽量降低并使之硫酸盐化。(4)在充分而深入研究的根底上,适当放宽对道路硅酸盐水泥熟料中 C3A 和 C4AF 含量的规定。混凝土的收缩和耐磨性的因素出发讨论道路水泥的矿物组成由于混凝土的枯燥收缩只有水泥净浆的而耐磨性随着水灰比的降低而提高因此过分追求道路水泥中的含量高和降低含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干词混凝土道路水泥矿物组成引言随着国民经济的开交通运输部门要求更多的高等级公路为适应混凝土路面施工的要求我国研制生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准道路硅酸盐水泥标准规定其含量不小于不大于这主要缺作为建筑材料水泥只是一种半成品它最终必须制作成混凝土以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中因此道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的根