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1、水泥品质和现代混凝土 质量的关系阎培渝 清华大学土木工程系 电话：01062785836 E-mail：甲方 管理 监理混凝土结构设计水泥 提高比表面积, 增加C3A、C3S流 变 性 能 下 降收 缩 增 加水 化 热 增 大抗 化 学 腐 蚀 性 下 降后 期 强 度 增 长 小骨料级 配 变 差针 片 状 颗 粒 增 多混 凝 土 流 变 性 能 下 降混凝土耐久性下降工 程 结 构 研 究水泥品质对混凝土质量的影响混凝土是什么？混凝土是用最简单的工艺制作的最复杂 的体系l工艺必须简单否则不能成为最大宗的土 木工程材料：原材料来源广泛制作工艺简单混合、搅拌、成型比其他结构材料（钢材、木材
2、）耐久体系必然复杂：原材料不能提炼，成分波动。微结构形成时对环境和时间的依赖 性对温度、湿度的敏感性；水化不断 进行造成动态的微结构。因此造成性能 的不确定性。性能随微结构的发展而发展,而微 结构具有不同层次(宏观层次、亚微观层 次、微观层次),多相(固相、液相、气相 )，非均质性(依配合比不同而离散)。微结构的不确知性水泥水化形 成复杂的凝胶，在目前技术水平下难以 确定其结构。l混凝土属于混沌体系（非线性体系） ，具有“蝴蝶效应”事物发展的结 果对初始条件具有极为敏感的依赖性. 初始条件极小的偏差将会引起结果的巨 大差异。l越是简单的工艺，越有管理和控制的 难度。因此：现代混凝土技术是时代的
3、产物l现代混凝土特点及其产生的原因生产建设的需要推动材料和技术 的发展科学技术的发展提供条件混凝土结构发展史上的里程 碑相邻学科的发展l人类对自然界认识过程的曲折会使产品和 用户相关行业相互误导；不断学习，才能与时 俱进。混凝土结构发展史上的里程 碑1850年法国人取得钢筋混凝土专利 ，1928 年发明预应力锚具是混凝土结构技术的两次 飞跃就混凝土材料来说，1918年美国的 D.Abrams提出著名的水灰比定则，使混凝土 的配制有了依据；1962年和1963年日本和联 邦德国分别合成出萘磺酸盐系和三聚氰胺系 的高效减水剂，改变了混凝土传统配制技术 。这堪称混凝土材料技术的两个里程碑什么是现代混
4、凝土？工业化生产预拌混凝土是现代混凝土 的特征： 减小了混凝土强度对水泥强度的依赖 流变性能更加突出 保证结构耐久性的要求日益增强 可持续发展提上议事日程现代混凝土的特点l现代混凝土是以高效减水剂和矿物掺 和料的大规模使用为特征。l实用混凝土的强度范围很宽，从C20（ 极少量C15）到C80（极少）l混凝土强度和水泥强度之间不再有线 性关系。l严酷环境中的建筑物增加，使耐久性 要求日益突现l以预拌混凝土、泵送施工为主流。新 拌混凝土的流变性能成为重要问题l在水泥水化热增大、强度提高的同时 ，结构尺度增大，改变了大体积混凝土的 概念l劳动力素质、管理水平与质量要求的 矛盾l需求增加与资源短缺的矛
5、盾现代混凝土技术和性能特点l原材料：高强度的水泥细度高、水化热 大、抗裂性差、长期性能增长的幅度小矿物掺和料多种多样的化学外加剂l配合比：较低的水胶比较大的胶凝材料用量(浆骨比较大 ）l性能：强度水平提高，流动性大l生产：预拌，泵送水泥的什么品质对混凝土最重 要？l应当改变强度第一的传统观念；l第一重要的是匀质性，性能的稳定性l混凝土结构的耐久性比强度更重要，而与 混凝土结构耐久性关系最密切的就是水泥， 只保证高强度的水泥并不一定有利于混凝土 结构的耐久性l现代混凝土需要开裂敏感性低的水泥现代混凝土对水泥性能的要 求l具有低的开裂敏感性、良好的匀质性、有 利于混凝土结构长期性能的发展，无损害混
6、凝 土结构耐久性的成分l尽可能低的需水量l质检合格的水泥未必能满足混凝土的需要 ，相同品种和强度的水泥可能会在混凝土中有 不同的表现水泥强度和混凝土强度的关系什么是水泥和混凝土的强度l 任何水泥基材料的强度主要取决于水灰 比按现有标准的水泥强度检验水灰比：0.5当前用量最大的混凝土的水灰比：0.5不仅相同强度的水泥能配出不同强度的混 凝土，而且不同强度的水泥能配出相同强度的 混凝土不必盲目追求水泥的高强度，强度等级 32.5的水泥能配制出C60混凝土在相同水灰比下，混凝土强度和水泥强度仍然有关 ，高强度水泥可用于象C80、C100这样的高强混凝土 ；高强混凝土不一定耐久；高强混凝土需求量很少；
7、 高强水泥的稳定性差；目前配制C80、C100的混凝土并不困难，难的却是 配不出合格的C20混凝土矿物掺和料对混凝土强度的贡献随水灰比的减小而 增大的幅度大于水泥对强度的贡献随水灰比减小而 增大的幅度，因此掺用掺和料的混凝土必须降低水 胶比外加剂与掺和料使用技术的发展改变了对水泥强度 和混凝土强度的关系的认识混凝土高强的利和弊 l利：在相同荷载作用下，减小构件断面、 减少用钢量，适用于高耸、大跨、重载等 结构增加构件刚度l弊：高强不一定耐久: 强度越高，抗拉与抗压 强度比越小，构件延性比小；水灰比低，收缩大； 水泥用量大，温升大；早期弹性模量大，徐变小， 收缩应力大；因此早期开裂倾向大；l由于
8、稳定的要求，结构物对强度的需要是有限 的强度和开裂的关系混凝土抗拉强度和抗压强度比值 随抗压强度的提高而下降矿物掺和料的普遍使用改变 了混凝土的强度发展规律和配合 比计算模式。粉煤灰体积比为1 1的不同水胶比浆 体中 粉煤灰和水泥在不同龄期时对强度的贡献7天粉煤灰7天水泥28天粉煤灰28天水泥90天粉煤灰90天水泥365天水泥365天粉煤灰0 10 20 30 40 0.8 1.2 1.6 2 体积水灰比 抗压强度（MPa） 强度粉煤灰掺量水胶比关系不同厂家生 产的相同品种、相 同强度硅酸盐水泥 在混凝土中的不同 表现矿物掺和料的使用必须因地制 宜、因时制宜l不同的结构部位使用的混凝土配合比应
9、 有所不同。 所处环境不同：侵蚀性因素、湿度、 温度 受力方式不同：受拉、受压现代混凝土需要开裂敏感性低的水 泥7天开裂 14天开裂 两个大厂的52.5硅酸盐水泥，w/c0.3 成型温度18；24h后拆模并在室外负温下放置当前混凝土早期开裂的根本原因及其 后果水化温升提高,温 度收缩应变增加自收缩增加早期弹性模量提高 ，徐变减小拉应变增加约束早期开裂倾向增加大气环境作用耐久性下降超过抗拉强度水灰比(水胶比)降低水泥强度提高混合材料活性提高(用水量)浆骨比增加拉应力增加早期强度大幅度提高的要求水泥的现状对混凝土质量 影响l几十年来水泥工业的发展方向主要是降低能 耗和提高强度lBolomy公式 ：
10、R28A Rc(w/c - B)，造成误 导l1920年代，欧美国家水泥中C3S约为35%，如 今达5070%；水泥细度从220m2/kg到现今的 340600m2/kg l我国1970年代水泥(GB175-63)最高标号是硬 练强度500，相当于GB175-77的425、现行 标准32.5的强度等级l检测的水灰比增大，对3天强度的规定未变 ，实际提高了早期强度，而高早期强度并不是 普遍需要的；l单纯追求强度，使水泥厂采取使用助磨剂磨 细、掺用 “增强剂”等，增加了开裂敏感性和不 利于混凝土长期性能稳定性和耐久性的成分；水泥现状对现代混凝土的不适应 问题l片面追求强度而使比表面积太大、早期强度
11、 太高而长期增长率低甚至倒缩、实际强度浮 动幅度太大；l太细的水泥降低与外加剂的相容性、增加混 凝土需水量，不利于混凝土长期性能的发展l不控制氯离子含量，不检测开裂敏感性、无 法提供在现代混凝土中与外加剂的相容性数 据。水泥影响混凝土质量的主要因 素l产品匀质性生产控制和原材料产品均化l水化热及其释放速率矿物组成和细度、 水泥温度l开裂敏感性矿物组成、细度、水泥温 度、含碱量l水泥与外加剂的相容性矿物组成、细 度、石膏形态和含量、含碱量l水泥品质对混凝土耐久性的影响复合胶凝材料的水化 放热曲线w/b=0.4C: 100%cementF1: 75%cement+25%Fly ashF2: 50%
12、cement+50%Fly ashQ1: 75%cement+25%QuartzQ2: 50%cement+50%Quartz掺和料掺量为25% 掺和料掺量为50%不同样品早期水化速率对比水灰比 的影响水灰比 的影响不同温度时胶凝材料的水化 热高水化热的影响l在大体积混凝土结构中，水化放热总量需 要关注，但更需要关注的是水化放热速率。l高放热速率可导致高应力积累。l高温将促进水化加速，提高水化程度，增 进早期强度发展。l胶凝材料在高温下水化，使硬化浆体结构 较为疏松，后期强度增长小。l高早期强度提高了混凝土的约束程度，使 混凝土容易开裂。熟料矿物的收缩率矿物收缩率C3A C2S C3S C4A
13、F0.00234 0.000100 0.00079 0.000036 0.00077 0.000036 0.00049 0.000114碱和C4AF对收缩的影响水泥含碱量和C3A对收缩的 影响水泥细度对砂浆抗拉强度的 影响水泥细度和开裂敏感性的 关系 用收缩开裂环检测水泥的开裂敏感性, 从 成型到开裂经过的时间越短，抗裂性越差水泥与减水剂的相容性问题 C3A 含量和 SO3 的匹配 一般水泥中石膏的优化条件： W/C=0.5, 现代混凝土使用高效减水剂, W/C0.40，SO3不足；混凝土中掺入矿物掺和料， SO3被稀 释。细度和颗粒级配最佳组成: 530m 90%,10m 10% ； 只考虑
14、细度的结果：水泥越细，细颗粒越多 ，需水量越大，混凝土坍落度损失越大。SO3和碱含量的影响lSO3含量由水泥的凝结时间而决定。当 在混凝土制备过程中掺加大量矿物掺和料后 ，水泥的水化环境发生变化， 其水化速率随 之变化，这要求SO3含量也应有所调整。l水泥中的碱含量对于凝结时间和外加剂 的吸附特性有影响。存在一个最佳值。一味 降低碱含量对于新拌混凝土的流变性能有影 响。熟料中SO3与含碱量的匹 配 不同水泥试样流变性能的测定：No比表面积 (m2/kg)流动时间 （秒）熟料硫酸盐化 程度 SD搅拌5分 钟搅拌60分 钟 4 5 6 7 8 9377 372 383 386 371 35353
15、53 54 50 53 5063 63 61 77 99 13971 69 103 71 68 66SD与水泥流变性能关系的验证实 例 琉璃河水泥，熟料中 SO3=1.2%Na2O=0.4%K2O=1.5%计算SD=混凝土W/C=0.305，掺入高效减水剂 1.5%，坍落度初始为200mm，半小时后为 160mm，1小时后为7.5mm，损失达60%水泥中可溶碱含量对高效减水剂作用效果的影响水泥中可溶碱含量对高效减水剂作用效果的影响水泥熟料中的总碱含量和可溶性碱 含量 水泥 熟料总碱量 (mg/g水泥)总碱当量 (Na2O mg/g 水泥）可溶性碱含量 (mg/g水泥)可溶性碱 当量 (Na2O
16、 mg/g水泥)可溶性碱 占总碱 的比例（ %）Na2OK2ONa2OK2OX厂1.56.55.80.364 6.3264.577.6S厂1.09.87.40.302 6.2724.459.5Q厂0.367 8.7706.1X厂S厂Q厂X厂， 加碱各厂水泥在水化1小时内的放热曲线X2为添加可 溶性碱的X 厂水泥其他，如石膏的形态、C3A 的 形态 o不同形态的石膏溶解速率和溶解度不同：生石膏和硬石膏溶解速率对 比石膏对坍落度损失的影响德国的R.Rance关于不同形态石膏对 水泥流变性能的影响实验（G-二水石膏， A-无水石膏，H-半水石膏）：有改善随时间而好差掺超塑化剂浆体 的流变性差好好无超塑化剂的浆 体流变
