淺析水泥質量波動對預拌混凝土性能影響

陳福生

摘 要：預拌混凝土主要指的是建筑施工過程中較為常見的混凝土拌合物，在我國建筑行業不斷發展的過程中，預拌混凝土使用量也在不斷增加，而其應用質量則會直接受到水泥質量波動的影響，為了確保預拌混凝土性能，文章主要對水泥質量波動對其性能所造成的影響進行了分析。

關鍵詞：水泥質量波動；預拌混凝土；性能影響

在建筑施工過程中，預拌混凝土屬于必不可少的一項材料，但是，在應用這項材料的過程中，其經常會存在著一些通病，最終致使預拌混凝土性能受到影響，從而也對工程質量造成了影響。預拌混凝土在實際使用過程中，其性能經常會受到水泥質量波動影響，如果水泥質量存在一定問題，預拌混凝土在澆筑攪拌過程中就會出現澆筑不牢固、攪拌不均勻等問題，為了有效的避免水泥質量對預拌混凝土性能造成不利影響，筆者也對其進行了以下的分析。

1 預拌混凝土對水泥質量的要求

水泥作為預拌混凝土中重要組成成分，其質量波動會直接對預拌混凝土性能造成影響，為了確保預拌混凝土的性能穩定，預拌混凝土企業對散裝水泥除了要求正常的指標合格外，還有如下幾個方面的特殊要求：首先，水泥的勻質性和穩定性，因為水泥質量的不穩定，將會嚴重影響混凝土質量，使混凝土的強度大起大落；二、水泥中混合材品種、石膏品種的選擇及摻量要科學、合理；三、與外加劑有較好的適應性，在配制混凝土時用水量要少，流動性要好；四、重視出廠水泥溫度的控制；五，季節變化對水泥凝結時間的要求。

2 水泥質量波動對預拌混凝土性能的影響

2.1 水泥配方所產生的影響

水泥在制作過程中，其水泥熟料中礦物含量會直接對水泥性能產生影響，所以說，水泥配方不同預拌混凝土性能也會存在一定的差異性。目前，在市場上有部分水泥廠家，為了提高水泥質量，在實際生產過程中就盡可能的提高水泥強度。一味的提高水泥強度，從而導致水泥中高強度礦物（C3S、C3A）含量較多，強度越高的水泥，水化反應時產生的水化熱也越大，且大部分熱量會在3天內釋放出去。然而，由于大量的水化熱不易在短時間內散發，混凝土內部溫度不斷上升，其表面散熱快，內外形成溫差，特別是在晝夜溫差大的地區，差值更大。內部溫度最高可達50℃～70℃，這時混凝土內部產生膨脹，外部混凝土冷縮變形，產生拉應力。這時的商品混凝土抗拉強度低，當內部的拉應力大于混凝土的拉應力時，就會產生裂縫。溫度裂縫一般出現在澆注后3～5天，是貫穿的且很深。由此可見，水泥配方會對預拌混凝土性能產生影響，在使用過程中，要按照實際情況進行合理的選擇，并不是強度越高的水泥就越好。

2.2 水泥強度波動的影響

2.2.1 混凝土強度與水泥強度的關系

按JGJ55-2000<普通混凝土配合比設計規程>的計算公式，碎石混凝土強度fcu，o與水泥28d膠砂強度fce存在如下關系：

從式（1）可知，當水灰比（W/C）一定時，混凝土強度將隨水泥28d膠砂強度變化而變化，但不同等級混凝土（水灰比W/C不同）的強度變化率不一樣。當水泥強度變化（Δfce）1MPa時，理論上各等級混凝土強度的變化值（Δfcu，o）在0.67～1.50MPa范圍內變化。若把“Δfcu，o/Δfce”定義為混凝土強度隨水泥強度波動的“敏感系數”，則可以看出，高標號混凝土（C40及以上，敏感系數>1.0）的強度對水泥強度波動較為敏感。

2.2.2 水泥強度波動對混凝土強度的影響

混凝土配合比設計配制的強度等級與水泥強度有著密切聯系。由于水泥強度波動大，造成混凝土強度波動大，這是屢見不鮮的。商混公司從經濟合理性角度出發，設計配比的富余強度值常制定在標準強度值的1.15～1.25倍。在其它原材料等不變的情況下，當水泥強度低于正常供應的水泥強度值超過5MPa時，混凝土28d強度質量會受到威脅。

2.3 水泥需水性波動的影響

影響水泥標準稠度需水量的因素很多，主要同熟料的礦物組成、晶型結構、煅燒速度、冷卻效果，混合材的種類、品質、摻量，石膏的品種、品位、摻量，以及水泥的顆粒級配、顆粒形貌、粉磨溫度等因素相關。

其中造成熟料需水性大的原因主要有：由于原材料質量或配料不當等原因造成熟料中早期水化速度極快的鋁酸鹽礦物含量過多；由于煅燒操作或工藝方面的原因造成熟料中礦物玻璃體含量少、鋁酸鹽礦物大都完整地結晶析出；另外熟料燒結太差，游離鈣含量太高，以及熟料中堿含量太高而硫酸鹽飽和度又不夠等因素同樣會使熟料的需水性增大。大部分火山灰質混合材由于其表面微孔多，總表面積大對水份吸附大，一般隨其摻量的增加，水泥的需水性迅速增大；而礦渣、優質粉煤灰等混合材由于其微粉填充效應和顆粒間的滾珠”效應，水泥的需水性相對較小。

對于水泥來說主要是水泥中可溶性石膏量不足或水泥細度過細，微顆粒過多，水泥水化速度過快，消耗的水太多引起；另外，由于粉磨工藝的原因造成水泥顆粒圓度系數低，同樣增加水泥的需水性。為此我們曾做過一個實驗，就是讓從輥壓機出來的粉餅經打散機攪散再經選粉機篩選后，達標的細粉不再進入球磨機直接入成品庫，結果出廠水泥標準稠度從正常時的28%左右一下提高到了32%。這主要是因為從輥壓機出來的水泥顆粒是經過強力擠破的，形狀極不規則，外表粗糙，顆粒間流動阻力大，而且總表面積也大，對水分的吸附大，從而造成標準稠度大幅上升。

可以推測，如果再要維持混凝土強度基本不變，每方混凝土就需相應增加水泥用量10kg以上，這對混凝土的成本就影響很大了；如果不增加用水量，那么混凝土的坍落度就要減少20mm以上，這直接影響建筑施工操作。

標準稠度需水量大的水泥同外加劑特別是同萘系外加劑的適應性往往很差，主要表現在混凝土坍落度經時損失偏大。

2.3.1 水泥需水性與混凝土用水量的關系

水泥的需水性一般以標準稠度用水量來表征，配制混凝土時，單位體積混凝土的用水量與水泥的標準稠度用水量有一定的對應關系。當其他條件不變時，為達到一定的流動性（坍落度），混凝土用水量將隨水泥標準稠度用水量的增大而增大。對普通混凝土，水泥標準稠度用水量每增減1%，要維持混凝土坍落度不變，則每m3混凝土用水量相應約增減6～8kg水。匡楚勝以水泥標準稠度用水量為25%作為標準值，得出混凝土用水量隨水泥標準稠度用水量增減而變化的經驗公式：

ΔW=C（N-0.25）×0.8（2）

式中：

ΔW——每m3混凝土用水量變化值，kg/m3；

C——每m3混凝土水泥用量，kg/m3；

N——水泥標準稠度用水量，%。

2.3.2 水泥需水性變化對混凝土強度的影響

理論上，要保持混凝土的強度不變，當混凝土用水量發生變化時，應保持水灰比不變相應調整水泥用量，但這在實際生產操作中很難做到。由于試驗條件和工藝設備的限制，預拌混凝土廠很難根據每批水泥的需水性變化而調整水泥用量，大多數情況下的做法反而是保持水泥用量及砂石等材料用量不變，而根據坍落度值來調整用水量。這樣混凝土實際水灰比將隨水泥需水性的變化而變化，相應地影響混凝土的強度。

2.3.3 水泥需水性變化對混凝耐久性的影響

標準稠度大，即用水量大的水泥對混凝土水灰比有著直接的影響，不僅影響到混凝土強度的下降，而且反映出混凝土用水量大、坍落度損失快、收縮大、開裂多、碳化大、耐久性降低。所以標準稠度大的水泥應引起水泥界人士的重視。

2.4 水泥出廠溫度以及儲存時間所產生的影響

水泥出球磨機的溫度約在90～105℃之間，如出磨水泥入庫后當天即被運送至商混站水泥庫，特別在夏季氣溫較高，水泥溫度下降緩慢，隨即使用該水泥時溫度往往超過60℃，有時高達80～90℃。較高溫度的新鮮水泥正電性強，吸附外加劑能力強，致使外加劑的適應性變差，造成混凝土坍落度損失很大，給混凝土質量控制帶來一定難度。而且，使用熱水泥會出現水化速度較快，水化熱高，需水量大，直接影響混凝土的工作性和耐久性。

所以，水泥出磨后應有個存儲期，這對穩定水泥品質性能有多方面益處，隨著存儲時間的延長，水泥溫度逐步下降，水泥中f-CaO吸收空氣中的水汽后轉變成Ca（OH）2，吸收空氣中的CO2后轉變成CaCO3，自然消化其活性，這對水泥安定性等有利。水泥中C3A與C3S等礦物同樣受到存儲時間的延長，其自身的性能得到改善，水泥進入較長時間段的正常發揮階段。這些性能的改善可能由于水泥在粉磨過程中使顆粒內部價鍵斷裂，使粉磨物料顆粒表面產生大量靜電荷，隨著存儲時間延長，靜電荷逐漸消失，水泥溫度的下降，部分顆粒吸收來自石膏中的水分與空氣中水分，使得水泥性能與外加劑的相容性趨于正常發揮，混凝土的工作性能得以在正常范圍內。

2.5 水泥同外加劑適應性

水泥同外加劑適應性不好，在實際工程中主要表現在以下幾個方面：一是混凝土拌和物初始流動度很差，明顯達不到設計要求，減水率低于用基準水泥的檢測值；二是混凝土初始流動度較好，但經時損失較大；三是所配制的高流動性混凝土有明顯嚴重的泌水離析，甚至出現“扒底”的現象；四是出現不正常凝結現象，如有急凝、假凝現象發生。

至于混凝土出現異常凝結現象，如長時間得不到硬化，從筆者的經驗看主要有兩點：一可能是水泥的凝結時間太長，二可能是緩凝型外加劑摻量過多或低品位的礦物摻合料摻入過多所致；混凝土出現“急凝”的原因則可能是水泥生產中使用了硬石膏或某些工業廢石膏，而外加劑中又有木鈣或糖鈣成份，因為木鈣和糖鈣中的還原糖會大大降低硬石膏在液相中的溶解度，使之很難溶出為水泥漿體系提供必要的SO4根離子，也就無法快速在C3A表面上形成大量AFt，造成C3A大量水化，形成較多的水化鋁酸鈣結晶體并相互連接，這一結果輕者導致混凝土坍落度損失過快，嚴重者將導致混凝土異常快凝。因此，對于預拌混凝土所用水泥，應采用品位較好的天然二水石膏作調凝劑。

在實際生產中，混凝土坍落度經時損失大的問題，主要出現在氣溫較高時段，一般通過適當調整外加劑配方可以緩解或克服，比如復合少量的保坍成份。

3 結語

上述討論雖然只是從理論上、在極端條件下，分析水泥強度、需水性和凝結時間等質量指標波動對混凝土性能的影響，實際生產中由于各種因素的綜合疊加、相互抵消，因水泥質量波動引起預拌混凝土的質量波動不一定有這么大，但從中也可以看出，水泥質量的波動對混凝土質量穩定性的影響非常大，特別是水泥強度和需水性變化對高標號混凝土的強度影響顯著，應引起水泥廠和預拌混凝土廠的重視。因而，預拌混凝土應選擇強度波動小、細度控制合理、凝結時間穩定正常、同外加劑適應性良好的水泥，從而確保預拌混凝土的性能。

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