水泥品質對混凝土體積穩定性的影響研究

李永坤

（安徽郎溪南方水泥有限公司，安徽 宣城 242000）

近幾年，隨著社會的發展與進步，基礎設施建設規模不斷擴大。混凝土作為基礎建設中不可缺少的必要材料，其體積穩定性與工程質量有著較大關系。水泥作為混凝土中重要的原材料之一，在很大程度上決定著混凝土體積的穩定性。為提高現代混凝土的耐久性，會在其中加入礦物摻合料，以替代30%～50%的水泥，從而降低水泥用量。雖然現代混凝土中，水泥的應用比重在下降，但其高強度硬化、抵抗淡水或含鹽水侵蝕的作用無可替代。隨著市場經濟的發展，市場競爭力不斷加強，部分水泥生產企業為發展壯大、創造更高的經濟收益，會在水泥生產過程中通過減少熟料用量和其他方式來降低成本，導致水泥品質受到影響，進而影響現代混凝土體積穩定性，同時，影響其耐久性和混凝土結構的安全性。本文重點分析水泥品質及其對混凝土體積穩定性的影響，結合現狀分析水泥技術發展方向及需要做出的轉變。

1 水泥品質分析

國家基礎建設快速發展，推動了水泥與混凝土行業的發展與壯大。為進一步保證基礎建設質量，充分了解水泥品質及其對混凝土質量的影響尤為重要。現對水泥存在的問題進行分析，并結合問題提出改進措施。

1.1 水泥細度問題及原因

近年來，隨著科學技術的發展，國內外水泥細度及早期強度均有顯著改善，尤其相較于20 世紀80、90 年代，水泥質量有著質的飛躍。但早期強度的提高，會在一定程度上影響混凝土后期性能，進而降低混凝土的穩定性。而水泥的顆粒分布同樣會影響水泥的性能。以往控制水泥細度，會采用負壓篩孔篩余和比表面積測量的方法，但在實際應用過程中發現，單一使用上述兩種測定方法，無法充分掌握水泥粉體中不同粒徑分布情況，導致水泥細度存在問題。目前，我國部分水泥生產企業，在控制水泥細度方面依然沿用傳統的負壓篩孔篩余和比表面積測定方法，而忽視了水泥顆粒級配改進。另外，部分水泥生產企業管理者存在錯誤認知，認為可以通過磨細水泥來促進其水化速度與效果，在水泥生產過程中只是一味地調整比表面積，而忽略了高比表面積對水泥品質的影響。例如，水泥需水量增加、與外加劑相容性變差、混凝土坍落度損失增大等問題，以及混凝土結構耐久性降低問題。除此之外，部分水泥生產企業為提高早期及28d 強度，在生產過程中減少60μm 以上顆粒含量，進一步導致水泥強度增長過快，影響其后期的穩定性。總而言之，水泥生產企業為獲得更大的經濟收益，施工方為縮短工期，一味下調水泥細度，使得早期強度增高，進而影響現代混凝土開裂的敏感性。

分析水泥越來越細的原因發現，水泥生產企業會降低熟料的使用比例，以降低成本的方式提高經濟效益，將同等熟料含量的水泥顆粒磨得越來越細。另外，在降低成本的同時，為保證強度不受影響，生產過程中會將C3A、C3S 含量上調，以滿足市場要求，這也是導致早期強度過高的主要原因。經詳細分析發現，水泥生產企業是影響水泥質量的關鍵性因素。企業為了獲取更多的利益，通過不斷調整水泥細度、早期強度的方式減少熟料用量，進而影響了混凝土體積的穩定性和耐久性。

1.2 水泥混合材問題及原因

近年來，隨著工程建設的發展混凝土產量呈現與日俱增的趨勢，導致摻合料用量不斷增加，優質的摻合料明顯緊缺，使得水泥中高品質混合材短缺。而水泥生產企業為保證產量，在實際生產過程中會使用不達標或劣質混合材，導致市場中出現各種品質不同的水泥產品。我國因資源分布不均，許多地區并不盛產粉煤灰、石英石、石英砂等混合材，有些地區還存在混合材過剩的情況，導致地區與地區之間水泥品質存在差異。另外，過量摻入混合材的現象普遍存在，主要是因為水泥生產企業為降低熟料用量，縮減成本，導致水泥強度大打折扣。近幾年，對水泥質量要求不斷提高，混合材加入方式、摻量標準均有較大爭議。部分專家認為，在控制混凝土質量方面是否可以在生產水泥時不摻入混合材，而是通過在混凝土中加大混合材或礦物摻合量的方式來提高混凝土的耐久性，但該方式一直未能得到實踐與驗證。

1.3 水泥堿含量問題及原因

水泥熟料中會含有堿成分，如黏土、石灰石、燃料煤中都含有一定量的堿。原料在燒制過程中，苛性堿、氯堿會揮發，但石灰石中堿成分對溫度的要求較高，低溫無法使其充分揮發，且揮發的堿大部分不能排放到空氣中，而是隨著溫度降低附著在生料上，待這部分生料與半成品入窯后，溫度上升會使堿再次揮發，形成堿循環，對熟料煅燒產生不利影響，進而影響水泥的品質。當水泥中含堿量過高時，混凝土坍落度會加快，凝結時間會縮短，因此，在提高混凝土耐久性研究中，控制水泥堿含量是重點問題之一。

2 水泥品質對混凝土體積穩定性的影響

2.1 收縮

混凝土體積穩定性受塑性收縮、化學減縮、干縮、自收縮及溫度變形的影響。現階段，應用的混凝土中中低強度混凝土的水膠占比更高，因此，在應用過程中干縮占比較大，這與水泥收縮有極大關系。為進一步降低干縮占比，需要控制水泥用量，以減小水膠占比。在實際應用過程中發現，混凝土制作過程中，降低水泥用量能夠顯著降低膠凝材料體系的水化速率與收縮，其主要是因為膠凝材料體系絕熱高溫度最高只能達到63.5℃，同時，其水化速率相對較慢，7d 收縮率僅有1.5×10-4，可以有效維護混凝土體積穩定性。但在應用膠凝材料的過程中，需要做好顆粒級配，以規避需水量增大問題，減慢水化速度，從而保證和易性和坍損，避免發生強度倒縮的情況。通過上述分析可以發現，膠凝材料的顆粒級配對混凝土體積穩定性有重要影響，同時可以增加密實性。經研究實踐發現，水泥熟料中C3A 的收縮最大，與C2S、C3S 相比是后者的3 倍左右，與C4AF 相比可高出4.5 倍。由此可見，水泥中C3A 的含量越高，混凝土水化收縮就越大。針對這一問題，在實際應用過程中，可將中熱硅酸鹽水泥換成低熱硅酸鹽水泥，以規避混凝土溫度變形、收縮變形和堿活性膨脹變形等問題，進而提高混凝土體積穩定性。另外，水泥與減水劑的相溶性并不理想，導致飽和點增高。為規避這一問題，在混凝土生產過程中會增大減水劑摻量，而這種操作無疑會增加混凝土中膠凝材料用量，從而影響混凝土體積穩定性及混凝土的耐久性。在實際應用過程中，許多工程施工方為進一步避免混凝土收縮影響，有效改善混凝土體積穩定性，通常會采取以下措施：第一，制作混凝土前，結合工程實際需要，選擇更為合理的水泥，以避免影響水泥品質。而許多工程施工方會選擇低水化熱水泥，并在混凝土制作過程中減少水泥用量。第二，部分混凝土生產企業，會通過減少用水量及摻入足夠量的礦物摻合料來減少水膠占比，進而提高混凝土的耐受力。第三，在使用外加劑時，以提高水泥與減水劑的相溶性為主。總之，混凝土生產企業為規避水泥問題影響混凝土體積穩定性，可選擇減少和控制水泥用量的方式來降低開裂風險。

2.2 開裂

早期開裂是影響混凝土結構耐久性與體積穩定性的重要因素之一，其主要是因為早期裂縫會增加后期開裂風險，尤其早期熱裂縫占比越大，后期發生開裂的風險就越大。因此，提高混凝土體積穩定性，預防開裂尤為重要。水泥品質是導致早期裂縫的主要原因，尤其是熟料粗顆粒減少時，穩定體積未水化顆粒會隨之減少，進而嚴重影響混凝土的長期性能。因此，在水泥中保持一定量的粗顆粒是提高混凝土體積穩定性的重要因素。大量研究發現，水泥細度越細，新拌混凝土早期收縮增大就越明顯，而產生早期裂縫的概率與面積也越大；混凝土生產過程中，使用比表面積大的水泥，其早期開裂的裂縫會呈現出細而不通的情況，這對水分蒸發有較大影響，該類水泥雖然早期強度高，可增加水泥水化效率，但后期強度增長緩慢，會增加產生溫度裂縫的風險。在應用實踐中發現，同等等級的混凝土強度，早期最大裂縫寬度和裂縫面積會隨著水泥細度的增加而增大；水泥中堿含量過大，會導致混凝土出現收縮開裂的情況，所以，在預防混凝土開裂時，大多會選擇低堿水泥抵抗開裂問題；混凝土中無論是否存在活性骨料，堿含量都會增加混凝土開裂風險。除上述原因外，水泥生產過程中大量摻入混合材也是增加混凝土開裂風險的主要原因之一。水泥生產過程中，大多會用到磨細礦渣、粉煤灰、硅灰等混合材，但摻入硅灰、粉煤灰和磨細礦渣，會增加水泥干燥收縮幅度，如果在工程建設中養護不當，極易發生開裂情況，這也是工程中常出現的問題。而一些劣質混合材，會升高燒失量，使用該熟料制作水泥，會增大用水量，進而影響其強度和其他性能，縮短混凝土壽命。

3 提高水泥品質的途徑

目前，我國水泥生產仍存在問題，應積極尋找既能夠使水泥足夠水化，又不損害混凝土性能和耐久性的技術。通過問題分析發現，抗開裂是水泥行業迫切需要解決的問題之一。現階段，可以通過控制早期強度、熟料中C3A、C3S 的比例及堿含量來抵抗開裂問題，但該舉措資金耗費量大，對于許多水泥生產企業而言具有一定的難度。除此之外，在水泥生產過程中，水泥粉磨的控制是最后的控制技術，該環節的操作與水泥品質、粗細程度、顆粒分布情況等有直接關系，所以，水泥精細粉磨決定了水泥的最終性能，可通過控制該道工序質量來提高水泥的品質。在工程實踐中發現，直接影響混凝土性能的是熟料的細顆粒，只有保證較少顆粒粒徑＜3μm，才能在最大限度上發揮水泥的活性，使其得到充分水化。生產企業可以選擇將熟料、混合材分開粉磨的方式，發揮混合材應有的填充效應和熟料顆粒的活性效應，進而提高水泥性能。

水泥生產企業的經營理念與認知也需要作出改變。首先，水泥生產企業需要了解水泥最終定位是為混凝土服務，保證混凝土性能才是水泥改進的方向。其次，水泥生產企業的管理者需要提高自身認知與社會責任感。在日常經營管理過程中，需要充分認識到保證基礎設施使用年限與結構耐久性是水泥的使命，也是水泥生產企業的使命。水泥行業需要在細磨水泥、混合材摻入量等方面作出積極改進，通過技術手段來提升自身的市場競爭力，而非通過縮減用量來降低成本。除水泥生產企業自身需要作出改變，國家相關部門也應針對現存問題制定具有針對性的管理規定，通過法律法規來約束水泥生產企業，以保證水泥品質，提高混凝土體積穩定性。

4 結語

現階段，我國部分水泥生產企業為獲取更大的收益，會以增加水泥比表面積的方式來降低熟料用量，從而達到縮減成本的目的。另外，因地區差異，部分水泥生產企業為降低運輸成本，會選擇使用劣質混合材，進而影響水泥品質。同時，許多水泥生產企業不具備先進的堿循環處理技術，導致水泥中堿含量超標，影響水泥品質。水泥品質直接影響混凝土體積穩定性，因此，需要加以改進，不斷提高水泥品質，從源頭上控制混凝土質量，延長工程壽命。