水泥生產工藝與混凝土耐久質量相關性研究

嚴星洋

摘要：本文分析了水泥與混凝土耐久性的關系，并針對水泥生產工藝探討了提高混凝土耐久性的方法和措施。

關鍵詞：水泥生產工藝;混凝土耐久性;相關性

混凝土的耐久性通常是指混凝土在使用年限內，在周圍環境中各種因素的長期作用下，仍然具有良好工作性能的能力。混凝土結構在自然環境和使用條件下，隨著時間推移，不可避免地發生材料老化和結構性能劣化，甚至出現損傷或損壞，但只要不需要額外的維修和加固，而能保持完整的外觀、正常的使用性能和結構安全性，都可稱之為耐久的[1]。普通混凝土是由水泥、砂、石和水所組成，當水泥以適量水拌合后，形成的漿體能把砂、石黏結起來，隨著漿體逐步凝結、硬化而結成具有一定強度的“人造石”[2]。可見，混凝土之所以具有強度，水泥發揮了關鍵的作用;同樣，混凝土要保持長期穩定，水泥的性能也是極為關鍵的。所以，水泥與混凝土耐久性是相關的，而水泥性能又是由水泥生產工藝決定的，因而水泥生產工藝與混凝土耐久性也必然是相關的，這種相關性如何表現是本文要進行探討和研究的問題。

1 水泥與混凝土耐久性關系

如上所述，混凝土耐久性的喪失是從混凝土材料劣化開始的，而材料劣化主要是受到環境因素影響而引起的，例如混凝土碳化、凍融破壞、化學侵蝕、表面磨損和鋼筋銹蝕等;但也可能是混凝土自身材料劣化引起的，如堿-骨料反應。

1.1碳化反應

水泥熟料的主要成分是C3S、C2S、C3A和C4AF，當有石膏存在時，這4種礦物與水發生水化反應，除了生成水化凝膠（CSH）等物質以外，還產生Ca（OH）2。CSH與Ca（OH）2都能與環境中的CO2發生反應，即碳化反應。碳化反應生成CaCO3及其他固態物質，好的方面是孔隙填充作用使混凝土結構密實，結構強度也有所提高;不好的方面是孔隙水中Ca（OH）2濃度減小，pH值也隨之降低，導致鋼筋脫離鈍化狀態而銹蝕，所以總的說來碳化是有害的。混凝土碳化與材料、環境、混凝土結構狀態、施工質量等多種因素都有關。其中與水泥有關的是可碳化物質的含量，硅酸鹽水泥碳化最慢，其次是普硅水泥，而粉煤灰水泥、礦渣水泥、火山灰水泥等碳化較快。

1.2 鋼筋銹蝕

影響混凝土中鋼筋銹蝕的因素有水泥品種、外摻劑、pH值、溫度、Cl-濃度、混凝土電阻抗、孔隙水飽和度、水灰比、養護齡期、保護層厚度等。其中與水泥有關的是：Cl-濃度越高，對鋼筋鈍化膜的破壞作用越大，所以Cl-是有害的;水泥堿性高對抵抗Cl-影響是有利的;水泥中C3A對Cl-吸附作用較強，所以C3A含量高對鋼筋抗銹蝕是有利的;礦渣、粉煤灰、硅灰等的摻入，對抵抗Cl-引起的銹蝕也是有利的。

1.3 堿-骨料反應

一般將混凝土中的堿與堿活性骨料發生的膨脹反應稱為堿-骨料反應。這種反應使混凝土膨脹、開裂，所以是非常有害的，更被稱為混凝土的“癌癥”。堿-骨料反應與水泥和骨料都有關系。水泥中的堿主要以Na2O、K2O形式存在，水化時生成OH-+Na++K+，高堿水泥含較多的Na2O、K2O，因而更容易發生堿-骨料反應。

1.4凍融破壞

混凝土會在保水狀態下經過多次凍融循環而破壞。混凝土抗凍性也與多種因素有關，包括平均氣泡間距、水灰比、外摻加劑、強度、骨料及水泥品種與用量等。一般認為水泥雖與抗凍性有關，但通過在混凝土中引氣，可以很好地解決抗凍性問題，所以總的來說水泥與抗凍性關系不大。

1.5 化學侵蝕

混凝土處于侵蝕性介質中會因侵蝕作用而破壞。侵蝕性分為溶出性侵蝕、溶解性侵蝕和硫酸鹽侵蝕。密實性差、滲透性大的混凝土易發生溶出性侵蝕;酸性環境及高濃度堿液條件下易發生溶解性侵蝕;硫酸鹽侵蝕是因混凝土中鈣礬石、石膏和鈣硅石受到腐蝕膨脹而破壞。水泥中的C3A對硫酸鹽侵蝕有決定性的影響，控制C3A含量可提高抗硫酸鹽侵蝕能力，所以生產時盡量減少C3A含量。摻入粉煤灰、礦渣能顯著增強混凝土抗硫酸鹽侵蝕性。

1.6 表面磨損

混凝土表面磨損主要來自機械磨耗、沖磨和空蝕，后面兩種情況反映了混凝土受到水流作用的耐磨效果。混凝土耐磨性與混凝土強度、集料性質、水泥及摻合料、養護條件等因素有關。在水泥熟料礦物中C3S耐磨性最好，其次是C3A和C4AF，而C2S耐磨性最差。所以，配制耐磨水泥一般要求C3S+C3A含量高，以硅灰為外摻料也有利于提高耐磨性。

1.7小結

綜上，水泥對混凝土耐久性影響可歸納為水泥礦物組成、水泥細度（即水泥比表面積與顆粒分布）、水泥堿含量、水泥中SO3與f-CaO含量、水泥混合材、水泥品種等幾方面，其中影響最大的是水泥礦物組成和水泥細度。

2 水泥生產工藝控制與混凝土耐久性的提高

2.1 水泥礦物組成控制

2.1.1 水泥礦物組成選擇

由于不同礦物對不同耐久性項目貢獻不一致，有些還會產生沖突和矛盾，要得到各種耐久性項目均佳的水泥是難以做到的，應根據混凝土用途而有所偏重。例如生產抗硫酸鹽侵蝕水泥需要盡量減少C3A含量，而抗沖磨水泥希望C3A含量高一些，這就需要綜合考慮各種礦物成分的影響。但是有害成分堿含量、SO3含量、f-CaO含量必須盡可能少些。

2.1.2 混凝土收縮控制

現代混凝土配合比中廣泛使用高效減水劑和礦物細摻料，水灰比（水膠比）得到很好控制，混凝土硬化體的密實度和強度大為改善，在不產生裂縫的情況下混凝土耐久性能也得到極大提升，因此控制收縮對混凝土耐久性是重要的方向。在水泥熟料4種礦物中，C3A收縮率最高，遠超過C2S和C4AF，所以C3A是需要控制的成分，一般要求C3A含量不超過10%。

2.1.3 水泥礦物組成控制

現代預分解干法窯采用“兩高一中”或“三高”配料方法，即高硅酸率（2.4～2.7）、高鋁氧率（1.4～1.7）、中高飽和系數（0.9～0.96），熟料緩冷容易產生較多的C3A，引起混凝土早期開裂，因此窯型盡量短粗些，并采用新型蓖冷機以加快熟料的冷卻速度。如前所述，外摻礦渣、粉煤灰可以改進水泥性能，提高混凝土耐久性。這一方面是摻入混合材后，水化熱得到抑制，早期不易開裂;另一方面控制了后期鈣礬石生成的數量，也對耐蝕性有利。

2.2 水泥細度控制

同水泥礦物組成對混凝土耐久性的影響類似，對水泥各項性能產生有利影響的細度范圍并不一致。例如小于30μm的顆粒對強度、抗沖、抗侵蝕和抗凍有利，但細顆粒多，水灰比增加，容易產生收縮開裂。因此，也需要像水泥礦物組成的控制一樣，針對不同用途有所偏重。

細度控制主要通過調整粉磨的工作參數，如調整RRB曲線斜率，使該斜率（n值）保持在1.0附近。參數方面，通過均勻性系數、特征粒徑、30μm篩余、比表面積等進行控制[3]，例如道路水泥應控制30μm篩余在70%左右較好，耐磨、抗沖、抗凍、抗侵蝕綜合性能較好。

3 結語

我國每年用于混凝土結構的費用高達數千億，其中因耐久性不佳而返修加固的比例相當高，因此重視混凝土的耐久性具有很現實的意義。誠然，影響混凝土耐久性的因素是多方面的，但水泥質量是非常關鍵的因素。本文針對水泥生產工藝對混凝土耐久性關系的研究，有助于水泥生產廠家更好地通過工藝控制提高混凝土耐久性。

參考文獻：

[1]張譽，蔣利學，張偉平，等.混凝土結構耐久性概論[M].上海：上海科學技術出版社，2003.

[2]蘇達根.水泥與混凝土工藝[M].北京：化學工業出版社，2004.

[3]沈廣宗.水泥生產工藝對混凝土耐久性的影響[J].技術與市場，2014，21（4）：158-159.