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对水泥性能指标及检验方法的构想

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-01-03   来源:拉法基瑞安( 北京) 技术服务有限公司重庆分公司   作者:张大康   浏览次数:864
分析研究了新拌混凝土性能指标与水泥有关性能指标的关系, 结果表明, 目前水泥的性能指标尚不能很好地与新拌混凝土的性能指标对应。从新拌混凝土的质量要求和主要性能指标出发, 对相应的水泥性能指标及检验方法的建立提出了建议。力求通过简便可行的检验, 其结果能够与新拌混凝土的性能有很好的相关关系。
 引言

从满足混凝土质量的角度出发, 探索对水泥性能指标和生产工艺的要求, 已有一些研究成果[1~6]。特别是混凝土行业的研究人员, 对水泥细度、碱含量、C3A含量、强度( 特别是早期强度) 、水化热、标准稠度用水量、石膏的种类与含量等水泥的性能指标与混凝土性能的关系进行了探讨[2~5]。这些意见尤其值得水泥行业研究者和生产者关注。水泥在混凝土中的使用表现,是评价水泥质量最终也应该是唯一的标准, 水泥的质量必须满足混凝土这一最终产品性能的要求。

水泥性能指标与混凝土性能之间的关系十分复杂, 目前两者之间或者难以确定定量关系, 或者虽有一定程度的定量关系, 但这种定量关系受到许多因素的制约。曾经发现, 混凝土搅拌站使用不同水泥厂相同品种和强度等级的水泥, 按相同配比配制的混凝土性能差异巨大; 或者, 配制性能相同的混凝土, 水泥和减水剂使用量差别巨大。将不同水泥按现有水泥标准的技术要求和检验方法评价, 却没有明显差别。这种现象, 让我们不得不重新考虑现有水泥标准中技术要求和检验方法的合理性。从混凝土的性能指标要求出发, 探索对应的水泥性能指标, 并力图使二者之间具有良好的相关性, 无论对混凝土行业还是水泥行业都具有重要意义。

本文为根据混凝土质量要求探讨水泥性能指标及检验方法系列研究的第一篇。根据新拌混凝土的性能指标要求, 对相应的水泥性能指标及检验方法提出了一些构想, 对其实用性和标准化的可能性给予了特别的关注。

1 新拌混凝土与现有水泥性能指标对比
  表1 列出了新拌混凝土与现有水泥性能指标及检验方法的对比。其中检验方法只列出已经形成国家标准或行业标准、法规的部分。新拌混凝土的性能主要是混凝土的工作性, 除表1 所列项目外, 在一些资料[7,8]中还包括: 可塑性、易密实性、充填性等项目。水泥与高效减水剂相容性不属于新拌混凝土的性能, 但是与新拌混凝土的性能密切相关, 故在此一并讨论。与新拌混凝土性能指标相关的现有水泥性能指标是胶砂流动度、标准稠度用水量、凝结时间和水泥净浆流动度, 这些指标与新拌混凝土的工作性之间均没有很好的相关性。

2 现有水泥性能指标的局限
 
2.1 水泥胶砂流动度
 
  下述试验分析了胶砂流动度与混凝土的工作性之间的相关性。使用的5 种水泥其胶砂流动度按GB/T 2419—2005 检验, 检验时固定水灰比为0.5。按相同的混凝土配比( 见表2) 分别配制C40 的流动性混凝土, 其坍落度按GB/T 50080—2002 检验, 水泥胶砂流动度与混凝土坍落度关系如图1 所示。

表2 混凝土配比( 干基) kg/m3

图1 有限的试验数据显示, 水泥的胶砂流动度与混凝土的坍落度之间没有明显的相关关系。

2.2 水泥凝结时间

凝结时间反映了水泥的水化速度, 理论上分析,凝结时间应该与新拌混凝土的工作性有明显相关性,在混凝土行业, 将缓凝剂与高效减水剂复合使用, 能够有效改善混凝土的工作性, 特别是减少坍落度损失, 已经成为共识。但是, 水泥厂的生产实践表明, 水泥用户反映混凝土坍落度减小, 坍落度损失偏大, 分析原因的时候, 很少发现水泥凝结时间有明显的变化。可能有以下两个方面的原因: 第一, 在影响水泥流变性能的诸多因素中, 凝结时间只是其中一个影响不太明显的因素; 第二, 正常生产条件下, 凝结时间呈长周期小振幅波动, 对水泥流变性能的影响不易察觉。

在水泥厂原料或生产工艺有较大变化, 引起水泥凝结时间明显变化时, 水泥用户可以察觉混凝土坍落度的变化。例如, 某水泥厂使用占石膏总数量20%的磷石膏代替天然石膏, 因为磷石膏含有少量磷的缘故, 水泥初凝时间和终凝时间均延长1h 左右, 混凝土搅拌站反映, 混凝土的坍落度损失减小。

2.3 水泥的标准稠度用水量
 
  在比较简单的条件下, 根据水泥的标准稠度用水量可以较好地预测新拌混凝土的工作性。目前还很少有关于水泥标准稠度用水量与混凝土工作性之间相关性的定量研究结果, 这里所言比较简单的条件是指

2.2 水泥凝结时间
 
  凝结时间反映了水泥的水化速度, 理论上分析,凝结时间应该与新拌混凝土的工作性有明显相关性,在混凝土行业, 将缓凝剂与高效减水剂复合使用, 能够有效改善混凝土的工作性, 特别是减少坍落度损失, 已经成为共识。但是, 水泥厂的生产实践表明, 水泥用户反映混凝土坍落度减小, 坍落度损失偏大, 分析原因的时候, 很少发现水泥凝结时间有明显的变化。可能有以下两个方面的原因: 第一, 在影响水泥流变性能的诸多因素中, 凝结时间只是其中一个影响不太明显的因素; 第二, 正常生产条件下, 凝结时间呈长周期小振幅波动, 对水泥流变性能的影响不易察觉。

在水泥厂原料或生产工艺有较大变化, 引起水泥凝结时间明显变化时, 水泥用户可以察觉混凝土坍落度的变化。例如, 某水泥厂使用占石膏总数量20%的磷石膏代替天然石膏, 因为磷石膏含有少量磷的缘故, 水泥初凝时间和终凝时间均延长1h 左右, 混凝土搅拌站反映, 混凝土的坍落度损失减小。

2.3 水泥的标准稠度用水量
 
  在比较简单的条件下, 根据水泥的标准稠度用水量可以较好地预测新拌混凝土的工作性。目前还很少有关于水泥标准稠度用水量与混凝土工作性之间相关性的定量研究结果, 这里所言比较简单的条件是指水泥厂熟料质量和粉磨工艺正常、稳定, 正常生产P·Ⅱ42.5R 水泥的时候, 取大磨水泥, 此为水泥样品1; 在水泥磨磨头取熟料、石膏、混合材料样品, 按水泥磨的配比配料, 在试验小磨中粉磨至与水泥样品1 相同的比表面积, 此为水泥样品2; 在水泥样品1中掺入5%比表面积1 200m2/kg 的高细石灰石粉,20%比表面积480m2/kg 的矿渣粉, 此为水泥样品3。3个水泥样品的物理性能见表3。

表3 各水泥样品的物理性能
各水泥样品按相同的配比分别配制的混凝土检验结果如表4 所示。

表4 混凝土检验结果
注: 各样品混凝土配比( kg/m3):石子1024, 砂624, 水泥250, 水152, 矿渣粉110, 粉煤灰30, 减水剂7。

综合表3、表4 的结果, 比较水泥1 和水泥2, 二者成分组成完全相同, 唯粉磨方式不同, 其标准稠度用水量相差明显。按预期标准稠度用水量较低的水泥2 应该具有较大的混凝土坍落度, 但试验结果正好相反。比较水泥1 和水泥3, 水泥3 在水泥1 中加入了25%的比水泥更细的混合材料, 水泥3 比水泥1 比表面积大幅度提高, 均匀性系数和特征粒径降低。水泥3 标准稠度用水量比水泥1 略有减少; 同时, 水泥3拌制的混凝土坍落度大于水泥1, 坍落度经时损失小于水泥1。现有的有限试验结果, 尚不足以确切地探索发生上述现象的原因。但至少可以肯定, 水泥标准稠度用水量与混凝土坍落度之间的对应关系只能在特定的条件下成立, 水泥标准稠度用水量无法确定地预期混凝土的工作性。

2.4 水泥净浆流动度
 
  GB 50119—2003 和GB/T 8077—2000 都规定了使用微型坍落度仪的净浆流动度检验方法。水泥净浆流动度测试的本意是为减水剂生产厂提供了一种检验、评价减水剂产品质量稳定性的方法。该方法用料少, 简便快捷, 便于减水剂生产厂家检验产品质量波动。近年来, 净浆流动度检验结果被广泛用作评价水泥与减水剂相容性好坏的依据, 有些夸大了该方法的作用。研究表明[10], 至少对于高强度自流平混凝土, 净浆流动度与混凝土坍落度之间没有很好的相关关系。

尽管如此, 国内一些特别关注水泥与高效减水剂相容性问题的企业, 还是在根据净浆流动度对水泥质量进行评价和控制。在没有更好的检验方法之前, 净浆流动法只能是有胜于无。目前, 水泥与减水剂之间相容性的研究成为热点, 许多水泥厂根据现代混凝土大流动度的要求, 致力于改善水泥与减水剂的相容性。但是, 如果没有可行、可靠的相容性检验方法, 这方面的研究和水泥厂的质量控制就没有可靠的评价标准。水泥与减水剂相容性的一些研究成果, 不同文献的结论存在一些差异, 部分原因也在于相容性检验方法不够可靠。

净浆流动度检验方法同时提供了一种基准水泥,可以用于评价不同减水剂对于水泥相容性的相对值。这对于该方法建立的目的、用途似乎已经没有问题。但是, 基准水泥使用量较大, 同时难以保证长期储存后质量不发生变化, 限制了它的应用。该方法用于水泥的生产者和使用者, 有很大的局限性。笔者对数十个水泥用户进行调查, 其中只有1 个用户正在使用基准水泥, 3 个用户曾经使用过基准水泥, 大多数用户从来没有使用过基准水泥。该方法没有提供基准减水剂, 用于水泥厂对水泥与减水剂相容性的评价显得困难。大型水泥厂往往有数十个至上百个用户, 这些用户使用的减水剂虽然大多数为萘系, 但是质量参差不齐, 各个用户使用各自的减水剂检验的净浆流动度差距巨大。水泥厂在水泥与减水剂相容性正常的情况下, 面对个别由于所用减水剂质量不好的用户提出的相容性投诉, 在标准未提供基准减水剂及用户没有基准水泥的情况下, 能够提供的水泥与减水剂相容性良好的证据显得苍白无力。

3 对新拌混凝土对应的水泥性能指标的构想
对应新拌混凝土性能指标, 建议水泥建立如下性能指标来对应, 如表5 所示。

表5 与新拌混凝土对应的水泥性能指标

3.1 混凝土流动性及与流动性相关性能对应的水泥性能指标判断水泥在混凝土流动性的表现, 最直接可靠的方法当然是拌制混凝土, 然后直接检验混凝土的流动性指标。但该方法存在以下不足:
1) 石子、砂因为使用量大, 难以标准化, 即使标准化, 其试验材料成本也很大。
2) 试验过程繁复, 工作量大。
3) 水泥厂需要增加混凝土试验设备。

寻找一种简单易行, 检验结果与混凝土流动性及与流动性相关性能有很好相关性的检验方法, 无疑是各方面所共同期待的。该方法应该满足如下条件:

1) 同时满足水泥、混凝土和减水剂三方的需要。
于水泥生产, 可以用于评价水泥对减水剂的相容性;于混凝土生产, 可以预期特定的水泥、减水剂在一定水胶比、减水剂掺入量下配制混凝土的坍落度; 于减水剂生产, 可以用于评价减水剂的质量。
2) 具有明确的流变学意义, 能够准确反映流变学参数。
3) 能够确定减水剂饱和掺入量、最佳掺入量及相应掺入量下混凝土的泌水性。
4) 由检验结果和混凝土的某些参数, 如砂灰比、水胶比、石子最大粒径构造的函数, 可以用于预期混凝土流动性及与流动性相关性能。
5) 提供基准减水剂。
6) 试验材料可以标准化。
7) 试验方法方便、快捷, 试验仪器设备不过于复杂, 试验费用低廉。

从20 世纪60 年代开始, 国外学者就在努力寻求一种简单的试验方法, 用以代替繁复的混凝土试验。日本学者通过大量试验表明, 胶砂流动度辅以砂灰比、水胶比等参数, 与混凝土的流动性有很好的相关性。目前日本的水泥厂即以胶砂扩展度来评价水泥在混凝土中的流动性。我国徐永模等人[11, 12]也进行了类似的研究, 结论表明, 胶砂扩展度可以多方面地评价减水剂与水泥的相容性, 以及在减水剂作用下水- 水泥- 细集料悬浮体系的稳定性; 可以得到极限扩展度、减水剂饱和掺入量和经时损失等参数; 并且, 胶砂扩展度与混凝土扩展度具有很好的相关性。新拌混凝土的流动性及与流动性相关性能主要取决于水泥浆体的性能, 但由于混凝土中存在粗细集料, 水泥净浆的流变性能难以简单地与混凝土的流变性能对应。原因在于水- 水泥悬浮体系与水- 水泥- 集料悬浮体系的颗粒粒径差别太大, 前者处于微米级,后者主要处于毫米至厘米级。这种颗粒尺寸的差别使得不同体系在黏性流动变形中, 颗粒之间的内摩擦机制存在显著不同。混凝土的流动性及与流动性相关性能可以分为3 个层次研究: 以水为分散体系的水泥浆体系; 以水泥浆为分散体系的砂浆体系; 以砂浆为分散体系的混凝土。水泥净浆的流变性能与混凝土的流变性能相关性较差, 直接检验混凝土的流变性能又存在试验材料难以标准化、试验过程繁复的问题, 从实用化角度考虑, 对砂浆体系的流变性能进行表征的胶砂扩展度, 可能是一个很好的折中。因此可以将胶砂扩展度作为与混凝土流动性及与流动性相关性能对应的水泥性能指标。一个值得注意的问题, 矿物掺合料对混凝土流动性及与流动性相关性能有显著影响[13, 14]。对于考察水泥自身的流变性能和水泥与减水剂相容性而言, 矿物掺合料的影响不必考虑; 胶砂扩展度与混凝土流动性及与流动性相关性能建立相关关系则必须考虑矿物掺合料的影响。
胶砂扩展度的检验方法在GB/T 8077—2000 已有规定, 要满足本节开始提出的条件, 尚需进一步完善:
1) 用于评价水泥与减水剂相容性时, 首先需要将砂标准化, 为方便起见, 可以使用符合GB/T 17671—1999 要求的标准砂。
2) 提供基准减水剂。水泥厂使用基准减水剂可以评价水泥与减水剂的相容性; 减水剂厂也可以就近选择市场销售的水泥, 用基准减水剂确认它与减水剂的相容性没有问题后, 将该水泥用于日常的质量控制。
3) 确定试验结果与混凝土的流动性及与流动性相关性能的关系, 尝试与混凝土的砂灰比、水胶比、石子最大粒径构造出某个函数, 用于预期混凝土的流动性及与流动性相关性能。
4) 确定检验方法的重要参数, 如砂灰比、水灰比等。
5) 探讨重新设计流动度跳桌的必要性。
6) 探讨对胶砂进行泌水量检验的可能性。
7) 将检验方法标准化。
  目前国内尚没有基准减水剂。花王公司生产的一种萘系基准减水剂在日本至少使用了10 年以上。笔者曾经对比过贮存8 年的产品和新生产的产品, 净浆流动度检验结果没有区别。

与混凝土的坍落度类似, 胶砂扩展度能够很好地表征胶砂的屈服值, 但是几乎不能反映胶砂的黏度。在较大的水泥用量, 掺入矿物掺合料、低水胶比的条件下, 混凝土的黏度是一个必须考虑的指标。因此这成为胶砂扩展度的一个明显的缺陷。文献[15]报告了使用Orimet 法(漏斗法)评价高流动性混凝土工作度的研究成果。文献[16]报道了使用L 型流动仪检验大流动性混凝土工作性的研究成果。这2 种方法均可以较好地表征新拌混凝土的黏度, 可以考虑经过改进后
用于检验胶砂的黏度。

减水剂对水泥的最大分散作用, 必须以没有明显泌水为前提。因此有必要尝试检验最大扩展度或某一扩展度下胶砂的泌水量。如果可以定量检验, 还应该对其进行限定。有必要将①水泥与减水剂的相容性与②混凝土的流动性及与流动性相关性能进行区分, 尽管二者之间密切相关。首先, 混凝土的流动性及与流动性相关性能受到的影响因素更多, 如砂率、砂石级配、浆骨比等; 其次, 二者关注的重点不同, 水泥与减水剂的相容性更加关注水泥或减水剂自身质量和它们之间的互相协调。胶砂扩展度的检验方法应该对此给予充分考虑。

3.2 混凝土保水性对应的水泥性能指标
 
  非干硬性混凝土拌合物在浇注与捣实以后、凝结(不再发生沉降)之前, 表面会出现一层水分或水泥浮浆, 这种现象称为泌水[17]。水可以由混凝土固体颗粒的缝隙或毛细孔均匀、缓慢地向上渗透; 也可以由混凝土的局部通道向表面迅速传递。前一种泌水与水泥性能有关; 后一种泌水主要取决于混凝土的性能, 与水泥性能关系不大。影响混凝土泌水性的水泥方面的因素包括: 比表面积、颗粒分布、凝结时间、碱含量、C3A 含量及SO3 含量[18~20]。

描述混凝土泌水特性的参数有: 泌水量———混凝土拌合物单位体积的平均泌水量; 泌水率———泌水量与混凝土拌合物含水量之比; 泌水速度———析出水的速度; 泌水容量———混凝土拌合物单位厚度平均泌水深度。可以归结为泌水数量和泌水速度两个方面。

混凝土保水性对应的水泥性能指标是水泥的保水性, 为简便起见, 可用胶砂或净浆作为检验对象。目前还没有水泥胶砂或净浆保水性的检验方法。GB/T3183—2003《砌筑水泥》附录A 提供了《砌筑水泥的保水率测定方法》, 该方法以胶砂为检验对象, 按GB/T 17671—1999 规定的灰砂比、水灰比、标准砂等条件成型胶砂, 按GB/T 2419 检验胶砂的流动度, 调整水量, 使胶砂流动度处于180~190mm 之间。以滤纸吸收胶砂的析出水, 并计量。水泥保水性检验方法可以有以下3 种考虑:
1) 按GB/T 3183—2003 附录A 提供的《砌筑水泥的保水率测定方法》。
2) 以按GB/T 1346—2001 制备的标准稠度净浆作为检验对象, 其余参照GB/T 3183—2003 附录A提供的《砌筑水泥的保水率测定方法》。
3) 按前述“胶砂扩展度检验方法”, 使用ISO 标准砂和基准减水剂, 制作一定扩展度的胶砂作为检验对象, 其余参照GB/T 3183—2003 附录A 提供的《砌筑水泥的保水率测定方法》。笔者倾向于上面的方法3), 其优点在于:
1) 使用胶砂作为检验对象, 与混凝土的保水性有更好的相关性。
2) 在胶砂中掺入减水剂, 与多数和重要的混凝土使用场合接近。
3) “胶砂扩展度检验方法”很好地表征了与混凝土的流动性和相关性能对应的水泥性能指标, 将保水性检验方法与之配合, 可以同时表征混凝土工作性中的另一个重要性能———稳定性对应的水泥性能指标。

4 结束语
 
1) 胶砂扩展度与混凝土坍落度、扩展度方法有很好的相关性, 可以很好反映浆体的屈服值, 其检验结果可以用来表征水泥与减水剂的相容性, 和水泥在混凝土中流动性表现。
2) 用Orimet 法(漏斗法)或者L 型流动仪检验胶砂的流动时间, 可以表征浆体的黏度。
3) 使用ISO 标准砂和基准减水剂, 制作一定扩展度的胶砂作为检验对象, 参照GB/T 3183—2003 附录A 提供的《砌筑水泥的保水率测定方法》, 并加以改进, 检验结果可以用来表征水泥的泌水数量和泌水速度。
 
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