從混凝土角度討論道路水泥的礦物組成

　　摘要   從影響混凝土的收縮和耐磨性的因素出發(fā),討論道路水泥的礦物組成。由于混凝土的干燥收縮只有水泥凈漿的1/5,而耐磨性隨著水灰比的降低而提高,因此過分追求道路水泥中的C4AF含量高和降低C3A含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干縮性能,相反會(huì)給回轉(zhuǎn)窯特別是預(yù)分解窯廠生產(chǎn)道路水泥帶來困難。為此,建議適當(dāng)降低道路水泥中C4AF和C3A含量的限制。

　　關(guān)鍵詞 混凝土,道路水泥,礦物組成

　　1  引言

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運(yùn)輸部門要求更多的高等級公路。為適應(yīng)混凝土路面施工的要求,我國研制、生產(chǎn)了道路硅酸鹽水泥并制訂了道路硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)。道路硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其C4AF含量不小于16%,C3A不大于5%,這主要是為了滿足水泥的收縮和耐磨性能的指標(biāo)。然而這一規(guī)定似乎從水泥漿體的性能考慮較多,而從混凝土角度的考慮欠缺。作為建筑材料,水泥只是一種半成品,它最終必須制作成混凝土,以混凝土乃至鋼筋混凝土的形式出現(xiàn)在建筑物或構(gòu)筑物中。因此,道路水泥的生產(chǎn)及其標(biāo)準(zhǔn)的制訂也應(yīng)從混凝土的角度加以考慮。本文擬在討論影響混凝土收縮和耐磨性能的基礎(chǔ)上,對道路水泥熟料礦物組成提出一點(diǎn)看法。

　　2  混凝土的收縮及其影響因素

　　混凝土的收縮主要有塑性收縮、自收縮、干燥收縮和碳化收縮。

　　2.1  塑性收縮

　　塑性收縮是新拌混凝土失水引起的收縮。它的失水是由表面脫水而引起。新拌混凝土顆粒之間的空間完全充滿水,當(dāng)受高風(fēng)速、低相對濕度、高氣溫和高的混凝土溫度等因素作用時(shí),水從漿體內(nèi)部向表面移動(dòng),從表面脫水,這時(shí),產(chǎn)生毛細(xì)管負(fù)壓力,隨著失水增加,毛細(xì)管負(fù)壓逐漸增大,產(chǎn)生收縮力,使?jié){體產(chǎn)生收縮。當(dāng)收縮力大于集體的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)使表面產(chǎn)生開裂。 

圖1  水泥凈漿、砂漿和混凝土的24h塑性收縮〔1〕

　　圖1為水泥凈漿、砂漿和混凝土在澆灌后24h的塑性收縮,實(shí)驗(yàn)條件為溫度20℃、相對濕度50%、風(fēng)速1m/s。從圖1可看出,水泥凈漿、砂漿和混凝土24h塑性收縮分別為6.6mm/m、4.4mm/m和1.8mm/m,說明集料對混凝土早期的塑性收縮有抑制作用。從圖1還可看出,水泥凈漿、砂漿和混凝土早期塑性收縮最大速率發(fā)生在1～4h,此后收縮平緩。因此在收縮速率發(fā)生的時(shí)期采取保護(hù)措施對避免混凝土的塑性收縮裂縫很有必要。例如,在上述試驗(yàn)條件下,在混凝土梁上鋪設(shè)2cm厚的1∶1砂漿,在20min時(shí)出現(xiàn)收縮裂縫,而1∶2的砂漿在1h10min出現(xiàn)收縮裂縫,而1∶2.5的砂漿則不開裂。對于混凝土,采取人工保持混凝土表面潮濕可避免水分的蒸發(fā)而防止收縮裂縫的出現(xiàn)。另外,使用高標(biāo)號水泥,減少水泥用量而增加集料用量可以減少混凝土早期塑性收縮。

　　據(jù)認(rèn)為〔1〕,影響混凝土塑性收縮的主要因素是風(fēng)速、相對濕度、氣溫和混凝土本身的溫度。高風(fēng)速、低相對濕度、高氣溫和高的混凝土溫度將使混凝土的失水加劇,從而增加塑性收縮。據(jù)報(bào)導(dǎo),2cm厚的純波特蘭水泥凈漿條板,在溫度為20℃、相對濕度為50%的條件下,無強(qiáng)制通風(fēng)8h,其收縮率為1700×10-6,而風(fēng)速為0.6m/s、1m/s的條件下經(jīng)過8h,其干縮率分別為6000×10-6和7300×10-6,這說明風(fēng)速增大使水泥漿體的收縮增大。R.Dutron的實(shí)驗(yàn)〔1〕也證實(shí)此結(jié)果,他還提出,當(dāng)風(fēng)速為7～8m/s、氣溫為20℃時(shí),收縮為14000×10-6,而100℃時(shí)為19000×10-6,說明溫度提高,收縮增大。對于混凝土來說,其水泥用量和水灰比對其塑性收縮影響很大,水泥用量為200kg/m3、350kg/m3和500kg/m3的混凝土,其收縮率分別為800×10-6、1600×10-6和2300×10-6;水灰比為0.45、0.50、0.55和0.60的混凝土,其早期收縮率分別為1000×10-6、1530×10-6、1600×10-6和1350×10-6(注:原文如此)。從這些數(shù)據(jù)我們可以看出,降低環(huán)境風(fēng)速,降低溫度和提高相對濕度,減少水泥用量而增加集料用量,降低水灰比等措施均有利于減少混凝土的塑性收縮?；炷恋乃苄允湛s在夏季最為嚴(yán)重。據(jù)認(rèn)為〔1〕,若混凝土表面脫水速率超過0.5kg/(m2·h),則失水將大于滲出水到達(dá)混凝土表面的速率,并造成毛細(xì)管負(fù)壓,引起塑性收縮。若蒸發(fā)速率超過1.0kg/(m2·h),需采取預(yù)防開裂的方法。最常用和有效的方法是確?；炷镣瓿赡娌㈤_始養(yǎng)護(hù)前一直保持濕潤。

　　從上述結(jié)果看出,混凝土的收縮裂縫不一定來自于材料本身,而可能來自混凝土的施工。特別是道路混凝土路面,其表面積與體積比較大,暴露于大氣中的表面積大,更容易產(chǎn)生早期塑性收縮裂縫。根據(jù)我國道路水泥混凝土路面的施工經(jīng)驗(yàn),加強(qiáng)初期(7d內(nèi))的潮濕養(yǎng)護(hù)和及時(shí)(在混凝土強(qiáng)度為6～12MPa時(shí))切縫是防止道路混凝土路面早期裂縫的有效措施。

　　2.2  化學(xué)減縮

　　化學(xué)減縮主要是無水熟料與水起化學(xué)反應(yīng),使固相體積逐漸增加而水泥—水體系的總體積逐漸減少的緣故。具體地說是由于水化前后反應(yīng)物和生成物的平均密度不同所引起。如果進(jìn)一步分析,則可認(rèn)為是水泥與水起化學(xué)反應(yīng)過程中,原來的自由水成為水化產(chǎn)物的一部分,使它的比容由原來的1cm3/g變成0.737cm3/g的緣故(筆者注:指硅酸鹽水泥化學(xué)結(jié)合水的比容,早期的文獻(xiàn)認(rèn)為是0.75cm3/g),化學(xué)減縮作用與化學(xué)結(jié)合水之間有直線關(guān)系,文獻(xiàn)〔3〕認(rèn)為:
　　Wn=KΔW                           (1)
　　式中:Wn——化學(xué)結(jié)合水量,g/100g水泥;
　　ΔW——化學(xué)減縮量,ml/100g水泥;
　　K——常數(shù),對硅酸鹽水泥K≈4。
　　 (1)式可改寫成
　　ΔW=Wn/K=Wn/4=0.25Wn              (2)

　　也就是說,硅酸鹽水泥的化學(xué)減縮量約為化學(xué)結(jié)合水的25%。因此可以認(rèn)為,化學(xué)結(jié)合水量大的水泥,其最終化學(xué)減縮量也大。硅酸鹽水泥不同齡期的化學(xué)減縮量與其礦物組成有關(guān),因?yàn)椴煌膯蔚V在不同齡期的化學(xué)減縮量不同。文獻(xiàn)〔2〕認(rèn)為,C3S、C2S的化學(xué)減縮分別占原有絕對體積的5.31%和1.97%;C3A與水反應(yīng)生成C3AH6時(shí)化學(xué)減縮占原有絕對體積的23.7%,而與CaSO4·2H2O作用生成3CA·3CaSO4·31H2O時(shí)化學(xué)減縮只有6.15%。Copeland〔2〕對水化1年的硅酸鹽水泥化學(xué)結(jié)合水的研究表明(W/C=0.4),C3A、C3S、C2S和C4AF的化學(xué)結(jié)合水分別為42.9%、22.8%、16.8%和13.2%,從1年化學(xué)結(jié)合水來看,化學(xué)減縮的順序是C3A>C3S>C2S>C4AF,這似乎與這些單礦對水泥的收縮影響相符。文獻(xiàn)〔3〕認(rèn)為,水化28d化學(xué)減縮的順序?yàn)镃3A>C4AF>C3S>C2S,它們28d化學(xué)減縮分別為17ml/100g、9.0ml/100g、5.2ml/100g和1.2ml/100g。這些數(shù)據(jù)均說明,C3A的化學(xué)減縮量最大,而在水泥的干縮試驗(yàn)中,C3A收縮最大,這與化學(xué)減縮是否有內(nèi)在聯(lián)系?值得深入研究。當(dāng)水泥硬化時(shí)所產(chǎn)生的化學(xué)減縮,可發(fā)生兩種結(jié)果。當(dāng)在空氣中凝結(jié)硬化時(shí),或在體系中生成一些氣孔,或者引起外表體積收縮。事實(shí)上二者常常是同時(shí)發(fā)生。當(dāng)在水中養(yǎng)護(hù)時(shí),則自外面吸入水分,若再干燥則水分蒸發(fā),同樣會(huì)使體積收縮。

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　　2.3  干燥收縮

　　混凝土干燥收縮的影響因素很多,本文僅就材料性能方面的影響因素進(jìn)行討論。

　　2.3.1  水泥漿體對混凝土收縮的影響

　　有些文獻(xiàn)〔4〕認(rèn)為,水泥的性能和細(xì)度、化學(xué)組成等對水泥收縮值有影響,但對混凝土的收縮影響不大。有些文獻(xiàn)甚至認(rèn)為,礬土水泥配制的混凝土比普通硅酸鹽水泥配制的混凝土收縮快得多,但長齡期收縮值基本相同。筆者認(rèn)為,盡管各種混凝土收縮的最終值可能差別不大,但在早期,由于收縮的速率不同,C3A含量較多的混凝土在早期(比如1d、3d、7d乃至28d)的收縮還是比C3A含量少的水泥混凝土收縮值大,而混凝土的裂縫多在早期產(chǎn)生,因此在考慮道路水泥混凝土用的水泥時(shí),還是以C3A含量低些的水泥為好。

　　2.3.2  混凝土的質(zhì)量

　　混凝土的性質(zhì)中影響最大的是集料的用量及其剛性,還有水灰比。

　　集料對混凝土起著限制收縮的作用,假定集料本身不收縮且集料和水泥均為彈性體,則混凝土收縮率與水泥石收縮率的關(guān)系如(3)式〔4〕:
　　εc=εp(1-Va)n=εpVpn             (3)
　　式中:εc——混凝土的收縮率;
　　εp——水泥石的收縮率;
　　Vpn——水泥石的體積率;
　　Va——集料的體積率;
　　n——與集料彈性性質(zhì)有關(guān)的常數(shù),n=1.2～1.7。 

圖2  集料含量對混凝土相對收縮率的影響〔5〕

　　圖2為集料含量對混凝土相對收縮率的影響。從圖可見,隨著集料含量的增加,混凝土的干縮值減小。另外,混凝土的收縮只有水泥凈漿的20%左右,文獻(xiàn)〔6〕認(rèn)為,在一般情況下,水泥漿的收縮值為285×10-5m/m,而混凝土的極限值收縮值為50×10-5～55×10-5m/m,在一般工程設(shè)計(jì)中采用的混凝土收縮值為0.15～0.2mm/m。從圖2還可以看出,增加集料用量可降低收縮率,通過混凝土工藝也可降低混凝土收縮率。另外,彈性模量低的集料使混凝土的收縮比彈性模量高的集料的混凝土收縮值大。Troxell〔7〕發(fā)現(xiàn),用石英和石灰石骨料的混凝土,其23年收縮值分別為550×10-6m/m和650×10-6m/m,而礫石和砂石的混凝土,其干縮值分別為1140×10-6m/m和1260×10-6m/m。

　　水灰比對混凝土的收縮影響也很大。圖3為水灰比對混凝土收縮率的影響。從圖3可見,不管集灰比如何,凡是水灰比大者,其干燥收縮率均大。例集灰比為5時(shí),水灰比從0.4分別增大至0.5、0.6和0.7,則其干縮率從400×10-6分別增大至600×10-6、750×10-6和850×10-6;而集灰比為6的混凝土,其干縮率則從300×10-6分別增大至400×10-6、550×10-6和650×10-6。因此減少水灰比是減小混凝土干縮率的重要途徑。 

圖3  水灰比對混凝土干縮率的影響(根據(jù)文獻(xiàn)〔4〕數(shù)據(jù))

　　周圍環(huán)境的相對濕度對混凝土的收縮值也有很大影響。圖4為環(huán)境的相對濕度對混凝土收縮值的影響。從圖可見,環(huán)境的相對濕度小則混凝土的收縮值大。 

圖4  環(huán)境相對濕度對混凝土干縮值的影響〔7〕

　　混凝土的幾何形狀對混凝土的失水速率和干燥收縮的速度也有很大影響,失水速率隨著混凝土體積與表面積的比率的增大而減小。

　　2.4  碳化收縮

　　碳化收縮是大氣中的CO2在存在水的條件下與水泥水化產(chǎn)物作用生成CaCO3、硅膠、鋁膠和游離水而引起的收縮。產(chǎn)生收縮的原因在于這些游離水的蒸發(fā)。

　　關(guān)于碳化收縮的機(jī)理尚未完全清楚。有人認(rèn)為,可能是由于水化產(chǎn)物被碳化,引起漿體結(jié)構(gòu)解體所致。筆者認(rèn)為,碳化收縮主要是碳化作用所產(chǎn)生的游離水蒸發(fā)所致。碳化作用必定產(chǎn)生游離水,這些游離水蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生毛細(xì)管張力,從而引起漿體收縮。而碳化作用則是CO2的存在使水泥漿體孔液的pH值降低,消耗了孔液中的OH-離子。因此水化產(chǎn)物必須釋放出OH-到孔液中,使孔液OH-濃度保持一定值,即要使孔液保持一定pH值才能使水化產(chǎn)物平衡存在。若CO2使孔液中OH-濃度值小于某一水化產(chǎn)物保持平衡存在所必須的pH值,則反應(yīng)產(chǎn)物將分解。例如,鈣礬石平衡存在的pH值為10.8,若由于CO2的作用使孔液pH值低于10.8,則有一部分鈣礬石必須分解出一部分OH-進(jìn)入孔液,使孔液保持pH=10.8;若CO2不斷作用,則鈣礬石最終分解。碳化作用其實(shí)質(zhì)是碳酸對水泥石的腐蝕作用。而碳化收縮則是由于碳化作用新增的游離水的蒸發(fā)引起。但漿體在充分干燥和水飽和的場合都不易產(chǎn)生碳化作用。因?yàn)樵谕耆稍锏膱龊厦?xì)管水已蒸發(fā),CO2無法在毛細(xì)管中形成碳酸,因此無法與水化產(chǎn)物直接作用,當(dāng)然也就不會(huì)產(chǎn)生碳化收縮。而在水飽和的狀態(tài)下,CO2很難進(jìn)入毛細(xì)孔內(nèi),也無法在毛細(xì)管內(nèi)形成碳酸。正因?yàn)槿绱?碳化作用和碳化收縮均發(fā)生在混凝土的表面。據(jù)報(bào)導(dǎo),對碳化收縮影響最大的是相對濕度。對于先干燥再碳化的漿體,在環(huán)境相對濕度50%時(shí)碳化收縮最大;而干燥和碳化同時(shí)進(jìn)行的,則在相對濕度25%左右有最大的碳化收縮值。至今尚未見到有關(guān)水泥熟料礦物組成對碳化收縮影響的報(bào)導(dǎo)。估計(jì)在硅酸鹽水泥熟料的礦物組成范圍中,各礦物含量的變化可能對碳化收縮沒有多大影響。

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　　3  混凝土的耐磨性

　　水泥漿體的抗磨性并不好?；炷恋目鼓バ灾饕Q于水灰比和集料的硬度。圖5為水灰比對混凝土抗磨性的影響。從圖5可見,隨著水灰比增大,混凝土的抗磨性下降,因此低水灰比而高強(qiáng)密實(shí)的混凝土的耐磨性應(yīng)該比較好。凡是能提高混凝土強(qiáng)度的因素均應(yīng)是提高混凝土耐磨性的措施。據(jù)文獻(xiàn)〔8〕報(bào)導(dǎo),用C135修筑的混凝土路面的壽命是C55的4倍。挪威用C85混凝土修筑高速公路與普通混凝土相比,耐磨性有成倍的提高。因此對混凝土路面,為提高其耐磨性,應(yīng)想辦法提高混凝土強(qiáng)度,而不一定要過分追求水泥熟料中C4AF含量。降低水灰比和摻加超細(xì)粉同樣可使混凝土密實(shí)而提高其耐磨性。

　　用耐磨性集料也可提高混凝土的耐磨性。 

圖5  水灰比對混凝土抗磨性的影響〔5〕

　　為了獲得耐磨性良好的混凝土表面,美國ACI201委員會(huì)曾建議,在任何情況下,混凝土的抗壓強(qiáng)度都不小于4000psi(相當(dāng)于28MPa),并且認(rèn)為,用低水灰比、正確級配的粗細(xì)集料以及合適的養(yǎng)護(hù)條件、最小空氣含量等可獲得合適的強(qiáng)度。他們還認(rèn)為,就提高混凝土耐磨性而言,應(yīng)減少混凝土的浮漿軟弱層,建議延遲至表面不再泌水后再抹平和抹光表面。

　　關(guān)于C3A和C4AF對水泥耐磨性的報(bào)道,普遍認(rèn)為C4AF含量高,水泥的耐磨性好,但在潘剛?cè)A等人的研究中〔9〕卻看不到這種規(guī)律。表1為他們的研究結(jié)果。

　　從表1可以看出,江南水泥廠的525OPC、龍?zhí)端鄰S的525PC、江南水泥廠的525K、淮海水泥廠525PC和光華白水泥廠425OPC(PC—硅酸鹽水泥、OPC—普通硅酸鹽水泥、K—礦渣水泥)的C3A含量分別為4.81%、4.65%、4.81%、8.95%和13.64%,而C4AF含量分別為16.72%、14.64%、16.72%、10.59%和0.49%,但用它們制成的混凝土的28d磨耗量分別為0.334g/cm2、0.390g/cm2、0.396g/cm2、0.406g/cm2和0.345g/cm2,其數(shù)值差別不大。如果一定要從磨耗值考慮,那么,含C4AF只有0.49%的光華白水泥廠的425PC,其耐磨性優(yōu)于淮海、龍?zhí)逗徒纤鄰S的525PC、OPC和江南的525K,但比江南水泥廠的525PC稍差?？磥?對水泥的耐磨性來說,熟料C4AF含量是很重要的因素。但從混凝土耐磨性角度考慮,提高水泥熟料中C4AF含量并不是唯一的有效途徑。

表1  幾種水泥混凝土的收縮與耐磨性〔9〕

　　4   從混凝土性能角度討論道路水泥熟料的礦物組成

　　我國現(xiàn)行的道路水泥標(biāo)準(zhǔn)GB13693—92規(guī)定,道路水泥熟料中C3A含量不得大于5.0%,C4AF含量不得小于16.0%。其目的是確保水泥膠砂28d干縮率小于1.0%,其磨耗量不大于3.60kg/m2。

　　C3A增大水泥的干縮而C4AF提高水泥的耐磨性這是眾所周知的事實(shí)。但這只是對水泥漿體而言。水泥只是生產(chǎn)混凝土的原料,只是一種半成品。水泥的干縮率和耐磨性影響到混凝土的干縮率和耐磨性。但由于骨料的存在,水泥漿體的干縮受到限制,其耐磨性也與混凝土的W/C等因素有很大關(guān)系,因此在考慮道路混凝土的干縮和耐磨時(shí),不能單從水泥熟料礦物組成考慮,而應(yīng)從混凝土角度綜合考慮。從上面的討論可以看出,混凝土的干縮和耐磨性能與集灰比(也就是單位混凝土的水泥用量)和W/C有關(guān),因此在制定道路水泥標(biāo)準(zhǔn)中似乎不宜過分強(qiáng)調(diào)C3A和C4AF含量的限制,事實(shí)上,從水泥生產(chǎn)角度以下諸方面同樣可減少混凝土的干縮和磨耗率。

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　　4.1  生產(chǎn)高強(qiáng)水泥

　　由于混凝土的干縮率是混凝土中水泥漿體體積的函數(shù),因此減少混凝土中的水泥漿體體積可減少混凝土的干縮率,圖6為混凝土中水泥用量對干縮率的影響。從圖可見,水泥用量增大,混凝土收縮值大。如果我們能生產(chǎn)出高強(qiáng)水泥,則可減少混凝土中的水泥用量,從而減少混凝土的干縮。 

圖6  水泥用量對混凝土收縮的影響〔7〕

　　另外,筆者在八十年代出口的五羊牌水泥的一些數(shù)據(jù)〔10〕中發(fā)現(xiàn),湘鄉(xiāng)、大連、南平、柳州、英德、華新、廣州等硅酸鹽水泥的熟料標(biāo)號平均值為56.9MPa,標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量平均值為23.9%,其28d的平均干縮率為0.096%,小于道路水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.10%。其28d磨耗率平均值為1.23%,只略高于道路水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的等效數(shù)值1.20%(道路水泥規(guī)定為磨耗量:≤3.60kg/m2,相當(dāng)于磨耗率≤1.20%)。

　　4.2  提高硅率,生產(chǎn)硅酸鹽礦物多而熔劑礦物少的水泥

　　C3A含量高的水泥,其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量大,C4AF含量高的水泥漿體耐磨性好,因此在道路水泥中應(yīng)盡量減少C3A含量而增大C4AF含量,此思路無疑是正確的。但這并不是減少水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量提高耐磨性的唯一途徑。提高硅酸鹽水泥熟料的硅酸率,增加硅酸鹽礦物特別是C2S含量而減少熔劑礦物同樣可達(dá)到此目的。一般說來,回轉(zhuǎn)窯特別是預(yù)分解窯的熔劑礦物少而C2S含量較高,其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量要比立窯的少些。例如珠江水泥廠的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量只有24.0%甚至更低,此數(shù)值低于許多立窯的道路水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。筆者曾對江南水泥廠、蘇州第二水泥廠等17家工廠生產(chǎn)的425和525道路硅酸鹽水泥以及普通道路硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量〔11〕進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量的平均值為24.3%,其中江南水泥廠、蘇州第二水泥廠等4家生產(chǎn)的525道路硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量的平均值為23.87%,與珠江水泥廠的相近。預(yù)分解窯配料一般采用高鋁率方案,C3A含量遠(yuǎn)高于道路硅酸鹽水泥,為什么其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量與后者相差無幾?筆者認(rèn)為,這與預(yù)分解窯采取中飽和比高硅酸率配料有關(guān)。由于采用中飽和比高硅率高鋁率的配料方案,盡管需水量大的C3A含量增加,但標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量最少的C2S含量增加,加上需水量居第二、第三位的C3S和C4AF含量減少,從整體上看,預(yù)分解窯生產(chǎn)的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量并不比道路硅酸鹽水泥增大。標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量的減小顯然有利于減少漿體的干縮和耐磨性的提高。

　　4.3  提高煅燒溫度和快速冷卻

　　在道路硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了熟料中C3A和C4AF的含量。其實(shí)這里所規(guī)定的C3A、C4AF含量僅是從化學(xué)組成計(jì)算而得的潛在礦物組成。熟料中的C3A和C4AF實(shí)際含量會(huì)隨熟料煅燒制度主要是煅燒溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度而變化。鐘景裕〔12〕發(fā)現(xiàn),隨著煅燒溫度提高,含鋁相減少,水泥的誘導(dǎo)期延長。筆者〔13〕的研究中也發(fā)現(xiàn),高溫煅燒的含氟熟料,其含鋁相比低溫時(shí)的少,而鐵相固溶體增加。這是因?yàn)殪褵郎囟忍岣呤挂合嗾扯冉档?有利于Al2O3溶進(jìn)鐵相,形成C6A2F,這樣鐵相就增加,剩余下來生成含鋁相的Al2O3就減少了。煅燒溫度的提高還可能使A礦和B礦中固溶的Al2O3增加,從而減少含鋁相。據(jù)文獻(xiàn)〔2〕介紹,A礦中固溶的Al2O3為0.70%～2.47%,B礦中固溶的Al2O3為1.10%～1.88%。若以熟料中A礦50%、B礦25%計(jì),那么固溶進(jìn)A礦和B礦的Al2O3就可達(dá)0.58%～1.88%,相當(dāng)于C3A含量減少了1.54%～4.98%。此外,MgO、CaF2、ZnO等微組分的存在也會(huì)降低液相粘度而有利于C4AF向C6A2F轉(zhuǎn)變,減少熟料中C3A含量而增加鐵相固溶體含量。因此,熟料中C3A的實(shí)際含量總是比化學(xué)組成計(jì)算得的潛在礦物組成含量要少。延長煅燒時(shí)間也會(huì)使C3A含量減少而鐵相固溶體含量增加。

　　快速冷卻也可減少C3A含量。因?yàn)镃3A和C4AF是在熟料冷卻過程中從液相中結(jié)晶出來的。快速冷卻可使C3A和C4AF中有一部分以玻璃體的形式存在。J.Stark等〔14〕對KSt=80.5、SM=2.4、IM=2.4的水泥熟料研究表明,當(dāng)冷卻速度從20K/min提高至1000K/min時(shí),熟料中C3A含量從15%下降到10%。

　　就高溫煅燒和快速冷卻的條件而言,預(yù)分解窯比立窯乃至大部分濕法窯和預(yù)熱器窯均為優(yōu)越。由于預(yù)分解窯入窯生料分解率已達(dá)85%～90%,故窯內(nèi)主要是承擔(dān)燒成任務(wù),而燒成階段硅酸二鈣與氧化鈣生成硅酸三鈣的化學(xué)反應(yīng),熱效應(yīng)幾乎等于零(微吸熱反應(yīng)),加上入窯二次風(fēng)溫度高,因此窯內(nèi)物料受熱溫度高也就是煅燒溫度高。徐德龍等〔15〕用計(jì)算機(jī)對Φ4.5m×60m的旋風(fēng)預(yù)熱器窯和Φ4.5m×60m的預(yù)分解窯內(nèi)氣體溫度、物料溫度、窯壁溫度等沿窯長的分布進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)預(yù)分解窯內(nèi)物料最高溫度比旋風(fēng)預(yù)熱器窯的高100℃。由于旋風(fēng)預(yù)熱器窯入窯生料碳酸鈣分解率已達(dá)40%,因此有理由認(rèn)為預(yù)分解窯內(nèi)物料煅燒溫度比濕法窯更高。

　　另外,預(yù)分解窯窯內(nèi)幾乎無冷卻帶,熟料的冷卻全都在篦式冷卻機(jī)中進(jìn)行。熟料離開預(yù)分解窯時(shí)的溫度達(dá)1300℃,此時(shí)液相仍存在,進(jìn)入篦式冷卻機(jī)時(shí)受高壓空氣驟冷,使一部分C3A以玻璃體形式存在。因此,我們有理由認(rèn)為,在熟料化學(xué)成分完全相同的情況下,預(yù)分解窯熟料中的C3A實(shí)際含量很可能比其它窯型的低,而鐵相固溶體實(shí)際含量很可能比其它窯型的高。遺憾的是,在以往對道路水泥的研制和標(biāo)準(zhǔn)的制訂過程中,缺乏對預(yù)分解窯熟料的研究。以往對干縮性和耐磨性的研究中,以立窯熟料居多。今后,在道路水泥的研究中,應(yīng)把預(yù)分解窯熟料也考慮進(jìn)去。

　　4.4   減少熟料中的堿含量或使之硫酸鹽化

　　眾所周知,堿使硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增大,凝結(jié)加快,早期強(qiáng)度高但28d強(qiáng)度降低。琉璃河水泥廠干法中空窯生產(chǎn)的熟料〔16〕,堿含量為1.3%～1.6%時(shí)標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為26%～28%,堿含量增加到1.7%～2.0%時(shí)標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增加到32%～33%。標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量的增加必然導(dǎo)致水泥漿體干縮增大和耐磨性下降。Blain認(rèn)為,含堿較高會(huì)導(dǎo)致水泥凈體收縮較大。張大康〔17〕發(fā)現(xiàn),含堿較高的熟料,其安定性試驗(yàn)的試餅發(fā)生干縮裂紋,甚至彎曲、崩潰,影響體積安定性。而在石灰石中摻入一定石膏后煅燒的熟料,使堿硫酸鹽化,則安定性改善。瞿修平〔18〕用含NaOH的水拌和某水泥并在100%的相對濕度中養(yǎng)護(hù),發(fā)現(xiàn)水泥漿體在早期是收縮而不是濕膨脹,并且收縮隨著NaOH濃度的增加而增大,而用純水拌和的水泥凈體則產(chǎn)生膨脹。堿的存在還會(huì)導(dǎo)致水泥漿體的耐磨性下降。劉濤〔19〕的試驗(yàn)表明,隨著熟料堿含量的增加,水泥漿體的耐磨性下降,見圖7。他把漿體耐磨性的下降歸因于強(qiáng)度的下降。此結(jié)果與耐磨性隨水灰比增大而下降的結(jié)論相符。據(jù)此,筆者認(rèn)為,在道路硅酸鹽水泥的生產(chǎn)中應(yīng)盡量采用堿含量低的原料并在熟料煅燒中使之硫酸鹽化,以硫酸堿的形式存在,使堿對熟料性能的有害作用減少到最低的程度。 

圖7  熟料中堿含量對水泥漿體耐磨性的影響〔19〕

　　4.5  適當(dāng)放寬道路硅酸鹽水泥熟料中C3A和C4AF含量的規(guī)定

　　從以上討論可以看出,混凝土的干縮率只有水泥凈漿的,混凝土的耐磨性隨水灰比的降低而提高,影響混凝土干縮率和耐磨性的主要因素是水灰比和單位體積混凝土的水泥用量,而影響水灰比和水泥用量的因素并非只是C3A和C4AF含量。綜合諸多因素考慮,建議放寬道路硅酸鹽水泥熟料中的C3A和C4AF的含量,以利于道路水泥的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。究竟應(yīng)放寬到多少?應(yīng)通過研究來確定。

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　　5  結(jié)語

　　(1)影響混凝土干縮率和耐磨性的主要因素是混凝土的水灰比和單位體積混凝土的水泥用量。一切降低混凝土水灰比和水泥用量的措施均有利于提高混凝土的耐磨性和減少干縮率。

　　(2)降低C3A含量和提高C4AF含量是提高水泥漿體耐磨性、減少干縮率的重要措施,但它不是減少混凝土干縮率提高耐磨性的唯一措施。生產(chǎn)高標(biāo)號水泥從而減少混凝土中的水泥用量以及減少水灰比等措施也有利于混凝土耐磨性的提高。在水泥生產(chǎn)中,硅酸二鈣含量高而熔劑礦物少的水泥同樣有利于減少漿體和混凝土干縮率,提高其耐磨性。

　　(3)水泥中的堿使水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加、收縮增大和耐磨性降低。道路水泥中的堿含量應(yīng)盡量降低并使之硫酸鹽化。

　　(4)在充分而深入研究的基礎(chǔ)上,適當(dāng)放寬對道路硅酸鹽水泥熟料中C3A和C4AF含量的規(guī)定。

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