——新拌混凝土與水泥性能指標的比較研究
摘要: 分析研究了新拌混凝土性能指標與水泥有關性能指標的關系, 結果表明, 目前水泥的性能指標尚不能很好地與新拌混凝土的性能指標對應。從新拌混凝土的質量要求和主要性能指標出發, 對相應的水泥性能指標及檢驗方法的建立提出了建議。力求通過簡便可行的檢驗, 其結果能夠與新拌混凝土的性能有很好的相關關系。
關鍵詞: 新拌混凝土; 水泥; 性能指標; 檢驗方法; 相關性
Abstr act: It was necessary to modify the criteria listed in the Chinese national standard GB- 175 and also their testing method to make the result of cement testing data could be used directly to satisfy the requirement of fresh concrete preparation. These testing method should be operated easily and testing data should correspond with the property of fresh concrete. Key words: ready- mix concrete; cement; performance index; testing method; correlativity Fir st author ' s addr ess: Lafarge & Shui on (Beijing) Technical Service Co., Ltd. Chongqing Branch, Chongqing 400010,China
中圖分類號: TQ172.12 文獻標識碼: A 文章編號: 1002- 9877( 2007) 12- 0008- 06
0 引言
從滿足混凝土質量的角度出發, 探索對水泥性能指標和生產工藝的要求, 已有一些研究成果[1～6]。特別是混凝土行業的研究人員, 對水泥細度、堿含量、C3A含量、強度( 特別是早期強度) 、水化熱、標準稠度用水量、石膏的種類與含量等水泥的性能指標與混凝土性能的關系進行了探討[2～5]。這些意見尤其值得水泥行業研究者和生產者關注。水泥在混凝土中的使用表現,是評價水泥質量最終也應該是唯一的標準, 水泥的質量必須滿足混凝土這一最終產品性能的要求。
水泥性能指標與混凝土性能之間的關系十分復雜, 目前兩者之間或者難以確定定量關系, 或者雖有一定程度的定量關系, 但這種定量關系受到許多因素的制約。曾經發現, 混凝土攪拌站使用不同水泥廠相同品種和強度等級的水泥, 按相同配比配制的混凝土性能差異巨大; 或者, 配制性能相同的混凝土, 水泥和減水劑使用量差別巨大。將不同水泥按現有水泥標準的技術要求和檢驗方法評價, 卻沒有明顯差別。這種現象, 讓我們不得不重新考慮現有水泥標準中技術要求和檢驗方法的合理性。從混凝土的性能指標要求出發, 探索對應的水泥性能指標, 并力圖使二者之間具有良好的相關性, 無論對混凝土行業還是水泥行業都具有重要意義。
本文為根據混凝土質量要求探討水泥性能指標及檢驗方法系列研究的第一篇。根據新拌混凝土的性能指標要求, 對相應的水泥性能指標及檢驗方法提出了一些構想, 對其實用性和標準化的可能性給予了特別的關注。
1 新拌混凝土與現有水泥性能指標對比
表1 列出了新拌混凝土與現有水泥性能指標及檢驗方法的對比。其中檢驗方法只列出已經形成國家標準或行業標準、法規的部分。新拌混凝土的性能主要是混凝土的工作性, 除表1 所列項目外, 在一些資料[7,8]中還包括: 可塑性、易密實性、充填性等項目。水泥與高效減水劑相容性不屬于新拌混凝土的性能, 但是與新拌混凝土的性能密切相關, 故在此一并討論。與新拌混凝土性能指標相關的現有水泥性能指標是膠砂流動度、標準稠度用水量、凝結時間和水泥凈漿流動度, 這些指標與新拌混凝土的工作性之間均沒有很好的相關性。
2 現有水泥性能指標的局限
2.1 水泥膠砂流動度
下述試驗分析了膠砂流動度與混凝土的工作性之間的相關性。使用的5 種水泥其膠砂流動度按GB/T 2419—2005 檢驗, 檢驗時固定水灰比為0.5。按相同的混凝土配比( 見表2) 分別配制C40 的流動性混凝土, 其坍落度按GB/T 50080—2002 檢驗, 水泥膠砂流動度與混凝土坍落度關系如圖1 所示。
表2 混凝土配比( 干基) kg/m3
圖1 有限的試驗數據顯示, 水泥的膠砂流動度與混凝土的坍落度之間沒有明顯的相關關系。
2.2 水泥凝結時間
凝結時間反映了水泥的水化速度, 理論上分析,凝結時間應該與新拌混凝土的工作性有明顯相關性,在混凝土行業, 將緩凝劑與高效減水劑復合使用, 能夠有效改善混凝土的工作性, 特別是減少坍落度損失, 已經成為共識。但是, 水泥廠的生產實踐表明, 水泥用戶反映混凝土坍落度減小, 坍落度損失偏大, 分析原因的時候, 很少發現水泥凝結時間有明顯的變化。可能有以下兩個方面的原因: 第一, 在影響水泥流變性能的諸多因素中, 凝結時間只是其中一個影響不太明顯的因素; 第二, 正常生產條件下, 凝結時間呈長周期小振幅波動, 對水泥流變性能的影響不易察覺。
在水泥廠原料或生產工藝有較大變化, 引起水泥凝結時間明顯變化時, 水泥用戶可以察覺混凝土坍落度的變化。例如, 某水泥廠使用占石膏總數量20%的磷石膏代替天然石膏, 因為磷石膏含有少量磷的緣故, 水泥初凝時間和終凝時間均延長1h 左右, 混凝土攪拌站反映, 混凝土的坍落度損失減小。
2.3 水泥的標準稠度用水量
在比較簡單的條件下, 根據水泥的標準稠度用水量可以較好地預測新拌混凝土的工作性。目前還很少有關于水泥標準稠度用水量與混凝土工作性之間相關性的定量研究結果, 這里所言比較簡單的條件是指
2.2 水泥凝結時間
凝結時間反映了水泥的水化速度, 理論上分析,凝結時間應該與新拌混凝土的工作性有明顯相關性,在混凝土行業, 將緩凝劑與高效減水劑復合使用, 能夠有效改善混凝土的工作性, 特別是減少坍落度損失, 已經成為共識。但是, 水泥廠的生產實踐表明, 水泥用戶反映混凝土坍落度減小, 坍落度損失偏大, 分析原因的時候, 很少發現水泥凝結時間有明顯的變化。可能有以下兩個方面的原因: 第一, 在影響水泥流變性能的諸多因素中, 凝結時間只是其中一個影響不太明顯的因素; 第二, 正常生產條件下, 凝結時間呈長周期小振幅波動, 對水泥流變性能的影響不易察覺。
在水泥廠原料或生產工藝有較大變化, 引起水泥凝結時間明顯變化時, 水泥用戶可以察覺混凝土坍落度的變化。例如, 某水泥廠使用占石膏總數量20%的磷石膏代替天然石膏, 因為磷石膏含有少量磷的緣故, 水泥初凝時間和終凝時間均延長1h 左右, 混凝土攪拌站反映, 混凝土的坍落度損失減小。
2.3 水泥的標準稠度用水量
在比較簡單的條件下, 根據水泥的標準稠度用水量可以較好地預測新拌混凝土的工作性。目前還很少有關于水泥標準稠度用水量與混凝土工作性之間相關性的定量研究結果, 這里所言比較簡單的條件是指水泥廠熟料質量和粉磨工藝正常、穩定, 正常生產P·Ⅱ42.5R 水泥的時候, 取大磨水泥, 此為水泥樣品1; 在水泥磨磨頭取熟料、石膏、混合材料樣品, 按水泥磨的配比配料, 在試驗小磨中粉磨至與水泥樣品1 相同的比表面積, 此為水泥樣品2; 在水泥樣品1中摻入5%比表面積1 200m2/kg 的高細石灰石粉,20%比表面積480m2/kg 的礦渣粉, 此為水泥樣品3。3個水泥樣品的物理性能見表3。
表3 各水泥樣品的物理性能
各水泥樣品按相同的配比分別配制的混凝土檢驗結果如表4 所示。
表4 混凝土檢驗結果
注: 各樣品混凝土配比( kg/m3):石子1024, 砂624, 水泥250, 水152, 礦渣粉110, 粉煤灰30, 減水劑7。
綜合表3、表4 的結果, 比較水泥1 和水泥2, 二者成分組成完全相同, 唯粉磨方式不同, 其標準稠度用水量相差明顯。按預期標準稠度用水量較低的水泥2 應該具有較大的混凝土坍落度, 但試驗結果正好相反。比較水泥1 和水泥3, 水泥3 在水泥1 中加入了25%的比水泥更細的混合材料, 水泥3 比水泥1 比表面積大幅度提高, 均勻性系數和特征粒徑降低。水泥3 標準稠度用水量比水泥1 略有減少; 同時, 水泥3拌制的混凝土坍落度大于水泥1, 坍落度經時損失小于水泥1。現有的有限試驗結果, 尚不足以確切地探索發生上述現象的原因。但至少可以肯定, 水泥標準稠度用水量與混凝土坍落度之間的對應關系只能在特定的條件下成立, 水泥標準稠度用水量無法確定地預期混凝土的工作性。
綜合表3、表4 的結果, 比較水泥1 和水泥2, 二者成分組成完全相同, 唯粉磨方式不同, 其標準稠度用水量相差明顯。按預期標準稠度用水量較低的水泥2 應該具有較大的混凝土坍落度, 但試驗結果正好相反。比較水泥1 和水泥3, 水泥3 在水泥1 中加入了25%的比水泥更細的混合材料, 水泥3 比水泥1 比表面積大幅度提高, 均勻性系數和特征粒徑降低。水泥3 標準稠度用水量比水泥1 略有減少; 同時, 水泥3拌制的混凝土坍落度大于水泥1, 坍落度經時損失小于水泥1。現有的有限試驗結果, 尚不足以確切地探索發生上述現象的原因。但至少可以肯定, 水泥標準稠度用水量與混凝土坍落度之間的對應關系只能在特定的條件下成立, 水泥標準稠度用水量無法確定地預期混凝土的工作性。
2.4 水泥凈漿流動度
GB 50119—2003 和GB/T 8077—2000 都規定了使用微型坍落度儀的凈漿流動度檢驗方法。水泥凈漿流動度測試的本意是為減水劑生產廠提供了一種檢驗、評價減水劑產品質量穩定性的方法。該方法用料少, 簡便快捷, 便于減水劑生產廠家檢驗產品質量波動。近年來, 凈漿流動度檢驗結果被廣泛用作評價水泥與減水劑相容性好壞的依據, 有些夸大了該方法的作用。研究表明[10], 至少對于高強度自流平混凝土, 凈漿流動度與混凝土坍落度之間沒有很好的相關關系。
盡管如此, 國內一些特別關注水泥與高效減水劑相容性問題的企業, 還是在根據凈漿流動度對水泥質量進行評價和控制。在沒有更好的檢驗方法之前, 凈漿流動法只能是有勝于無。目前, 水泥與減水劑之間相容性的研究成為熱點, 許多水泥廠根據現代混凝土大流動度的要求, 致力于改善水泥與減水劑的相容性。但是, 如果沒有可行、可靠的相容性檢驗方法, 這方面的研究和水泥廠的質量控制就沒有可靠的評價標準。水泥與減水劑相容性的一些研究成果, 不同文獻的結論存在一些差異, 部分原因也在于相容性檢驗方法不夠可靠。
凈漿流動度檢驗方法同時提供了一種基準水泥,可以用于評價不同減水劑對于水泥相容性的相對值。這對于該方法建立的目的、用途似乎已經沒有問題。但是, 基準水泥使用量較大, 同時難以保證長期儲存后質量不發生變化, 限制了它的應用。該方法用于水泥的生產者和使用者, 有很大的局限性。筆者對數十個水泥用戶進行調查, 其中只有1 個用戶正在使用基準水泥, 3 個用戶曾經使用過基準水泥, 大多數用戶從來沒有使用過基準水泥。該方法沒有提供基準減水劑, 用于水泥廠對水泥與減水劑相容性的評價顯得困難。大型水泥廠往往有數十個至上百個用戶, 這些用戶使用的減水劑雖然大多數為萘系, 但是質量參差不齊, 各個用戶使用各自的減水劑檢驗的凈漿流動度差距巨大。水泥廠在水泥與減水劑相容性正常的情況下, 面對個別由于所用減水劑質量不好的用戶提出的相容性投訴, 在標準未提供基準減水劑及用戶沒有基準水泥的情況下, 能夠提供的水泥與減水劑相容性良好的證據顯得蒼白無力。
3 對新拌混凝土對應的水泥性能指標的構想
對應新拌混凝土性能指標, 建議水泥建立如下性能指標來對應, 如表5 所示。
表5 與新拌混凝土對應的水泥性能指標
3.1 混凝土流動性及與流動性相關性能對應的水泥性能指標判斷水泥在混凝土流動性的表現, 最直接可靠的方法當然是拌制混凝土, 然后直接檢驗混凝土的流動性指標。但該方法存在以下不足:
1) 石子、砂因為使用量大, 難以標準化, 即使標準化, 其試驗材料成本也很大。
2) 試驗過程繁復, 工作量大。
3) 水泥廠需要增加混凝土試驗設備。
尋找一種簡單易行, 檢驗結果與混凝土流動性及與流動性相關性能有很好相關性的檢驗方法, 無疑是各方面所共同期待的。該方法應該滿足如下條件:
1) 同時滿足水泥、混凝土和減水劑三方的需要。
于水泥生產, 可以用于評價水泥對減水劑的相容性;于混凝土生產, 可以預期特定的水泥、減水劑在一定水膠比、減水劑摻入量下配制混凝土的坍落度; 于減水劑生產, 可以用于評價減水劑的質量。
2) 具有明確的流變學意義, 能夠準確反映流變學參數。
2) 具有明確的流變學意義, 能夠準確反映流變學參數。
3) 能夠確定減水劑飽和摻入量、最佳摻入量及相應摻入量下混凝土的泌水性。
4) 由檢驗結果和混凝土的某些參數, 如砂灰比、水膠比、石子最大粒徑構造的函數, 可以用于預期混凝土流動性及與流動性相關性能。
5) 提供基準減水劑。
6) 試驗材料可以標準化。
7) 試驗方法方便、快捷, 試驗儀器設備不過于復雜, 試驗費用低廉。
從20 世紀60 年代開始, 國外學者就在努力尋求一種簡單的試驗方法, 用以代替繁復的混凝土試驗。日本學者通過大量試驗表明, 膠砂流動度輔以砂灰比、水膠比等參數, 與混凝土的流動性有很好的相關性。目前日本的水泥廠即以膠砂擴展度來評價水泥在混凝土中的流動性。我國徐永模等人[11, 12]也進行了類似的研究, 結論表明, 膠砂擴展度可以多方面地評價減水劑與水泥的相容性, 以及在減水劑作用下水- 水泥- 細集料懸浮體系的穩定性; 可以得到極限擴展度、減水劑飽和摻入量和經時損失等參數; 并且, 膠砂擴展度與混凝土擴展度具有很好的相關性。新拌混凝土的流動性及與流動性相關性能主要取決于水泥漿體的性能, 但由于混凝土中存在粗細集料, 水泥凈漿的流變性能難以簡單地與混凝土的流變性能對應。原因在于水- 水泥懸浮體系與水- 水泥- 集料懸浮體系的顆粒粒徑差別太大, 前者處于微米級,后者主要處于毫米至厘米級。這種顆粒尺寸的差別使得不同體系在黏性流動變形中, 顆粒之間的內摩擦機制存在顯著不同。混凝土的流動性及與流動性相關性能可以分為3 個層次研究: 以水為分散體系的水泥漿體系; 以水泥漿為分散體系的砂漿體系; 以砂漿為分散體系的混凝土。水泥凈漿的流變性能與混凝土的流變性能相關性較差, 直接檢驗混凝土的流變性能又存在試驗材料難以標準化、試驗過程繁復的問題, 從實用化角度考慮, 對砂漿體系的流變性能進行表征的膠砂擴展度, 可能是一個很好的折中。因此可以將膠砂擴展度作為與混凝土流動性及與流動性相關性能對應的水泥性能指標。一個值得注意的問題, 礦物摻合料對混凝土流動性及與流動性相關性能有顯著影響[13, 14]。對于考察水泥自身的流變性能和水泥與減水劑相容性而言, 礦物摻合料的影響不必考慮; 膠砂擴展度與混凝土流動性及與流動性相關性能建立相關關系則必須考慮礦物摻合料的影響。
膠砂擴展度的檢驗方法在GB/T 8077—2000 已有規定, 要滿足本節開始提出的條件, 尚需進一步完善:
1) 用于評價水泥與減水劑相容性時, 首先需要將砂標準化, 為方便起見, 可以使用符合GB/T 17671—1999 要求的標準砂。
2) 提供基準減水劑。水泥廠使用基準減水劑可以評價水泥與減水劑的相容性; 減水劑廠也可以就近選擇市場銷售的水泥, 用基準減水劑確認它與減水劑的相容性沒有問題后, 將該水泥用于日常的質量控制。
3) 確定試驗結果與混凝土的流動性及與流動性相關性能的關系, 嘗試與混凝土的砂灰比、水膠比、石子最大粒徑構造出某個函數, 用于預期混凝土的流動性及與流動性相關性能。
4) 確定檢驗方法的重要參數, 如砂灰比、水灰比等。
5) 探討重新設計流動度跳桌的必要性。
6) 探討對膠砂進行泌水量檢驗的可能性。
7) 將檢驗方法標準化。
目前國內尚沒有基準減水劑。花王公司生產的一種萘系基準減水劑在日本至少使用了10 年以上。筆者曾經對比過貯存8 年的產品和新生產的產品, 凈漿流動度檢驗結果沒有區別。
與混凝土的坍落度類似, 膠砂擴展度能夠很好地表征膠砂的屈服值, 但是幾乎不能反映膠砂的黏度。在較大的水泥用量, 摻入礦物摻合料、低水膠比的條件下, 混凝土的黏度是一個必須考慮的指標。因此這成為膠砂擴展度的一個明顯的缺陷。文獻[15]報告了使用Orimet 法(漏斗法)評價高流動性混凝土工作度的研究成果。文獻[16]報道了使用L 型流動儀檢驗大流動性混凝土工作性的研究成果。這2 種方法均可以較好地表征新拌混凝土的黏度, 可以考慮經過改進后
用于檢驗膠砂的黏度。
減水劑對水泥的最大分散作用, 必須以沒有明顯泌水為前提。因此有必要嘗試檢驗最大擴展度或某一擴展度下膠砂的泌水量。如果可以定量檢驗, 還應該對其進行限定。有必要將①水泥與減水劑的相容性與②混凝土的流動性及與流動性相關性能進行區分, 盡管二者之間密切相關。首先, 混凝土的流動性及與流動性相關性能受到的影響因素更多, 如砂率、砂石級配、漿骨比等; 其次, 二者關注的重點不同, 水泥與減水劑的相容性更加關注水泥或減水劑自身質量和它們之間的互相協調。膠砂擴展度的檢驗方法應該對此給予充分考慮。
3.2 混凝土保水性對應的水泥性能指標
非干硬性混凝土拌合物在澆注與搗實以后、凝結(不再發生沉降)之前, 表面會出現一層水分或水泥浮漿, 這種現象稱為泌水[17]。水可以由混凝土固體顆粒的縫隙或毛細孔均勻、緩慢地向上滲透; 也可以由混凝土的局部通道向表面迅速傳遞。前一種泌水與水泥性能有關; 后一種泌水主要取決于混凝土的性能, 與水泥性能關系不大。影響混凝土泌水性的水泥方面的因素包括: 比表面積、顆粒分布、凝結時間、堿含量、C3A 含量及SO3 含量[18～20]。
描述混凝土泌水特性的參數有: 泌水量———混凝土拌合物單位體積的平均泌水量; 泌水率———泌水量與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———混凝土拌合物單位厚度平均泌水深度。可以歸結為泌水數量和泌水速度兩個方面。
混凝土保水性對應的水泥性能指標是水泥的保水性, 為簡便起見, 可用膠砂或凈漿作為檢驗對象。目前還沒有水泥膠砂或凈漿保水性的檢驗方法。GB/T3183—2003《砌筑水泥》附錄A 提供了《砌筑水泥的保水率測定方法》, 該方法以膠砂為檢驗對象, 按GB/T 17671—1999 規定的灰砂比、水灰比、標準砂等條件成型膠砂, 按GB/T 2419 檢驗膠砂的流動度, 調整水量, 使膠砂流動度處于180～190mm 之間。以濾紙吸收膠砂的析出水, 并計量。水泥保水性檢驗方法可以有以下3 種考慮:
1) 按GB/T 3183—2003 附錄A 提供的《砌筑水泥的保水率測定方法》。
2) 以按GB/T 1346—2001 制備的標準稠度凈漿作為檢驗對象, 其余參照GB/T 3183—2003 附錄A提供的《砌筑水泥的保水率測定方法》。
3) 按前述“膠砂擴展度檢驗方法”, 使用ISO 標準砂和基準減水劑, 制作一定擴展度的膠砂作為檢驗對象, 其余參照GB/T 3183—2003 附錄A 提供的《砌筑水泥的保水率測定方法》。筆者傾向于上面的方法3), 其優點在于:
1) 使用膠砂作為檢驗對象, 與混凝土的保水性有更好的相關性。
2) 在膠砂中摻入減水劑, 與多數和重要的混凝土使用場合接近。
3) “膠砂擴展度檢驗方法”很好地表征了與混凝土的流動性和相關性能對應的水泥性能指標, 將保水性檢驗方法與之配合, 可以同時表征混凝土工作性中的另一個重要性能———穩定性對應的水泥性能指標。
4 結束語
1) 膠砂擴展度與混凝土坍落度、擴展度方法有很好的相關性, 可以很好反映漿體的屈服值, 其檢驗結果可以用來表征水泥與減水劑的相容性, 和水泥在混凝土中流動性表現。
2) 用Orimet 法(漏斗法)或者L 型流動儀檢驗膠砂的流動時間, 可以表征漿體的黏度。
3) 使用ISO 標準砂和基準減水劑, 制作一定擴展度的膠砂作為檢驗對象, 參照GB/T 3183—2003 附錄A 提供的《砌筑水泥的保水率測定方法》, 并加以改進, 檢驗結果可以用來表征水泥的泌水數量和泌水速度。
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