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水泥生产工艺与混凝土耐久性的关系

技术交流

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水泥生产工艺与混凝土耐久性的关系

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技术交流
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2009/08/05
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  1 影响混凝土耐久性的因素

  水泥是混凝土的一种重要原料,它的性能对混凝土性能有十分重要的影响。混凝土诸多性能中耐久性非常重要,如果混凝土结构物没有达到预期使用年限而过早地被破坏,不但经济损失巨大而且危及人们的安全。黄士元等[1]将混凝土破坏的原因分为四大类:①磨损;②物理因素的破坏;③化学作用的破坏;④钢筋锈蚀造成的破坏。

  1.1 磨损

  磨损分机械磨损(路面、厂房地坪的磨损)和冲刷及气蚀的作用造成的磨损(水工结构的被破坏)。

  路面磨损的速率,主要取决于混凝土面层的强度和硬度,因此使用水泥的泌水性和离析性至关重要,而并不是非用道路水泥不可。矿渣或粉煤灰的掺入,如混合材比表面积较低,泌水性较差,当然不耐磨。但如掺入比表面积很高的磨细矿渣或粉煤灰,在精心施工的条件下也不是不可用于道路工程。水泥的保水性愈好,泌水性愈少,水泥比表面积愈高,其耐磨性愈佳,反之水泥中混合材愈粗,保水性愈差。

  冲刷和气蚀是水工混凝土磨损的主要原因。试验证明水泥中C3S的抗冲磨能力最强,C3A次之,C2S最差。然而对冲刷磨损而言,对水泥化学成分的控制远不及提高混凝土的密实性重要。提高水泥中C3S含量对提高混凝土的密实性倒是一致的。

  1.2 物理因素的破坏

  破坏混凝土的物理因素包括:

  ·干湿交替

  ·水的渗透

  ·冻融交替和盐的结晶

  除机械磨损的破坏外,水的渗透是所有破坏的根源,而干湿交替作用是各种破坏的促进因素,因此混凝土的抗渗性对耐久性十分重要。仅就水泥本身而言,水泥的需水量和密实性(基本上可视作强度),与混凝土的抗渗性有较大关联。当需要水泥强度较高时,一般将水泥磨得更细一点,虽然对混凝土的密实性有利,但需水量却提高了,这是相互矛盾的。解决这个矛盾的办法是在水泥中掺入相当数量的高比表面积的磨细矿渣或粉煤灰,使之与熟料水化后生成的Ca(OH)2起火山灰反应而生成新的C—S—H凝胶,有助于孔的细化并增加了孔的曲折度,从而增大了混凝土的抗渗能力。另一方面,磨细混合材的加入可以增强集料和水泥浆体的界面,有助于抗渗。但是混合材比表面积太低,将影响抗冻融性能和抗盐剥蚀能力,特别是掺石灰石作混合材尤差(可能是石灰石存在时水泥水化生成碳铝酸盐的缘故)。

  1.3 化学侵蚀

  水泥工作者大都很清楚水泥中C3A含量高对混凝土抗硫酸盐侵蚀不利,所以ASTM—V型水泥规定2C3A+C4AF含量不得大于20%。掺有磨细矿渣或粉煤灰的水泥较有利于抗硫酸盐的侵蚀,这是由于火山灰反应可减少水化物中Ca(OH)2的含量。但火山灰反应需要较长时间,所以在制备混凝土时应采取措施使混凝土在足够的龄期后才受到硫酸盐的侵蚀。另一方面,掺有磨细矿渣等混合材的水泥,在相同的条件下,对混凝土的抗大气中酸的侵蚀也是有利的,理由同上。不过,对抗酸性而言,混凝土的密实性(强度)的影响比水泥化学成分和混合材的影响更大。

  碱—骨料反应对混凝土产生的破坏也是众所周知的事实,水泥碱含量对自身的28d和以后的强度的影响也是十分严重的。但是碱—骨料反应的必要条件是水的存在,所以使用含碱量较高的水泥制备混凝土,提高其密实性有利于减少破坏反应,而且在地面以上的构件受破坏的风险也少得多。在原料条件不利时,多掺磨细矿渣并保持较高强度,是抑制碱—骨料反应的有效措施。

  1.4 钢筋锈蚀

  钢筋锈蚀是混凝土结构过早被破坏的主要原因之一。一般在混凝土中孔隙内有很高浓度的Ca(OH)2,故其pH值均在12.4以上。在此条件下钢筋表面(2~6)×10-3μm的氧化膜使钢筋处于钝化状态。但如一旦钝化膜遭破坏,钢筋就会继续被腐蚀。混凝土的碳化或受酸的侵蚀是钢筋继续被腐蚀的重要因素。

  影响混凝土碳化的主要因素是CO2在混凝土内的扩散速度。当水泥中CaO含量愈高,则可吸收CO2的量愈多,失钝所需时间就愈长,碳化速率愈慢。所以高硅酸盐含量的水泥抗碳化能力最强。不过,尽管混磨而且较粗的矿渣水泥抗碳化能力很差,分别粉磨高细度的矿渣掺入时,即使掺量高达50%,碳化速率的增加不多(约10%左右),而且使用这种水泥制备的混凝土,其后期强度增长率的提高,对减缓碳化速率有利。水灰比小而很密实的混凝土(如C50以上的混凝土),因碳化而引起的钢筋锈蚀问题可以忽略不计。

  氯离子的作用也是破坏钝化膜导致钢筋锈蚀的原因之一。所幸混凝土中Cl-的来源主要不是从水泥中引入而是从拌和水和外加剂中引入以及环境中Cl-随时间逐渐扩散和渗透深入混凝土内部。

  2 水泥生产工艺控制

  综上所述,水泥的活性(强度)愈高,比表面积高,其保水性能愈好,抗渗和抗碳化性能愈强,有利于混凝土耐久性的提高。但是水泥的细度愈细则需水量愈大,使混凝土高度水保和导致混凝土膨胀和开裂,是所有混凝土过早破坏的先决条件。所以混凝土的完整性和水密性这个混凝土抗破坏的第一道防线是有关混凝土耐久性的首要环节,也就是说避免开裂的 能力至关重要。

  熟料矿物成分中C3A虽然对早期强度有贡献,却对抗磨损、避免裂缝形成以及抗化学侵害不利。所以在高饱和比、高硅酸率、高铝氧率这三高配料的思想指导下,应尽可能降低C3A的含量,并且尽可能使高温熟料得以淬冷。因此长径比小的窑型和新型篦冷机应得到优先关注。另外,如果因原燃料的条件所限C3A不能降至7%以下,高细矿渣或粉煤灰的掺入 有利于降低水化热,降低了新浇混凝土表面的温度梯度[2],并且减少了后期钙矾石的形成,从而降低了混凝土开裂的风险。

  除了温度梯度高产生收缩外,湿度梯度[2]高也是混凝土出现早期开裂的主要原因。现代化的装备生产的水泥极大地提高了水泥活性,也就增大了水化热和需水量,使混凝土表面的温度梯度和湿度梯度增大,降低了徐变系数,使得高强混凝土比低强混凝土更易开裂。

  为了解决既要高强、磨细,又要降低水化热和需水量这一对矛盾,国内外的水泥工作者做了大量工作,一方面努力降低C3A含量和加快冷却速率,一方面努力调整水泥粉磨系统的工作参数使水泥的颗粒级配更合理,即调整RRB曲线的斜率(n值),使尽可能在1.0左右。目前国内以带O—SEPA选粉机的圈流球磨生产的切割粒径(也称特征粒径)x在22~24μm时,n值较高(1.2~1.3),需水量相对不低(26%标准稠度)。如此粗的水泥,原标准可以达到525一级品水平,但按新标准仅可按一般的42.5级出厂。所以很多文章指出目前我国普遍的水泥细度较粗是符合实际情况的。x值与新/老标准的28d耐压强度比有直接关系,当x在22~23μm时,上述比值在0.8左右;当x在16~18μm时,此比值可提高至0.9或以上。如果与欧洲的水泥比较,他们的42.5级水泥的切割粒径一般在16~18μm,用上述圈流球磨生产如此细度的水泥,标准稠度恐怕要超过28%,但是国内有的新型大厂用立磨(或辊压机)一球磨联合粉磨系统磨制水泥,达到上述x值时(n=1.0左右),标准稠度不过27%。既可保证42.5级一级品,需水量又不致过大。

  但是如果有些水泥厂因碱含量过高,或者因窑型等外因的限制,水泥熟料活性较差,为了努力提高28d抗压强度从而大幅度提高比表面积,造成3d强度大增。这种水泥需水量、水化热大增,混凝土早期裂缝频繁出现,混凝土的耐久性不良。特别细的早强(R3/R28≥60%)水泥由于凝结较快,还使混凝土坍落度损失过大,对施工不利。

  因此,没有必要超越客观条件以粉磨得更细的手段来提高水泥的标号。从而可以认为R型早强水泥不一定优于非R型水泥。过去水泥熟料活性低,磨得也粗,混凝土标号又不高(≤C30),水灰比较大( >0.5),早强型水泥对施工是有利的。但现在新型水泥装备的出现,高性能混凝土逐渐普及,水灰比下降(0.35~0.4),早强型水泥就转化为不利因素。国外之所以仍有标明R型水泥的销售,主要因为该地区原料条件的限制而必然是早强型,标明R型就可使施工者配制混凝土时采取必要措施(包括水泥用量、水灰比、外掺料、养护条件等),避免混凝土出现裂缝而过早地被破坏。

  水泥中掺入较大量的磨细矿渣或粉煤灰时,上述矛盾可得到很大程度的缓解。

  此外,上述混凝土坍落度损失过大的原因还有水泥粉磨过程中温度太高(或因磨内喷水设施损坏),即使颗粒级配(x和n值)都正常,也会因石膏脱水而影响混凝土的施工性能。

  3 结论

  1)用高强水泥制备高强混凝土可以提高混凝土的密实性,从而提高其耐久性。

  2)生产高强水泥熟料时,提高硅酸盐矿物含量的同时应控制C3A含量,以利混凝土的耐久性。要充分注意熟料的冷却速度,采用长径比小的窑以及性能优越的冷却机是可取的措施。

  3)提高水泥磨细的程度是必要的。要创造条件用x和n值来控制细度。和任何事物一样,提高水泥磨细程度也有两面性,它使需水量增加从而不利于耐久性。立磨(辊压机)-球磨机联合粉磨系统是较好的选择,不但节能效果好而且有利于控制需水量。控制水泥粉磨时的温度也很重要。

  4)在原料条件不利时(如碱含量过高)不必过分以提高比表面积的手段追求较高的28d强度。R型水泥不—定优于非R型水泥。

  5)水泥中混合材粒径较粗时对混凝土的耐久性不利,但是掺入细磨矿渣(分别粉磨)且掺量相对较养时对混凝土耐久性极为有利,在碱含量或C3A较高的情况下尤为如此。故应大力推广。

  此文之成,得益于黄士元教授之切磋良多,特止致谢。

  参考文献

  1 黄士元等.近代混凝土技术.西安:陕西科技出版社,1998

  2 P K Mehta.Durabilty—Critical Issues For the Future.Concrete International,1997,(7)

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