低热低碱商品混凝土专用水泥的研发与应用实践
低热低碱商品混凝土专用水泥的研发与应用实践
随着预拌商品混凝土的发展，混凝土裂缝成为引起预拌混凝土企业质量投诉的主要问题之一。本文研究改进水泥性能，制造低热低碱商品混凝土专用水泥P·O 42.5（以下简称专用水泥）用于混凝土使用，以减少混凝土裂缝的发生。
1. 水泥水化热高、碱含量高对混凝土的影响
水泥水化热高会引起混凝土110 d期间开裂，水泥碱含量高则会加速混凝土早期开裂，并且发生碱集料反应引起混凝土220年中后期开裂。混凝土的早期开裂，有人认为是1 d内的开裂，有人认为是3 d内的开裂，但认为1 d内的开裂者居多。大多数学者认为，混凝土的早期开裂是由于塑性收缩、自收缩以及干燥收缩引起。以往的研究只将混凝土的早期开裂与自由收缩联系，不符合工程的实际情况。近年混凝土界采用抗裂性能的研究方法，即研究混凝土在有约束状态下的开裂性能，比较符合工程实际。黄士元从混凝土最早期的力学性能分析了早期裂缝的成因。他认为，对受约束的混凝土，其开裂条件为：ε=Rp/E>εL 式中：ε为混凝土的应变；Rp为混凝土的抗拉强度；E为混凝土的弹性模量；εL为混凝土的极限应变。即当混凝土所产生的应变ε大于它的极限应变εL时，混凝土就产生开裂。他认为，表征混凝土开裂参数不是收缩值，而是极限抗拉应变值。
温度应力是目前预拌混凝土早期开裂的一个很重要的因素。混凝土的2/3应力来自于温度变化，1/3来自干缩和湿胀。水泥水化热是混凝土早期温度应力的主要来源。从减少混凝土早期温度应变出发，应尽量减少水泥水化热，国内外混凝土专家要求混凝土1 d抗压强度不大于12 MPa，或12 h抗压强度不大于6 MPa，其实质是降低早期水化速率和水化热，减少温度应变所产生的应力。
近年来混凝土开裂现象日趋严重，水泥界和混凝土界开展了大量的研究工作，以求降低混凝土的开裂。对于导致现代混凝土开裂的原因，除了现代混凝土技术所采用的减水剂、低水胶比和低骨胶比以及施工管理的原因外，就是水泥品质的影响。经研究表明水泥的高碱含量、熟料中的高C3A含量和C3S含量、高细化是导致现代混凝土早期开裂增加的主要因素。
碱-骨料反应是指混凝土液相中的碱与活性骨料发生反应，生成了碱-硅酸凝胶或其他可以引起膨胀的产物，产物在有水或者潮湿的环境下吸水膨胀，使混凝土内部产生较大的应力，严重时引起开裂。碱-骨料反应的潜伏期普遍较长，一般为几年到几十年之间，而且反应一旦发生，几乎没有修护的方法，因此被称作混凝土的“癌症”，严重影响混凝土结构耐久性。
2. 专用水泥内控质量标准
以减少混凝土开裂、提高混凝土建筑结构物耐久性为目的，结合安福南方原材料、装备、生产技术等因素，经过一年多的试验研究，制定了安福南方低热低碱商品混凝土专用水泥P·O 42.5质量内控标准，见表1。
表1 低热低碱商品混凝土专用水泥P·O 42.5质量内控指标
项目 | 指标 |
|---|---|
比表面积（m²/kg） | 340±20 |
3d抗压强度（MPa） | ≥29 |
28d抗压强度（MPa） | ≥59 |
水化热（3d，kJ/kg） | ≤251 |
水化热（7d，kJ/kg） | ≤293 |
碱含量（%） | ≤0.25 |
C3A含量（%） | ≤5.5 |
3. 商品混凝土专用水泥生产
3.1 降低水泥熟料水化热、水泥碱含量
用安福南方矿山高硅低钙石灰石制造高硅率、低C3A熟料，熟料率值为KH=0.900.92、n=3.43.6、P=1.2~1.4；熟料矿物：硅酸盐矿物C3S+C2S=80.0%左右，铝酸三钙C3A 5.5%左右，熟料C3A含量比通常企业熟料降低30%以上，该熟料水化热低。水泥熟料中的碱主要来源于石灰石、黏土和铁粉等原料，黏土碱含量一般比较高，生产熟料要减少黏土掺量，安福南方使用低钙高硅骨料石取代黏土用于生料配料，降低了熟料碱含量。
3.2 专用水泥粉磨生产
专用水泥使用低水化热、低碱含量、早强不高后期强度高的熟料（3 d抗压强度R3=29 MPa左右、28 d抗压强度R28=59 MPa左右），粉磨水泥的材料配比为：熟料84%、石膏5%、石灰石5%、煤渣6%；水泥粉磨比表面积按（340±20）m2/kg控制。
3.3 专用水泥生产技术指标
专用水泥水化热达到中热水泥要求（C3A≤6.0%；3 d水化热≤251 kJ/kg，7 d水化热≤293 kJ/kg）。水泥碱含量为0.25%左右，符合低碱水泥要求，并且碱含量较低。
4. 不同品牌水泥物理化学性能指标对比
主要选本地混凝土搅拌站常用水泥：AHL牌、BHS牌与专用水泥对比，有关检测数据见表2。
表2 不同品牌水泥物理化学性能检测数据
项目 | AHL牌 | BHS牌 | 专用水泥 |
|---|---|---|---|
比表面积（m²/kg） | 350 | 345 | 340 |
3d抗压强度（MPa） | 32 | 31 | 29 |
28d抗压强度（MPa） | 55 | 56 | 59 |
水化热（3d，kJ/kg） | 260 | 255 | 251 |
水化热（7d，kJ/kg） | 300 | 295 | 293 |
碱含量（%） | 0.4 | 0.35 | 0.25 |
C3A含量（%） | 8.0 | 7.5 | 5.5 |
由表2可见，专用水泥比一般水泥水化热低，碱含量低，早期强度略低，凝结时间略长，后期强度增长多。该专用水泥属高硅率水泥，其硅酸盐矿物总量比一般企业水泥要高4%左右，使得28 d后强度增长率高，半年和一年的强度明显高于一般水泥，用该专用水泥建设的建筑结构物耐久性能更优良。
5. 不同品牌水泥配制C30混凝土性能对比
5.1 混凝土物理性能对比
AHL牌水泥、BHS牌水泥、专用水泥按相同配合比配制C30混凝土（见表3），物理性能对比见表4。
表3 混凝土配比
材料 | AHL牌 | BHS牌 | 专用水泥 |
|---|---|---|---|
水泥（kg/m³） | 320 | 320 | 320 |
砂（kg/m³） | 650 | 650 | 650 |
石（kg/m³） | 1200 | 1200 | 1200 |
水（kg/m³） | 160 | 160 | 160 |
外加剂（kg/m³） | 4.8 | 4.8 | 4.8 |
表4 不同品牌水泥配制C30混凝土物理性能
项目 | AHL牌 | BHS牌 | 专用水泥 |
|---|---|---|---|
水化热（3d，kJ/kg） | 260 | 255 | 251 |
水化热（7d，kJ/kg） | 300 | 295 | 293 |
凝结时间（h） | 6.5 | 6.8 | 7.2 |
7d抗压强度（MPa） | 30 | 31 | 32 |
28d抗压强度（MPa） | 40 | 41 | 42 |
由表4可见，用专用水泥比一般企业水泥配制混凝土的水化热低，混凝土温升慢，凝结时间长，但混凝土7 d和28 d强度更高些。
5.2 混凝土外加剂掺量对比
不同品牌水泥混凝土外加剂掺量见表5，从表中可以看出，达到相同减水效果时，专用水泥外加剂使用量比其他水泥可以减少10%左右。
表5 不同品牌水泥混凝土外加剂掺量
水泥品牌 | 外加剂掺量（kg/m³） |
|---|---|
AHL牌 | 4.8 |
BHS牌 | 4.8 |
专用水泥 | 4.3 |
5.3 混凝土抗开裂性能对比
不同品牌水泥混凝土抗开裂性能对比见表6。通过工地裂纹情况调查，专用水泥比其他水泥制造的混凝土裂纹少，混凝土抗开裂性能要优良得多。
表6 不同品牌水泥混凝土抗开裂性能对比
项目 | AHL牌 | BHS牌 | 专用水泥 |
|---|---|---|---|
裂纹数量（条/m²） | 12 | 10 | 5 |
裂纹宽度（mm） | 0.2-0.3 | 0.15-0.25 | 0.1-0.15 |
裂纹深度（mm） | 5-10 | 4-8 | 3-6 |
6. 结束语
依托安福南方特有的原材料生产高硅率水泥熟料，优化水泥物理化学性能指标，制造低热低碱商品混凝土专用水泥。使用低热低碱商品混凝土专用水泥生产的混凝土，比一般水泥可以大大减少混凝土开裂，也可降低商品混凝土外加剂成本10%左右。