1 問題的提出 

      產品為用戶服務, 這是商品經濟的鐵律。但“服務”并不是簡單的“你要什么我賣什么”, 而是要為用戶的根本利益著想。用戶對產品的需要是隨著客觀世界的發展和自身的認識而變化的。但是認識往往滯后于實踐。對于用戶個體或個別群體的人來說, 由于認識水平的差異, 未必都了解其自身的實際需要, 產品生產者常會受到用戶無意間的誤導。作為兩個獨立生產和經營的行業, 水泥和混凝土也存在這樣的問題。

      由于生產工藝的限制, 硅酸鹽水泥和混凝土在問世后的早期, 相對于工程建設發展的需要, 強度問題突出。眾所周知, Bolomy 灰水比定則近100 年來一直指導著傳統混凝土配合比的設計。Bolomy 公式明確表明, 混凝土28d 抗壓強度與水泥強度成正比, 與水灰比倒數成正比。于是給水泥生產者的信息就是“需要提高水泥強度”。20 世紀20 年代, 歐美國家水泥中C3S 約為35%, 如今達50%～70%; 水泥細度從220m2/kg 到現今的340～600m2/kg[1]; 圖1 是美國從1920年到1990 年70 年間水泥7d 抗壓強度提高的情況[2]。

      我國水泥在30 年前最高強度(GB175—63)相當于20世紀末的425 號(GB175—92), 相當于目前的32.5級; 相同水泥的標稱強度下降了, 實際強度是相當的; 標稱強度相同的水泥, 如果用30 年前的水灰比檢測, 則現在我國水泥28d 抗壓強度提高了約20MPa。水泥的水灰比越大, 早期強度與后期強度的比值(例如3d/ 28d 或7d/28d) 越小, 而我國現行水泥標準在檢測水泥強度的水灰比增大后, 對水泥3d 標稱強度的規定卻仍與修訂前水灰比較低時的一樣, 因而實際上的早期強度提高得更多。不斷提高水泥強度的技術路線主要是增加C3S 和C3A 和提高比表面積。那些技術力量達不到要求的水泥廠增加C3S 和C3A 有困難, 則主要依靠提高比表面積和想方設法在水泥中添加按標準檢測不出來的什么“增強劑”。由于行業的隔離, 生產者和使用者都不知道這些措施對混凝土會產生什么后果。相互不了解, 自己對自己也不了解, 以至于互相誤導。工程中發生問題時很少能從根本上找出原因。 

圖1 1920～1990 年美國水泥7d 抗壓強度的增長[2]  

      互相以強度為第一需求誤導的結果是, 水泥中高強和早強組分越來越多, 比表面積由于沒有上限而越來越大, 水化熱越來越大, 抗裂性、抗腐蝕性越來越差, 混凝土強度的后期增長率下降甚至倒縮, 作為混凝土的主要組分, 嚴重影響了混凝土結構抵抗環境作用的耐久性能。 

圖2 不同水泥配制的混凝土在室外暴露50 年后強度變化[1]  

      美國的Withy 分別于1910、1923 和1937 年成型了5 000 多個水泥凈漿、砂漿和混凝土試件, 在室外暴露, 1975 年由Washa 和Wendt 發表了暴露試驗的結果如圖2 所示[1]。圖2 表明, 用7M水泥配制的混凝土50 年后抗壓強度達到52MPa, 而用I 型水泥( 當時的快硬水泥) 配制的混凝土10 年后強度開始倒縮;1937 年按快硬水泥生產的I 型水泥與現今水泥的平均水平很相似。Lemish 和Elwell 1996 年在對依阿華州劣化的公路路面鉆芯取樣的一項研究中, 也發現10～14 年強度倒縮而得出結論: 性能良好的混凝土與其強度增長慢相關[1]。 

      此外, 水泥廠目前所采取提高水泥強度的技術路線還導致混凝土使用上的困難。這是造成目前水泥產品不能滿足用戶要求更直接的原因。而水泥廠卻從另一方面誤解了混凝土的需求。某些水泥科技人員不了解當前供需關系的癥結所在, 誤以為混凝土摻礦物摻和料后強度會下降, 應當生產更高強度的水泥來提供混凝土增大礦物摻和料用量的條件, 因此仍然執意于繼續提高硅酸鹽水泥的強度。 

      面臨可持續發展的挑戰, 水泥和混凝土雙方能否轉變思想方法和傳統觀念, 互相溝通、互相了解、互相支持、共同前進, 已經關系到我國工程建設長久大計。出現當前水泥和混凝土雙方的矛盾, 主要原因在于近100 年來, 尤其是最近十幾年, 混凝土結構工程技術有很大的變化和發展, 而水泥則主要是因工藝上的進步促使高強和早強組分的不斷增加、強度的不斷提高。思維方法和觀念依然陳舊, 尚未從計劃經濟年代真正轉變到市場經濟社會中來, 不了解因而不能為最終用戶──建設工程的根本利益服務。 

      為了使本來應當是一家的水泥和混凝土互相了解、和諧相處, 共同進步, 在此提供一些雙方的信息和觀點, 一己之見, 歡迎討論。
 
      2 現代混凝土的特點及其存在的問題 

      2.1 現代混凝土的特點 

      1850 年法國人取得鋼筋混凝土專利以后, 使混凝土在結構構件中得以物盡其用, 是混凝土應用技術的第一次飛躍; 1928 年法國的E.Freyssinet 發明預應力錨具是混凝土應用技術又一次的飛躍性發展; 就混凝土材料本身來說, 1918 年美國的D.Abrams 提出著名的水灰比定則, 使混凝土的配合比選擇和制備工藝有了依據, 成為混凝土技術發展的第一個里程碑; 直到化學外加劑特別是超塑化劑(高效減水劑)的大規模使用后, 大大改變了混凝土的配制、性能和工藝。高效減水劑使混凝土能在比檢測水泥強度所用低得多的水灰比下達到比水泥強度高得多的強度, 而施工性能卻很好, 改變了傳統上混凝土的強度不能高于水泥強度而依賴于水泥強度的規律。水泥強度對混凝土的強度不再起主導作用, 水泥的性質也不再代表混凝土的性質。由此帶來現代混凝土的特點如下: 

      1) 工廠化的集中生產。區別于傳統上分散在工地現場拌制和吊斗澆筑的塑性混凝土, 現代混凝土首先在工藝上是在工廠集中預拌, 輸送至現場泵送澆筑,因此需要很好的施工性能, 目前的預拌混凝土的坍落度普遍較大。 

      2) 使用外加劑。不依靠水泥的品種而用外加劑進行改性已越來越普遍, 例如對需水性、凝結時間、強度發展、變形性質、含氣量等。特別是高效減水劑改變了水泥本身的流變性能。 

      3) 較低的水膠比。由于礦物摻和料對混凝土強度的貢獻顯著依賴于水膠比, 則當混凝土水膠比≥0.5時, 摻和料的作用不能得以發揮。因此除了不考慮耐久性的結構, 常用的C30、C40 混凝土水膠比一般都低于0.5。較低水膠比和較大坍落度造成混凝土較大的水泥( 膠凝材料) 用量。 

     4) 摻用礦物摻和料。為了降低現代高強度水泥及其較大用量造成的混凝土內部較高溫升, 也由于可持續發展戰略的需要, 礦物摻和料已逐漸成為現代混凝土必需的組分, 而且有加大摻量的趨勢──尤其是用于混凝土結構耐久性的設計, 礦物摻和料是必需的組分, 而且摻量要大于20%[3]。加拿大已將大摻量礦物摻和料( 粉煤灰和礦渣) 列入2004 年12 月頒布的混凝土規范[4], 其中粉煤灰和礦渣單摻時最低摻量分別為30%和35%, 沒有上限。 

      2.2 存在的問題 

      任何事物都有其利必有其弊, 現代混凝土是水泥和混凝土技術發展進步的體現, 但是在前進過程中難免會出現另一方面的問題, 主要表現在以下方面:

      1) 組分多增加了過程控制的復雜性。在混凝土生產時除了水、水泥、砂、石4 種傳統材料之外, 為了工程的需要, 摻入的有機或無機添加物質已成為必需的其他組分, 有時外加劑還不止一種, 礦物摻和料也不止一種。例如日本的明石大橋所用外加劑包括超塑化劑、引氣劑和引氣減水劑, 膠凝材料使用磨細礦渣、粉煤灰和少量石灰石粉。這無疑增加了原材料管理和上料控制的工作量。近10 年間, 在我國, 把粉煤灰誤用作水泥的事故曾多次發生。 

      2) 現行攪拌機攪拌時間太短存在的勻質性問題。在攪拌機中添加多種物質, 增加質量控制的難度和拌和物勻質性的問題。目前的攪拌時間一般只有30s,這是大多數攪拌站按購進設備的說明書設定的。實際上這個攪拌時間原本是針對不用摻和料的傳統混凝土設定的, 對于摻用摻和料和外加劑、水膠比又較低的拌和物, 在強制式攪拌機中攪拌時間至少應達到1min 以上, 否則難以保證勻質性。曾經有施工單位反映過: 為什么預留的摻膨脹劑混凝土試件有的會脹裂? 顯然這是攪拌不均勻導致膨脹劑在局部過量所造成的。 

      3) 同摻法影響外加劑的效率。外加劑的摻入方法有以下幾種: ①同摻法: 與拌和水同時摻入。目前我國絕大多數攪拌站都這樣使用; ②后摻法: 在達到現場時摻入; ③分次摻法: 先摻一部分, 隔一段時間后再摻其余部分。效果見圖3 所示。總摻量相同時, 分次摻法比同摻法效果好得多; 同摻法想要達到和分次摻法相當的效果時, 摻量要加大。絕大多數攪拌站現行將外加劑溶于拌和水一次性摻入的方法是外加劑效率最低的摻法。國外使用外加劑大多采用分次摻入法──例如, 初始摻入一半, 隨后通過安裝在攪拌車上測拌和物黏度的傳感器控制自動續摻, 以保持到達施工現場時拌和物的坍落度。目前在我國難以改變現行外加劑的摻法。

圖3 高效減水劑用不同摻入法時拌和物坍落度經時變化  

      4) 大摻量礦物摻和料使膠凝材料中SO3 不足。礦物摻和料的活性需要CaO 和SO3 激發, 故水泥標準規定允許礦渣水泥中SO3 最大摻量可達4%。而在混凝土中使用大摻量礦物摻和料會稀釋水泥中的SO3,摻量越大, SO3 越不足。因此混凝土早期強度低、凝結緩慢、收縮大。如圖4 所示, 礦渣和粉煤灰總摻量為40%時, 水泥中的SO3 被稀釋至1.3%后, 砂漿水養護14d 后存放于空氣中76d 收縮值達0.036%, 補充石膏后, 同齡期收縮值隨SO3 的增加而減少, 而且從在水中膨脹到隨后在空氣中收縮的差值(稱作膨脹率的落差, 低落差對砂漿或混凝土的體積穩定性很重要)也隨之減小。圖5 是礦物摻和料總量50%時相同流動度砂漿的抗壓強度和抗折強度與SO3 摻量的關系。在20 世紀80 年代我國水泥中的SO3 一般都在1.7% 左右, 現在隨著熟料中C3A 的增加, 已提高到2.3%左 右。在傳統上, 生產水泥時對石膏的優化主要是為了調節凝結時間, 基本上未考慮其他影響。在混凝土中摻入摻和料稀釋SO3 的同時當然也稀釋C3A, 但是石膏在有摻和料的漿體中的作用并不只涉及C3A, 對大摻量摻和料混凝土凝結時間的影響機理不同于和 C3A 的關系。混凝土中摻和料只要摻量大于20%, 則 SO3 不足的影響就會有表現, 摻量越大影響越大。 

圖4 SO3 含量對砂漿體積穩定性的影響

圖5 SO3 含量對砂漿強度的影響

      3 水泥品質現狀對混凝土生產和質量的影響 

      對混凝土影響的水泥現狀主要是: 因現行標準不設強度的上限和比表面積的上限, 水泥比表面積太大, 早期強度太高而長期增長率低甚至倒縮, 實際強度浮動幅度太大; 不控制堿含量、氯離子含量; 不檢測開裂敏感性; 無法提供在混凝土中與外加劑的相容性; 出廠水泥溫度太高, 難以控制混凝土結構中的溫度應力。 

      3.1 水泥細度的影響 

      水泥流變性能對混凝土施工性能有重要影響, 而施工性能是硬化后混凝土質量的重要保證。粗細顆粒級配恰當的水泥, 可得到良好的流變性能。水泥中3～30μm 的顆粒起強度增長的主要作用, >60μm 的顆粒則對強度不起作用, 但起穩定體積的作用。因此3～30μm 的顆粒應當約占90%[5]; <10μm 的顆粒起早期強度的作用, 且需水量大, 而其中<3μm 的顆粒只起早強作用, 因此流變性能好的水泥<10μm 的顆粒應當<10%。我國多數水泥的生產則基本上只關心細度,很少注重水泥顆粒的級配。在我國目前多數生產條件下, 水泥磨得越細, 細顆粒越多, 早期強度發展很快,而又很快被耗盡, 后期增長余地就會減少。有人認為提高水泥強度最簡單的技術就是增加比表面積。近年來許多質檢實驗室用篩析法檢測水泥細度時, 大多篩余量都小于3%, 甚至沒有篩余, 水泥比表面積已高達400m2/kg。越細的水泥需水量越大, 與外加劑相容性越差, 水化熱越大, 開裂敏感性越大。
 
      1) 越細的水泥與外加劑相容性越差。天津雍陽外加劑廠邱漢用該廠生產的萘系高效減水劑UNF- 5 與不同細度的水泥進行相容性試驗。用相同水灰比的凈漿, 改變外加劑摻量, 分別于攪拌后5min 和60min 檢測流動度, 試驗外加劑對不同細度水泥的飽和點、1h后的流動度損失以及使流動度不損失的摻量點。結果見圖6。 

圖6 水泥細度對其與高效減水劑相容性的影響 

      由圖6 可見, 水泥比表面積為3 014cm2/g 時, 高效減水劑飽和點為0.8%, 流動度無損失的摻量為1.6%; 水泥比表面積為3 982cm2/g 時, 高效減水劑飽和點為1.2%, 流動度無損失的摻量為1.82%; 比表面積為4 445cm2/g 時, 高效減水劑飽和點為1.6%, 找不到流動度的無損失點; 當水泥比表面積達5 054cm2/g時, 則高效減水劑飽和點為2.0%, 同樣找不到流動度的無損失點。該試驗表明, 水泥比表面積的增大, 外加劑與水泥的相容性隨之下降。著名水泥化學家T.C.Powers 早在40 年前就指出過, 并非水化越充分的水泥漿體強度越高, 因為水泥水化物強度和體積穩定性都比熟料的低。因此需要有一部分未水化顆粒來保持強度和穩定體積[6], 這就是“化學成分通過結構起作用”。水泥比表面積增加后,對砂漿長期抗拉強度的影響更明顯, 如圖7 所示[1]。圖7 表明, 砂漿抗拉強度隨水泥比表面積的增加而呈線性下降, 碳化深度總的趨勢是隨水泥比表面積增大而減小。粗水泥碳化深度大但強度高, 可能是表面的碳化對水泥有增強作用。

圖7 水泥細度對抗拉強度的影響[1] 

      2) 有研究者(Heam 1949 年, Mather 1993 年)報道粗水泥的滲透性隨齡期而下降, 表明其具有自愈能力[1]。混凝土抗凍性隨水泥比表面積減小而提高(見圖8)可能也和碳化降低滲透性有關[1]。 

圖8 抗凍性與水泥比表面積的關系[1] 

      3) 過細的水泥具有更大的開裂敏感性, 如圖9 和圖10 所示[1]。圖9 中用收縮開裂環檢測水泥開裂的敏感性, 從成型到開裂經過的時間越短, 抗裂性越差。從圖9 可以看出, 開裂敏感性隨水泥比表面積的增大而增大。在圖10 中可見, 水泥漿體因干燥而開裂的程度隨水泥比表面積增大而嚴重; 水泥比表面積只有220m2/kg 時, 混凝土中微裂縫極少; 當水泥比表面積增加到490m2/kg 時, 則混凝土中密布微裂縫。這些肉眼不可見微裂縫在早期可能是不連通和不開放的, 但卻是在服役期間受到溫度、濕度的反復作用出現可見裂縫的開裂源, 成為侵蝕型介質侵入的通道,響混凝土結構的耐久性。 

圖9 水泥細度和開裂敏感性的關系[1] 

圖10 水泥細度對水泥漿體和混凝土開裂的影響[1] 

      3.2 水泥的強度 

      任何水泥基材料的強度都是在一定的標準條件下測得的。如果水灰比、試件尺寸、養護條件、試驗方法都相同, 則凈漿強度高于砂漿強度, 砂漿強度高于混凝土強度。然而, 事實是水泥強度和混凝土強度的定義不同, 也就是檢測強度的標準條件不同。在高效減水劑問世之前, 由于施工的需要, 混凝土的水灰比受到限制, 必然大于檢測水泥強度的水灰比, 因此混凝土強度依賴于水泥強度, 混凝土標稱強度也必然不會超過水泥的標稱強度。現在高效減水劑的使用打破了這一傳統的常規: 混凝土的水灰比可以減小到比檢測水泥的水灰比低得很多, 老規范中“水泥強度應是混凝土強度的1.5～2 倍”的規定已成為歷史, 現今的32.5 級水泥能配制C60 混凝土已是現實。

      就提高水泥強度的技術路線來看, 將近200 年來水泥強度的發展已步入盡頭: 高強和早強的礦物以及過大的比表面積給混凝土帶來的后果已是弊大于利。過去只有水工的大壩混凝土被稱為大體積而需要控制溫度, 而今由于水泥的水化熱增大、混凝土水泥用量增多、早期強度提高, 最小斷面只有20～30cm 的構件, 其早期開裂也有約60%來自溫度應力。混凝土構件斷面可因混凝土強度的提高而減小, 但是構件斷面不可小到超過保證穩定的極限, 因此對強度的需要也有限, 當前的水泥強度已足夠。至于有特殊用途的所謂“超高強混凝土”(例如無粗集料而由活性粉末和細顆粒級配制成的RPC, 抗壓強度可達200MPa) , 其所用的水泥強度等級也是現行的42.5 即可[8]。因此水泥生產實在不必再追求更高的強度。現在的問題是, 配制高強混凝土, 乃至C100 的混凝土已不是難事, 倒是能保證28d 抗壓強度不超過30MPa、拌和物施工性能良好(不泌水、不離析)的C25以下混凝土做不出來。雖然總的趨勢是混凝土強度都普遍提高了, 但是對于像需要很大斷面的鐵路或公路橋墩、某些小開間樓板、基礎墊層以及其他一些素混凝土構件, 按承載力計算確實只需要很低的強度(雖 
然能通過加大活性的或非活性礦物摻和料來解決, 但又受到傳統觀念和現行規范的限制) 。保留一些低強度等級的水泥, 商家雖然單位產品利潤低, 但是目前C30 以下的混凝土需求量仍然很大, 薄利多銷是市場經營的重要策略之一。  

      有證據表明, 高強度水泥的耐儲存性能很差, 現行的52.5 級水泥與42.5 級水泥的28d 實際強度差別不大, 越存放差別越小, 甚至會倒過來。過去水泥的保質期是3 個月, 而今52.5 級水泥可能只有1 個月了吧? 主要是因為目前普遍以增加比表面積作為提高強度的主要手段。 

      3.3 其他影響 

      1) 現行水泥標準不規定水泥出廠前檢測含堿量(不僅當混凝土集料有活性時影響混凝土堿- 集料反應, 而且即使集料沒有堿活性, 含堿量過大時還影響水泥的抗裂性)和氯離子含量, 使有的水泥廠添加“不知道成分”的“增強劑”有了空子可鉆, 給混凝土結構耐久性增加了隱患。 

      2) 試驗和實踐表明, 不同廠家生產的相同強度等級、相同品種水泥在開裂敏感性上可能有很大差別,水泥出廠前不做抗裂性檢驗, 增加了混凝土抗裂性能的不可知性和控制裂縫的難度。 

      3) 由于現代混凝土普遍使用高效減水劑, 水泥與高效減水劑相容性問題和水泥的品質有很大關系, 目前水泥廠不檢測水泥與外加劑相容性, 影響混凝土對水泥的選用。 

      4) 散裝水泥的好處不言而喻, 但是水泥廠只“用其利”卻未能對“棄其弊”做出貢獻。近年來散裝水泥出廠的溫度普遍過高, 運至攪拌站入倉后又散熱困難, 造成水泥上料時仍有很高的溫度, 混凝土澆筑溫度居高不下, 增加了混凝土因溫度應力而早期開裂的傾向。還要采取措施降低因此而造成的混凝土的澆筑溫度, 在水資源和能源匱乏的今天, 從總體來看不能說不有悖于發展散裝水泥以節約水泥包裝資源和環保的初衷。 

      4 結論 
      1) 影響混凝土質量的水泥現狀主要是: 水泥比表面積太大, 早期強度太高而長期強度增長率低甚至倒縮, 實際強度浮動幅度太大, 不利于質量的均勻控制;不控制堿和氯離子含量; 不檢測開裂敏感性; 不提供與外加劑的相容性, 工程無法選定合適的水泥; 出廠水泥溫度太高, 難以控制混凝土結構中的溫度應力。 

      2) 現代混凝土普遍使用減水劑以降低水灰比, 故其強度不再依賴于水泥強度, 現行提高水泥強度的技術路線不利于混凝土結構質量的穩定和長期性能, 不必再追求水泥向更高的強度發展; 水泥品種單一化不僅不利于水泥的發展, 而且也不利于市場經濟的發展。 

      3) 現代混凝土結構需要水泥具有良好的勻質性和穩定性、低的開裂敏感性、與外加劑良好的相容性、有利于混凝土結構長期性能的發展以及無損害混凝土結構耐久性的超量成分。 

      4) 思維方法和觀念應當適應客觀世界的發展而轉變, 產品應為用戶長遠利益的需要服務; 現代混凝土已大不同于傳統混凝土, 作為產品的水泥應當按混凝土的需要生產, 并按混凝土的規律檢驗。 


參考文獻: 
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[7] ACI 363 Committee. State of the arts on high strength concret [A]// 
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