引言
隨著(zhù)現代化建設的不斷推進(jìn)，國家對高鐵、水電、機場(chǎng)等基建的不斷投入，以及高層建筑的普及等，對高性能混凝土的要求也越來(lái)越嚴格，不再是只追求強度，而是以低水膠比、低水泥用量、低單位體積用水量為主要技術(shù)特性的現代混凝土，要求提高施工性能、滿(mǎn)足各種施工條件、能應付野外惡劣環(huán)境條件等，然而從混凝土耐久性出發(fā)，對水泥強度的依賴(lài)程度變小，超細粉等外摻料發(fā)揮的作用越來(lái)越大，對骨料的要求越來(lái)越高，特別是不同骨料不同水泥如何讓其拌和出滿(mǎn)足這些不同的情況的混凝土，對混凝土外加劑也提出了更高的要求，作為主要原料的水泥與外加劑的適應性就成了不可回避的研究課題。目前很多水泥企業(yè)都是以國家標準（ 如GB175-2007）為產(chǎn)品控制標準，而符合國標質(zhì)量要求的水泥在配制商品混凝土時(shí)性能差異較大。
在水泥產(chǎn)能?chē)乐剡^(guò)剩、市場(chǎng)環(huán)境日益惡劣的條件下，市場(chǎng)更愿意選擇高品質(zhì)、高性能、符合不同混凝土要求的水泥，主要看重其優(yōu)異的適應性、耐久性及施工性能。這是商混企業(yè)或工程施工提高混凝土質(zhì)量、降低混凝土成本的出發(fā)點(diǎn)所決定的。
水泥與外加劑的相容性主要問(wèn)題有流動(dòng)性差、減水率低或無(wú)減水效果、坍落度差或經(jīng)時(shí)損失大、同配比混凝土強度偏低、混凝土緩凝或凝結速度太快、混凝土分層離析或泌水、混凝土板結或發(fā)熱、表面裂紋或起砂等。究其原因，有可能是水泥品質(zhì)造成的，也有可能是使用方法不當，或外加劑配方不適應等，也有可能是幾種原因共同造成的，這是一個(gè)系統問(wèn)題。出現這些情況，一定要全方位地分析，包括地材的影響、環(huán)境因素的影響及養護條件等。本文僅從水泥生產(chǎn)的角度出發(fā)，交流加強生產(chǎn)過(guò)程控制提高水泥與外加劑適應性的經(jīng)驗。
1 混凝土外加劑與水泥的適應性
混凝土外加劑與水泥的適應性問(wèn)題，涉及水泥化學(xué)、高分子材料學(xué)、表面物理化學(xué)和電化學(xué)等多方面的知識，是一個(gè)極復雜的問(wèn)題，作為水泥企業(yè)、外加劑企業(yè)和商混企業(yè)都是必須面對和研究。
使用外加劑主要是為了改善新拌混凝土、砂漿、水泥漿的性能 ，降低用水量、提高和易性、根據實(shí)際施工需要縮短或延長(cháng)凝結時(shí)間、減少泌水和離析、減小坍落度損失、改善性能、提高混凝土強度、提高耐久性、抵抗外界惡劣環(huán)境、降低鋼筋銹蝕、減小膨脹破壞等。
對于外加劑來(lái)說(shuō)，通過(guò)多年的實(shí)踐和發(fā)展，提升很大，品種更多，適應性更廣。但從工程使用的具體情況來(lái)看，問(wèn)題仍然很多，如同品種同摻量的外加劑，對不同品種的水泥，效果差異極大，甚至同一種水泥，但因不同時(shí)期、不同環(huán)境其效果也有差別，使用同一批外加劑的水泥凈漿流動(dòng)度時(shí)大時(shí)小，其混凝土的坍落度損失有時(shí)忽大忽小，甚至有時(shí)泌水、有時(shí)又不泌水、凝結時(shí)間的差異也很大，時(shí)而還會(huì )出現快凝或緩凝現象等等，這些都是外加劑與水泥的適應性問(wèn)題。筆者認為，外加劑的調整方便、快捷，且可以根據實(shí)際使用情況及現場(chǎng)環(huán)境現場(chǎng)調配，大的原則還是外加劑適應水泥，對地材作相應的配合調整。當然，水泥企業(yè)在生產(chǎn)中應盡量減少因水泥質(zhì)量帶來(lái)的與加劑不適應的問(wèn)題。
2 水泥生產(chǎn)過(guò)程影響水泥與外加劑適應性的因素
2.1 熟料質(zhì)量的影響
熟料中四種礦物對外加劑的吸附程度是不同的， 吸附量由大到小的順序為：C3A>C4AF>C3S>C2S，尤其C3A的吸附量遠遠大于其他三種熟料礦物。外加劑主要吸附在水化產(chǎn)物上，由熟料礦物水化速度和產(chǎn)物的比表面積所決定。C3A含量高的外加劑適應性差，C3A含量越高，吸附外加劑的量越大，混凝土坍落度損失越大。
但C3A含量相同的不同熟料，與外加劑的適應性不見(jiàn)得就相同。A廠(chǎng)熟料中C3A含量為9.0%，熟料標準稠度為26.0%；而B(niǎo)廠(chǎng)熟料中C3A含量同樣為9.0%，而熟料的標準稠度卻只有24.0%左右。分析認為，這與原料的成分及煅燒的溫度有很大關(guān)系。兩廠(chǎng)雖然C3A含量差不多，但A廠(chǎng)熟料中Al2O3含量較高，達5.8%以上，為控制C3A含量，強行把熟料中Fe2O3含量控制到3.6%甚至更高，再加上燒成溫度偏低，雖然表面上看起來(lái)C3A含量差不多，但實(shí)際的熟料性能卻相差很遠；B廠(chǎng)Al2O3含量不到5.0%，加上燒成溫度足夠，控制同樣的C3A含量，性能卻好很多。分析原因，原料中過(guò)多的Al2O3含量全部帶入熟料成分中，如果Fe2O3含量保持不變時(shí)，熟料IM能得到控制，但熟料中C3A含量會(huì )大大增加。為了控制熟料中C3A含量往往選擇增加Fe2O3含量，結果就使熟料的IM降低，熟料液相量增加，熟料結大塊嚴重。如果燒成溫度不夠，熟料燒成質(zhì)量會(huì )受到很大影響，欠燒料甚至黃心料會(huì )大量出現，熟料致密度受到影響，熟料fCaO增加。且大塊熟料進(jìn)入冷卻機后，冷卻效果得不到保證，嚴重時(shí)會(huì )出現紅料，這樣的熟料強度得不到保證，到了水泥粉磨時(shí)，出磨水泥的溫度會(huì )大大提高，嚴重時(shí)造成石膏脫水等。這樣的水泥對外加劑的吸附會(huì )大大增加，與外加劑的適應性就會(huì )很差。因此，控制原料中的Al2O3含量對于提高水泥與外加劑的相容性很重要。
這個(gè)例子也證明了熟料燒成溫度、燒成速度以及冷卻速度和fCaO含量對水泥與外加劑適應性的影響。
在原燃材料相同、燒成制度相同的條件下，高溫燒成的熟料與低溫燒成的熟料表現出的性能不同。高溫快燒的熟料，硅酸鹽礦物固熔較多其他組分，其固熔量隨溫度的升高及燒成速度的加快而增大，水泥強度自然較高，與外加劑相容性好。低溫燒成的熟料，硅酸鹽礦物活性較差，水泥強度較低，水泥標準稠度用水量大，與外加劑相容性差。熟料急冷使大部分礦物以玻璃體存在，所磨制的水泥與外加劑相容性好，凝結時(shí)間正常，水泥強度較高；反之，急冷效果差時(shí)，熟料中β-C2S轉變?yōu)?gamma;-C2S，硅酸鹽礦物活性降低，C2A與CAF大量析晶，水泥與外加劑相容性變差。熟料煅燒時(shí)，fCaO含量應控制在一定范圍內（建議控制在1.0%以?xún)葹橐耍?，減水劑與水泥的適應性良好，超過(guò)一定范圍，對摻減水劑的混凝土流變性影響較大，其間接反映了熟料的燒成情況，過(guò)高的fCaO還會(huì )影響到水泥漿體流動(dòng)性。
2.2 混合材料種類(lèi)及不同品質(zhì)的影響
不同品種的混合材對外加劑的吸附作用是不同的，一般為高爐礦渣<粉煤灰<高硅巖<火山灰質(zhì)。多年來(lái)實(shí)踐證明，摻高爐礦渣的水泥適應性、耐久性、施工性能等都是最優(yōu)的，特別是超細礦粉，在取代了部分水泥以后，這些小顆粒填充在水泥顆粒間的空隙中，置換其間的填充水，拌和物的表面水相應大量增加，促進(jìn)了混凝土流動(dòng)性的改善；礦渣微粉的微填充效應，有助于提高水泥與外加劑的相容性?；鹕交屹|(zhì)混合材具有較大的內表面積，吸水性及外加劑吸附量大；自然形態(tài)的粉煤灰、超細粉煤灰適應性好，粗粉煤灰或加工型粉煤灰吸附量大，適應性差。< span="">
2.3 石膏品種及摻量的影響
現在的水泥企業(yè)使用石膏都是根據當地資源及成本共同考慮選用，使用天然石膏的相對較少，資源綜合利用使用工業(yè)副產(chǎn)品石膏如電廠(chǎng)脫硫石膏、化工廠(chǎng)磷石膏等的較多。不同種類(lèi)石膏的溶解速度和溶解度差別較大，對水泥的緩凝作用不同，表現為：磷石膏>脫硫石膏>天然石膏。天然二水石膏與高效外加劑適應性好，工業(yè)副產(chǎn)品石膏中的某些微量成分如P2O5含量可能使水泥與高效外加劑的相容性變差。
C廠(chǎng)使用脫硫石膏和磷石膏。全使用脫硫石膏時(shí)，凈漿擴展度為130～150 mm，擴展度不夠；全使用磷石膏時(shí)為260～280 mm左右，有泌水現象；夏季使用脫硫石膏和磷石膏1∶1時(shí)擴展度為200 ～230 mm左右，較合適，但冬季時(shí)擴展度又較高，仍有泌水現象發(fā)生；選擇脫硫石膏和磷石膏2∶1時(shí)使用效果較好。分析認為，脫硫石膏屬于電廠(chǎng)使用白石粉末對煙氣脫硫后產(chǎn)生的附屬物，鈣含量較高，使用脫硫石膏生產(chǎn)的水泥，凝結時(shí)間較短，但水泥需水量相對較高，因此在冬季氣溫低時(shí)效果較好；而磷石膏為化工企業(yè)的附屬物，其中P2O5含量波動(dòng)較大，粉磨水泥時(shí)凝結時(shí)間較長(cháng)，相對來(lái)說(shuō)，夏季使用有利于改善水泥性能，改善混凝土施工性能，因其需水量相對較低，同樣的外加劑及地材，冬季使用就會(huì )造成泌水等現象。另外，在使用石膏時(shí)還要考慮熟料的質(zhì)量情況，熟料的需水量不同在選擇石膏時(shí)也應不同，最終以水泥質(zhì)量和適應性來(lái)判定和選擇。因此不同的石膏品種及搭配比例仍會(huì )出現不同的結果，需根據不同的季節不同的需要進(jìn)行調整。
另外，水泥控制中適宜的SO3含量應根據熟料中C3A含量、比表面積、水泥強度發(fā)揮以及混凝土使用效果綜合考慮確定。D廠(chǎng)就不同石膏作了實(shí)驗比較，結果見(jiàn)表1。
2.4 水泥中堿含量的影響
堿含量高，水泥標準稠度用水量增大，水泥水化速度加快，外加劑的塑化效果變差，導致混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失增大，混凝土的堿集料反應增加，耐久性能變差。因此現在國內的大型工程特別是鐵路、橋梁等工程對水泥中的堿含量都提出了≤0.6%的要求。在生產(chǎn)中，一是控制熟料中的堿含量，二是控制混合材的堿含量。
2.5 水泥顆粒分布的影響
水泥顆粒對外加劑分子的吸附與水泥的比表面積有關(guān)，比表面積越高，水泥與水接觸的面積越大，水泥顆粒表面形成水膜所需水量就越大，相同水灰比條件下，顆粒之間的自由水相應減少，水泥漿體流動(dòng)性變差；水泥比表面積越大，水泥細顆粒多，水泥早期水化速度加快，水泥漿體流動(dòng)性差，水泥與外加劑相容性不好。另外，水泥顆粒分布范圍窄，其堆積空隙率大，需要更多水來(lái)填充這些空隙，自由水相應減少，外加劑摻量大，水泥與外加劑適應性差。因此，水泥粉磨的控制對水泥與外加劑的性能影響也很大，建議在磨機球配時(shí)，應盡可能地多級配球，以獲得更寬的顆粒分布，同時(shí)提高水泥強度的發(fā)揮。另外，不同的顆粒對混凝土的性能貢獻是不一樣的，小于3μm的水泥顆粒對混凝土性能有損害，主要是細小的熟料顆粒；對于熟料而言，3μm以下顆粒不宜大于10%，過(guò)多的細熟料顆粒會(huì )加速水泥的早期水化速率，提高水泥的早期水化熱，增加收縮開(kāi)裂危險，降低與外加劑相容性。具有較高堆積密度的水泥，有利于減少需水量，減低水泥石的空隙率，改善孔隙結構，提高混凝土的密實(shí)性，從而提高混凝土抗外界侵蝕的能力，對提高混凝土強度幫助較大。因此，優(yōu)質(zhì)水泥還應具有較高的顆粒堆積密度。
2.6 水泥溫度的影響
水泥粉磨溫度高，特別是磨內達到150 ℃時(shí)，二水石膏脫水成半水石膏，而半水石膏和硬石膏較二水石膏溶解度下降，不能有效阻止水泥快速水化生成絮凝結構，外加劑對其的塑化作用變差，混凝土坍落度損失也快，水泥與外加劑相容性差；出廠(chǎng)水泥溫度高，水泥水化反應速度快，水泥與外加劑適應性差?？刂扑喑瞿サ臏囟群褪炝蠝囟扔泻艽箨P(guān)系，要盡量強化熟料冷卻，降低熟料溫度，為水泥粉磨提供條件?；旌喜牡乃趾繉Τ瞿ニ鄿囟扔绊懸草^大，水分重溫度低，且易糊球堵隔倉板降低產(chǎn)量等，應強化控制。
另外，未經(jīng)儲存的水泥干燥度高，正電性較強，對外加劑吸附大，降低了外加劑的塑化效果，水泥漿體流動(dòng)性大大降低，在配制高強度等級混凝土時(shí)更明顯，因此，應盡量避免熱水泥出廠(chǎng)。
2.7 助磨劑的影響
目前助磨劑在水泥生產(chǎn)中應用較廣，主要以乙二醇（EG）、三乙醇胺（TEA）、三乙丙醇胺（TIPA）、木質(zhì)素磺酸鈣等為主要原料，綜合改善水泥的易磨性、早強、后強等以獲得更低的生產(chǎn)成本。但過(guò)分強調早強作用的助磨劑，勢必較大幅度地促進(jìn)熟料顆粒的水化速度，以此在最短的時(shí)間內形成一個(gè)對混合材的強堿性激發(fā)環(huán)境，從而使混合材摻量更高。這樣一來(lái)，一方面水泥過(guò)早地形成塑性強度使混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失增大，另一方面如果摻加的是粉煤灰、燃爐煤渣、火山灰等需水量較高的混合材，那么使用這種水泥的混凝土相同條件下要保證混凝土的坍落度就需要提高外加劑的摻量，從而增加混凝土成本。
3 結束語(yǔ)
吳中偉先生曾給混凝土定義，高性能混凝土為一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術(shù)制作的混凝土，是以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途的要求，對耐久性、施工性、適用性、強度、
體積穩定性和經(jīng)濟性等性能有重點(diǎn)的加以保證。張大康認為，通過(guò)改善骨料的品質(zhì)與級配以減小空隙率，摻加高效外加劑和礦物摻合料降低水膠比和用水量，可以獲得性能優(yōu)異而且經(jīng)濟、能滿(mǎn)足不同工程要求的混凝土。從耐久性觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，直接控制拌合物最大允許用水量是很必要的，因為不是水膠比，而是用水量對控制開(kāi)裂更為重要。減小了用水量，在保持強度相同的條件下，可隨之相應降低水泥用量，從而減小混凝土的溫度收縮、自身收縮和干縮。所以為了獲得耐久性，選擇混凝土配合比的標準也必須進(jìn)行一次重大的變革。
在水泥與外加劑適應性上，盡管外加劑的調整方便、快捷，且可以根據實(shí)際使用情況及現場(chǎng)環(huán)境現場(chǎng)調配，但作為水泥提供者，在水泥生產(chǎn)的過(guò)程中應加強控制，減少因水泥生產(chǎn)帶來(lái)的水泥與外加劑適應性問(wèn)題，為用戶(hù)拌合混凝土減少用水量創(chuàng )造條件?？偟膩?lái)說(shuō)，現代混凝土已不再是單一的使用，要獲得適應不同要求的高性能混凝土，需要水泥企業(yè)、外加劑企業(yè)、混凝土企業(yè)共同努力。
