水泥安定性检测结果影响因素浅析

朱宝美

(津豪(南通)混凝土有限公司,江苏南通 226412)

水泥安定性检测结果影响因素浅析

朱宝美

(津豪(南通)混凝土有限公司,江苏南通 226412)

水泥安定性是水泥产品的一项重要品质指标,直接关系到混凝土工程质量和混凝土结构构件的质量,水泥安定性检测是工程质量检测机构的重要内容。本文分析了水泥安定性不良产生的机理,总结了水泥安定性检测的影响因素及注意事项。

水泥安定性检测 影响因素 注意事项

1 引言

硬化水泥浆体的体积变化是反映水泥物理性的一项重要指标,如果水泥浆体在硬化过程中产生剧烈而不均匀的体积变化,就会导致水泥安定性不良。因此,水泥的体积安定性是衡量水泥物理性能检测的一个非常重要的项目。使用安定性合格的水泥是混凝土工程质量和混凝土构件质量的一项重要的保证条件。无论是国际标准还是国家标准的任一时期都明确规定将安定性不合格的水泥判为废品,是禁止出厂和投入工程使用的。本文将笔者日常检测中积累的有关水泥安定性影响因素结合现行标准GB/T1346-2001中的检测方法以及水泥安定性不良产生的物化机理作一浅析与初步探讨。

2 产生水泥安定性不良的物化机理

水泥熟料是经过高温(约1400℃左右)煅烧后,以两种或两种以上氧化物反应生成的多种矿物的集合体,是一种多矿物组成的结晶细小的人造岩石。水泥熟料几种主要矿物为：硅酸三钙(3CaO·SiO2简称C3S)、硅酸二钙(2CaO·SiO2简称C3S)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3简称C3A)和铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2o3简称C4AF)。另外还有少量未完全参与反应以游离状态)包裹在熟料矿物中的氧化钙(简称f-CaO)、冷却过程中C3S向C2S晶形转变产生的二次f-CaO、结晶氧化镁(MgO)以及碱性氧化物(Na2O、K2O)等。其中C3S、C2S、C3A、C4AF水化产生的水化物是浆体硬化和产生强度的重要来源,而f-CaO、MgO则是水泥浆体在凝结硬化过程中及硬化后产生不均匀体积膨胀的罪魁祸首。是水泥生产企业生产过程中严格控制的指标,也是检测机构必须十分注意的影响因素。

2.1 游离氧化钙(f-CaO)对安定性的影响

水泥生产企业往往通过调节生料配比,最大限度地提高生料饱和比(KH),以保证熟料烧结过程中产生足够多的C3S,从而达到提高熟料强度的目的。但实际生产过程中由于受到计量、生料粉磨细度、均化、烧结温度、烧成气氛等多种因素的综合影响,使氧化钙不可能完全充分地与酸性氧化物(SiO2、Al2O3、Fe2o3)发生反应,总是或多或少地有部分氧化钙过剩,并以游离状态存在于熟料矿物组成中,这就是俗称的游离氧化钙(简称f-CaO)。在烧成温度下,死烧的游离氧化钙,结构比较致密,水化速度很慢,通常要在加水3天以后才比较明显。f-CaO水化生成Ca(OH)2时,体积膨胀97.7%,在硬化水泥石内部产生局部膨胀应力。因此随着水泥中f-CaO含量的增加,这种局部膨胀应力就随之增强,严重时引起安定性不良。并造成水泥抗折强度降低,甚至出现3天以后强度倒缩。对于机立窑熟料,由于烧结机理与回转窑熟料有所区别。部分f-CaO是没有经过高温煅烧的,这种低温游离氧化钙结构较松散,水化速度快,虽然熟料强度不高,但对硬化水泥石的破坏力不大,对水泥安定性的影响也不大。通常机立窑熟料生产控制指标中的f-CaO比回转窑熟料略高1.5%左右也是这个道理。熟料冷却时晶型转变产生的二次f-CaO对水泥安定性的影响机理与f-CaO的影响一样对混凝土工程质量和混凝土构件质量的危害也很大。

2.2 氧化镁(MgO)对安定性的影响

水泥生产的主要原料石灰石中含有部分方镁石晶体,是游离状态的氧化镁,烧结过程中有一部分与熟料矿物结合成固溶体或溶于液相中。少量的氧化镁能降低熟料烧结液相生成的温度,增加液相量,有利于矿物形成,但是过多的氧化镁在烧结时仍以游离状态的方镁石存在。方镁石水化速度比f-CaO更为缓慢,要几个月甚至几年才能明显起来。MgO水化生成Mg(OH)2时体积膨胀148%。因此氧化镁含量过高也是导致水泥安定性不良的一个主要因素。而且这种膨胀是在水泥其它矿物水化已经硬化后才缓慢进行的。膨胀应力很大。因此,氧化镁过高造成水泥安定性不良对混凝土及构件的破坏力也很大,并且在沸煮法检测时不易被检测出来。国家标准GB/175-99中规定,硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的水泥中MgO的含量不宜超过5.0%,其它几个品种水泥的熟料中MgO不得超过5.0%,压蒸法试验合格的可相应放宽到6.0%,也正是基于这个道理。

2.3 石膏掺入量对安定性的影响

一般水泥熟料磨成的细粉遇水后会很快凝结,无法正常施工。GB/175-99、GB/1344-99、GB/1258-99中规定了几种水泥的初凝时间都不得早于45min。水泥生产过程中调节凝结时间,延缓水化速度,都是通过在水泥粉磨时配以适量的二水石膏(CaSO4·2H2O)或工业副产品石膏来实现的。适宜的石膏掺入量不仅能有效地调节凝结时间,还能有利于提高早期强度,降低干缩变形,改善抗蚀性,抗冻性抗渗性等一系列性能。所谓适宜的石膏掺入量是指加水后24小时左右能够被耗尽的数量,并结合熟料中的SO3进行缩合考虑。石膏调节水泥凝结时间的机理是熟料中的C3A在石膏、石灰的饱和溶液中水化生成溶解度极低的钙矾石,封闭包裹在C3A颗粒表面,阻止C3A的继续水化。过多的石膏掺入量,剩余石膏进一步与水化铝酸反应生成新的钙矾石,产生不必要的体积膨胀和局部应力,造成混凝土或混凝土构件破坏。因此,石膏的掺入量也是影响水泥安定性的因素之一。

另外,硬化水泥浆体的化学减缩,湿胀干缩,碳化收缩等也会引起水泥硬化浆体的不均匀体积变化。

3 安定性的检测方法

GB/T1346-2001中规定了检测水泥安定性的两种方法标准法和代用法,实际上只能检测由f-CaO引起的水泥硬化浆体的体积膨胀。对于因过多掺入石膏引起的对水泥安定性的影响只能通过化学分析的方法来测定SO3的含量,控制其上限加以限制。现行国家标准除规定矿渣水泥的SO3含量不得超过4.0%外,其余几种水泥的SO3含量均不得超过3.5%。对于因MgO引起的水泥硬化浆体体积膨胀采用GB/T750-92压蒸法试验检测合格,结合化学分析方法测定MgO含量,控制水泥(或熟料)中MgO的含量不得超过5.0%,只有经压蒸法安定性试验合格,才允许放宽到6.0%。

4 影响检测的因素及注意事项

(1)样品恒温处理,委托单位送检的水泥样品本身的温度是很不一样的,有的是从散装贮罐中直接取样送检,往往温度较高,季节不同样品本身的温度差异也很大,这种样品如未经恒温处理就直接进行检测往往会造成标准稠度的误判,测定结果失真。拌和水也必须用同检测室环境温度一致的饮用水。

(2)定期检测雷氏夹,雷氏夹的弹性增加值必须符合标准要求,不符合标准要求的雷氏夹要及时剔除淘汰。对同一样品的两个试件要尽可能选用弹性增加值比较接近的雷氏夹,以保证两个试件沸煮后的增加量比较一致。

(3)定期检查水泥净浆搅拌机,特别是检查搅拌叶片与锅底、锅壁的间隙必须保证在标准要求的范围内。还要定期校核时间程控仪各程控时段是否符合标准要求。以保证拌制的净浆充分均匀一致,否则易造成两个试件增加值差超过4.0mm,或试饼变形不均,以致误判结果。

(4)净浆装入雷氏夹时应用小刀快速插捣数次以保证浆体充满雷夹氏,减小孔洞,并用小刀将端部抹平至雷氏夹平口,不要凹陷或凸出。试饼法也要扑实抹平,并保持饼中心厚度在10mm左右,不要过薄或过厚,以防沸煮时受热不均,引起误判。

(5)定期检查雷氏夹配重玻璃块是否满足质量为75g-85g的要求,对因损坏或磨损不符合标准重量要求的玻璃块要及时淘汰更换,以抑制浆体在雷氏夹内的纵向膨胀,确保其膨胀只是横向发展。同一样品两个试件的配重玻璃片重量要尽可能相接近。

(6)养护箱的温、湿度条件应符合标准要求,养护期间要尽可能减少开启箱门频次,减少不必要的干缩膨胀影响。

(7)养护时间一定要符合标准规定。不要提前或推迟取出试件,这样会造成初始读数(A值)的人为减小或增大。如果是批量测定,要尽可能选用中间成型时间来推定。

(8)沸煮箱的用水要坚持每批更换洁净的饮用水,试件放入箱内要尽可能分散均匀、不能重叠,并保持与箱壁一定距离,防止局部受热不均。箱内水位要保证淹没并高出试件,不至少于沸煮结束后试件露出水面,还要保证能在30min以内升温至沸腾为宜,雷氏夹放在试件架上,指针一定要朝上。沸煮结束后,打开箱盖,待箱体冷却至室温,然后取出试件读数而不是沸煮结束后,取出试件冷却至室温读数。

(9)沸煮前要检查供电统是否正常,防止沸煮期间断电,对自动程控计时的系统,若遇停电要立即启动应急电源,并辅助人工计时,保证沸煮时间为3.5小时。

(10)做好留样的密封保存工作,留样桶盖要有可靠的密封垫圈,桶体也要经常进行气密性检查,不能有缝隙或孔洞,并用完好的软塑料袋装样,扎紧,留样室要密封干燥,以防留样水泥中的f-CaO吸收空气中水份消解,对复试或仲裁带来不必要的影响。