适用于高性能混凝土的水泥研究与应用

雷震，孙志强，朱文涛

（1. 宁夏中测计量测试检验院有限公司，宁夏 银川 750000；2. 宁夏盛远新型建材有限责任公司，宁夏 银川 750000）

适用于高性能混凝土的水泥研究与应用

雷震1，孙志强2，朱文涛2

（1. 宁夏中测计量测试检验院有限公司，宁夏 银川 750000；2. 宁夏盛远新型建材有限责任公司，宁夏 银川 750000）

本课题研制的水泥选用优质熟料掺加天然石膏（SO3含量达到 39% 以上）以及少量优质的混合材料（石灰石、粉煤灰），不添加助磨剂，通过球磨机及筛分设备生产一定细度的水泥，得出该水泥具有标准稠度用水量低，强度稳定，与外加剂适应性良好并且适宜于生产高性能混凝土。配制的高性能混凝土拌合物匀质性、工作性好，强度稳定，混凝土耐久性和长期性能良好。

水泥；天然石膏；混合材料；混凝土

0 引言

目前混凝土搅拌站生产使用的水泥主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。按照水泥标准检验，水泥本身的技术指标如强度、凝结时间、标准稠度用水量、安定性等都能满足国家标准的要求。但在使用过程中，经常出现水泥与外加剂适应性差、强度波动大、混凝土滞后泌水、凝结时间不正常等问题，给混凝土生产和质量控制带来了不利影响，也给企业带来了一定的经济损失和声誉影响。通过大量试验研究可知，产生这些问题的主要原因与水泥中混合材的品种和掺量变化有直接关系。

1 课题思路

在水泥生产过程中，大多数企业采用将熟料和混合材分别粉磨后均化的工艺，然后将水泥出售到混凝土生产企业，这样混合材经历了由供应商运输到粉磨厂粉磨，再与熟料混合均化后形成水泥，将水泥销售到混凝土企业，混合材经历了二次运输，提高了综合运输成本。如果在混凝土生产中采用适用于高性能混凝土的水泥，将掺入水泥中的混合材部分改变为混凝土的矿物掺合料，由供应商运输到粉磨站粉磨后，直接销售到混凝土企业，其技术效果不变，但可以减少一次运输，降低了综合运输成本。

为了提高混凝土搅拌站对混凝土质量控制的稳定性和混凝土配合比设计的合理性，同时降低混凝土企业的成本，我们进行了适用于高性能混凝土的水泥在高性能混凝土中的研究与应用。

该研究所选用于高性能混凝土的水泥要求细度不能太细，标准稠度用水量低，且与外加剂的适应性良好。水泥二次球磨过程中，未使用质量不可靠的助磨剂，这样可确保去除助磨剂成分与外加剂适应性差的因素。

综合考虑最终确定了该水泥的主要控制指标：（1）水泥比表面积：(350±10)m2/kg（P·O42.5R）；(380±10)m2/kg（P·Ⅱ52.5R）。（2）水泥标准稠度用水量 23.0%～26.5%。（3）水泥 28d 抗压强度 (50±1)MPa（P·O42.5R）；(57±1)MPa（P·Ⅱ42.5R）。（4）混合材用粉煤灰需水量比≤95%（P·O42.5R）。（5）选用天然石膏（CaSO4·2H2O）SO3≥39%。（6）水泥熟料 28d 抗压强度≥51MPa；标准稠度用水量 23.0%～26.5%。（7）水泥 SO3含量：2.2%～3.0%。

2 试制过程

2.1 水泥熟料的确定

以宁夏盛远新型建材有限责任公司周边 20km 范围内的水泥熟料生产厂家为选取对象，主要有青铜峡水泥厂、西夏水泥厂及金昱元水泥熟料厂，三家的熟料矿物组成、化学成分及率值见表1（数据由厂家提供）。

我公司对以上三种熟料的基本物理性能进行了试验，试验中选用天然二水石膏，作为试验用石膏。其各项物理性能见表2。

表1 各厂家水泥熟料的矿物组成、化学成分及率值

通过三家试验数据对比，金昱元熟料的标准稠度用水量较低，之后进行多次取样试验，得出金昱元熟料各项性能稳定。最终确定金昱元水泥熟料作为水泥试制用熟料。

表2 各厂家熟料的物理性能

2.2 水泥的试制

首先准备好原材料：水泥熟料（简称 A）、粉煤灰（简称 B）、石灰石（简称 C）、天然石膏（简称 D）、脱硫石膏（简称 E）。根据多年的实践经验，我们确定了初步的配料比，经准确称量后加入球磨机，粉碎 20min 后，用 0.08mm方孔筛筛分，将筛下的样品盛放到水泥样品铁桶中进行性能测试，试验结果见表3。

从水泥小磨的试验数据看出，采用同一种熟料配制的水泥（缓凝组分选用天然石膏或脱硫石膏），随着混合材的递增，水泥密度在递减，水泥标准稠度用水量在增加，水泥 3d和 28d 抗压强度在递减。天然石膏作为缓凝组分配制的水泥比脱硫石膏配制的水泥整体表现为：标准稠度用水量低、抗压强度高。

2.3 与外加剂的适应性试验

以表3 的选取 F2、F4、F6 配比的水泥进行与聚羧酸高性能减水剂的适应性试验，并以 F2 中的配比试制水泥过程中，添加助磨剂得到的水泥进行适应性试验。

该试验依据 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中水泥净浆流动度方法进行。

图1

图2

图3

图4

从表4 中，可以看出 F4 比 F2 的混合材掺量高，其试验中水泥净浆的流动性有所下降；F6 相对于 F2 水泥中使用脱硫石膏，水泥净浆的流动性有下降，稳定性有下降；添加助磨剂 F2 水泥相对于不添加助磨剂的 F2 水泥外加剂掺量高，匀质性、稳定性都不好，并且有泌水现象。从图1～4 中可以进一步反映出表4 中的现象。

表3 水泥小磨试验结果数据表

表4 水泥与外加剂适应性试验分析表

以上技术保障可得出水泥标准稠度低且稳定，强度稳定及水泥与外加剂适应性好的高标准水泥。

3 适用于高性能混凝土的水泥对混凝土的影响

通过以上水泥技术方案和试验分析以及高性能混凝土配合比设计原理，选用试制水泥 F2、F4、F6 和 F2 添加助磨剂对比配制强度等级为 C30 高性能混凝土，研究不同水泥、同一配合比得出的混凝土拌合物性能、施工性能、耐久性能和长期性能的差异。并以 F2 水泥配制 C40、C50 以及 F9 水泥研究配制高强高性能混凝土 C60、C70、C80。

3.1 原材料试验

3.1.1 配制混凝土选用水泥基本性能

所用水泥的性能见表5。从以上生产水泥试验结果分析，P·O42.5R 水泥与小磨试验水泥性能控制基本一致，F2 水泥的性能与报告中控制指标接近；F4 中水泥混合材掺量比 F2中高，标准稠度用水量有增加，抗压强度有下降；F6 水泥缓凝组分选用脱硫石膏，基本性能与 F2 没太大的差异。以上水泥显著特点是标准稠度用水量较低（宁夏地区水泥企业标准稠度用水量 28%～31%）、比表面积适宜、凝结时间适中、强度指标较高且稳定，有利于混凝土配合比稳定的应用于生产中，此水泥多应用于 C10～C60 强度等级混凝土。F9 水泥显著特点是水泥密度增大，标准稠度用水量稍有上升，凝结时间缩短，28d 抗压强度高，利用复合矿物掺合料和硅灰配制C65～C80 高强混凝土。

3.1.2 粉煤灰和复合矿物掺合料性能

粉煤灰和复合矿物掺合料的性能见表6。

3.1.3 骨料性能

骨料性能见表7。

3.1.4 混凝土外加剂

采用宁夏盛远新型建材有限责任公司生产的聚羧酸系混凝土泵送剂，减水率 29%，含气量 2.6%，28 天抗压强度比125%。

3.2 混凝土试验

3.2.1 混凝土配合比

本项目配合比设计是在宁夏盛远新材料有限公司配合比大量试验的基础上确定的，其配合比选用较低水胶比，同水胶比中，掺量不同比例掺合料，研究总结出技术最佳、经济效益最优的配合比。

混凝土配合比是指混凝土各组成材料之间的比例关系。一个好的配合比就是要确定水胶比、砂率、用水量之间的关系，正确地确定这三个参数，就能使混凝土满足各项技术和经济要求。高性能混凝土配合比设计应按强度等级和耐久性能进行设计，并应满足混凝土配制强度及其它力学性能、拌合物性能、长期性能和耐久性能的设计要求，须结合工程具体情况、环境分类、结构构件部位及相应的耐久性能要求作为控制目标。

此配合比将普通硅酸盐水泥 P·O42.5R 应用于具有代表性的较低强度等级 C30、C40、C50 及高强度的 C60 高性能混凝土，硅酸盐水泥 P·Ⅱ52.5R 应用于高强度的 C70、C80 高性能混凝土，在 C30 的基础上保证配合比不变，另选四种水泥进行混凝土对比性试验。采用较低水胶比、较低用水量及适中的水泥用量进行设计，具体配合比见表8。

按此配合比进行了拌合，观察拌合物的和易性和工作性；测定拌合物的坍落度及 1h 后的坍落度、扩展度及 1h 后的扩展度，并成型立方体抗压强度标准试块各 10 组，四组C30 混凝土即 S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 同时成型耐久性试验试件（抗渗性、抗硫酸盐侵蚀试验、抗碳化试验、抗冻融试验、钢筋锈蚀试验），立方体抗压强度试块每龄期成型两组标准试件。拌合物工作性及坍落度和扩展度试验结果见表9。

表5 水泥性能

表6 粉煤灰和复合矿物掺合料性能

表7 砂、石基本物理性能

由表9 可以看出 S1.1 中配制的高性能混凝土其拌合物粘聚性和保水性都比较好，坍落度 1h 经时变化量在 20mm以内，坍落度扩展度 1h 经时变化量均在 120mm 以内，符合高性能混凝土对混凝土拌合物坍落度 1h 损失量的要求。由于 S1.2 水泥混合材掺量高、S1.3 水泥缓凝组分使用的脱硫石膏、S1.4 中水泥制作过程中添加助磨剂，致使三个配比中外加剂掺量高，混凝土和易性相对较差，S1.3 和 S1.4 甚至出现了轻微的泌水，从中反映出脱硫石膏和助磨剂在水泥中的使用导致水泥与外加剂的适应性差的现象。S2 到 S6 混凝土拌合物均表现为流动性好、保坍性好、匀质性好。国内工程混凝土施工经验认为，当混凝土拌合物的坍落度＞180mm、扩展度＞460mm 时具有良好的可泵性。故此类混凝土拌合物从拌合站运输到工地现场仍具有良好的可泵送。

表8 C30～C80 高性能混凝土配合比及性能

表9 C30～C80 高性能混凝土拌合物性能结果

3.2.2 混凝土力学性能试验及对比结果

按表8 所示的配比拌制混凝土并按每个龄期成型 2 组标准（150mm×150mm×150mm）立方体抗压强度试块，立方体抗压强度结果见表10。

由表10 可以看出配制的高性能混凝土立方体抗压强度在 7d 时就已经接近达到设计强度等级，随着龄期的增长，各强度等级混凝土的强度也在稳步的增长。各强度等级标准龄期 28d 强度的富余量均能满足设计要求，60d、90d 的强度在标准龄期 28d 的基础上继续稳步地增长，这是由于混凝土早期（28d 内）强度主要由水泥提供，掺合料的贡献在于明显地提高了混凝土的后期强度。S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 试验中C30 混凝土对比试验的结果中，S1.1中的各龄期强度值均高于其它三组中的。由于配合比中都有大掺量的矿物掺合料，在实际施工中建议 C50 以下（不含 C50）按照 28d 的强度为验收依据，C50～C60 按照 60d 的强度为验收依据，C60 以上（不含 C60）按照 90d 的强度为验收依据，这种合理的验收模式对混凝土结构工程的安全有可靠的保障。

表10 C30～C80 高性能混凝土立方体抗压强度结果

3.2.3 各 C30 混凝土耐久性试验及对比结果分析

（1）抗渗性试验

成型的抗渗试件，按标准到 27d 从标养室中取出，晾1d，使试件表面干燥，后将试件装入抗渗试验试模中，并安置在抗渗试验机上，调节最大压力为 1.8MPa，试验至 1.8MPa时即停止试验，一组六块试件均未出现渗水现象，对试件进行破型，量取渗水高度，具体渗水高度值见表11，S1.1 中的渗水高度为 4.0mm，S1.2 为 4.5mm，S1.3 为4.3mm，S1.4 为4.3mm。渗水高度均很小，未超过 10mm。不同水泥同种配比的混凝土均能达到 P12 以上的抗渗等级。这是因为大量的矿物掺合料改变了浆体细颗粒，并起填充作用，使硬化后的混凝土结构更加的密实，大大地提高了混凝土的抗渗性。S1.1的渗水高度略低于 S1.2、S1.3 和 S1.4 的。这也充分体现了S1.1 试验中的混凝土密实性较好。

表11 C30 混凝土抗渗试件破型后渗水高度值

（2）抗硫酸盐侵蚀性试验

成型 5 组抗硫酸盐侵蚀试验试件，在 5% 硫酸钠溶液中进行侵蚀试验，S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 试验中硫酸盐侵蚀循环进行到 120 次时就已经出现酥裂现象，掉角现象严重，不得不终止试验，对循环后试块进行石膏修补后进行抗压强度试验，以及对未循环的在标准条件下养护同龄期的试块进行抗压强度试验，计算的抗压强度耐蚀系数分别为 70%、75%。说明基本刚满足高性能混凝土对抗硫酸盐侵蚀性的要求。C2S2H 在完成水化的水泥净浆中占 50%～60% 的固体体积，它是水泥石强度的主要来源，硫酸盐侵蚀能导致 C2S2H的分解，C2S2H 的脱钙分解主要是由于混凝土中 Ca(OH)2含量减少，pH 值降低，使 C2S2H 凝胶分解，放出氢氧化钙以维持混凝土内部的碱度，因而也就使混凝土丧失了粘结性，强度降低，表面软化。

（3）钢筋锈蚀试验

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的钢筋锈蚀试验，每个配比截取(299±1)mm 的ф8 的钢筋各六根，进行酸洗、碱洗，烘干后称重，涂丙酮后埋置在试模中，成型 S1.1、S1.2、S1.3 和S1.4 试验中的 100×100×300mm3棱柱体试件，养护，拆模、进行标准养护 28d，后取出放入碳化试验箱中 28d，从碳化箱中取出后再标样 56d，进行破型，对钢筋再进行酸洗、碱洗、烘干、称重，计算钢筋锈蚀失重率，其结果见表12。

从表12 中可以看出 S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 配比混凝土中的钢筋失重率均在 0.5% 以内，钢筋失重率很低。S1.1 的钢筋失重率最低。

从试验中可以看出从 S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 混凝土中取出的钢筋基本无锈蚀，这说明高性能混凝土密实性良好，在试验周期内钢筋钝化膜没有发生破坏，使钢筋保持完好状态。

（4）碳化性能试验

本项目混凝土碳化试验采用的是 400mm×100mm× 100mm 的试件，每组成型 3 块，按 GB/T 50082—2009 中的规定进行养护，试验。试验结果如表13 所示。

表13 各 C30 混凝土混凝土的碳化深度 mm

从表13 可以看出 S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 随着龄期的增加，碳化深度在加大，但 28d 时的碳化深度仍小于 10mm，符合 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》中 T-Ⅳ性能等级，达到高性能混凝土对碳化性的要求。其中 S1.1 的混凝土抗碳化性最优。

（5）抗冻融试验

本项目混凝土碳化试验采用的是 400mm×100mm× 100mm 的试件，每组成型 3 块，按 GB/T 50082—2009 中的规定选用抗冻试验中的快冻法进行试验，试验结果见表14 和表15 所示。

从抗冻试验结果看出，300 次冻融循环后，S1.1 质量损失率为 3.0%，横向基频下降率为 23%，满足大于等于F300 抗冻等级；S1.2 质量损失率为 3.6%，横向基频下降率为 27%，满足大于等于 F300 抗冻等级；S1.3 质量损失率为3.6%，横向基频下降率为 26%，满足大于等于 F300 抗冻等级；S1.4 质量损失率为 3.5%，横向基频下降率为 28%，满足大于等于 F300 抗冻等级。抗冻等级都能满足高性能混凝土的要求。S1.1 质量损失率最低，横向基频下降率最低。

3.3 混凝土试配及耐久性小结

（1）F2 水泥配制的混凝土各强度等级拌合物状态的和易性、匀质性和稳定性良好，能很好地满足各种工程的施工需求。F4、F6、F2 添加助磨剂水泥配制的混凝土拌合物工作性略差，外加剂用量较高，从而反映得出 F4、F6、F2 添加助磨剂水泥配制混凝土时需水量大、与外加剂的适应性差的缺陷。

表12 钢筋锈蚀失重率

（2）按优化后的配比进行试配测试立方体抗压强度，按抗压强度数据可知，F2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土28d 抗压强度达到设计值的 142%，C50 高性能混凝土 28d 抗压强度达到设计值的 132%，C80 高强高性能混凝土 60d 抗压强度达到设计值 127%，均能很好的满足设计要求。F4、F6、F2 添加助磨剂水泥配制混凝土的 28d 抗压强度达到设计值的130% 以上，同样能满足设计要求，但强度增长趋势低于 F2水泥配制 C30 混凝土的。

表14 各 C30 混凝土质量损失率

表15 各 C30 混凝土横向基频下降率

（3）各 C30 高性能混凝土抗渗等级均大于 P12，具有良好的抗渗性能。F2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土渗水高度低于 F4、F6、F2 添加助磨剂水泥配制混凝土的，反映出其密实性略差的缺陷。

（4）F2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土比 F4、F6、F2 添加助磨剂水泥配制混凝土具有良好的抗钢筋锈蚀性能，可用于地下水工钢筋混凝土。

（5）各 C30 高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能一般，不宜适合在有碱性环境使用高性能混凝土。

（6）各 C30 高性能混凝土碳化深度仍小于 10mm，符合JG/T 193—2009 中 T-Ⅳ 性能等级，达到高性能混凝土对碳化性的要求，具有优异的抗碳化性能。F2 水泥配制混凝土的C30 高性能混凝土抗碳化最优。

（7）各 C30 高性能混凝土抗冻性能达到 F300 的抗冻指标，均能满足现行建筑设计的规范要求。同样 C30 对比混凝土的抗冻性能也达到 F300 的抗冻指标。F2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土抗冻性最优。

4 结论

本文通过控制确定水泥的参数，选择的技术工艺由硅酸盐熟料和适量优质天然石膏组成，外加少量混合材料（优质石灰石或粉煤灰，掺量 10% 左右）不添加助磨剂的前提下生产一定细度的水泥。试验表明调整石膏的最佳掺量对水泥合理凝结时间起到非常重要的作用，少量优质的混合材料能保证水泥稳定性（标准稠度用水量为 23.5%～26%、强度稳定、与外加剂的适应性良好）、匀质性，使相应技术指标满足于生产和应用要求。混凝土配制充分利用矿物掺合料，降低了混凝土中的水泥用量。选用优质复合矿物掺合料来大掺量的取代水泥作为胶凝材料配制高性能混凝土，研究出混凝土拌合物具有良好的工作性及硬化混凝土具有较高的耐久性（碳化试验、抗渗水试验、钢筋锈蚀试验、抗硫酸盐侵蚀试验、抗冻融试验）。

[1] 吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土[J]．中国铁道出版社，1999．

[2] 朱效荣．数字量化混凝土实用技术[M]．中国建材工业出版社，2016．

[3] 朱效荣，孙继成等．多组分混凝土配合比使用手册[M]．化学工业出版社，2009．

[4] GB 175—2007．通用硅酸盐水泥[S]．

［通讯地址］宁夏银川市贺兰县永胜东路 10 号 宁夏中测计量测试检验院（750000）

雷震（1970—），男，本科，高级工程师，主要从事建筑材料研究检测工作，院长。