水泥品质对混凝土体积稳定性的影响研究

李永坤

（安徽郎溪南方水泥有限公司，安徽 宣城 242000）

近几年，随着社会的发展与进步，基础设施建设规模不断扩大。混凝土作为基础建设中不可缺少的必要材料，其体积稳定性与工程质量有着较大关系。水泥作为混凝土中重要的原材料之一，在很大程度上决定着混凝土体积的稳定性。为提高现代混凝土的耐久性，会在其中加入矿物掺合料，以替代30%～50%的水泥，从而降低水泥用量。虽然现代混凝土中，水泥的应用比重在下降，但其高强度硬化、抵抗淡水或含盐水侵蚀的作用无可替代。随着市场经济的发展，市场竞争力不断加强，部分水泥生产企业为发展壮大、创造更高的经济收益，会在水泥生产过程中通过减少熟料用量和其他方式来降低成本，导致水泥品质受到影响，进而影响现代混凝土体积稳定性，同时，影响其耐久性和混凝土结构的安全性。本文重点分析水泥品质及其对混凝土体积稳定性的影响，结合现状分析水泥技术发展方向及需要做出的转变。

1 水泥品质分析

国家基础建设快速发展，推动了水泥与混凝土行业的发展与壮大。为进一步保证基础建设质量，充分了解水泥品质及其对混凝土质量的影响尤为重要。现对水泥存在的问题进行分析，并结合问题提出改进措施。

1.1 水泥细度问题及原因

近年来，随着科学技术的发展，国内外水泥细度及早期强度均有显著改善，尤其相较于20 世纪80、90 年代，水泥质量有着质的飞跃。但早期强度的提高，会在一定程度上影响混凝土后期性能，进而降低混凝土的稳定性。而水泥的颗粒分布同样会影响水泥的性能。以往控制水泥细度，会采用负压筛孔筛余和比表面积测量的方法，但在实际应用过程中发现，单一使用上述两种测定方法，无法充分掌握水泥粉体中不同粒径分布情况，导致水泥细度存在问题。目前，我国部分水泥生产企业，在控制水泥细度方面依然沿用传统的负压筛孔筛余和比表面积测定方法，而忽视了水泥颗粒级配改进。另外，部分水泥生产企业管理者存在错误认知，认为可以通过磨细水泥来促进其水化速度与效果，在水泥生产过程中只是一味地调整比表面积，而忽略了高比表面积对水泥品质的影响。例如，水泥需水量增加、与外加剂相容性变差、混凝土坍落度损失增大等问题，以及混凝土结构耐久性降低问题。除此之外，部分水泥生产企业为提高早期及28d 强度，在生产过程中减少60μm 以上颗粒含量，进一步导致水泥强度增长过快，影响其后期的稳定性。总而言之，水泥生产企业为获得更大的经济收益，施工方为缩短工期，一味下调水泥细度，使得早期强度增高，进而影响现代混凝土开裂的敏感性。

分析水泥越来越细的原因发现，水泥生产企业会降低熟料的使用比例，以降低成本的方式提高经济效益，将同等熟料含量的水泥颗粒磨得越来越细。另外，在降低成本的同时，为保证强度不受影响，生产过程中会将C3A、C3S 含量上调，以满足市场要求，这也是导致早期强度过高的主要原因。经详细分析发现，水泥生产企业是影响水泥质量的关键性因素。企业为了获取更多的利益，通过不断调整水泥细度、早期强度的方式减少熟料用量，进而影响了混凝土体积的稳定性和耐久性。

1.2 水泥混合材问题及原因

近年来，随着工程建设的发展混凝土产量呈现与日俱增的趋势，导致掺合料用量不断增加，优质的掺合料明显紧缺，使得水泥中高品质混合材短缺。而水泥生产企业为保证产量，在实际生产过程中会使用不达标或劣质混合材，导致市场中出现各种品质不同的水泥产品。我国因资源分布不均，许多地区并不盛产粉煤灰、石英石、石英砂等混合材，有些地区还存在混合材过剩的情况，导致地区与地区之间水泥品质存在差异。另外，过量掺入混合材的现象普遍存在，主要是因为水泥生产企业为降低熟料用量，缩减成本，导致水泥强度大打折扣。近几年，对水泥质量要求不断提高，混合材加入方式、掺量标准均有较大争议。部分专家认为，在控制混凝土质量方面是否可以在生产水泥时不掺入混合材，而是通过在混凝土中加大混合材或矿物掺合量的方式来提高混凝土的耐久性，但该方式一直未能得到实践与验证。

1.3 水泥碱含量问题及原因

水泥熟料中会含有碱成分，如黏土、石灰石、燃料煤中都含有一定量的碱。原料在烧制过程中，苛性碱、氯碱会挥发，但石灰石中碱成分对温度的要求较高，低温无法使其充分挥发，且挥发的碱大部分不能排放到空气中，而是随着温度降低附着在生料上，待这部分生料与半成品入窑后，温度上升会使碱再次挥发，形成碱循环，对熟料煅烧产生不利影响，进而影响水泥的品质。当水泥中含碱量过高时，混凝土坍落度会加快，凝结时间会缩短，因此，在提高混凝土耐久性研究中，控制水泥碱含量是重点问题之一。

2 水泥品质对混凝土体积稳定性的影响

2.1 收缩

混凝土体积稳定性受塑性收缩、化学减缩、干缩、自收缩及温度变形的影响。现阶段，应用的混凝土中中低强度混凝土的水胶占比更高，因此，在应用过程中干缩占比较大，这与水泥收缩有极大关系。为进一步降低干缩占比，需要控制水泥用量，以减小水胶占比。在实际应用过程中发现，混凝土制作过程中，降低水泥用量能够显著降低胶凝材料体系的水化速率与收缩，其主要是因为胶凝材料体系绝热高温度最高只能达到63.5℃，同时，其水化速率相对较慢，7d 收缩率仅有1.5×10-4，可以有效维护混凝土体积稳定性。但在应用胶凝材料的过程中，需要做好颗粒级配，以规避需水量增大问题，减慢水化速度，从而保证和易性和坍损，避免发生强度倒缩的情况。通过上述分析可以发现，胶凝材料的颗粒级配对混凝土体积稳定性有重要影响，同时可以增加密实性。经研究实践发现，水泥熟料中C3A 的收缩最大，与C2S、C3S 相比是后者的3 倍左右，与C4AF 相比可高出4.5 倍。由此可见，水泥中C3A 的含量越高，混凝土水化收缩就越大。针对这一问题，在实际应用过程中，可将中热硅酸盐水泥换成低热硅酸盐水泥，以规避混凝土温度变形、收缩变形和碱活性膨胀变形等问题，进而提高混凝土体积稳定性。另外，水泥与减水剂的相溶性并不理想，导致饱和点增高。为规避这一问题，在混凝土生产过程中会增大减水剂掺量，而这种操作无疑会增加混凝土中胶凝材料用量，从而影响混凝土体积稳定性及混凝土的耐久性。在实际应用过程中，许多工程施工方为进一步避免混凝土收缩影响，有效改善混凝土体积稳定性，通常会采取以下措施：第一，制作混凝土前，结合工程实际需要，选择更为合理的水泥，以避免影响水泥品质。而许多工程施工方会选择低水化热水泥，并在混凝土制作过程中减少水泥用量。第二，部分混凝土生产企业，会通过减少用水量及掺入足够量的矿物掺合料来减少水胶占比，进而提高混凝土的耐受力。第三，在使用外加剂时，以提高水泥与减水剂的相溶性为主。总之，混凝土生产企业为规避水泥问题影响混凝土体积稳定性，可选择减少和控制水泥用量的方式来降低开裂风险。

2.2 开裂

早期开裂是影响混凝土结构耐久性与体积稳定性的重要因素之一，其主要是因为早期裂缝会增加后期开裂风险，尤其早期热裂缝占比越大，后期发生开裂的风险就越大。因此，提高混凝土体积稳定性，预防开裂尤为重要。水泥品质是导致早期裂缝的主要原因，尤其是熟料粗颗粒减少时，稳定体积未水化颗粒会随之减少，进而严重影响混凝土的长期性能。因此，在水泥中保持一定量的粗颗粒是提高混凝土体积稳定性的重要因素。大量研究发现，水泥细度越细，新拌混凝土早期收缩增大就越明显，而产生早期裂缝的概率与面积也越大；混凝土生产过程中，使用比表面积大的水泥，其早期开裂的裂缝会呈现出细而不通的情况，这对水分蒸发有较大影响，该类水泥虽然早期强度高，可增加水泥水化效率，但后期强度增长缓慢，会增加产生温度裂缝的风险。在应用实践中发现，同等等级的混凝土强度，早期最大裂缝宽度和裂缝面积会随着水泥细度的增加而增大；水泥中碱含量过大，会导致混凝土出现收缩开裂的情况，所以，在预防混凝土开裂时，大多会选择低碱水泥抵抗开裂问题；混凝土中无论是否存在活性骨料，碱含量都会增加混凝土开裂风险。除上述原因外，水泥生产过程中大量掺入混合材也是增加混凝土开裂风险的主要原因之一。水泥生产过程中，大多会用到磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等混合材，但掺入硅灰、粉煤灰和磨细矿渣，会增加水泥干燥收缩幅度，如果在工程建设中养护不当，极易发生开裂情况，这也是工程中常出现的问题。而一些劣质混合材，会升高烧失量，使用该熟料制作水泥，会增大用水量，进而影响其强度和其他性能，缩短混凝土寿命。

3 提高水泥品质的途径

目前，我国水泥生产仍存在问题，应积极寻找既能够使水泥足够水化，又不损害混凝土性能和耐久性的技术。通过问题分析发现，抗开裂是水泥行业迫切需要解决的问题之一。现阶段，可以通过控制早期强度、熟料中C3A、C3S 的比例及碱含量来抵抗开裂问题，但该举措资金耗费量大，对于许多水泥生产企业而言具有一定的难度。除此之外，在水泥生产过程中，水泥粉磨的控制是最后的控制技术，该环节的操作与水泥品质、粗细程度、颗粒分布情况等有直接关系，所以，水泥精细粉磨决定了水泥的最终性能，可通过控制该道工序质量来提高水泥的品质。在工程实践中发现，直接影响混凝土性能的是熟料的细颗粒，只有保证较少颗粒粒径＜3μm，才能在最大限度上发挥水泥的活性，使其得到充分水化。生产企业可以选择将熟料、混合材分开粉磨的方式，发挥混合材应有的填充效应和熟料颗粒的活性效应，进而提高水泥性能。

水泥生产企业的经营理念与认知也需要作出改变。首先，水泥生产企业需要了解水泥最终定位是为混凝土服务，保证混凝土性能才是水泥改进的方向。其次，水泥生产企业的管理者需要提高自身认知与社会责任感。在日常经营管理过程中，需要充分认识到保证基础设施使用年限与结构耐久性是水泥的使命，也是水泥生产企业的使命。水泥行业需要在细磨水泥、混合材掺入量等方面作出积极改进，通过技术手段来提升自身的市场竞争力，而非通过缩减用量来降低成本。除水泥生产企业自身需要作出改变，国家相关部门也应针对现存问题制定具有针对性的管理规定，通过法律法规来约束水泥生产企业，以保证水泥品质，提高混凝土体积稳定性。

4 结语

现阶段，我国部分水泥生产企业为获取更大的收益，会以增加水泥比表面积的方式来降低熟料用量，从而达到缩减成本的目的。另外，因地区差异，部分水泥生产企业为降低运输成本，会选择使用劣质混合材，进而影响水泥品质。同时，许多水泥生产企业不具备先进的碱循环处理技术，导致水泥中碱含量超标，影响水泥品质。水泥品质直接影响混凝土体积稳定性，因此，需要加以改进，不断提高水泥品质，从源头上控制混凝土质量，延长工程寿命。