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优质水泥的评价与生产技术吴笑梅樊粤明（华南理工大学材料学院）2007年11月7日2007年《水泥》技术交流会一、优质水泥的思考1、GB的要求是水泥最基本的性能与品质保证，而不是优质水泥的标准！2、水泥的高早强是施工速度的要求，并不一定有利于混凝土的性能！3、水泥富余标号过高并不是优质水泥的唯一体现，相反往往易造成资源浪费！4、优质水泥的评定标准：在配制混凝土时，使混凝土具有优良的工作性能，力学性能，耐久性能，体积稳定性及最低的配制成本。应从混凝土性能的角度谈优质水泥的评定二、从混凝土性能的需求评价水泥1、从混凝土施工性能来评价水泥（1）商品混凝土施工性能的要求：在设定W/C及一定外加剂掺量条件下，达到要求的塌落度、较小的经时损失、扩展度和可泵性（和易性好）。影响这一性能的因素很多，如配制技术、砂、石、掺合料等材料，但水泥是重要的因素之一。（2）与水泥的关系主要体现在与外加剂的相容性及保水性①水泥与外加剂相容性的定义：绘制以外加剂掺量为横坐标，流动度为纵坐标的曲线，其中饱和点（外加剂掺量低，流动度大，流动度经时损失小，则水泥与外加剂的相容性好。②水泥与外加剂相容性的检测方法：a)净浆流动度法（屈服应力）1201401601802002200.811.151.21.31.4减水剂掺量（%）净浆流动度（mm）5-min净浆流动度(mm)60-min净浆流动度(mm)0204060801001200.811.151.21.31.4减水剂掺量（%）Marsh时间（S）5-minMarsh时间(s)60-minMarsh时间(s)b)Marsh筒法（屈服应力＋表观粘度）③相容性对混凝土性能的影响：a)相容性好的水泥——混凝土成本低，性能好b)相容性差的水泥——混凝土成本高，泵送难度大，开裂风险大④保水性对混凝土施工性能的影响——保水性好的水泥，在配制混凝土时有利于减少内部的泌水腔和表面的泌水层，改善混凝土的界面结构与表面硬度，可提高混凝土的匀质性、强度及耐久性能。从混凝土工作性能要求出发，水泥具有良好与稳定的外加剂相容性及保水性是配制优质混凝土必需具备的条件，是评价优质水泥的重要指标之一。2、从混凝土的力学性能来评价水泥混凝土强度取决于结构的致密程度及水化产物的粘结力（1）混凝土的抗压强度与水泥的关系鲍罗米公式：Rh＝ARc（C/W－B）当C＝（C＋F）时Rc＝R(C+F)Rh——试配强度（MPa）；Rc——水泥实际强度（MPa）C/W——灰水比；A、B——与骨料性能、砂率等有关的常数由此可见：a)Rc与Rh（28天强度的关系）胶凝性b)C/W与Rh的关系混凝土的致密性因此，水泥强度高，胶凝性好，能使混凝土的W/C降低（与外加剂相容性好，需水量低的水泥），则有利于提高混凝土的强度。——水泥工程技术人员往往更重视从提高水泥胶砂强度来提高水泥的质量，而忽视了或尚未认识到水泥性能对混凝土用水量的影响，即致密度对混凝土性能的影响是同等重要的！这方面尚有很多工作可做。（2）混凝土抗折强度与水泥的关系：——混凝土同等抗压强度条件下，若水泥的抗折强度越高，则混凝土的抗折强度也越高。（3）混凝土力学性能与不同龄期水泥胶砂强度的关系a）水泥早强（3d）高，水化放热快且大，导致混凝土内部温升快且高，冷却后残余的温度应力较高，混凝土的抗裂性能下降。b)水泥后期（28d）及远龄期（90d或180d）强度高，对混凝土的强度补充与自愈合能力非常重要。这是因为作为多相复合材料，混凝土不可避免存在结构缺陷，且它通常处于日晒雨淋、干湿交替、冻融循环，甚至更加恶劣的环境条件下，漫长使用过程中强度损失或受到损害或破坏难以避免。——由此可见，水泥的3d强度是施工的要求，水泥的28d强度是混凝土设计强度的需要，而远龄期强度指标则是混凝土耐久性（强度补充及自愈合）的需要。水泥合理或较低的早期强度，较高的后期及远龄期强度是优质水泥重要的性能指标之一。3、从混凝土耐久性能来评价水泥混凝土耐久性主要包括了：抗渗性，抗冻性，抗腐蚀性。提高耐久性的主要渠道：a)提高混凝土的致密性；b)改善水泥水化产物的组成提高混凝土的耐久性意义十分重大。提高混凝土耐久性要针对特定的腐蚀环境采取相应的技术措施。责任主要落在混凝土配制技术上。水泥性能是其中一个影响因素。相关的水泥性能：a)水泥与外加剂的相容性（影响砼的需水量，即致密性）b)水泥的保水性（影响界面结构）c)矿物组成：抗硫酸盐腐蚀一般要求f-CaO、C3A、C3S含量低；耐久性一般要求：高n低p低KH（抗碳化除外）d)有害组分少，如碱含量，氯离子等e)力学性能——强度富余是本钱使水化产物具有更好的抗腐蚀能力4、从混凝土体积稳定性来评价水泥（1）膨胀：安定性问题（f-CaO、SO3、MgO）（2）收缩与开裂混凝土的收缩开裂现象既普遍又复杂。它与设计、施工、混凝土配制技术及配制材料的特性密切相关。混凝土产生收缩的种类主要有自生收缩，干燥收缩，冷缩，碳化收缩。收缩是产生开裂的主因，但设计、施工及混凝土配制技术上可采取相应的对策减少或防治开裂。把混凝土开裂责任全部推到水泥生产企业是不合适的。但某些水泥的外加剂相容性差，配制混凝土坍落度经时损失大时，确实会给混凝土开裂造成十分大的风险。如设计：可通过布筋来限制收缩，防止开裂；可预留后浇带防止开裂；可铺设冷却水管防止冷缩开裂。但对于桥面板、剪力墙等部位的开裂，目前设计上尚未有较好对策如施工：可通过开收缩缝来释放应力；可通过养护防止早期水分挥发，减少干缩。二次抹面覆盖湿麻包袋养护天气干燥，表面易失水开裂某高速1标：缩缝位置没有拉裂，缩缝旁边贯穿裂缝，说明缩缝开的时间过晚。缩缝位置开裂位置某高速2标：每10米一条缩缝，结果在每块板的中间，约4～6米处出现裂缝，原因缩缝之间的距离太长。侧面局部放大，贯穿配制技术：可通过延长凝结时间减少自生收缩的影响；可通过减小砂率，用掺合料代替部分水泥等措施减小收缩。水泥性能：水化产生收缩及毛细孔失水收缩是混凝土收缩根源。但这是水泥的基本性能，是无法避免的。水泥的品质影响水泥净浆或砂浆的收缩量，但与混凝土的收缩量不直接相关。本人认为：混凝土开裂程度大小取决于设计与施工，混凝土收缩的大小取决于配制技术及水泥性能。故水泥自身性能变化对混凝土体积稳定性的作用是有限的。从优质水泥的要求出发应注意以下的影响因素：a)矿物：C3A、C3S越多，熟料轻烧，冷却差，干缩、自生收缩及冷缩越大；b)比表面积越大，需水量越大，早期水化快，自生收缩大，冷缩也大；c)早强型水泥：早期水化热较集中，温度应力大，易开裂或耐久性下降；d)颗粒组成：紧密堆积，孔隙率小，可显著减小收缩量；e)混合材种类与掺量：影响需水量和孔隙率；f)水泥中SO3含量，影响收缩量。5、从特种混凝土的性能要求来评价水泥（1）大体积混凝土——低水化热要求a）绝热温升的危害：内部温升可达50～60℃，中心部位最高温度可达80～100℃；工程对策：降低入模温度，冷却水管，外保温等。b）水泥水化热的范围：对于C50的混凝土，在水泥用量为350kg/m3～380kg/m3的条件下，若水泥3d水化热相差30KJ/kg，混凝土的绝热温升可相差5℃～7℃。c）影响水泥水化热的因素：矿物组成（C3A、C3S）、比表面积，即矿物的早期水化活性；d）水泥高早强害多利少PII42.5R水泥3d水化热KJ/kg7d水化热KJ/kg28d水化热KJ/kg较好水平260～270305～315345～355一般水平285～295330～340370～380（2）高等级路面混凝土——高抗折、耐磨、低应力要求目前高等级道路的状态：设计寿命30～50年，实际很多情况下只有5～10年，对国家资源能源及建设维护费用浪费很大。原因：路基、施工、超载，水泥混凝土材料自身原因。很多路面未使用就出现裂缝或表面“起粉”，耐磨性极差现象。要建造优质的混凝土路面，就水泥方面应考虑：具有高抗折强度（低f-CaO，高硅酸盐矿物）；高耐磨性（高C4AF，高C2S）；致密的浆体及混凝土结构（颗粒分布好，需水量低，相容性好）低温度应力（水化热低）。道路混凝土是要求混凝土性能很高的混凝土，因此对水泥的品质要求也应极为严格！（3）管桩混凝土——高蒸压强度、高抗冲击性大型水泥厂必争的市场，要求（C2S+C3S）含量75％（掺细磨砂后，可降低对硅酸盐矿物总量的要求），高C4AF含量（对提高抗冲击性更为重要），外加剂相容性好，强度高（配制C80以上等级的混凝土），一般是优质的PII42.5水泥。综上所述，为满足各种混凝土性能的要求，优质水泥应具有下列性能：（1）标准稠度用水量低（25%）（2）良好的外加剂相容性（饱和点1.4%）（3）较高的胶凝性（28d及远龄期）（4）高抗冲击、高耐磨（5）低收缩（C3A6％,C2S20％,f-CaO1％）（6）低水化热（3d270KJ/kg，7d315KJ/kg）——目标：能满足混凝土的不同用途要求，如显著改善混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能，体积稳定性及实现最低的混凝土生产成本。砼致密性与高工作性能的保证砼较高力学性能的保证砼体积稳定性保证满足特种混凝土的需求三、优质水泥的生产技术及控制参数（一）熟料配方的设定与调整设定：高硅酸率、中饱和系数、低铝氧率常规配方：KH＝0.90~0.92；n＝2.5～2.8；p＝1.6～1.8推荐配方：KH＝0.89~0.91；n＝2.5～2.8；p＝0.9～1.2为避免结皮堵塞及提高烧成温度，获得良好耐久性，还需减少熟料中K、Na、Cl等有害成分及不利的组分如SO3及MgO。矿物组成实现低C3A、较高的C2S、C4AF、适中的C3S；目的：使熟料具有低需水量、良好外加剂相容性、适中胶凝性、较低水化热、较高抗腐蚀性能、抗冲击性和耐磨性。调整：由于各地区原材料易烧性、窑的热力强度、企业工艺技术水平存在差异，水泥市场的接受程度有差异，可考虑对推荐配方按进行调节。a)原材料易烧性较差的地区及窑烧成热力不足或追求台时产量高的企业，可适当降低n值；b)工艺技术水平、操作水平尚适应不了这种烧成范围较窄的配方，可适当提高p值，逐渐过度；c)当地区要求水泥早期强度较高（如PO42.5水泥，3d强度要求30MPa以上），可适当提高KH和p值，降低n值；若要求熟料后期强度较高时，宜提高n值。但上述调整（除提高n值）都对水泥品质优化不利。（二）烧成制度的优化要求：合理的烧成温度（较高温），快烧，急冷，及氧化气氛下烧成（不能仅以f-CaO含量、升重为标准）饱和点、标准稠度更敏感目的：在一定的矿物组成条件下，使矿物晶体发育良好，具有较高的固溶量及活性；获得低需水量、良好外加剂相容性、高胶凝性的水泥。煅烧温度低高随着煅烧温度的提高，A矿晶轴比减小，大小适中。1380℃1420℃1450℃研究结果表明随着熟料煅烧温度提高，A矿固溶Al2O3、Fe2O3的量显著提高，活性提高；对熟料强度及外加剂相容性有利。硅酸盐矿物的化学成分样品化学成分∑SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO熟料4A（1380℃）25.080.981.4866.842.8897.26熟料1A（1420℃）24.421.051.9767.862.3597.65熟料9A（1450℃）24.341.132.0167.052.5897.11冷却速度快慢冷却速度越慢，A矿晶体增大，自形性差，活性下降；中间体析晶增多，即C3A、C4AF析晶。对水泥强度、外加剂相容性很不利。还原气氛正常气氛还原气氛正常气氛B矿A矿暗色中间体正常气氛还原气氛窑内还原气氛，会出现CO，使窑内结皮加剧，熟料升重增大，并降低熟料的烧成温度，A、B矿发育不良，形成黄心料后（铁钙橄榄石），C3A含量明显增多，而且暗色中间体析晶严重（原因：温度、粘度及FeO等），结果导致水泥强度下降，需水量增大，外加剂相容性变差。从上述优质熟料的烧成工艺要求来看，应控制好如下工艺参数：（1）实行薄料快烧，正常条件下窑速达到额定转速的90％左右；（2）采用调整火焰形状方便，具有较强煤风混合能力，热力强度充足的燃烧器（目前燃烧器有