从混凝土角度谈水泥的品质要求

从混凝土角度谈水泥的品质要求上海建工材料工程有限公司

2010年10月0上海建工材料公司简介上海建工材料工程有限公司是由上海建工集团控股的公司。具有国家建设部商品混凝土生产的最高资质，是上海地区规模最大的商品混凝土公司，在2009年达到新高：1276万方混凝土。

公司拥有长桥、真如、宏成等三家直属搅拌站，控股管理浦新、浦莲、加建、富康、南航、浦升、环港等七家商品混凝土公司以及位于俄罗斯圣彼得堡的上建俄搅拌站和成都的上建拌站，共计商品混凝土搅拌楼22座、装机容量为121立方米，混凝土输送车400多辆，混凝土泵送车50多辆，商品混凝土设计年生产能力达到1500万立方、日生产量可达3万立方米，小时出方量达3000立方米，是上海规模最大的商品混凝土公司，位居全国同行首位。0上海建工材料公司简介0.1规模简介公司先后承担了“新中国50年上海十大金奖经典建筑”以及上海环球金融中心、金茂大厦、上海大剧院、东方明珠电视塔、浦东国际机场、磁悬浮列车工程、南浦、杨浦、徐浦、卢浦大桥等上海标志性建筑的混凝土工程。

最近几年，公司主要承担了上海世博工程、上海虹桥综合交通枢纽、上海中心大厦和闵浦大桥等上海市重大工程的混凝土工程。0上海建工材料公司简介0.2工程简介混凝土C30自密实混凝土C100混凝土彩色混凝土上海建工预拌混凝土定义产生时间及其产生背景相比传统混凝土的优势上海建工原材料进厂船运进料堆料混凝土的生产生产控制上料搅拌下料混凝土拌车泵车泵送直卸施工现场混凝土的运输原材料的质量控制骨料检测粉料检测外加剂检测混凝土的质量控制取样坍落度检测试块制作强度检测1现代混凝土需要什么样的水泥1.1混凝土的几次重要突破（1）1850年法国人取得钢筋混凝土专利以后，使混凝土在结构构件中得以物尽其用，是混凝土应用技术的第一次飞跃；（2）1928年法国的E．Freyssinet发明预应力锚具是混凝土应用技术又一次的飞跃性发展；（3）就混凝土材料本身来说，1918年美国的D．Abrams提出著名的水灰比定则，使混凝土的配合比选择和制备工艺有了依据，成为混凝土技术发展的第一个里程碑；（4）直到化学外加剂特别是超塑化剂(高效减水剂)的大规模使用后，大大改变了混凝土的配制、性能和工艺。1现代混凝土需要什么样的水泥1.2现代混凝土的特点矿物掺和料低水胶比特点工厂化集中生产使用外加剂1现代混凝土需要什么样的水泥1.3存在的问题（1）原材料组分多，增加了过程控制的复杂性（2）混凝土搅拌存在的匀质性问题；（3）大掺量矿物掺和料使胶凝材料中SO3不足（4）水泥和外加剂的适应性；1现代混凝土需要什么样的水泥1.3存在的问题（3）大掺量矿物掺和料使胶凝材料中SO3不足在传统上，生产水泥时对石膏的优化主要是为了调节凝结时间，基本上未考虑其他影响。在混凝土中掺人掺和料稀释SO3的同时当然也稀释C3A，但是石膏在有掺和料的浆体中的作用并不只涉及C3A，对大掺量掺和料混凝土凝结时间的影响机理不同于和C3A的关系。1现代混凝土需要什么样的水泥1.3存在的问题SO3含量对砂浆体积稳定性的影响水泥中SO3含量对砂浆体积稳定性的影响

1现代混凝土需要什么样的水泥1.3存在的问题水泥中的SO3含量对砂浆强度的影响

1现代混凝土需要什么样的水泥1.4预拌混凝土预拌混凝土是现代混凝土中的蓬勃发展壮大的一支。水泥作为混凝土最主要的原材料：

（1）水泥各项技术性能除必须满足现行国家标准要求外，还应保持产品的匀质性和稳定性，化学成分、细度、各龄期强度等级、凝结时间、标准稠度用水量等指标不能有较大波动，特别是强度值不能大起大落；（2）与外加剂有较好的适应性，在配制混凝土时需水量要小、流动性要好；（3）水泥粉磨时不仅要控制细度(比表面积)，而且要合理控制水泥颗粒级配和颗粒形状；（4）水泥混合材品种的匹配、掺入量要科学、合理；重视石膏品种的选择；（5）重视出厂水泥温度的控制；1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.1预拌混凝土生产急需水泥的匀质性和稳定性关注水泥的匀质性和稳定性：水泥强度的大幅度波动，无疑会严重影响混凝土强度等级的波动。如某厂的P•O42.5水泥强度极差大，高的达56MPa，而低的只有42.2MPa，标准偏差高达3.5MPa以上，造成混凝土强度波动。有些厂的同一品种同一强度等级的不同批次水泥，其技术指标如强度、颜色、需水量波动较大。这样造成水泥与外加剂适应性上波动更为突出。1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性水泥与外加剂适应性的影响因素很多，大致有：（1）水泥熟料的矿物组成；（2）石膏的种类和掺量；（3）水泥细度(比表面积)和颗粒级配；（4）混合材种类和掺量；（5）水泥温度；（6）水泥碱含量；（7）水泥的陈放时间1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性（1）水泥熟料的矿物组成对与外加剂适应性的影响水泥熟料中C3A对外加剂的吸附量远高于其它矿物组成，这是由于C3A水化速度最快，对减水剂的吸附量最大。

C3A含量高的水泥，其标准稠度用水量上升。通过定量研究，当C3A含量上升1％，水泥标准稠度用水量也增加l％，而混凝土用水量相应提高6~7kg/m3。

1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性（2）石膏的种类和掺量对与外加剂适应性的影响不同种类石膏作为水泥的调凝剂对混凝土工作性的影响1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性（2）石膏的种类和掺量对与外加剂适应性的影响（a）2004年10月发现某厂适应性良好的水泥，使用后混凝土发生急凝，追究其原因是使用了工业副产品磷石膏所致；（b）2005年某厂水泥在搅拌站使用时，发生未到目的地就凝固，经查成分并无差异，也用二水石膏，但后经检验该石膏SO3虽在35％左右，但结晶水只有4％，实际上是硬石膏与二水石膏的混生物，由于仍然存在“溶解速度”的问题，致使发生不适应状况；（c）水泥厂在粉磨水泥时即使用了优质二水石膏，但因磨内温升过高造成石膏脱水，工程使用时也发生急凝、假凝现象。1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性（3）水泥细度(比表面积)和颗粒级配对与外加剂适应性的影响水泥净浆流动度较好的6、7号样，其筛余明显较大，比表面积明显较小1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性（3）水泥细度(比表面积)和颗粒级配对与外加剂适应性的影响水泥比表面积已高达400m2/kg。越细的水泥需水量越大，与外加剂相容性越差，水化热越大，开裂敏感性越大。1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性（3）水泥细度(比表面积)和颗粒级配对与外加剂适应性的影响水泥砂浆抗拉强度随水泥比表面积的增加而呈线性下降，碳化深度总的趋势是随水泥比表面积增大而减小。水泥细度对抗拉强度的影响1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥的与外加剂的适应性（3）水泥细度(比表面积)和颗粒级配对与外加剂适应性的影响混凝土抗冻性随水泥比表面积减小而提高，可能也和碳化降低渗透性有关水泥细度对混凝土抗冻性的影响1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥与外加剂的适应性（3）水泥细度(比表面积)和颗粒级配对与外加剂适应性的影响水泥细度对混凝土抗开裂性的影响1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥与外加剂的适应性（3）水泥细度(比表面积)和颗粒级配对与外加剂适应性的影响水泥细度对水泥浆体和混凝土开裂的影响1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥与外加剂的适应性（4）混合材种类和掺量对与外加剂适应性的影响水泥中掺入矿渣粉、粉煤灰、石灰石等混合材有利于改善浆体流动性能，而双掺效果较单掺好；对改善水泥与外加剂适应性的排序是：石灰石>矿渣(430m2/kg)>矿渣(380m2/kg)>原状二级粉煤灰>磨细二级粉煤灰(550m2/kg)。1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥与外加剂的适应性（4）混合材种类和掺量对与外加剂适应性的影响不同温度的水泥其净浆流动度变化情况1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥与外加剂的适应性（5）出机温度对与外加剂适应性的影响不同温度的水泥对其净浆流动度变化情况1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.2预拌混凝土：水泥与外加剂的适应性（6）水泥碱含量对与外加剂适应性的影响不同水泥碱含量对其净浆流动度变化情况上海建工在现代预拌混凝土生产过程中，外加剂已成为不可缺少的第六组分。但是，水泥与外加剂的相互作用并非都能产生很好的效果，这就是水泥与外加剂的相容性问题。影响水泥与外加剂相容性的因素很多，二者是双向的，不仅要求水泥适应外加剂，而且也要求外加剂适应水泥。水泥与外加剂的相容性，既取决于水泥的品种和质量，也取决于外加剂的品种和质量。我们将主要从工程实践碰到的问题出发，提出适用于预拌混凝土生产企业的可行性控制方法与手段。水泥与外加剂的相容性问题上海建工一、水泥的影响因素1、熟料中的矿物组成四大矿物组成中，C3S与C2S，特别是C2S玻璃体与外加剂相容性较好，C3A与C4AF与外加剂的相容性不好，尤其是C3A是主要影响因素。水泥与外加剂的相容性问题先从水泥的角度，讨论二者间的关系上海建工一、水泥的影响因素2、石膏的种类及其掺量石膏的种类也是影响相容性问题的主要因素，不同种类的石膏，其溶解度和溶解速度不同。水泥与外加剂的相容性问题上海建工一、水泥的影响因素3、碱含量过高的碱含量使得水泥与外加剂的相容性变差，水泥的标准稠度需水量增大、凝结提前，早期强度提高，后期强度降低。主要原因：碱促进了水泥的水化速度水泥与外加剂的相容性问题上海建工一、水泥的影响因素4、混合材的种类不同种类的混合材对水泥与外加剂的相容性影响很大。通常认为，矿粉、粉煤灰（Ⅱ级）、石灰石粉的掺入对混凝土流动性的影响依次为：石灰石粉＞粉煤灰（Ⅱ级）＞矿粉矿粉由于具有斥水效应，对混凝土的初始流动性有增强作用。水泥与外加剂的相容性问题上海建工一、水泥的影响因素5、水泥的细度5.1水泥新标准的影响水泥新标准实施后，出厂水泥的细度相较以前有明显提高，0.08mm筛余值普遍小于1%，水泥的比表面积也有显著提高。这就造成外加剂掺量不变的情况下，混凝土的流动性较以前变差。主要原因：水泥对外加剂的吸附量增大水泥与外加剂的相容性问题上海建工一、水泥的影响因素5、水泥的细度5.2节能减排、减免税等政策法规的影响目前大多数水泥厂基于节能减排、政策导向等原因，为了提高水泥的产量，在生产水泥的过程中加入了助磨剂，主要带来以下问题：①助磨剂与外加剂的相容性很难控制②水泥颗粒分布较为集中、均匀性变大，单单细度指标不能准确反应标准稠度用水量的变化水泥与外加剂的相容性问题上海建工以上主要是从水泥的角度简述了水泥与外加剂相容性能的影响，下面主要从外加剂的角度来讨论这个问题。水泥与外加剂的相容性问题上海建工二、外加剂因素通常情况下，预拌混凝土生产过程中，水泥的品种较为单一，一般情况下最多两个品种，通常以P·O425水泥居多。混凝土搅拌站的外加剂品种主要有三种：普通型外加剂（木钙/木钠/木镁）、中效萘系外加剂以及高效（聚羧酸系、脂肪族）外加剂水泥与外加剂的相容性问题1、根据混凝土强度等级选择外加剂品种试验室根据配合比设计原则：满足工作性、强度、耐久性等，来选择外加剂的种类C30以下普通型外加剂为主C30～C40中效萘系外加剂C40～C60 聚羧酸系外加剂上海建工2、根据工程部位对混凝土性能的要求选择外加剂品种试验室在配合比设计中除了满足强度要求外，要根据施工性能要求对外加剂品种加以选择，比如工况条件的限制、需要早强或缓凝的混凝土、受钢筋分布密度的制约，需要高流态的混凝土。基于这些问题，拌站试验室往往对外加剂本身性能提出诸多要求，比如减水率、保塑性与增稠性、引气性能、凝结时间等上海建工3、根据环境变化选择外加剂品种在不同季节（冬季、夏季）、不同的环境（干燥与水下）下，要非常重视对外加剂的选择。高性能混凝土（高工作性、高体积稳定性、高力学性能、高耐久性）的应用越来越普遍，已经成为混凝土的发展方向。在低水胶比、大掺合料前提下，通过外加剂技术解决水泥与外加剂的相容性已经变得越来越重要。上海建工综上所述，确保水泥与外掺料（矿粉、粉煤灰）的质量稳定，并通过外加剂技术来实现混凝土的高性能化是预拌混凝土生产企业必须关注的问题。

上海建工1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.3预拌混凝土：水泥对混凝土强度影响虽说混凝土中强度的贡献已不仅于水泥，但水泥作为混凝土中最主要的胶凝材料，是混凝土强度的最主要来源。不同水泥配制的混凝土在室外暴露50年后强度变化（I型水泥为快硬水泥）1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.3预拌混凝土：水泥对混凝土强度影响（1）细度对混凝土强度的影响。水泥中3—30μm的颗粒起强度增长的主要作用；

>60μm的颗粒则对强度不起作用，但起稳定体积的作用。因此3—30μm的颗粒应当约占90％；<10μm的颗粒起早期强度的作用，且需水量大，而其中<3μm的颗粒只起早强作用，因此流变性能好的水泥<10μm的颗粒应当<10％。1现代混凝土需要什么样的水泥1.4.3预拌混凝土：水泥对混凝土强度影响（2）水泥需水性变化和强度波动对混凝土强度的影响。1现代混凝土需要什么样的水泥1.5高性能混凝土高性能混凝土是预拌混凝土发展中的重要发展之一，

（1）高耐久性：具有优异的抗渗与抗介质侵蚀的能力；（2）较高的强度：多数学者认为高性能混凝土首先必须是高强的，甚至具体提出强度不应低于50MPa或60MPa；（3）高工作性：许多学者认为高性能混凝土应该具有高的流动度，可泵送，或者自流、免振；

（4）高体积稳定性：具有高弹性模量、低收缩和低温度应变；

（5）经济合理性：高性能混凝土除了确保所需要的性能之外，应考虑节约资源和能源并注重环境保护，使其朝着“绿色”的方向发展。廉慧珍教授等主张：“针对各个不同工程特点和需要，对混凝土提出满足具体要求的性能和耐久性的设计”。1现代混凝土需要什么样的水泥1.5高性能混凝土——高性能水泥高性能水泥主要包括以下内涵：

（1）满足高性能混凝土的强度要求；（2）满足高性能混凝土工作性的要求，主要表现为高流动性、抗离析性、保水性和保塑性；

（3）满足高性能混凝土耐久性的要求，主要表现为高抗渗性、体积稳定性、抗蚀性和抗碱集料反应性；

（4）能够用最少的水泥配制出高性能混凝土；2不同工程对水泥性能的不同要求2.1公共市政工程——机场工程

（1）背景：干沙漠边缘，气候极为干燥，常年空气相对湿度在50％以下，春季多风，夏季最高气温可达40℃以上，并且昼夜温差大。机场已经使用了40多年的混凝土跑道加盖一层32cm厚的混凝土道面，使之成为新的飞机跑道。在这样严酷的气候条件下进行飞机跑道施工经常遇到的工程质量问题：施工中混凝土经常发生假凝、裂缝和断板。（2）水泥选择厂家一：P•042.5，熟料主要矿物含量：C3S58％，C2S17％，C3A8％，C4AF13％，初凝lh40min，终凝2h36min，比表面积410m2/kg，混合材掺量12％，28d抗压强度53.6MPa，28d抗折强度8.6MPa。厂家二：P•Ⅱ42．5，熟料主要矿物含量：C3S56％，C2S22％，C3A1.7％，C4AF16％，初凝2h42min，终凝3h36min，比表面积350m2/kg，混合材掺量2％，28d抗压强度50.6MPa，28d抗折强度8.1MPa。2不同工程对水泥性能的不同要求2.1公共市政工程——机场工程工程施工效果：（1）对两种水泥立即进行了试验性的施工。施工时是春季，下午16:00点同时进行，当时环境温度为15℃，风力为3级左右。到l9:00点施工结束时，在同等施工工艺和配合比情况下，两种水泥所做的50m长混凝土路面上都不同程度地出现了干缩裂缝，但用厂家一水泥所做的混凝土裂缝比厂家二要严重得多。（2）厂家一的混凝土路面50m全部不同程度出现了裂缝，而厂家二的只是在受风严重的10m范围出现了干缩裂缝，并且裂缝的数量、宽度和长度都比厂家一小。（3）立即对混凝土进行覆盖洒水养护。第二天早晨打开养护布观察，让施工人员感到很吃惊的是，厂家二的混凝土路面裂缝全部愈合。只有当人蹲下用水不断冲洗，才能看到昨天裂缝愈合后在路面上留下的一点痕迹。厂家一的混凝土路面也有裂缝愈合现象，但绝大多数还都存在。2不同工程对水泥性能的不同要求2.2超高层建筑工程——上海环球金融中心上海陆家嘴金融贸易区：东侧为银城东路南侧为银城南路西侧为东泰路北侧为世纪大道高度492米主楼地上101层裙房地上５层整个大楼地下３层总面积约38万平方米2.2.1建筑概况环球与金茂对比的效果图90F~101F观光区

79F~89F酒店6F~78F办公区域6F以下商店和美术馆2.2.1建筑概况大楼功能立面分区示意图100F观光天阁97F观光天桥2.2.1建筑概况上海环球金融中心屋顶效果图79至91层为八字型60至79层1至57层57至60层底部墙体最大厚度210cm顶部墙体最小厚度50cm

60F以下强度等级为C6079F以上强度等级为C402.2.2—地上部分—核心筒

8至42层43至94层101层95至98层67F(290m)以下混凝土等级为C60

79F至101F(492m)混凝土强度等级为C402.2.4结构概况—地上部分—巨型柱

A型柱保持垂直，直至大楼顶部101F8至18层19至37层38至43层44至78层79至91层巨型柱B截面变化67F(290m)以下混凝土等级为C60

79F至101F(492m)混凝土强度等级为C40B型柱于43F分叉为2根倾斜柱，一直延伸到91F2.2.5结构概况—地上部分—巨型柱

2.2.6主楼泵送混凝土施工方案C60的高强混凝土一次泵送至巨型柱67层高度为290米，创造了国内记录。顺利解决了大流动性与抗离析性之间的矛盾，大坍落度与低水胶比之间的矛盾。2不同工程对水泥性能的不同要求2.3超大体积混凝土工程——上海中心大厦6万主楼基础底板C50混凝土

背景：上海中心大厦主楼基础底板厚6m，直径121m，总方量为56257m3。混凝土设计强度等级为C50，抗渗等级为P12混凝土浇筑由中部向四周进行浇筑设4台56米汽车泵10台48米汽车泵5台固定泵2不同工程对水泥性能的不同要求2.4上海某特殊要求的工程

背景：该工程要求混凝土原材料的微量元素的含量：钴Co、银Ag和铱Ir要<50ppm，并且其它元素如铕Eu、钐Sm、钆Gd、镝Dy、铥Tm必须保证<10ppm。对水泥的稳定性和均匀性的要求及其的苛刻。2不同工程对水泥性能的不同要求2.5东海大桥——海工混凝土（1）背景：东海大桥起始于上海南汇区芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛。全长32.5公里的东海大桥是上海国际航运中心深水港工程的一个组成部分，被上海市政府列为“一号工程”。（2）氯离子是造成海工混凝土破坏的最主要因素。提高混凝土密实性，减少氯离子的渗透，可有利的减少海工混凝土的腐蚀，而电通量是反映混凝土抗氯离子渗透最好的检测参数。因此，为防止氯离子的渗透，电通量是海工混凝土最关键的耐久性指标。3结语（1）预拌混凝土工艺有其特殊的技术要求，水泥厂家应提供与预拌混凝土工艺相匹配和适应的水泥。

（2）预拌混凝土要求水泥的匀质性与稳定性是第1位的，要求出厂水泥的各项技术指标特别是强度稳定，不能大起大落。

（3）混凝土外加剂与水泥的适应性问题应由水泥厂家与外加剂生产厂双向努力予以解决，水泥厂家可从熟料矿物组成和结构的优化、合理选择粉磨细度(比表面积)及优化颗粒级配和颗粒形状、在粉磨过程中合理确定石膏品种及掺量、混合材的种类及掺量、控制含碱量、降低水泥温度和适当陈化时间等方面来改善适应性。

（4）在预拌混凝土有特殊要求时，水泥厂应能提供适应用户“个性”要求的产品，如低碱水泥、水化热低的水泥，对抗裂性能有要求时。3结语

（5）现在混凝土的耐久性问题越来越受到重视，水泥厂应该根据不同工程的需要，生产有利于该工程耐久性的水泥。例如：有些混凝土构件将来长期处于恒温恒湿的条件下工作(如地下隧道、地铁、高级酒店公寓、城市排水设施等)，这些混凝土构件的徐变对构件的耐久性有很大的好处，水泥成分就应朝着增加徐变的方向靠近；有些混凝土构件裂缝对其耐久性有致命影响(如桥梁和其它主要受弯拉的混凝土构件等)，水泥成分就应朝着减小收缩和增大裂缝自愈合能力的方向发展；有些混凝土构件将来长期处于水中工作(如大江大河上的水下混凝土等)，水泥成分就应朝着让混凝土的强度能长期发展不发生强度倒缩的方向发展。

（6）如果水泥厂仅仅满足于按国标生产水泥，那是远远不够的。特别是近几年来，水泥工业技术发展较快。3结语

（7）优质水泥需达到的一些品种要求如下几点：

（a）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；

（b）水泥具有良好及稳定的外加剂相容性及保水性是配制优质混凝土必须具备的条件，这是评价优质水泥的重要指标之一；

（c）较低的水化热也是优质水泥的重要指标之一。优质水泥应具有下列性能：①颗粒分布及比表面积合理(45μm筛余10%-16%，80μm筛余为1%～2%，比表面积360～380m2/kg)，标准稠度用水量低(<25%)，配制混凝土时需水量较小；②良好及稳定的外加剂相容性(饱和点<1.4%)；⑧水泥合理或较低的早期胶砂强度，较高的后期(28d)和远龄期(90d或180d)胶砂强度；④抗冲击、耐磨性好；⑤低收缩性；⑥低水化热(3d水化热小于270kJ/kg，7d水化热小于315kJ/kg)。附录：不同水泥的28d强度月统计水泥品种龄期样本数/n水泥胶砂强度（MPa）平均值最大值最小值极差标准差A水泥P.O42.528d2550.953.848.25.61.228d2851.554.548.75.81.428d1454.457.351.45.91.628d549.451.147.93.21.228d1152.356.448.57.92.228d1046.051.644.17.52.428d2048.849.848.01.80.6B水泥P.O42.528d2454.255.852.