雷震，孫志強，朱文濤

（1. 寧夏中測計量測試檢驗院有限公司，寧夏 銀川 750000；2. 寧夏盛遠新型建材有限責任公司，寧夏 銀川 750000）

適用于高性能混凝土的水泥研究與應用

雷震1，孫志強2，朱文濤2

（1. 寧夏中測計量測試檢驗院有限公司，寧夏 銀川 750000；2. 寧夏盛遠新型建材有限責任公司，寧夏 銀川 750000）

本課題研制的水泥選用優(yōu)質熟料摻加天然石膏（SO3含量達到 39% 以上）以及少量優(yōu)質的混合材料（石灰石、粉煤灰），不添加助磨劑，通過球磨機及篩分設備生產(chǎn)一定細度的水泥，得出該水泥具有標準稠度用水量低，強度穩(wěn)定，與外加劑適應性良好并且適宜于生產(chǎn)高性能混凝土。配制的高性能混凝土拌合物勻質性、工作性好，強度穩(wěn)定，混凝土耐久性和長期性能良好。

水泥；天然石膏；混合材料；混凝土

0 引言

目前混凝土攪拌站生產(chǎn)使用的水泥主要有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥。按照水泥標準檢驗，水泥本身的技術指標如強度、凝結時間、標準稠度用水量、安定性等都能滿足國家標準的要求。但在使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)水泥與外加劑適應性差、強度波動大、混凝土滯后泌水、凝結時間不正常等問題，給混凝土生產(chǎn)和質量控制帶來了不利影響，也給企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟損失和聲譽影響。通過大量試驗研究可知，產(chǎn)生這些問題的主要原因與水泥中混合材的品種和摻量變化有直接關系。

1 課題思路

在水泥生產(chǎn)過程中，大多數(shù)企業(yè)采用將熟料和混合材分別粉磨后均化的工藝，然后將水泥出售到混凝土生產(chǎn)企業(yè)，這樣混合材經(jīng)歷了由供應商運輸?shù)椒勰S粉磨，再與熟料混合均化后形成水泥，將水泥銷售到混凝土企業(yè)，混合材經(jīng)歷了二次運輸，提高了綜合運輸成本。如果在混凝土生產(chǎn)中采用適用于高性能混凝土的水泥，將摻入水泥中的混合材部分改變?yōu)榛炷恋牡V物摻合料，由供應商運輸?shù)椒勰フ痉勰ズ?，直接銷售到混凝土企業(yè)，其技術效果不變，但可以減少一次運輸，降低了綜合運輸成本。

為了提高混凝土攪拌站對混凝土質量控制的穩(wěn)定性和混凝土配合比設計的合理性，同時降低混凝土企業(yè)的成本，我們進行了適用于高性能混凝土的水泥在高性能混凝土中的研究與應用。

該研究所選用于高性能混凝土的水泥要求細度不能太細，標準稠度用水量低，且與外加劑的適應性良好。水泥二次球磨過程中，未使用質量不可靠的助磨劑，這樣可確保去除助磨劑成分與外加劑適應性差的因素。

綜合考慮最終確定了該水泥的主要控制指標：（1）水泥比表面積：(350±10)m2/kg（P·O42.5R）；(380±10)m2/kg（P·Ⅱ52.5R）。（2）水泥標準稠度用水量 23.0%～26.5%。（3）水泥 28d 抗壓強度 (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）選用天然石膏（CaSO4·2H2O）SO3≥39%。（6）水泥熟料 28d 抗壓強度≥51MPa；標準稠度用水量 23.0%～26.5%。（7）水泥 SO3含量：2.2%～3.0%。

2 試制過程

2.1 水泥熟料的確定

以寧夏盛遠新型建材有限責任公司周邊 20km 范圍內的水泥熟料生產(chǎn)廠家為選取對象，主要有青銅峽水泥廠、西夏水泥廠及金昱元水泥熟料廠，三家的熟料礦物組成、化學成分及率值見表1（數(shù)據(jù)由廠家提供）。

我公司對以上三種熟料的基本物理性能進行了試驗，試驗中選用天然二水石膏，作為試驗用石膏。其各項物理性能見表2。

表1 各廠家水泥熟料的礦物組成、化學成分及率值

通過三家試驗數(shù)據(jù)對比，金昱元熟料的標準稠度用水量較低，之后進行多次取樣試驗，得出金昱元熟料各項性能穩(wěn)定。最終確定金昱元水泥熟料作為水泥試制用熟料。

表2 各廠家熟料的物理性能

2.2 水泥的試制

首先準備好原材料：水泥熟料（簡稱 A）、粉煤灰（簡稱 B）、石灰石（簡稱 C）、天然石膏（簡稱 D）、脫硫石膏（簡稱 E）。根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗，我們確定了初步的配料比，經(jīng)準確稱量后加入球磨機，粉碎 20min 后，用 0.08mm方孔篩篩分，將篩下的樣品盛放到水泥樣品鐵桶中進行性能測試，試驗結果見表3。

從水泥小磨的試驗數(shù)據(jù)看出，采用同一種熟料配制的水泥（緩凝組分選用天然石膏或脫硫石膏），隨著混合材的遞增，水泥密度在遞減，水泥標準稠度用水量在增加，水泥 3d和 28d 抗壓強度在遞減。天然石膏作為緩凝組分配制的水泥比脫硫石膏配制的水泥整體表現(xiàn)為：標準稠度用水量低、抗壓強度高。

2.3 與外加劑的適應性試驗

以表3 的選取 F2、F4、F6 配比的水泥進行與聚羧酸高性能減水劑的適應性試驗，并以 F2 中的配比試制水泥過程中，添加助磨劑得到的水泥進行適應性試驗。

該試驗依據(jù) GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》中水泥凈漿流動度方法進行。

圖1

圖2

圖3

圖4

從表4 中，可以看出 F4 比 F2 的混合材摻量高，其試驗中水泥凈漿的流動性有所下降；F6 相對于 F2 水泥中使用脫硫石膏，水泥凈漿的流動性有下降，穩(wěn)定性有下降；添加助磨劑 F2 水泥相對于不添加助磨劑的 F2 水泥外加劑摻量高，勻質性、穩(wěn)定性都不好，并且有泌水現(xiàn)象。從圖1～4 中可以進一步反映出表4 中的現(xiàn)象。

表3 水泥小磨試驗結果數(shù)據(jù)表

表4 水泥與外加劑適應性試驗分析表

以上技術保障可得出水泥標準稠度低且穩(wěn)定，強度穩(wěn)定及水泥與外加劑適應性好的高標準水泥。

3 適用于高性能混凝土的水泥對混凝土的影響

通過以上水泥技術方案和試驗分析以及高性能混凝土配合比設計原理，選用試制水泥 F2、F4、F6 和 F2 添加助磨劑對比配制強度等級為 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、耐久性能和長期性能的差異。并以 F2 水泥配制 C40、C50 以及 F9 水泥研究配制高強高性能混凝土 C60、C70、C80。

3.1 原材料試驗

3.1.1 配制混凝土選用水泥基本性能

所用水泥的性能見表5。從以上生產(chǎn)水泥試驗結果分析，P·O42.5R 水泥與小磨試驗水泥性能控制基本一致，F(xiàn)2 水泥的性能與報告中控制指標接近；F4 中水泥混合材摻量比 F2中高，標準稠度用水量有增加，抗壓強度有下降；F6 水泥緩凝組分選用脫硫石膏，基本性能與 F2 沒太大的差異。以上水泥顯著特點是標準稠度用水量較低（寧夏地區(qū)水泥企業(yè)標準稠度用水量 28%～31%）、比表面積適宜、凝結時間適中、強度指標較高且穩(wěn)定，有利于混凝土配合比穩(wěn)定的應用于生產(chǎn)中，此水泥多應用于 C10～C60 強度等級混凝土。F9 水泥顯著特點是水泥密度增大，標準稠度用水量稍有上升，凝結時間縮短，28d 抗壓強度高，利用復合礦物摻合料和硅灰配制C65～C80 高強混凝土。

3.1.2 粉煤灰和復合礦物摻合料性能

粉煤灰和復合礦物摻合料的性能見表6。

3.1.3 骨料性能

骨料性能見表7。

3.1.4 混凝土外加劑

采用寧夏盛遠新型建材有限責任公司生產(chǎn)的聚羧酸系混凝土泵送劑，減水率 29%，含氣量 2.6%，28 天抗壓強度比125%。

3.2 混凝土試驗

3.2.1 混凝土配合比

本項目配合比設計是在寧夏盛遠新材料有限公司配合比大量試驗的基礎上確定的，其配合比選用較低水膠比，同水膠比中，摻量不同比例摻合料，研究總結出技術最佳、經(jīng)濟效益最優(yōu)的配合比。

混凝土配合比是指混凝土各組成材料之間的比例關系。一個好的配合比就是要確定水膠比、砂率、用水量之間的關系，正確地確定這三個參數(shù)，就能使混凝土滿足各項技術和經(jīng)濟要求。高性能混凝土配合比設計應按強度等級和耐久性能進行設計，并應滿足混凝土配制強度及其它力學性能、拌合物性能、長期性能和耐久性能的設計要求，須結合工程具體情況、環(huán)境分類、結構構件部位及相應的耐久性能要求作為控制目標。

此配合比將普通硅酸鹽水泥 P·O42.5R 應用于具有代表性的較低強度等級 C30、C40、C50 及高強度的 C60 高性能混凝土，硅酸鹽水泥 P·Ⅱ52.5R 應用于高強度的 C70、C80 高性能混凝土，在 C30 的基礎上保證配合比不變，另選四種水泥進行混凝土對比性試驗。采用較低水膠比、較低用水量及適中的水泥用量進行設計，具體配合比見表8。

按此配合比進行了拌合，觀察拌合物的和易性和工作性；測定拌合物的坍落度及 1h 后的坍落度、擴展度及 1h 后的擴展度，并成型立方體抗壓強度標準試塊各 10 組，四組C30 混凝土即 S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 同時成型耐久性試驗試件（抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕試驗、抗碳化試驗、抗凍融試驗、鋼筋銹蝕試驗），立方體抗壓強度試塊每齡期成型兩組標準試件。拌合物工作性及坍落度和擴展度試驗結果見表9。

表5 水泥性能

表6 粉煤灰和復合礦物摻合料性能

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較好，坍落度 1h 經(jīng)時變化量在 20mm以內，坍落度擴展度 1h 經(jīng)時變化量均在 120mm 以內，符合高性能混凝土對混凝土拌合物坍落度 1h 損失量的要求。由于 S1.2 水泥混合材摻量高、S1.3 水泥緩凝組分使用的脫硫石膏、S1.4 中水泥制作過程中添加助磨劑，致使三個配比中外加劑摻量高，混凝土和易性相對較差，S1.3 和 S1.4 甚至出現(xiàn)了輕微的泌水，從中反映出脫硫石膏和助磨劑在水泥中的使用導致水泥與外加劑的適應性差的現(xiàn)象。S2 到 S6 混凝土拌合物均表現(xiàn)為流動性好、保坍性好、勻質性好。國內工程混凝土施工經(jīng)驗認為，當混凝土拌合物的坍落度＞180mm、擴展度＞460mm 時具有良好的可泵性。故此類混凝土拌合物從拌合站運輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場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結果

3.2.2 混凝土力學性能試驗及對比結果

按表8 所示的配比拌制混凝土并按每個齡期成型 2 組標準（150mm×150mm×150mm）立方體抗壓強度試塊，立方體抗壓強度結果見表10。

由表10 可以看出配制的高性能混凝土立方體抗壓強度在 7d 時就已經(jīng)接近達到設計強度等級，隨著齡期的增長，各強度等級混凝土的強度也在穩(wěn)步的增長。各強度等級標準齡期 28d 強度的富余量均能滿足設計要求，60d、90d 的強度在標準齡期 28d 的基礎上繼續(xù)穩(wěn)步地增長，這是由于混凝土早期（28d 內）強度主要由水泥提供，摻合料的貢獻在于明顯地提高了混凝土的后期強度。S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 試驗中C30 混凝土對比試驗的結果中，S1.1中的各齡期強度值均高于其它三組中的。由于配合比中都有大摻量的礦物摻合料，在實際施工中建議 C50 以下（不含 C50）按照 28d 的強度為驗收依據(jù)，C50～C60 按照 60d 的強度為驗收依據(jù)，C60 以上（不含 C60）按照 90d 的強度為驗收依據(jù)，這種合理的驗收模式對混凝土結構工程的安全有可靠的保障。

表10 C30～C80 高性能混凝土立方體抗壓強度結果

3.2.3 各 C30 混凝土耐久性試驗及對比結果分析

（1）抗?jié)B性試驗

成型的抗?jié)B試件，按標準到 27d 從標養(yǎng)室中取出，晾1d，使試件表面干燥，后將試件裝入抗?jié)B試驗試模中，并安置在抗?jié)B試驗機上，調節(jié)最大壓力為 1.8MPa，試驗至 1.8MPa時即停止試驗，一組六塊試件均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，對試件進行破型，量取滲水高度，具體滲水高度值見表11，S1.1 中的滲水高度為 4.0mm，S1.2 為 4.5mm，S1.3 為4.3mm，S1.4 為4.3mm。滲水高度均很小，未超過 10mm。不同水泥同種配比的混凝土均能達到 P12 以上的抗?jié)B等級。這是因為大量的礦物摻合料改變了漿體細顆粒，并起填充作用，使硬化后的混凝土結構更加的密實，大大地提高了混凝土的抗?jié)B性。S1.1的滲水高度略低于 S1.2、S1.3 和 S1.4 的。這也充分體現(xiàn)了S1.1 試驗中的混凝土密實性較好。

表11 C30 混凝土抗?jié)B試件破型后滲水高度值

（2）抗硫酸鹽侵蝕性試驗

成型 5 組抗硫酸鹽侵蝕試驗試件，在 5% 硫酸鈉溶液中進行侵蝕試驗，S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 試驗中硫酸鹽侵蝕循環(huán)進行到 120 次時就已經(jīng)出現(xiàn)酥裂現(xiàn)象，掉角現(xiàn)象嚴重，不得不終止試驗，對循環(huán)后試塊進行石膏修補后進行抗壓強度試驗，以及對未循環(huán)的在標準條件下養(yǎng)護同齡期的試塊進行抗壓強度試驗，計算的抗壓強度耐蝕系數(shù)分別為 70%、75%。說明基本剛滿足高性能混凝土對抗硫酸鹽侵蝕性的要求。C2S2H 在完成水化的水泥凈漿中占 50%～60% 的固體體積，它是水泥石強度的主要來源，硫酸鹽侵蝕能導致 C2S2H的分解，C2S2H 的脫鈣分解主要是由于混凝土中 Ca(OH)2含量減少，pH 值降低，使 C2S2H 凝膠分解，放出氫氧化鈣以維持混凝土內部的堿度，因而也就使混凝土喪失了粘結性，強度降低，表面軟化。

（3）鋼筋銹蝕試驗

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的鋼筋銹蝕試驗，每個配比截取(299±1)mm 的ф8 的鋼筋各六根，進行酸洗、堿洗，烘干后稱重，涂丙酮后埋置在試模中，成型 S1.1、S1.2、S1.3 和S1.4 試驗中的 100×100×300mm3棱柱體試件，養(yǎng)護，拆模、進行標準養(yǎng)護 28d，后取出放入碳化試驗箱中 28d，從碳化箱中取出后再標樣 56d，進行破型，對鋼筋再進行酸洗、堿洗、烘干、稱重，計算鋼筋銹蝕失重率，其結果見表12。

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

從試驗中可以看出從 S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 混凝土中取出的鋼筋基本無銹蝕，這說明高性能混凝土密實性良好，在試驗周期內鋼筋鈍化膜沒有發(fā)生破壞，使鋼筋保持完好狀態(tài)。

（4）碳化性能試驗

本項目混凝土碳化試驗采用的是 400mm×100mm× 100mm 的試件，每組成型 3 塊，按 GB/T 50082—2009 中的規(guī)定進行養(yǎng)護，試驗。試驗結果如表13 所示。

表13 各 C30 混凝土混凝土的碳化深度 mm

從表13 可以看出 S1.1、S1.2、S1.3 和 S1.4 隨著齡期的增加，碳化深度在加大，但 28d 時的碳化深度仍小于 10mm，符合 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》中 T-Ⅳ性能等級，達到高性能混凝土對碳化性的要求。其中 S1.1 的混凝土抗碳化性最優(yōu)。

（5）抗凍融試驗

本項目混凝土碳化試驗采用的是 400mm×100mm× 100mm 的試件，每組成型 3 塊，按 GB/T 50082—2009 中的規(guī)定選用抗凍試驗中的快凍法進行試驗，試驗結果見表14 和表15 所示。

從抗凍試驗結果看出，300 次凍融循環(huán)后，S1.1 質量損失率為 3.0%，橫向基頻下降率為 23%，滿足大于等于F300 抗凍等級；S1.2 質量損失率為 3.6%，橫向基頻下降率為 27%，滿足大于等于 F300 抗凍等級；S1.3 質量損失率為3.6%，橫向基頻下降率為 26%，滿足大于等于 F300 抗凍等級；S1.4 質量損失率為 3.5%，橫向基頻下降率為 28%，滿足大于等于 F300 抗凍等級?？箖龅燃壎寄軡M足高性能混凝土的要求。S1.1 質量損失率最低，橫向基頻下降率最低。

3.3 混凝土試配及耐久性小結

（1）F2 水泥配制的混凝土各強度等級拌合物狀態(tài)的和易性、勻質性和穩(wěn)定性良好，能很好地滿足各種工程的施工需求。F4、F6、F2 添加助磨劑水泥配制的混凝土拌合物工作性略差，外加劑用量較高，從而反映得出 F4、F6、F2 添加助磨劑水泥配制混凝土時需水量大、與外加劑的適應性差的缺陷。

表12 鋼筋銹蝕失重率

（2）按優(yōu)化后的配比進行試配測試立方體抗壓強度，按抗壓強度數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土28d 抗壓強度達到設計值的 142%，C50 高性能混凝土 28d 抗壓強度達到設計值的 132%，C80 高強高性能混凝土 60d 抗壓強度達到設計值 127%，均能很好的滿足設計要求。F4、F6、F2 添加助磨劑水泥配制混凝土的 28d 抗壓強度達到設計值的130% 以上，同樣能滿足設計要求，但強度增長趨勢低于 F2水泥配制 C30 混凝土的。

表14 各 C30 混凝土質量損失率

表15 各 C30 混凝土橫向基頻下降率

（3）各 C30 高性能混凝土抗?jié)B等級均大于 P12，具有良好的抗?jié)B性能。F2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土滲水高度低于 F4、F6、F2 添加助磨劑水泥配制混凝土的，反映出其密實性略差的缺陷。

（4）F2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土比 F4、F6、F2 添加助磨劑水泥配制混凝土具有良好的抗鋼筋銹蝕性能，可用于地下水工鋼筋混凝土。

（5）各 C30 高性能混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能一般，不宜適合在有堿性環(huán)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 性能等級，達到高性能混凝土對碳化性的要求，具有優(yōu)異的抗碳化性能。F2 水泥配制混凝土的C30 高性能混凝土抗碳化最優(yōu)。

（7）各 C30 高性能混凝土抗凍性能達到 F300 的抗凍指標，均能滿足現(xiàn)行建筑設計的規(guī)范要求。同樣 C30 對比混凝土的抗凍性能也達到 F300 的抗凍指標。F2 水泥配制混凝土的 C30 高性能混凝土抗凍性最優(yōu)。

4 結論

本文通過控制確定水泥的參數(shù)，選擇的技術工藝由硅酸鹽熟料和適量優(yōu)質天然石膏組成，外加少量混合材料（優(yōu)質石灰石或粉煤灰，摻量 10% 左右）不添加助磨劑的前提下生產(chǎn)一定細度的水泥。試驗表明調整石膏的最佳摻量對水泥合理凝結時間起到非常重要的作用，少量優(yōu)質的混合材料能保證水泥穩(wěn)定性（標準稠度用水量為 23.5%～26%、強度穩(wěn)定、與外加劑的適應性良好）、勻質性，使相應技術指標滿足于生產(chǎn)和應用要求?；炷僚渲瞥浞掷玫V物摻合料，降低了混凝土中的水泥用量。選用優(yōu)質復合礦物摻合料來大摻量的取代水泥作為膠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較高的耐久性（碳化試驗、抗?jié)B水試驗、鋼筋銹蝕試驗、抗硫酸鹽侵蝕試驗、抗凍融試驗）。

[1] 吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土[J]．中國鐵道出版社，1999．

[2] 朱效榮．數(shù)字量化混凝土實用技術[M]．中國建材工業(yè)出版社，2016．

[3] 朱效榮，孫繼成等．多組分混凝土配合比使用手冊[M]．化學工業(yè)出版社，2009．

[4] GB 175—2007．通用硅酸鹽水泥[S]．

［通訊地址］寧夏銀川市賀蘭縣永勝東路 10 號 寧夏中測計量測試檢驗院（750000）

雷震（1970—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑材料研究檢測工作，院長。