水泥标准修订后对混凝土质量的影响

　　长期以来，建设工程的业主、设计、施工等各方对工程质量仅要求和注重强度，而忽视了混凝土结构的耐久性。生产技术水平虽不断提高，但是却有越来越多的人认为“越老的建筑物越结实”、“越新的建筑物越坏得快”。尽管人们因此而开始重视混凝土结构物的耐久性，而实践中仍将强度作为混凝土质量要求和验收的标准。尤其是近两年来，混凝土施工中高效减水剂与水泥相容性不好的问题发生得更多，高层建筑基础底板、地下连续墙和楼板甚至大梁开裂问题频频发生。有些施工单位反映“混凝土一上C40就裂”。其原因很复杂，涉及多方面。仅就技术而言，施工质量的控制（涉及施工管理技术水平、施工人员的素质等）、混凝土的原材料和配合比是影响工程质量的重要因素。但认识和解决这个问题却不仅是施工部门的事，需要业主、设计、施工、监理单位以至原材料供应方转变传统观念，不断更新知识，把混凝土结构物的耐久性视为工程质量的第一要求，共同探讨影响混凝土结构物耐久性的因素，以提高工程质量。

　　众所周知，就材料本身而言，混凝土的质量不只是配合比的问题。配合比是与原材料性质相匹配的，使用质量差的原材料很难做出高质量的配合比。目前只要求以试验室中混凝土小试件的抗渗性、抗冻融性、抗碳化性等作为耐久性的保证是与工程实际有距离的。实际上，影响结构混凝土耐久性最重要的因素是抗开裂的性能，而影响混凝土抗裂性的主要因素则是水泥（这里暂不谈骨料的因素），确切地说是胶凝材料的浆体。鉴于混凝土开裂的质量问题突出表现在水泥标准修订以来的近两年，所以有必要来探讨一下其间的关系。本文作者绝无意于得罪任何人，只希望引起讨论，并共同探讨事关百年大计的质量问题。

　　由于建筑业的需求，现代水泥的组成和细度发生了很大变化。美国在1920～1999年的70多年中水泥和混凝土主要参数变化的趋势是水泥中C3S含量、含碱量、SO3（与C3A匹配）、以比表面积表示的细度等增加，混凝土的水灰比减小。水泥的7d抗压强度增长了几乎2.5倍。近年来国外许多专家根据实际调查研究，对这种趋势提出了批评，指出当前混凝土结构不断增多的过早劣化现象与此趋势有关。“20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材料科学的基本规律，即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设可持续发展的混凝土结构这个目标，有必要更新一些观念和建设实践。”

　　我国水泥标准修订的方针是“与国际接轨”，且已按此趋势发展。回顾这段过程，分析其与混凝土结构耐久性的关系，会有助于我们更新观念，从关心强度转变为关心耐久性，从耐久性的角度评价水泥和混凝土的质量。

　　1　水泥标准修订的简单回顾

　　20年来，我国水泥标准进行过三次修订。第一次修订的标准于1979年7月开始实施，第二次1992年开始逐步实施，第三次即最近的一次1999年开始实施。各次修订的基本出发点都是“与国际接轨”（尽管前两次没有使用这个词，但实质相同），促进我国水泥生产工艺的改进和产品质量的提高。

　　第一次修订是将我国使用了20多年的“硬练”强度检验方法和标准改为“软练”强度和标准。这次变化较大，主要变化如表1所示。

　　由表1可见，这次修订水泥标准的结果是增加了熟料中的C3A和C3A含量，水泥细度从比表面积平均300m2/kg增加到平均330m2/kg，提高了水泥强度，尤其是早期强度，同时也提高了水化热。因检验强度的水灰比大幅度增加，减小了掺入矿物掺合料后强度的优势。

　　第二次修订后的GB175-92、GB1344-92等强调了水泥的早期强度，28d强度提高了2%，增加了R型水泥品种。该标准强化了3d早期强度意识，倡导多生产R型水泥，普通水泥的细度进一步变细，从筛析法的＜12%改为＜10%。

　　表1　水泥标准从“硬练”改为“软练”的主要变化④

　　　　②准稠度用水量；

　　　　③以GB175-77的确号和525号水泥为例，按统计计算；

　　　　④表内未列出成型方法、试模形状和尺寸等重要的变化。

　　GB175-1999、GB1344-1999等把强度检验的水灰比改为0.50，取消了GB175-92中的325号水泥。水泥的旨度进一步提高，迫使水泥石以提高C3S、C3A和比表面积来提高水泥的强度。某厂对21种来自不同厂家的熟料（包括“大水泥”和“小水泥”的）进行分析，C3S超过60%的有4个样本（占总样本的19%），超过58%的（含60%以上的）有10个（占47.6%），有17个样本的C3A含量超过10%，大部分水泥细度超过了350m2/kg。

　　从上述情况可见，我国水泥各有关参数和性质变化的历程和趋势与国外相似。特点是增加C3S、C3A，细度趋向于细，因而强度尤其早期强度不断提高。此外，20世纪70年代后期我国开始引进国外先进水泥生产的干法工艺，使水泥的含碱量提高，尤其是使用北方原材料的水泥含碱量普遍较高。GB175-1999对水泥中的含碱量进行了限制，但只是出于对预防碱骨料反应的考虑。这种变化的趋势虽然对混凝土提高早期强度有利，但却增加了混凝土的温度收缩及干燥收缩，再加上较低水灰比产生的自收缩，处于约束条件下的混凝土结构较大的收缩变形因高的早期强度而提高的早期弹性模时产生较大的应力，而高的早期强度又使能缓释收缩应变的途变很小，于是开裂成为必然。

　　以下分别分析上述几个因素对混凝土抗裂性的影响。

　　2　水泥的矿物组成

　　众所周知，硅酸盐水泥主要的组成矿物有四种，它们的水化性质不同，在水泥中所占比例不同时影响对水泥整体的性质。表2为水泥中四种主要矿物的水化热，表3为四种主要矿物的收缩率。

　　由表2、3可见，C3A的水化热是其他矿物水化热的数倍，尤其是在早期。C3S的水化热虽然比C3A小很多，但在3d时却几乎是C2S水化热的5倍，因其含量在熟料中约占一半，故影响也很大。C3A的收缩率是C2S收缩率的3倍，几乎是C4AF的5倍。因此C3A含量较大的早强水泥易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。

　　表2　水泥熟料四种主要矿物的水化热

　　3　水泥细度的影响

　　3.1　水泥细度对水泥与高效减水剂相容性的影响

　　目前我国混凝土尤其是中等以上强度等级的混凝土普遍使用高效减水剂和其他外加剂。当高效减水剂产品一定时，水泥的成分（主要是含碱量、C3A及其相应的SO3含量）和细度是影响水泥和高效减水剂相容性的主要因素。水泥细度的变化加剧了水泥与高效减水剂的相容性问题。近两年高效减水剂用户和厂家的纠纷时有发生，为此天津雍阳外加剂厂丘汉用不同细度的天津P·O525号水泥和拉法基P·O525号水泥分别掺入不同量的UNF-5AS，进行相容性试验。采用水灰比为0.29的净浆，分别在搅拌后5min和60min量测其流动度，结果如表4所示。

　　表4　高效减水剂与不同细度水泥的相容性试验结果

　　
　　由表4可见，随水泥比表面积增加，与相同高效减水剂的相容性变差，饱和点提高，为减小流动度损失需要增加更大掺量的高效减水剂。这样不仅增加了施工费用，而且可导致混凝土中水泥用量的增加，影响混凝土的耐久性。

　　3.2　水泥细度对强度的影响

　　在目前我国大多数水泥粉磨条件下，水泥磨得越细，其中的细颗粒越多。增加水泥的比表面积能提高水泥的水化速率，提高早期强度，但粒径在1μm以下的颗粒水化很快，几乎对后期强度没有任何贡献，倒是对早期的水化热、混凝土的自收缩和干燥收缩有贡献——水化快的水泥颗粒水化热释放得早；因水化快消耗混凝土内部的水分较快，引起混凝土的自干燥收缩；细颗粒容易水化充分，产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物。粗颗粒的减少，减少了稳定体积的未水化颗粒，因而影响到混凝土的长期性能。在美国1937年按特快硬水泥生产的水泥I与现今水泥的平均水平的组成和细度相当，当时采用这种快硬水泥的混凝土10年后强度倒缩了；而1923年使用粗水泥的混凝土，直到50年后强度还在增长。水泥细度还会影响混凝土的抗冻性。细水泥的易裂性可能与其低抗拉强度有关。

　　4　水泥中含碱量和开裂的关系

　　GB175-1999出于对预防碱骨料反应的考虑对水泥中含碱量进行限制。Burrows在美国佛罗里达的肯山坝对104种混凝土的面板进行了53年的调查研究，发现开裂严重的劣化了的混凝土中，有的水泥含碱量高，但所用骨料并没有碱活性；还有的使用高碱水泥同时所用骨料也有活性，但是检测的结果却没有碱骨料反应的产物，而混凝土却开裂而劣化了；低碱、虽高碱但低C3A和低C3S的水泥则完好。这表明碱能促进水泥的收缩开裂。用粗磨、低碱水泥时，引气混凝土可经受住550次冻融循环，但用细磨、高碱水泥则经受不住100次循环。

　　美国国家标准局对199种水泥进行了18年以上的调研，大量的发现是碱和细度、C3A和C4AF的因素一起极大地影响水泥的抗裂性。即使有相同水化率（强度）和相同的自由收缩，显然低碱水泥有内在的抵抗开裂的能力。当含碱量低于0.6%Na2O当量时，水泥的抗裂性明显增加，当进一步降低到趋向于0时，这种能力会进一步改善，尽管这一点是做不到的。

　　由于碱骨料反应必须在混凝土中具有足够的含碱量、足够数量的活性骨料和足够的水分供应三个条件同时存在的情况下才会发生，并不要求任何情况下都限制水泥的含碱量，但是，促进混凝土收缩裂缝的生成和发展以致造成混凝土结构物的劣化，却是高含碱量对混凝土更大的威胁。所以无论是否使用活性骨料，必须将水泥中的含碱量减少到最小。

　　5　讨论和建议

　　（1）众所周知，凡是能提高混凝土早期强度的因素，都会影响混凝土后期强度的增长，所以目前在配制混凝土时都有较大的强度富余，以期补偿这种后期强度的损失，这无疑会造成很大的浪费。现在看来，问题远比此更严重，早期的高强度所带来的后患是混凝土结构物提早劣化。因此，除非工程有特殊需要，应尽量避免使用早强水泥。

　　（2）混凝土早期高强度的需求促使了水泥向高C3S和高C3A、高比表面积发展，再加上低水灰比、高水泥用量、超细矿物掺合料的使用，造成在约束状态下的混凝土因温度收缩、自收缩、干燥收缩和较高的早期弹性模量而产生较大的内部应力，早期的低徐变无法缓解这种应力而产生早期裂缝；内部不可见的微裂缝在混凝土长期使用过程干燥环境中继续发展，是混凝土提早劣化的主要原因。

　　（3）高含碱量的水泥会生成抗裂性能差的凝胶，加重混凝土后期的干燥收缩，所以不论骨料是否有活性，都应当限制水泥和混凝土中的含碱量。

　　（4）建议对水泥和混凝土质量增加抗裂性的要求（国内外都已有对抗裂性评价方法的研究和使用）。

　　（5）建议对基础、高层建筑底（低）层柱等部位结构物的混凝土尽量延长验收期（如56d或90d），以尽量避免过高的早期强度。

　　（6）建议对不同强度等级和不同结构部位的混凝土分别建立不同的养护制度，以避免产生过多的体积不稳定的水化物。

　　（7）从耐久性出发，建议在混凝土中减少水泥用量，代之以抗裂性较好的矿物掺合料（如粉煤灰）。粉煤灰中的粗颗粒可在混凝土中起稳定体积的作用，故不必追求细度。碳会降低粉煤灰的抗裂性，故对粉煤灰重点应控制烧失量。