水泥细度变化及对混凝土影响研究现状

（一）水泥细度的发展变化

水泥生产企业以强度为水泥的质量控制标准，水泥中的矿物组成、混合材的种类和掺量以及粉磨细度的确定都要以水泥3d和28d强度为依据。我国的水泥标准的变化就是一个不断提高水泥早期强度的过程，近三十年以来，我国的水泥标准分别在1979年、1992年、1999年和2007年经历了四次修订。其中对水泥的物理性能和力学性能影响最大的一次是1999年的修订，主要是将我国使用了20多年的“硬练”强度检验方法和标准改为“软练”强度和标准，在表1中列出了1999年的水泥标准修订前后水泥指标要求和试验方法的几点主要变化。与1999年的水泥标准相比，2007年修订的主要的变化是新标准中对水泥混合材的掺量作了部分调整，取消了普通硅酸盐水泥中32.5强度等级；

表1近年来水泥细度与组成变化

 

         30年前的水泥最高强度只相当于目前的32.5级，并且标准中用来检测水泥强度的水灰比也在不断变大，水泥的实际早期强度要远远大于以前。为了满足市场中对水泥的需求以及标准中对水泥的要求，水泥强度不断增加，而提高水泥强度的技术路线主要是增加水泥中的早强组分和提高水泥的比表面积。其主要的特点是增加了水泥矿物成分中C₃A与C₃S的含量，细度趋向于更细，所以水泥的强度尤其是早期强度不断提高。此外，在上世纪70年代后期我国开始引进国外先进水泥生产的干法工艺，使水泥的碱含量提高，尤其是使用北方原材料的水泥含碱量普遍较高。最新修订的水泥国家标准“普通硅酸盐水泥（GB175-2007）”中要求水泥的细度（以比表面积表示）不小于300m²/kg，但是却没有规定水泥颗粒细度的上限值。

对水泥强度越来越高的要求和愈来愈细的水泥颗粒可能会引发一系列的混凝土结构上的问题，但目前尚未引起足够重视。目前在国内的水泥市场上，生产厂商为了片面追求经济效益，改变了水泥中熟料的组成比例，增加早强组分的量，将水泥颗粒磨细到远超过下限值的细度；或者将原本强度等级不合格的水泥进一步磨细，也使得实际生产中水泥细度远超过规定的下限值。除了水泥越来越细外，水泥品质变化的另一个趋势是C₃S和C₃A含量的提高。水泥熟料中矿物组成成分的变化对水泥性能也是不利的。表2的结果显示，C₃A的水化热，尤其是早期的水化热是其他矿物水化热的数倍。C₃S的水化热虽然比C₃A的小很多，但在3天时却是C₂S水化热的几乎5倍，因为C₃S的含量在熟料中约占一半，故影响很大；C₃A的收缩率是C₂S收缩率的3倍，是C₄FA的几乎5倍，因此C₃A含量较大的水泥虽然早期强度高但容易收缩开裂，影响后期强度。在国内，铁路建设行业已经注意到矿物组成中C₃A含量对水泥性能的不利，并对熟料中C₃A含量进行了限制。而其它的行业，包括交通行业建设中并未注意到C₃A含量所带来的问题。

表2水泥熟料四种主要矿物的水化热

 

            在美国，从上世纪30年代开始，水泥中的C₃S含量由30%提高到50%，水泥细度由允许大于75μm的颗粒含量为22%，降低到基本为零。70年后的今天，经调查发现，在1930年以前修建的桥梁有67%都能基本保持完好，而1930年之后修建的桥梁中，只有27%还能基本保持完好。日本近几年类似的例子更多。国内近年来处于交通建设的高峰期，很多的混凝土桥梁工程已经出现了裂缝等病害，甚至个别的还远未达到服役年限就已经需要拆除重建，这种情况应该与近年来水泥品质变化，包括水泥颗粒细度与组成成分的变化有很大关系。水泥颗粒过细及C₃S和C₃A含量提高，虽然可提高水泥的早期强度，但却会对混凝土的早期性能以及中长期性能产生诸多不利的影响，主要表现在以下几个方面：

（1）水泥颗粒过细，水泥早期水化热过分集中。由于桥梁工程结的构一般尺寸和体积较大，水泥颗粒过细将导致水泥水化速率加快，早期水化放热过多且过分集中，导致混凝土结构极易在早期产生温度差异裂缝。

（2）水泥颗粒过细，需水量愈大，使得混凝土早期干燥收缩变形趋大，更容易产生塑性收缩裂缝。

（3）水泥颗粒过细，混凝土的早期强度发展快，但混凝土后期强度发展潜力小，甚至产生倒缩，相当于对混凝土强度进行“拔苗助长”。

水泥颗粒相对较粗时，在满足28天的龄期设计强度要求后，混凝土后期强度还有相当大的发展空间。众所周知，在我国混凝土设计规范修订中，为了确保混凝土结构的安全性，现行有关混凝土桥梁结构规范的可靠度设计指标是通过对旧规范容许应力法或破损阶段法设计经验校准的基础上建立的，混凝土28天龄期后的强度增幅作为安全储备的重要部分隐含在设计规范中。现实中的水泥颗粒过细，虽然在3天和28天龄期的强度能满足设计强度等级要求，但实际上混凝土的中长期强度增长幅度趋小甚至出现强度的“倒缩”，导致实际结构的安全程度和抗御不利环境的能力大大降低。

水泥细度过大对混凝土性能的负面不利影响还包括：随着水泥颗粒细度的增大，混凝土徐变也随之增加，对预应力混凝土的结构不利；随水泥颗粒细度的增加，与外加剂尤其是高效减水剂的适应性变差。在实际工程中，为了增大流动度和减小流动度损失，需要增加混凝土中的水泥用量和掺加更多的高效减水剂，导致工程造价的提高。分析近年来由于混凝土的劣化导致的大跨度预应力混凝土连续刚构桥较普遍地出现箱体裂缝病害，与水泥的品质是息息相关的。

目前，国内外对水泥的质量研究以及对混凝土强度的研究大多集中在早期，而对混凝土的长期性能研究较少，对混凝土的长期强度的发展规律更是缺乏研究。而以上关于水泥的这些变化，对水泥和混凝土的早期强度有利，但是增加了混凝土的收缩开裂的风险，对混凝土的耐久性和后期强度不利。因此非常有必要密切关注水泥细度和组分对混凝土强度，特别是中长期强度增长规律的影响。

（二）水泥细度对混凝土性能影响研究现状

随着现代工业技术的发展和施工需要，工程中对混凝土的强度要求是越来越高。为适应这种需求，现代水泥的组成和细度都发生了很大变化。美国从二十世纪二十年代到九十年代的七十年间，水泥主要参数的变化趋势是水泥中C₃S的含量由30%增加到50%~60%、比表面积从220m²/kg增加到340~600m²/kg，水泥的7天抗压强度几乎增长了2.5倍。近年来，国内外的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的现象主要与此趋势有关。

在二十世纪混凝土工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，即裂缝的产生与耐久性之间存在的密切关系。为了实现工程建设可持续发展这个目标，有必要更新观念和建立新的建设理念。

对于水泥细度与混凝土工程质量之间的关系，国内廉慧珍等认为，混凝土早期高强度的需求促使了水泥细度向高比表面积方向发展，是混凝土过早劣化的主要原因。建明、肖军仓等人研究认为，水泥细度的提高，比表面积增大，混凝土拌合物达到一定流动度的所需用水量增加，高效减水剂的掺量增加。周立霞，Tsivilis等的研究认为，水泥比表面积的大小决定了混凝土强度的高低，水泥比表面积大，混凝土早期强度高；水泥比表面积小，混凝土后期强度大。周世华、蔡安兰、王国杰等的研究还认为，随着水泥比表面积的增大，混凝土的弹性模量以及线膨胀系数呈增长趋势，混凝土的干燥收缩增大且表面裂缝增多。黄竟成认为，当前混凝土是按强度进行设计，判断混凝土质量的最终标准主要是强度，促使混凝土生产厂家对水泥质量的要求也是强调强度，水泥强度越高，就认为水泥的质量也越好。如此的发展形式造成了近年来混凝土结构出现裂缝的现象日趋普遍，耐久性越来越差。

为解决现代工程中对强度的要求及水泥细度和混凝土长期性能的矛盾关系，可以对水泥自身的颗粒细度与颗粒级配在水泥生产与应用中进行调配。国外专家对此做了大量的研究与应用工作。A?tcin的研究认为，现代水泥的质量并不比30~40年前的水泥质量好，现在这些符合标准的水泥用于配置20~25MPa的混凝土时，被认为是安全的，但并不总是适合于生产高性能混凝土。Mehta指出，从混凝土的耐久性方面考虑，颗粒细的水泥并不一定比粗颗粒水泥具有优越性。此外，Bentz等对高性能混凝土的研究认为，粗水泥相对于细水泥来说，可以提供与细水泥相当的长期性能。并且就水泥颗粒分布对其水化的凝结时间、扩散系数、水化热、内部相对湿度发展和化学收缩做了研究。?ner研究了在矿渣水泥的生产中，将水泥熟料与矿渣分别磨细，熟料较细，矿渣较粗，然后再混合得到矿渣水泥。Erdogdu也进行了类似的试验。