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从混凝土角度讨论道路水泥的矿物组成 |
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类别：混凝土|生产技术
日期：2012-1-30
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王善拔 广州市建筑材料研究所(510030)
陈义兵 湖北武汉长江科学院(430010)
摘要 从影响混凝土的收缩和耐磨性的因素出发，讨论道路水泥的矿物组成。由于混凝土的干燥收缩只有水泥净浆的1/5，而耐磨性随着水灰比的降低而提高，因此过分追求道路水泥中的C4AF含量高和降低C3A含量并不能大幅度改善道路水泥混凝土路面的耐磨性和干缩性能，相反会给回转窑特别是预分解窑厂生产道路水泥带来困难。为此，建议适当降低道路水泥中C4AF和C3A含量的限制。
1 引言
随着国民经济的发展，交通运输部门要求更多的高等级公路。为适应混凝土路面施工的要求，我国研制、生产了道路硅酸盐水泥并制订了道路硅酸盐水泥标准。道路硅酸盐水泥标准规定其C4AF含量不小于16％，C3A不大于5％，这主要是为了满足水泥的收缩和耐磨性能的指标。然而这一规定似乎从水泥浆体的性能考虑较多，而从混凝土角度的考虑欠缺。作为建筑材料，水泥只是一种半成品，它最终必须制作成混凝土，以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中。因此，道路水泥的生产及其标准的制订也应从混凝土的角度加以考虑。本文拟在讨论影响混凝土收缩和耐磨性能的基础上，对道路水泥熟料矿物组成提出一点看法。
2 混凝土的收缩及其影响因素
混凝土的收缩主要有塑性收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩。
2.1 塑性收缩
塑性收缩是新拌混凝土失水引起的收缩。它的失水是由表面脱水而引起。新拌混凝土颗粒之间的空间完全充满水，当受高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度等因素作用时，水从浆体内部向表面移动，从表面脱水，这时，产生毛细管负压力，随着失水增加，毛细管负压逐渐增大，产生收缩力，使浆体产生收缩。当收缩力大于集体的抗拉强度时，就会使表面产生开裂。
图1 水泥净浆、砂浆和混凝土的24h塑性收缩〔1〕
图1为水泥净浆、砂浆和混凝土在浇灌后24h的塑性收缩，实验条件为温度20℃、相对湿度50％、风速1m/s。从图1可看出，水泥净浆、砂浆和混凝土24h塑性收缩分别为6.6mm/m、4.4mm/m和1.8mm/m，说明集料对混凝土早期的塑性收缩有抑制作用。从图1还可看出，水泥净浆、砂浆和混凝土早期塑性收缩最大速率发生在1～4h，此后收缩平缓。因此在收缩速率发生的时期采取保护措施对避免混凝土的塑性收缩裂缝很有必要。例如，在上述试验条件下，在混凝土梁上铺设2cm厚的1∶1砂浆，在20min时出现收缩裂缝，而1∶2的砂浆在1h10min出现收缩裂缝，而1∶2.5的砂浆则不开裂。对于混凝土，采取人工保持混凝土表面潮湿可避免水分的蒸发而防止收缩裂缝的出现。另外，使用高标号水泥，减少水泥用量而增加集料用量可以减少混凝土早期塑性收缩。
据认为〔1〕，影响混凝土塑性收缩的主要因素是风速、相对湿度、气温和混凝土本身的温度。高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度将使混凝土的失水加剧，从而增加塑性收缩。据报导，2cm厚的纯波特兰水泥净浆条板，在温度为20℃、相对湿度为50％的条件下，无强制通风8h，其收缩率为1700×10-6，而风速为0.6m/s、1m/s的条件下经过8h，其干缩率分别为6000×10-6和7300×10-6，这说明风速增大使水泥浆体的收缩增大。R.Dutron的实验〔1〕也证实此结果，他还提出，当风速为7～8m/s、气温为20℃时，收缩为14000×10-6，而100℃时为19000×10-6，说明温度提高，收缩增大。对于混凝土来说，其水泥用量和水灰比对其塑性收缩影响很大，水泥用量为200kg/m3、350kg/m3和500kg/m3的混凝土，其收缩率分别为800×10-6、1600×10-6和2300×10-6;水灰比为0.45、0.50、0.55和0.60的混凝土，其早期收缩率分别为1000×10-6、1530×10-6、1600×10-6和1350×10-6(注:原文如此)。从这些数据我们可以看出，降低环境风速，降低温度和提高相对湿度，减少水泥用量而增加集料用量，降低水灰比等措施均有利于减少混凝土的塑性收缩。混凝土的塑性收缩在夏季最为严重。据认为〔1〕，若混凝土表面脱水速率超过0.5kg/(m2·h)，则失水将大于渗出水到达混凝土表面的速率，并造成毛细管负压，引起塑性收缩。若蒸发速率超过1.0kg/(m2·h)，需采取预防开裂的方法。最常用和有效的方法是确保混凝土完成抹面并开始养护前一直保持湿润。
从上述结果看出，混凝土的收缩裂缝不一定来自于材料本身，而可能来自混凝土的施工。特别是道路混凝土路面，其表面积与体积比较大，暴露于大气中的表面积大，更容易产生早期塑性收缩裂缝。根据我国道路水泥混凝土路面的施工经验，加强初期(7d内)的潮湿养护和及时(在混凝土强度为6～12MPa时)切缝是防止道路混凝土路面早期裂缝的有效措施。
2.2 化学减缩
化学减缩主要是无水熟料与水起化学反应，使固相体积逐渐增加而水泥—水体系的总体积逐渐减少的缘故。具体地说是由于水化前后反应物和生成物的平均密度不同所引起。如果进一步分析，则可认为是水泥与水起化学反应过程中，原来的自由水成为水化产物的一部分，使它的比容由原来的1cm3/g变成0.737cm3/g的缘故(笔者注:指硅酸盐水泥化学结合水的比容，早期的文献认为是0.75cm3/g)，化学减缩作用与化学结合水之间有直线关系，文献〔3〕认为:
Wn=KΔW (1)
式中:Wn——化学结合水量，g/100g水泥;
ΔW——化学减缩量，ml/100g水泥;
K——常数，对硅酸盐水泥K≈4。
(1)式可改写成
ΔW=Wn/K=Wn/4=0.25Wn (2)
也就是说，硅酸盐水泥的化学减缩量约为化学结合水的25％。因此可以认为，化学结合水量大的水泥，其最终化学减缩量也大。硅酸盐水泥不同龄期的化学减缩量与其矿物组成有关，因为不同的单矿在不同龄期的化学减缩量不同。文献〔2〕认为，C3S、C2S的化学减缩分别占原有绝对体积的5.31％和1.97％;C3A与水反应生成C3AH6时化学减缩占原有绝对体积的23.7％，而与CaSO4·2H2O作用生成3CA·3CaSO4·31H2O时化学减缩只有6.15％。Copeland〔2〕对水化1年的硅酸盐水泥化学结合水的研究表明(W/C=0.4)，C3A、C3S、C2S和C4AF的化学结合水分别为42.9％、22.8％、16.8％和13.2％，从1年化学结合水来看，化学减缩的顺序是C3A>C3S>C2S>C4AF，这似乎与这些单矿对水泥的收缩影响相符。文献〔3〕认为，水化28d化学减缩的顺序为C3A>C4AF>C3S>C2S，它们28d化学减缩分别为17ml/100g、9.0ml/100g、5.2ml/100g和1.2ml/100g。这些数据均说明，C3A的化学减缩量最大，而在水泥的干缩试验中，C3A收缩最大，这与化学减缩是否有内在联系?值得深入研究。当水泥硬化时所产生的化学减缩，可发生两种结果。当在空气中凝结硬化时，或在体系中生成一些气孔，或者引起外表体积收缩。事实上二者常常是同时发生。当在水中养护时，则自外面吸入水分，若再干燥则水分蒸发，同样会使体积收缩。
2.3 干燥收缩
混凝土干燥收缩的影响因素很多，本文仅就材料性能方面的影响因素进行讨论。
2.3.1 水泥浆体对混凝土收缩的影响
有些文献〔4〕认为，水泥的性能和细度、化学组成等对水泥收缩值有影响，但对混凝土的收缩影响不大。有些文献甚至认为，矾土水泥配制的混凝土比普通硅酸盐水泥配制的混凝土收缩快得多，但长龄期收缩值基本相同。笔者认为，尽管各种混凝土收缩的最终值可能差别不大，但在早期，由于收缩的速率不同，C3A含量较多的混凝土在早期(比如1d、3d、7d乃至28d)的收缩还是比C3A含量少的水泥混凝土收缩值大，而混凝土的裂缝多在早期产生，因此在考虑道路水泥混凝土用的水泥时，还是以C3A含量低些的水泥为好。
2.3.2 混凝土的质量
混凝土的性质中影响最大的是集料的用量及其刚性，还有水灰比。
集料对混凝土起着限制收缩的作用，假定集料本身不收缩且集料和水泥均为弹性体，则混凝土收缩率与水泥石收缩率的关系如(3)式〔4〕:
εc=εp(1-Va)n=εpVpn (3)
式中:εc——混凝土的收缩率;
εp——水泥石的收缩率;
Vpn——水泥石的体积率;
Va——集料的体积率;
n——与集料弹性性质有关的常数，n=1.2～1.7。
图2 集料含量对混凝土相对收缩率的影响〔5〕
图2为集料含量对混凝土相对收缩率的影响。从图可见，随着集料含量的增加，混凝土的干缩值减小。另外，混凝土的收缩只有水泥净浆的20％左右，文献〔6〕认为，在一般情况下，水泥浆的收缩值为285×10-5m/m，而混凝土的极限值收缩值为50×10-5～55×10-5m/m，在一般工程设计中采用的混凝土收缩值为0.15～0.2mm/m。从图2还可以看出，增加集料用量可降低收缩率，通过混凝土工艺也可降低混凝土收缩率。另外，弹性模量低的集料使混凝土的收缩比弹性模量高的集料的混凝土收缩值大。Troxell〔7〕发现，用石英和石灰石骨料的混凝土，其23年收缩值分别为550×10-6m/m和650×10-6m/m，而砾石和砂石的混凝土，其干缩值分别为1140×10-6m/m和1260×10-6m/m。
水灰比对混凝土的收缩影响也很大。图3为水灰比对混凝土收缩率的影响。从图3可见，不管集灰比如何，凡是水灰比大者，其干燥收缩率均大。例集灰比为5时，水灰比从0.4分别增大至0.5、0.6和0.7，则其干缩率从400×10-6分别增大至600×10-6、750×10-6和850×10-6;而集灰比为6的混凝土，其干缩率则从300×10-6分别增大至400×10-6、550×10-6和650×10-6。因此减少水灰比是减小混凝土干缩率的重要途径。
图3 水灰比对混凝土干缩率的影响(根据文献〔4〕数据)
周围环境的相对湿度对混凝土的收缩值也有很大影响。图4为环境的相对湿度对混凝土收缩值的影响。从图可见，环境的相对湿度小则混凝土的收缩值大。
图4 环境相对湿度对混凝土干缩值的影响〔7〕
混凝土的几何形状对混凝土的失水速率和干燥收缩的速度也有很大影响，失水速率随着混凝土体积与表面积的比率的增大而减小。
2.4 碳化收缩
碳化收缩是大气中的CO2在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成CaCO3、硅胶、铝胶和游离水而引起的收缩。产生收缩的原因在于这些游离水的蒸发。
关于碳化收缩的机理尚未完全清楚。有人认为，可能是由于水化产物被碳化，引起浆体结构解体所致。笔者认为，碳化收缩主要是碳化作用所产生的游离水蒸发所致。碳化作用必定产生游离水，这些游离水蒸发时产生毛细管张力，从而引起浆体收缩。而碳化作用则是CO2的存在使水泥浆体孔液的pH值降低，消耗了孔液中的OH-离子。因此水化产物必须释放出OH-到孔液中，使孔液OH-浓度保持一定值，即要使孔液保持一定pH值才能使水化产物平衡存在。若CO2使孔液中OH-浓度值小于某一水化产物保持平衡存在所必须的pH值，则反应产物将分解。例如，钙矾石平衡存在的pH值为10.8，若由于CO2的作用使孔液pH值低于10.8，则有一部分钙矾石必须分解出一部分OH-进入孔液，使孔液保持pH=10.8;若CO2不断作用，则钙矾石最终分解。碳化作用其实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。而碳化收缩则是由于碳化作用新增的游离水的蒸发引起。但浆体在充分干燥和水饱和的场合都不易产生碳化作用。因为在完全干燥的场合毛细管水已蒸发，CO2无法在毛细管中形成碳酸，因此无法与水化产物直接作用，当然也就不会产生碳化收缩。而在水饱和的状态下，CO2很难进入毛细孔内，也无法在毛细管内形成碳酸。正因为如此，碳化作用和碳化收缩均发生在混凝土的表面。据报导，对碳化收缩影响最大的是相对湿度。对于先干燥再碳化的浆体，在环境相对湿度50％时碳化收缩最大;而干燥和碳化同时进行的，则在相对湿度25％左右有最大的碳化收缩值。至今尚未见到有关水泥熟料矿物组成对碳化收缩影响的报导。估计在硅酸盐水泥熟料的矿物组成范围中，各矿物含量的变化可能对碳化收缩没有多大影响。
3 混凝土的耐磨性
水泥浆体的抗磨性并不好。混凝土的抗磨性主要取决于水灰比和集料的硬度。图5为水灰比对混凝土抗磨性的影响。从图5可见，随着水灰比增大，混凝土的抗磨性下降，因此低水灰比而高强密实的混凝土的耐磨性应该比较好。凡是能提高混凝土强度的因素均应是提高混凝土耐磨性的措施。据文献〔8〕报导，用C135修筑的混凝土路面的寿命是C55的4倍。挪威用C85混凝土修筑高速公路与普通混凝土相比，耐磨性有成倍的提高。因此对混凝土路面，为提高其耐磨性，应想办法提高混凝土强度，而不一定要过分追求水泥熟料中C4AF含量。降低水灰比和掺加超细粉同样可使混凝土密实而提高其耐磨性。
用耐磨性集料也可提高混凝土的耐磨性。
图5 水灰比对混凝土抗磨性的影响〔5〕
为了获得耐磨性良好的混凝土表面，美国ACI201委员会曾建议，在任何情况下，混凝土的抗压强度都不小于4000psi(相当于28MPa)，并且认为，用低水灰比、正确级配的粗细集料以及合适的养护条件、最小空气含量等可获得合适的强度。他们还认为，就提高混凝土耐磨性而言，应减少混凝土的浮浆软弱层，建议延迟至表面不再泌水后再抹平和抹光表面。
关于C3A和C4AF对水泥耐磨性的报道，普遍认为C4AF含量高，水泥的耐磨性好，但在潘刚华等人的研究中〔9〕却看不到这种规律。表1为他们的研究结果。
从表1可以看出，江南水泥厂的525OPC、龙潭水泥厂的525PC、江南水泥厂的525K、淮海水泥厂525PC和光华白水泥厂425OPC(PC—硅酸盐水泥、OPC—普通硅酸盐水泥、K—矿渣水泥)的C3A含量分别为4.81％、4.65％、4.81％、8.95％和13.64％，而C4AF含量分别为16.72％、14.64％、16.72％、10.59％和0.49％，但用它们制成的混凝土的28d磨耗量分别为0.334g/cm2、0.390g/cm2、0.396g/cm2、0.406g/cm2和0.345g/cm2，其数值差别不大。如果一定要从磨耗值考虑，那么，含C4AF只有0.49％的光华白水泥厂的425PC，其耐磨性优于淮海、龙潭和江南水泥厂的525PC、OPC和江南的525K，但比江南水泥厂的525PC稍差。看来，对水泥的耐磨性来说，熟料C4AF含量是很重要的因素。但从混凝土耐磨性角度考虑，提高水泥熟料中C4AF含量并不是唯一的有效途径。
表1 几种水泥混凝土的收缩与耐磨性〔9〕
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名称 |
C3A含量(％) |
C4AF含量(％) |
混凝土收缩率(％) |
混凝土磨耗(g/cm2) |
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1d |
3d |
7d |
28d |
60d |
|
江南525PC |
4.81 |
16.72 |
－0.0019 |
－0.0048 |
－0.0079 |
－0.0111 |
－0.0123 |
0.334 |
|
淮南525PC |
8.95 |
10.59 |
－0.0018 |
－0.0056 |
－0.0124 |
－0.0159 |
－0.0148 |
0.406 |
|
龙潭525PC |
4.65 |
14.64 |
－0.0019 |
－0.0039 |
－0.0098 |
－0.0142 |
－0.0147 |
0.390 |
|
江南525K |
4.81 |
16.72 |
－0.0009 |
－0.0012 |
－0.0030 |
－0.0134 |
－0.0160 |
0.396 |
|
光华425PC |
13.64 |
0.49 |
－0.0023 |
－0.0054 |
－0.0099 |
－0.0139 |
－0.0156 |
0.345 |
4 从混凝土性能角度讨论道路水泥熟料的矿物组成
我国现行的道路水泥标准GB13693—92规定，道路水泥熟料中C3A含量不得大于5.0％，C4AF含量不得小于16.0％。其目的是确保水泥胶砂28d干缩率小于1.0％，其磨耗量不大于3.60kg/m2。
C3A增大水泥的干缩而C4AF提高水泥的耐磨性这是众所周知的事实。但这只是对水泥浆体而言。水泥只是生产混凝土的原料，只是一种半成品。水泥的干缩率和耐磨性影响到混凝土的干缩率和耐磨性。但由于骨料的存在，水泥浆体的干缩受到限制，其耐磨性也与混凝土的W/C等因素有很大关系，因此在考虑道路混凝土的干缩和耐磨时，不能单从水泥熟料矿物组成考虑，而应从混凝土角度综合考虑。从上面的讨论可以看出，混凝土的干缩和耐磨性能与集灰比(也就是单位混凝土的水泥用量)和W/C有关，因此在制定道路水泥标准中似乎不宜过分强调C3A和C4AF含量的限制，事实上，从水泥生产角度以下诸方面同样可减少混凝土的干缩和磨耗率。
4.1 生产高强水泥
由于混凝土的干缩率是混凝土中水泥浆体体积的函数，因此减少混凝土中的水泥浆体体积可减少混凝土的干缩率，图6为混凝土中水泥用量对干缩率的影响。从图可见，水泥用量增大，混凝土收缩值大。如果我们能生产出高强水泥，则可减少混凝土中的水泥用量，从而减少混凝土的干缩。
图6 水泥用量对混凝土收缩的影响〔7〕
另外，笔者在八十年代出口的五羊牌水泥的一些数据〔10〕中发现，湘乡、大连、南平、柳州、英德、华新、广州等硅酸盐水泥的熟料标号平均值为56.9MPa，标准稠度需水量平均值为23.9％，其28d的平均干缩率为0.096％，小于道路水泥标准规定的0.10％。其28d磨耗率平均值为1.23％，只略高于道路水泥标准规定的等效数值1.20％(道路水泥规定为磨耗量:≤3.60kg/m2，相当于磨耗率≤1.20％)。
4.2 提高硅率，生产硅酸盐矿物多而熔剂矿物少的水泥
C3A含量高的水泥，其标准稠度需水量大，C4AF含量高的水泥浆体耐磨性好，因此在道路水泥中应尽量减少C3A含量而增大C4AF含量，此思路无疑是正确的。但这并不是减少水泥标准稠度需水量提高耐磨性的唯一途径。提高硅酸盐水泥熟料的硅酸率，增加硅酸盐矿物特别是C2S含量而减少熔剂矿物同样可达到此目的。一般说来，回转窑特别是预分解窑的熔剂矿物少而C2S含量较高，其标准稠度需水量要比立窑的少些。例如珠江水泥厂的水泥标准稠度需水量只有24.0％甚至更低，此数值低于许多立窑的道路水泥标准稠度需水量。笔者曾对江南水泥厂、苏州第二水泥厂等17家工厂生产的425和525道路硅酸盐水泥以及普通道路硅酸盐水泥的标准稠度需水量〔11〕进行统计，发现其标准稠度需水量的平均值为24.3％，其中江南水泥厂、苏州第二水泥厂等4家生产的525道路硅酸盐水泥标准稠度需水量的平均值为23.87％，与珠江水泥厂的相近。预分解窑配料一般采用高铝率方案，C3A含量远高于道路硅酸盐水泥，为什么其标准稠度需水量与后者相差无几?笔者认为，这与预分解窑采取中饱和比高硅酸率配料有关。由于采用中饱和比高硅率高铝率的配料方案，尽管需水量大的C3A含量增加，但标准稠度需水量最少的C2S含量增加，加上需水量居第二、第三位的C3S和C4AF含量减少，从整体上看，预分解窑生产的水泥标准稠度需水量并不比道路硅酸盐水泥增大。标准稠度需水量的减小显然有利于减少浆体的干缩和耐磨性的提高。
4.3 提高煅烧温度和快速冷却
在道路硅酸盐水泥标准中规定了熟料中C3A和C4AF的含量。其实这里所规定的C3A、C4AF含量仅是从化学组成计算而得的潜在矿物组成。熟料中的C3A和C4AF实际含量会随熟料煅烧制度主要是煅烧温度、保温时间和冷却速度而变化。钟景裕〔12〕发现，随着煅烧温度提高，含铝相减少，水泥的诱导期延长。笔者〔13〕的研究中也发现，高温煅烧的含氟熟料，其含铝相比低温时的少，而铁相固溶体增加。这是因为煅烧温度提高使液相粘度降低，有利于Al2O3溶进铁相，形成C6A2F，这样铁相就增加，剩余下来生成含铝相的Al2O3就减少了。煅烧温度的提高还可能使A矿和B矿中固溶的Al2O3增加，从而减少含铝相。据文献〔2〕介绍，A矿中固溶的Al2O3为0.70％～2.47％，B矿中固溶的Al2O3为1.10％～1.88％。若以熟料中A矿50％、B矿25％计，那么固溶进A矿和B矿的Al2O3就可达0.58％～1.88％，相当于C3A含量减少了1.54％～4.98％。此外，MgO、CaF2、ZnO等微组分的存在也会降低液相粘度而有利于C4AF向C6A2F转变，减少熟料中C3A含量而增加铁相固溶体含量。因此，熟料中C3A的实际含量总是比化学组成计算得的潜在矿物组成含量要少。延长煅烧时间也会使C3A含量减少而铁相固溶体含量增加。
快速冷却也可减少C3A含量。因为C3A和C4AF是在熟料冷却过程中从液相中结晶出来的。快速冷却可使C3A和C4AF中有一部分以玻璃体的形式存在。J.Stark等〔14〕对KSt=80.5、SM=2.4、IM=2.4的水泥熟料研究表明，当冷却速度从20K/min提高至1000K/min时，熟料中C3A含量从15％下降到10％。
就高温煅烧和快速冷却的条件而言，预分解窑比立窑乃至大部分湿法窑和预热器窑均为优越。由于预分解窑入窑生料分解率已达85％～90％，故窑内主要是承担烧成任务，而烧成阶段硅酸二钙与氧化钙生成硅酸三钙的化学反应，热效应几乎等于零(微吸热反应)，加上入窑二次风温度高，因此窑内物料受热温度高也就是煅烧温度高。徐德龙等〔15〕用计算机对Φ4.5m×60m的旋风预热器窑和Φ4.5m×60m的预分解窑内气体温度、物料温度、窑壁温度等沿窑长的分布进行计算，发现预分解窑内物料最高温度比旋风预热器窑的高100℃。由于旋风预热器窑入窑生料碳酸钙分解率已达40％，因此有理由认为预分解窑内物料煅烧温度比湿法窑更高。
另外，预分解窑窑内几乎无冷却带，熟料的冷却全都在篦式冷却机中进行。熟料离开预分解窑时的温度达1300℃，此时液相仍存在，进入篦式冷却机时受高压空气骤冷，使一部分C3A以玻璃体形式存在。因此，我们有理由认为，在熟料化学成分完全相同的情况下，预分解窑熟料中的C3A实际含量很可能比其它窑型的低，而铁相固溶体实际含量很可能比其它窑型的高。遗憾的是，在以往对道路水泥的研制和标准的制订过程中，缺乏对预分解窑熟料的研究。以往对干缩性和耐磨性的研究中，以立窑熟料居多。今后，在道路水泥的研究中，应把预分解窑熟料也考虑进去。
4.4 减少熟料中的碱含量或使之硫酸盐化
众所周知，碱使硅酸盐水泥标准稠度需水量增大，凝结加快，早期强度高但28d强度降低。琉璃河水泥厂干法中空窑生产的熟料〔16〕，碱含量为1.3％～1.6％时标准稠度需水量为26％～28％，碱含量增加到1.7％～2.0％时标准稠度需水量增加到32％～33％。标准稠度需水量的增加必然导致水泥浆体干缩增大和耐磨性下降。Blain认为，含碱较高会导致水泥净体收缩较大。张大康〔17〕发现，含碱较高的熟料，其安定性试验的试饼发生干缩裂纹，甚至弯曲、崩溃，影响体积安定性。而在石灰石中掺入一定石膏后煅烧的熟料，使碱硫酸盐化，则安定性改善。瞿修平〔18〕用含NaOH的水拌和某水泥并在100％的相对湿度中养护，发现水泥浆体在早期是收缩而不是湿膨胀，并且收缩随着NaOH浓度的增加而增大，而用纯水拌和的水泥净体则产生膨胀。碱的存在还会导致水泥浆体的耐磨性下降。刘涛〔19〕的试验表明，随着熟料碱含量的增加，水泥浆体的耐磨性下降，见图7。他把浆体耐磨性的下降归因于强度的下降。此结果与耐磨性随水灰比增大而下降的结论相符。据此，笔者认为，在道路硅酸盐水泥的生产中应尽量采用碱含量低的原料并在熟料煅烧中使之硫酸盐化，以硫酸碱的形式存在，使碱对熟料性能的有害作用减少到最低的程度。
图7 熟料中碱含量对水泥浆体耐磨性的影响〔19〕
4.5 适当放宽道路硅酸盐水泥熟料中C3A和C4AF含量的规定
从以上讨论可以看出，混凝土的干缩率只有水泥净浆的 ，混凝土的耐磨性随水灰比的降低而提高，影响混凝土干缩率和耐磨性的主要因素是水灰比和单位体积混凝土的水泥用量，而影响水灰比和水泥用量的因素并非只是C3A和C4AF含量。综合诸多因素考虑，建议放宽道路硅酸盐水泥熟料中的C3A和C4AF的含量，以利于道路水泥的生产和推广应用。究竟应放宽到多少?应通过研究来确定。
5 结语
(1)影响混凝土干缩率和耐磨性的主要因素是混凝土的水灰比和单位体积混凝土的水泥用量。一切降低混凝土水灰比和水泥用量的措施均有利于提高混凝土的耐磨性和减少干缩率。
(2)降低C3A含量和提高C4AF含量是提高水泥浆体耐磨性、减少干缩率的重要措施，但它不是减少混凝土干缩率提高耐磨性的唯一措施。生产高标号水泥从而减少混凝土中的水泥用量以及减少水灰比等措施也有利于混凝土耐磨性的提高。在水泥生产中，硅酸二钙含量高而熔剂矿物少的水泥同样有利于减少浆体和混凝土干缩率，提高其耐磨性。
(3)水泥中的碱使水泥标准稠度用水量增加、收缩增大和耐磨性降低。道路水泥中的碱含量应尽量降低并使之硫酸盐化。
(4)在充分而深入研究的基础上，适当放宽对道路硅酸盐水泥熟料中C3A和C4AF含量的规定。
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