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摘要:水泥在现代混凝土中扮演着重要角色，目前水泥存在着细度过大、早期强度高和水化放热量偏大、混合材料品种和含量混乱、熟料中C3A含量偏高、碱度偏高等问题，表述了水泥标准规范与技术应用体系的关系。大量使用矿物掺合料是客观事实和发展趋势，水泥作为目前混凝土材料中的重要角色，尽管在混凝土中用量趋于减少，但仍旧对混凝土强度以及各项性能起到不可替代的重要作用，仍然是现代混凝土的重要组成。水泥目前存在的问题对混凝土收缩与开裂现象不可忽视。本文阐述了水泥的发展现状，分析了水泥产生以上问题的原因和对现代混凝土体积稳定性的影响，现代混凝土的体积稳定性对现代混凝土结构耐久性非常重要。
关键词：水泥；现代混凝土；细度；收缩；体积稳定性
一、水泥目前存在的问题及原因
在水泥与混凝土行业快速发展的今天，充分了解水泥目前的问题以及水泥为什么会出现这样的问题，对于水泥行业和混凝土行业都十分重要。在目前水泥出现的问题基础上，结合水泥发展的实际情况，分析水泥出现问题的原因，也为日后有针对性地通过各种方式解决问题提供了思路。
1.1水泥存在的问题
1.1.1水泥细度
目前用于表征水泥细度的指标有一定筛孔尺寸的负压筛筛余、比表面积和激光粒度分布这三个方面。邹波的研究表明，水泥的工作性能与水泥的颗粒分布密切相关，单一的比表面积或指定筛孔筛余的控制方法，已不能满足了解水泥粉体中不同粒径分布情况的要求。但目前我国很多水泥企业控制生产仍仅按照国家标准停留在筛余和比表面积控制上，很少注重水泥颗粒的级配，认为水泥磨得越细水化越快而且越充分，提高水泥强度就是把比表面积磨到很高，却忽略了高比表面积水泥的需水量增加，与外加剂的相容性变差，混凝土坍落度损失增大，水泥水化热也增大，混凝土开裂敏感性增大，更严重的是会导致混凝土结构的耐久性降低。
水泥的细度方面存在观点不一致的情况，关于水泥最佳性能的颗粒级配研究认为小于3μm的颗粒不应超过12%，而符合紧密堆积的Fuller曲线的水泥颗粒级配。要求小于3μm颗粒应达到29%张大康对此的解释是，对混凝土性能有不利影响的是小于3μm的熟料颗粒，而熟料颗粒分布应较窄，应将熟料与混合材分开粉磨，由良好颗粒分布的混合材磨细到3μm以下填充Fuller曲线，达到水泥的最佳颗粒级配。
1.1.2水泥混合材料
近年来，随着工程建设跨越式发展，混凝土产量激增，优质掺合料用量急剧增大，导致用于水泥中的品质较高的混合材资源日益紧缺。所以水泥生产中存在混合材出现品质不达标、以次充好、品质良莠不齐的现象，也存在混合材品种过于杂乱的问题。同时，我国混合材资源分布不均，例如部分地区没有粉煤灰可用，有些地区又会出现粉煤灰过剩的情况。这些问题严重影响了通用硅酸盐水泥的生产质量和应用，威胁到市场秩序，应引起足够重视。
很多水泥厂为了降低成本，在水泥中降低熟料比例，掺入过多混合材料，使水泥熟料间的颗粒增多，表现为分散作用大于填充作用，使强度不增反降。发现我国水泥品质与国际水泥平均品质相比，具有熟料含量较少、混合材掺入量较多、强度较低的缺陷，超过国家标准规定多掺混合材的情况普遍存在；隋同波[18]从技术的角度分析，初步判断水泥混合材的种类和掺量超标是主要因素；认为水泥生产过程中存在黑障区，即混合材料的掺量和成分不确定，推行一体化胶凝材料，并将粉体减水剂一并引入到胶凝材料中去，能有效解决黑障区的问题。
目前，水泥混合材的加入方式也引起争论，是在水泥生产过程中加入混合材还是在水泥使用过程中掺入混合材/矿物掺合料，在控制混凝土质量优劣与满足用户需求等问题上也存在明显分歧的观点。
1.1.3水泥与外加剂相容性
水泥中的成分会对减水剂相容性有较大影响。水泥中的可溶性碱可导致水泥与外加剂的相容性变差，降低外加剂的塑化效果，增大混凝土坍损。水泥中不明种类和掺量的混合材同样也会使外加剂相容性变差，多孔混合材可能会吸附更多外加剂，导致外加剂不能很好地发挥相应效果，使混凝土匀质性变差，易发生开裂，影响混凝土的体积稳定性。减水剂生产厂家众多，生产减水剂的品种、工艺、配方、合成与复配条件等均不相同，尤其是市场中用量较大的聚羧酸盐类减水剂更是对不同水泥选择的差异化十分明显。水泥和减水剂相互之间没有普适的相容性，性能指标都合格的情况下也会出现与外加剂相容性差异很大的问题，其中双方甚至和商混站三方会将出现外加剂不相容问题的责任相互推诿。
1.1.4水泥熟料C3A含量
杨文科[12]认为，水泥中的C3A含量对混凝土的初凝和终凝都产生很大的影响。C3A含量高的水泥，使混凝土凝结时间缩短，失水加快。特别是对混凝土前3d产生收缩裂缝影响很大。C3A含量超过8%的水泥，凝结时间较快，与减水剂的适应性很差，经常使混凝土产生假凝现象，更容易使混凝土结构在早期产生更多的裂缝。李飞[22]等人通过试验发现，水泥中C3A的比例越大，减水剂的分散效果越差。刘东旭[23]的研究表明，水泥中的C3A含量过大，易增加混凝土的坍落度损失，同时还会增加混凝土的塑性开裂和硬化后早期开裂的风险。随着C3A含量的增大，吸附外加剂量也变大，外加剂作用损失也就增大，易导致外加剂与水泥的适应性变差。
二、水泥存在问题的原因
水泥越来越细，是为了能加入更多的混合材，将同等熟料含量的水泥颗粒磨得更细，降低熟料比例，降低成本，同时为了强度的保证，将C3A、C3S含量提高，使水泥颗粒水化速率变快，强度发展更快，导致早强度过高，3d强度甚至经常大于30MPa，28d强度有保证。也就是说水泥存在问题的根本原因是水泥企业的利益驱动。同时水泥更细，级配差，水化放热多，易使混凝土发生开裂，对混凝土体积稳定性和耐久性不利。
水泥越来越细的另一个重要原因，是在水泥熟料与混合材共同粉磨时，如果混合材料的易磨性比熟料差，则水泥中熟料细颗粒含量较多，早期水化过快。但从水泥生产方的成本控制和保护环境的绿色化生产方面考虑，都不应该在混凝土中将水泥熟料作为微集料发挥作用。
其次，由于行业以及用户的误导，过分追求早强，使用各种磨细的助磨剂与增强剂；追求工期、要求更早脱模，导致养护不充分，引导水泥厂进一步提高水泥早期强度，加剧了水泥出现问题的严重性。其中也不乏需求与利益之间的冲突，由于买方并不拒购，导致水泥生产者为了实现经济收益变得“我行我素”，水泥企业下属的搅拌站多被当成“销售渠道”，对混凝土所需要的水泥的品质没有话语权。这样的局面导致无法转型升级，整天疲于应付供货，无暇提高科技含量、科技水平。混凝土行业抱怨现在的水泥太细，首先没有区分熟料和混合材料各自的粒度分布；其次也没有明确指出哪个粒径范围的熟料颗粒偏多。从混凝土性能角度关注的是水泥中的细颗粒；水泥行业对水泥细度主要关注的是80μm或45μm的筛余。谈到水泥粗细，很多时候混凝土和水泥行业谈论的不完全是同一个问题，部分原因是混凝土行业对熟料粒度分布缺乏精细的定量描述。
当然，水泥的问题也源自于其他方面：各地域原材料品质的不同，即混合材品质的变化和水泥原料的变化。各个地方标准的评价标准有所区别，对跨地运输、二次检测带来困难，不同地区适用的水泥性能也可能差别很大。
当前我国水泥的生产，由于受原材料及生产方法等因素的影响，生产的水泥中碱含量普遍偏高；对减水剂相容性也各不相同，由于水泥与减水剂生产厂家、品种、等级、批次不同，二者相容性都会产生区别，导致没有普适的相容性；水泥混合材出现问题，除去资源分配不均的客观原因以外，还有一部分原因是没有强制且精细的标准来规范水泥的生产，导致行业中混合材的种类、掺量出现各种问题；在开发新型混合材的过程中，需要粉磨、改性、共同掺入满足各方面性质互补后投入使用，部分混合材也需要考虑加工、生产、存储、稳定性等经济因素，增加了广泛使用的难度。水泥与减水剂易产生相容性较差的问题，水泥自身的组分以及实际应用的微小差异都会产生此类问题。提出了出厂检测手段，严格控制指标不合格的水泥或减水剂出厂。
水泥熟料中C3A含量偏大，会增加水泥颗粒的水化速率，水化放热量增多，增大混凝土早期开裂的可能，影响水泥混凝土的体积稳定性。高C3S、高C3A和高比表面积只是表象，导致混凝土劣化的本质是水泥早期水化速率过快。水、化学外加剂中的碱都会使水泥碱含量过高，可能会使混凝土碱含量超标发生碱骨料反应，产生有害性膨胀，对混凝土体积稳定性不利。适当掺入混合材会降低水泥有害碱含量。水泥中的碱也不全是有害的，需要以新的视角看待水泥的碱含量，并建立相关标准进行推广。
三、水泥的问题对混凝土体积稳定性的影响
水泥出现的问题不仅影响与外加剂的相容性，也影响混凝土体积稳定性，最终会影响到混凝土的耐久性。现代混凝土的体积稳定性由多方面共同作用，如加入纤维等材料提高混凝土的极限抗拉强度；使用外加剂如膨胀剂减少混凝土的不利收缩；胶凝材料中合理使用矿物掺合料来改善胶凝体系的稳定性等，各种措施和途径均可实现对混凝土体积稳定性的优化。其中，水泥对现代混凝土体积稳定性的影响不可忽视。现在结合目前水泥普遍存在的问题以及文献中的研究成果，针对现代混凝土体积稳定性的影响。
3.1收缩
非荷载作用下的变形包括塑性收缩、化学减缩、干缩、自收缩以及温度变形。这些收缩都对现代混凝土的体积稳定性有不同程度的影响。中低强度等级的混凝土水胶比相对较高，干缩所占比例较大，主要是由水泥石的收缩导致的。所以，控制水泥用量、减小水胶比是降低干缩的有效措施。通过C70大体积自密实混凝土的制备与研究，发现水泥用量较低，能够显著降低胶凝材料体系的水化速率与收缩，胶凝材料体系绝热最高温度仅为63.5℃，且水化速率慢，7d收缩率为1.5×10-4，有利于提高混凝土体积稳定性。胶凝材料中也需要良好的颗粒级配，没有良好级配的胶凝材料会使需水量增大，水化速度变快，和易性不好、坍损大，出现强度倒缩。由此可见，胶凝材料的颗粒级配能增加其密实性，对体积稳定性有利。水泥水化产生的化学变形与水泥的矿物组成有关。在水泥的熟料矿物中，C3A的收缩最大，约为C2S、C3S收缩的3倍，约为C4AF的4.5倍，水泥中C3A含量越高则水化收缩越大；而李光伟[38]的研究发现，与中热硅酸盐水泥相比，采用低热硅酸盐水泥可以有效地减少大坝混凝土的温度变形、收缩变形和碱活性膨胀变形，从而提高大坝混凝土的体积稳定性。水泥与减水剂相容性不好，使得饱和点增高，会增大减水剂的掺量，使混凝土中胶凝材料总用量增多，影响混凝土体积稳定性，从而影响混凝土耐久性。总之，水泥的各种问题在混凝土收缩增大方面成为主导因素，为了减少水泥的不利收缩，增加混凝土的体积稳定性，
常用的措施有：（1）合理选取水泥，采用低水化热水泥，并尽量减少水泥用量；（2）尽量减少用水量，掺入足够的矿物掺合料，降低水胶比；（3）正确选用外加剂，提高水泥与减水剂的相容性。也就是说由于水泥存在的问题，混凝土行业在许多时候，选择减少和控制水泥用量来减少开裂风险。
3.2开裂的控制是提高混凝土结构
耐久性的关键环节，因为早期裂缝是后期裂缝的开裂源，而早期的热裂缝占比大，对此的预防就显得尤为重要。尤其是熟料粗颗粒的减少，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。说明水泥中保持一定量的粗颗粒是非常必要的。水泥细度增加，新拌混凝土早期收缩明显增大，导致其早期单位裂缝面积增加。比表面积大的水泥混凝土，其早期开裂的裂缝细而不通，使水分蒸发受到很大的影响，水泥的细度在整个环节中对水泥水化和早期收缩具有很大的影响。混凝土强度等级相同时，早期最大裂缝宽度和裂缝面积均随着水泥细度的增加而增大。碱能促使水泥混凝土收缩开裂。低碱水泥抵抗开裂的潜在能力强，当水泥含碱量以Na2O计低于0.6%时，混凝土的抗裂性明显提高。此外，工程实践发现，不管是否有活性骨料存在，碱的影响首先表现在增加混凝土的开裂倾向。低碱水泥对降低混凝土的开裂倾向，提高混凝土的耐久性也是有利和必要的。引起开裂的另一个重要因素是大掺量混合材。磨细矿渣、粉煤灰和硅灰的使用得到普遍推广，作为可持续发展战略的有效途径值得提倡和发展，但硅灰、粉煤灰和磨细矿渣掺入之后往往增加干燥收缩，养护不当极易造成开裂破坏，混合材品质低劣或掺加过多会引起烧失量偏高，水泥需水量增大，显著影响其强度等性能。此外还会引起水泥混凝土的耐久性劣化，寿命缩短。
3.3水泥标准的发展与比较
ASTMC1157包含以上两个规范的水泥，只规定了水泥的性能指标，对水泥组分、化学成分和矿物组成没有指标要求，突破了传统水泥标准对此的限制，减少了新品种材料在水泥中的应用束缚，具有“开放性”的特点，值得中国水泥进行借鉴。我国通用水泥标准主要有三个，由国务院发布实施。最广泛使用的是GB175《通用硅酸盐水泥》，工程建设中采用大体积混凝土时依据GB200《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》，对耐久性有特殊要求时需要针对因新型干法窑发生变化的水泥（熟料）特点，重新考虑水泥标准的技术框架。水泥行业迫切需要开发抗裂敏感性低的水泥，即控制早期强度，控制熟料中C3A、C3S的比例，降低有害碱含量，并提出相应的符合国家标准的应用技术规程。
3.4水泥需要做出的改变
首先要明确，水泥最终的定位是为混凝土服务，如何更有利地保障混凝土的性能是解决水泥问题的方向和途径。基础设施使用的年限与结构耐久性是很重要的社会责任，也是人民和国家的基础性需求。然而，现代混凝土体积稳定性又对耐久性十分重要，混凝土一旦发生严重的开裂，将严重影响混凝土结构耐久性，大大减少结构使用年限，从长期角度而言，会对结构和人身安全产生严重后果。所以，水泥行业近年来通过细磨水泥、混合材超量掺入等行为，用技术手段来赢得用户需求并追求更大利益的行为都是不安全、不可持续的，需要及时遏止和转变。在生产水泥的过程中要树立混凝土意识并积极做出改变，在水泥标准规范修订的契机下，追求可持续，长远的发展，不因眼前利益而随意改变水泥组成与细度，同时也树立相应的服务意识和法律意识。
结束语
目前水泥存在的主要问题，水泥细度过大、混合材乱掺、熟料中C3S、C3A比例偏高、碱含量偏大与减水剂相容性不良等问题不仅会影响水泥的性能，对现代混凝土体积稳定性不利，危害结构安全性与耐久性，还会对环境造成严重影响，与可持续发展理念背向而行。提高行业和用户对水泥问题的关注度，改变落后和错误的看法，现阶段亟需水泥和混凝土行业同仁转变观念，追求高质量发展，水泥和混凝土相关标准规范做出针对性和明确的规定与要求是解决水泥存在问题的重要手段，利用新标准正确引导技术体系，使水泥更好地为混凝土服务，为混凝土行业提供开裂敏感性低的优质水泥，真正改善混凝土的体积稳定性，提高混凝土结构耐久性。
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