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在混凝土中,要不要規(guī)定水泥的最小用量?
 

首先,分析一下硅酸鹽水泥在混凝土中正反兩個方面的作用:

1. 正面作用:水泥與水,必要時摻入化學(xué)外加劑組成的水泥漿體,賦予了新拌混凝土流動性和黏聚性,使新拌混凝土具有可施工性。水泥水化產(chǎn)物,尤其是水化硅酸鈣(C-S-H)使得水泥漿體具有膠凝性,在其凝結(jié)、硬化過程中將骨料膠結(jié)成為一個整體,賦予硬化混凝土強度。水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鈣(CH)和水泥中的石膏將作為激發(fā)劑激發(fā)火山灰質(zhì)材料(如粉煤灰等)或具有潛在水硬活性的礦物摻和料(如磨細(xì)礦渣粉)參與水化反應(yīng),形成具有水硬性水化產(chǎn)物,使混凝土微結(jié)構(gòu)隨齡期增長逐漸密實,提高后期強度增長率。相比粗、細(xì)骨料粒徑,水泥(包括礦物摻和料)顆粒最細(xì),因而水泥漿體(或膠凝材料漿體)還具有填充空隙效應(yīng),使混凝土進一步密實。然而礦物摻和料參與反應(yīng)的速率很慢,例如粉煤灰,在常溫下幾乎不參與反應(yīng),但是因摻入粉煤灰后會增大水灰比(水與水泥用量之比)而可促進水泥的水化速率,提高水泥水化度。礦渣是具有潛在水硬性的材料,磨得越細(xì)化學(xué)活性越大;就當(dāng)前市售礦渣粉(比表面積400m2/kg~450m2/kg)來說,比起粉煤灰,其參與水化的時間較早,但是也需要水泥來激發(fā),比起水泥,早期參與水化速率就低了。水泥用量越小,摻礦渣粉的水泥早期強度越低。

2. 負(fù)面作用:水泥水化釋放熱量使混凝土產(chǎn)生溫升和溫度梯度,混凝土早期溫升和溫度梯度在混凝土早期徐變較小、抗拉強度較低時導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在約束條件下開裂風(fēng)險加劇。水泥水化產(chǎn)生的自收縮在混凝土水膠比較小時(尤其是高強混凝土)將使混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂?;炷林泄橇系捏w積是穩(wěn)定的,水泥漿體的體積是不穩(wěn)定的,隨環(huán)境溫度、濕度和時間的變化而變化的,正因如此,混凝土材料的體積穩(wěn)定性決定了其結(jié)構(gòu)的耐久性。環(huán)境介質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)的化學(xué)侵蝕作用、物理侵蝕作用都與水泥的水化產(chǎn)物有關(guān)。水泥漿體與骨料存在界面過渡區(qū),混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,且其微觀結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)展不僅對環(huán)境和時間具有依賴性,而且具有多相性、隨機性和不確知性。

3. 現(xiàn)代混凝土組成材料中,水泥的強度已經(jīng)不再最重要了,混凝土外加劑技術(shù)的進步弱化了混凝土強度對水泥強度的依賴程度,使混凝土具備特定品質(zhì)的礦物摻和料已經(jīng)成為混凝土材料必不可少的組分。

其次,分析一下對規(guī)定最小水泥用量的看法:

1. 在傳統(tǒng)混凝土概念中,水泥品種與用量是非常重要的技術(shù)指標(biāo),因為那時混凝土的水灰比比較高,加之要么不使用減水劑、要么減水劑的減水率低,同時,礦物摻和料也很少用,即便使用也僅僅是從“廢物利用、降低成本”角度而非“改善性能、提高品質(zhì)”角度考慮的,所以,混凝土各方面的性能就依賴于水泥用量和水泥品種。因此,規(guī)定混凝土中最小水泥用量也就不足為奇了。

2. 人們比較習(xí)慣的看法是,水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)使鋼筋混凝土中的鋼筋表面形成鈍化膜進而保護鋼筋不被銹蝕,如果水泥用量較少或者摻入礦物摻和料,人們會擔(dān)心由此而使鋼筋鈍化膜破壞,出現(xiàn)因鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)耐久性問題。另外一方面,人們還擔(dān)心水泥用量較少會使混凝土強度降低,混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂或鋼筋的混凝土保護層容易中性化。這個擔(dān)心既是正確的,也是多余的。正確的是,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化問題,除風(fēng)化作用和化學(xué)侵蝕作用外,主要是由于鋼筋銹蝕引起的;多余的是,水泥用量的多少與水化體系的PH值并無任何關(guān)系,水泥水化漿體總是處于氫氧化鈣溶液飽和狀態(tài)之中的。倒是在傳統(tǒng)混凝土概念中,水灰比較大、水泥用量較少時使混凝土抗拉強度低,干燥收縮引起的受約束混凝土結(jié)構(gòu)開裂是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的原因。因此,規(guī)定了最小水泥用量。

3. 混凝土外加劑技術(shù)的發(fā)展主導(dǎo)和加速了混凝土技術(shù)的發(fā)展,同時,礦物摻和料也已經(jīng)成為改善混凝土品質(zhì)不可或缺的組分。工程實踐表明:一方面隨著混凝土水膠比的降低和水泥用量的增加,特別是使用純硅酸鹽水泥或早強型硅酸鹽水泥的混凝土結(jié)構(gòu)幾乎無一例外地開裂了,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn);另一方面,現(xiàn)代混凝土的制備受到設(shè)計文件和合同對混凝土工作性、各齡期強度和耐久性等各方面技術(shù)性能的限制,水泥的用量就不會少,少了就不可能制備出滿足性能要求的混凝土,尤其是對后張法施工的混凝土構(gòu)件更是如此。相反地,倒是很有必要規(guī)定或者限制膠凝材料的最大用量。如前所述,這絕非僅僅從經(jīng)濟或成本角度考慮問題;混凝土中水膠比一定時,膠凝材料用量越大,混凝土體積穩(wěn)定性就越差,開裂的風(fēng)險就越大,約束條件下混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐久性就受到威脅。


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