水泥安定性对混凝土的影响

水泥安定性对混凝土的影响[摘要] 本文根据水泥的组成及其混凝土性质，从物理、化学分析入手，从微观的角度，对水泥安定性、混凝土性质进行了分析，并论述了水泥安性对混凝土的影响，从而达到判别混凝土质量的目的。

[关键词] 水泥安定性混凝土水泥是混凝土工程的主要材料，水泥的品质直接影响混凝土质量。

国标规定，凡安定性不合格的水泥为废品，不能用于水泥制品。

然而，由于国家基本建设的大发展，水泥需求量急剧上升，导致小窑水泥大量进入建筑市场。

由于小窑水泥的质量不稳定，安定性合格率较低，尤其是冬天，其合格率更低，给工程留下隐患，加上施工企业的管理水平及追求工程进度等原因，一些工程或多或少地使用了安定性不良的水泥，其中有的因膨胀使混凝土开裂而返工，有的当时虽未发现问题，但给工程留下隐患，使工程技术人员寝食不安。

当然，解决这个问题不是没有办法，首先应严格按有关规定，安定性不合格水泥不能出厂，其次是使用了废品水泥要返工。

但对已使用了安定性不良水泥的工程返工问题一刀切，会给国家带来不应有的损失，所以要用严格、慎重和科学的态度来对待。

本文就是有这个前提下，从科学的角度，论述水泥安全性对混凝土的影响。

一、水泥的组成硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙(CaO)、氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）和氧化铁（Fe2O3）四种氧化物组成，它们不是以单独的氧化物存在，而是经高温煅烧后，以两种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体，其结晶细小。

熟料中掺入一定量的石膏和混合材（或不含混合材）就成了的水泥。

水泥熟料中主要矿物有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁相固溶体（C4AF）及游离氧化钙（f-CaO）、氧化镁（MgO）、三氧化硫（SO3）等。

由于影响水泥安定性的主要因素是游离氧化钙、氧化镁、三氧化硫，所以，本文着重对以上三种物质进行分析阐述。

1、游离氧化钙，也叫游离石灰。

为无色圆形颗粒，是由于配料不当，生料过粗，煅烧不良时造成，此时熟料中就出现没有被吸收的以游离状态存在的氧化钙。

游离氧化钙水化生成氢氧化钙时，体积膨胀是水化前的1.98倍。

在烧成温度下，死烧的游离氧化钙结构比较致密，水化很慢，通常要在加水3天以后反应才比较明显，并在硬化水泥石内部造成局部膨胀应力，随着游离氧化钙含量的增加，首先是抗拉、抗折强度降低进而3天以后强度倒缩，甚至使水泥制品变形或开裂，导致水泥浆体的破坏。

与回转窑相比，正常立窑熟料中游离氧化钙虽有死烧的，但死烧程度低于回转窑，所以这部分游离氧化钙水化速度较快。

游离氧化钙的水化速度随温度升高而加快，预养后的水泥净浆试件经4小时的连续沸煮，绝大部分游离氧化钙已经水化生成氢氧化钙（图1），由于游离氧化钙水化产生体积膨胀对水泥安定性的影响亦已充分体现。

2、氧化镁为等轴晶系的立方体或八面体，熟料煅烧时生成少量的氧化镁有助于熟料的形成，多余的氧化镁即结晶出来呈游离状态的方镁石存在，正常含量小于5%，方镁石的水化比游离氧化钙更为缓慢，要几个月甚至几年才明显起来，水化生成氢氧化镁时，体积膨胀是水化前的2.19倍。

另外方镁石的膨胀严重程度与其含量、晶体尺寸等都有关系，晶体小于1μm，含量5%只引起轻微膨胀、晶体尺寸在5-7μm、含量3%就会严重膨胀。

方镁石在沸煮（100℃）的条件下水化仍无明显提高，然而在高压过热饱和水蒸汽中，其水化速度明显加快，当水泥净浆试件在20大气压、215.7℃的高压过热饱和水蒸汽中连续压蒸3小时后，绝大部分方镁石已完全水化，由于方镁石水化产生体积膨胀对安定性的影响亦已充分体现。

3、三氧化硫，由石膏过量掺入而造成，当石膏过多时已硬化了的水泥石中还有较多的剩余石膏，它与铝酸盐继续发生水化反应，不适时地生成了过量的粗针状的三硫型水化硫铝酸钙。

即钙矾石晶体，钙矾石晶体一般成六方棱柱状，棱面清晰，图2a为钙矾石电镜图，图2b为钙矾石结构单元图。

水泥中加石膏，水化初期生成钙矾石可调节水泥的凝结时间，但过量的钙矾石会引起膨胀，其膨胀体积为反应前固相总体积2.29倍。

从图2b中看出，其中结构水所占的空间达钙矾石总体积的81.2%[1]，含水率极高，所以其脱水温度也很低。

图3为钙矾石在50-144℃间的脱水曲线，可见在50℃时已有少量结晶水脱出，74℃下脱水强烈，97℃时失去20摩尔的结晶水，在113-114℃后，很快成为8水钙矾石。

因此，测定三氧化硫对安定性的影响不能用沸煮法，它在常温浸水条件下就能将水化产生的体积膨胀充分体现出来。

综上所述，造成水泥浆体膨胀的原因不是单一的，寻找膨胀的原因也应从多方面着手，膨胀的原因不同，膨胀程度也不同，温度不同，造成膨胀的物质不同，膨胀发生的时间也不同。

二、混凝土的性质混凝土是一种多组份的复合材料，一般由水泥浆、骨料、水泥浆与骨料基体界面这三方面组成，强度是混凝土最重要的力学性质，任何混凝土结构物主要都是用于承受荷载或抵抗各种作用力。

影响混凝土强度的因素很多，如水泥的品质、水灰比、集料及集灰比、养护条件等，本文仅以水泥安定性对混凝土强度的影响作简述。

从某种意义上来说，混凝土强度主要是由水泥石强度决定的。

根据水灰比和水泥水化程度的不同，水泥石可以由水泥凝胶，毛细管孔腔和残余的未水化的水泥核心三者组成，也可以完全由水泥凝胶组成，或者水泥凝胶与其余两者之一并存，随着水泥反应的进行，水泥石中水泥凝胶的体积增加，而毛细管孔腔体积不断减小，水泥石的强度也随之增长。

水泥浆体强度的产生，主要是由无数晶体和多种形貌的C-S-H凝胶，再夹杂着氢氧化钙或单硫型水化硫铝酸钙等晶体交织在一起而构成的，特别是C-S-H 凝胶具有巨大的表面能，水泥颗粒表面有从外界吸引其它离子以达到平衡的倾向，因此能相互吸引，主要靠范德华力构成空间网架，从而产生强度，另外，还由于各种晶体的连生，由化学健产生了强度。

水泥石具有收缩的特点，混凝土在承受荷载前存在细微裂缝，就是由水泥石的收缩引起的。

混凝土中还存在着集料对水泥石的约束作用，混凝土的收缩一般小于水泥石，由于集料的约束作用，在水泥石中会产生拉应力，据资料表明，在水泥石中有0.3%的体积变化,就足以使水泥石和集料粘结界面上产生13N/mm2的拉应力，当它们超过水泥石和集料粘结强度时，就生成细小裂缝，这些裂缝在砂浆内部也会产生，或者在加荷时扩展到砂浆内部，但更主要的是在粗集料与砂浆的界面上出现。

随着收缩的加强，裂缝出现的地方越多其强度极限值不断不降。

破坏了结构的整体性，降低了混凝土的抗渗性，大气中及水中的侵蚀介质还可能通过裂缝进入混凝土内部，使混凝土或钢筋受到侵蚀。

综上所述，混凝土的干缩对混凝土的强度有着密切的关系，抑制收缩就能减少原始微裂缝，从而提高混凝土的力学性能。

三、水泥的体积变化对混凝土的影响水泥的体积安定性是水泥最基本的而且是十分重要的物理性能，它反映水泥浆体在硬化过程中因体积膨胀不均而变形的情况。

引起膨胀的因素不同，检测方法也不同，如果由游离氧化钙引起的，则用标准稠度用水量制作的水泥净浆试体进行沸煮检验，如果由氧化镁引起的则用压蒸法检验，如果由三氧化硫引起的则用常温度浸水法检验。

一般在沸煮状态下膨胀较大的水泥，大部分是由游离氧化钙含量偏高而造成的。

当然，也不能排除其它原因造成的可能。

当用水泥净浆制成的雷氏夹膨胀值小于5mm 时，该水泥对水泥石的物理性能不会有影响，而大于5mm，小于10mm的立窑水泥，根据本文的试验，如用试饼法检验也是合格的。

表1为20组雷氏法与试饼法平行对比试验统计表，从表中可以看出在膨胀值小于10mm的情况下，试饼法也是合格的，这与原有的雷霞特里（Le.chatelier）法，即雷氏法中的判断标准相符合。

对于膨胀值大于10mm，小于15mm的水泥，对水泥石强度的影响也有所不同，表2为20组用膨胀值大于10mm，小于15mm的水泥制作的胶砂试件的强度统计表,从表2中可看出,凡影响强度较明显的水泥都是回转窑水泥,对强度无明显影响的水泥都为立窑水泥，这是因为表120组雷氏法与试饼法平行对比试验统计表回转窑水泥中的游离氧化钙死烧程度高，其结构比较致密，水化很慢，当水化开始明显时，水泥石已丧失变形能力，其膨胀时产生的应力，破坏了水泥石的结构，而对立窑水泥，这是因为立窑的煅烧温度相对较低，其中的游离氧化钙过烧程度相对较低，其结构比回转窑熟料游离氧化钙相对不致密，水化速度较快，大部分在混凝土硬化早期完成水化，此时的膨胀在限制条件下起到堵塞水泥石内部孔隙的作用，使混凝土密实和提高早强，即使有少量死表220组用膨胀值大于10mm小于15mm的水泥制作的胶砂试件的强度统计表烧程度相对低的游离氧化钙也会因水化速度相对快而在短期内完成水化，达到膨胀稳定期并结束膨胀，此时水泥石虽有微膨胀，但这部分微小的膨胀能补偿水泥的收缩，如果在混凝土中会抵消由于干燥收缩引起的混凝土拉应力，从而减少水泥浆体与骨料粘结面上产生的微裂缝，即使有少量的结晶被破坏，但随着水泥熟料进一步的水化，会修补这部分受损的结晶骨架[2]。

很显然，如果造成水泥膨胀的有害物质过多，水化时转变的膨胀能越高，膨胀值就越大，水泥石或混凝土内部晶体破坏的密度就越高，即使随水泥熟料进一步的水化也无法修补大面积的结晶骨架，从而使水泥石或混泥土受破坏。

或者当水泥石或混泥土已有较高的强度且失去变形能力或变形能力很小时发生大量的膨胀，混泥土的结构将受到破坏，甚至崩溃。

四、混泥土质量的检验水泥体积膨胀值与混泥土体积的膨胀值是不同的，前者为净浆，后者为水泥，水和粗细骨料组合成的集合体，而且用水量各不相同，水化情况也不尽相同，混凝土中的空隙较净浆中的孔隙高得多，所以水泥的体积变化不能全面地代表混凝土的体积变化，水泥膨胀值（雷氏夹）不合格，在膨胀不太大的情况下并不等于混凝土不合格，这就需要用合格的方法来检验，检验的方法一般采用物理检验法，物理检验是利用构筑物施工时留置的试块或用直接在构筑物上取出的芯样进行各项物理检测。

对于用由游离氧化钙造成安定性不良水泥制作的混凝土应用沸煮法将试件直接浸水沸煮，在经过6 h连续沸煮后测定其膨胀值及强度，如发现试件产生裂缝、溃散或抗压强度、劈裂抗拉强度明显倒缩，则认为该混凝土安定性不良，如混凝土经沸煮后表面无裂缝，且强度增长，则认为该混凝土没有因水泥安定性不良而受影响；对于用由三氧化硫引起水泥安定性不良的水泥制作的混凝土时，应将试件放入45℃的温水中浸泡7d后检查试件情况。

值得指出的是，检验机构在用沸煮法检验水泥安定性时，很难发现由三氧化硫引起的膨胀，这是因为过量的三氧化硫生成了过量的钙矾石晶体，这种膨胀率极高的晶体在5 0℃时应有少量结晶脱水，在90℃以上时几乎全部分解破坏，所以沸煮中不能发现其膨胀。

实际上有时发现经预养后的雷氏夹数值较预养前的数值明显增大，对于这种情况，首先是怀疑钙矾石含量。