关于水泥强度标准评价方法的探讨

山东省泰安市广通机械厂 www.guangtongjixie.com 水洗沙设备 0538-8299996 关于水泥强度 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 评价方法的探讨 摘要：本文从水泥强度与水灰比的函数关系和高性能混凝土材料的发展对全面准确评价水泥性能的要求出发，分析了现行ISO水泥标准强度性能评价方法的局限性。通过对不同窑型生产的相同强度等级水泥的抗压强度—与水灰比关系的试验研究，表明在较高和较低的水灰比范围内，相同等级的不同水泥强度可能存在显著的差别。通过对掺矿渣、粉煤灰和沸石水泥在不同掺量和不同水灰比条件下强度发展的研究，进一步说明了矿物混合材对这种强度差异的影响。理论分析和试验结果说明，由单一水灰比确定的水泥强度等级既不能全面表征水泥强度取决于水灰比的特性，也不能区别相同强度等级的不同水泥。本文最后对水泥强度标准评价方法的改进提出了建议。 Limits of Standard Evaluating Method of Cement Strength Grade and its Improvement Xu Yongmo1 Bai Xianming2 Guo Junping2 （1. China Building Materials Industries Association, 2.China Building Materials Academy Abstract: This paper experimentally shows the limits of the present standard methods of evaluating cement strength grade. The results demonstrate that cements with the same strength grade but produced by different calcinating processes, such as shaft kilns and rotary kilns showed significant differences in strength at lower water/cement ratios. Different mineral blends such as slag, flyash and zeolite also displayed its important influence on the strength difference. The cement strength grade determined by a single water/cement ratio at 0.5 might neither provide correct information on strength properties that depend on water/cement ratios, nor make difference in strength properties between different cements that have the same strength grade. In view of the nonlinear relationship between the strength and water/cement ratio, ever-increasing use of mineral additives which have different effects on strength development, and the development of high performance concretes, it is suggested that the strength evaluation at a lower cement ratio is needed at least to reliably indicate the strength behavior both at higher and lower water/cement ratios and the difference between different cements. 1． 前言  与许多结构材料一样，水泥硬化浆体的力学性能取决于材料的密实程度或孔隙率大小。对硬化水泥浆体而言，其力学性能主要决定于水灰比大小和其它影响密实度的因素[1]。在实际应用中，由于水泥仅仅是混凝土的胶凝材料组分，对其工程力学性能评价又不得不引入集料和集灰比等影响因素。以标准砂浆试体确定的水泥强度等级是工程混凝土设计的重要依据。纵观水泥强度标准测试方法的发展历程，不断提高水泥品质以满足混凝土工程对水泥材料的需要是水泥标准的发展主线。从硬练法到软练法，从国标到ISO标准，水泥力学性能的评价方法越来越接近水泥混凝土的实际，例如级配标准砂和振动成型方法的采用等[2]。但遗憾的是，在水泥的物理和力学性能的评价和表征方法中我们仍能看到许多落后于现代科技水平和工程实际的方面，例如，100多年来不变的用维卡仪测定凝结时间、用单一水灰比决定水泥强度、用跳桌法决定新拌砂浆的流动性等，以及尽管对减水剂的适应性已成为水泥的重要性能之一的今天，水泥性能评价标准中仍未有相关的测试方法和表征参数等等。 本文主要研究水泥标准中强度性能的科学表征问题。为避免混凝土中其它难以控制的因素对评价水泥强度性能的影响，采用标准砂和确定的砂灰比制备砂浆试件是合理的，这不仅近似混凝土的组成（砂浆属于细集料混凝土），又避免了粗集料品种和性能带来的影响，减少了试验工作量和材料消耗。1949年以来，水泥标准的测试方法先后经历了硬练法、软练法（GB177）和我国最近等同采用的国际标准化组织ISO标准方法（GB/T17671-1999），水灰比、灰砂比和标准砂都做了相应改变（表1）。但不论哪种方法，都有一个共同点，即采用单一水灰比评价水泥的强度性能。 众所周知，水灰比是影响水泥强度的最主要因素，在较大的范围内水泥强度与水灰比的关系是非线性关系，即使在一定水灰比范围可以近似为线性关系，理论上也需要至少两个试验点才能描述强度与水灰比的函数关系，因此，单一水灰比试验不可能科学评价水泥的强度—水灰比函数关系。如果说，在减水剂的发展与应用之前，由于工程混凝土的水灰比变化范围比较窄，采用的某一与工程混凝土相近的水灰比评价水泥的强度性能具有代表性和合理性的话，那么，20世纪80年代以来，在混凝土外加剂与高性能混凝土得到广泛应用，混凝土水灰比可降低至0.26甚至更低的情况下，由单一水灰比确定的水泥强度能否全面合理地表征在不同水灰比时的水泥强度性能值得怀疑。尽管我国等同采用的ISO标准中的水灰比值0.5与普通水泥混凝土常用的水灰比值比较接近，但与高性能混凝土的工程应用实际显然相去甚远。  另一方面，对于评价不同水泥的强度性能来说，强度与水灰比的函数关系会不会相同呢？即由单一水灰比试验得出的相同强度等级的水泥在配置各种强度等级（不同水灰比）的混凝土时能否得到相同的结果？实践表明，不同厂家生产的同标号商品水泥在制作高强混凝土时常常表现出明显差异。在较低水灰比范围，有的水泥配制的混凝土强度很高，有的则低很多[3]。其实这一现象在过去水泥硬练标准转为软练标准时，在相应的普通混凝土研究中也大量出现[2]，由于当时工程混凝土的水灰比一般在0.4~0.7范围内, 混凝土强度等级较低，因而这一问题没有得到重视。 显然，如果不同厂家生产的水泥强度性能与水灰比的关系并不一致，那么即使用新的ISO标准或其他国际标准评价我国多达数千家水泥企业生产的水泥强度性能，也必然存在盲目性。这种盲目性不仅影响对水泥强度性能的全面评价，而且有可能误导水泥材料在混凝土工程中的应用。因此，在水泥标准试验中确定水泥的强度与水灰比的关系不仅能科学全面反映水泥的强度性能，而且对混凝土工程质量的控制具有非常重要的实际意义。 2． 试验材料、设备与研究方法  我国水泥生产有多种窑型，包括新型干法窑,湿法旋窑,立波尔窑,立筒预热器窑,机立窑等，立窑水泥产量占80%左右。统计数据表明，不同窑型生产的水泥质量不同。对不同窑型生产的水泥的优劣，还有不同看法，而且主要表现在强度性能方面。为比较全面地考察不同水泥的强度性能，试验研究挑选了新型预分解干法窑, 湿法旋窑, 立筒预热器窑, 机立窑四种窑型的相同强度等级的水泥进行比较，水泥的化学组成和其它性能（细度、混合材料等）见表2-4。水泥强度试验按新国标GB/T17671-1999 进行[4]。需要指出的是，试验采用标准许可的振动台方法成型，在较低水灰比条件下，为保证有相同的密实程度，在砂浆中适当掺加FDN高效减水剂以获得相似的工作性，满足成型要求。虽然这引入了新的因素，但实验表明，在较低掺量范围内FDN对强度没有明显影响[5,6]。 表1 不同水泥强度检验方法的比较 Table 1 Comparison of different standard methods of testing cement strength Test Method Water/cement ratio Cement : sand Size range of standard sand Stiff mortar test 0.30～0.40 1 : 3 0.5 ～ 0.85 mm Chinese standard (GB177) 0.44～0.46 1 : 2.5 0.25 ～ 0.65 mm ISO standard (GB/T17671-1999) 0.50 1 : 3 0.08 ～ 0.5 mm 0.5 ～1.0 mm 1.0 ～ 2.0 mm 表2 水泥细度、混合材及强度等级 Table 4 Strength grade, blended materials and fineness of cements Cement Processing KH n p C3S C2S C3A C4AF A Shaft kiln 0.934 2.03 1.32 55.43 16.23 7.77 13.10 B Precalcining 0.912 2.45 1.59 58.61 18.70 8.70 10.49 C Wet process 0.906 1.93 1.49 54.48 16.03 9.32 12.52 D Shaft kiln 0.939 2.13 1.49 61.08 10.20 8.31 11.25 E Precalcining 0.910 2.79 1.83 61.88 13.83 8.76 8.44 表3 不同混合材的化学组成 Table 3 Compositions and physical properties of blended materials(%)   Slag Flyash Zeolite SiO2 32.45 52.98 66.90 Al2O3 13.53 23.90 12.08 Fe2O3 — 8.30 2.17 CaO 39.83 4.27 3.66 MgO 0.66 1.87 1.14 SO3 2.97 0.86 — Ignition loss — 5.20 9.1 Residue of sieve 45μm 0.8 5 16 Specific surface，(m2/kg) 625 — — 3． 试验结果与分析 由图1可以看出，新型干法旋窑、湿法旋窑与立窑三种不同窑型的同等级普通硅酸盐水泥在3天龄期时的实际强度在水灰比大于0.4时比较相近，但是水灰比低于0.4时，强度出现明显差别，而且有水灰比越低，差别越大的趋势。在水灰比0.3时，最低与最高强度的差别已超过10MPa。这种现象在7天龄期时继续保持而且强度差别在增大（图2）。在28天龄期时（图3），不同水泥的强度在高于0.5水灰比砂浆中的发展几乎同步，但是在水灰比小于0.5的砂浆中不同水泥的强度发展则逐渐拉开距离。 除了上述这种不同水灰比时的强度发展“剪刀差”现象以外，试验还发现了交叉型的强度发展现象。图4-5为湿法旋窑水泥与机立窑水泥在3天与28天龄期时的强度与水灰比关系。可以看出，尽管在较高水灰比时，这种湿法水泥的强度高于立窑的强度，但是，在水灰比低于0.4时立窑水泥反而高出湿法旋窑水泥，强度差别也似乎随着时间而发展。类似的这种交叉型强度与水灰比关系在波特兰水泥与K型膨胀水泥的比较研究中也发现过[7]。 这些试验发现说明，在某一水灰比时得到的不同水泥的强度差别在其它水灰比条件下并不一定存在，或可能相反。因此，在单一水灰比下评价水泥强度，不仅不能说明强度与水灰比的关系，而且还可能误导使用者。另一方面，如果了解一种32.5或42.5等级水泥的强度与水灰比的关系，在满足工作性的条件下，用这种水泥能否配置什么样强度等级的混凝土也就清楚了。 上述试验结果只能说明现有水泥评价方法的不足，还不能说明不同水泥在不同水灰比条件下强度发展不同的原因。这里不仅有熟料矿物不同的影响，还有掺入的混合材的种类与用量的影响。不同混合材在水灰比不同时对水泥强度的影响也会有 所不同。 图6-8中的结果说明，掺10 ~ 30%的矿渣对水泥砂浆强度的影响规律在不同水灰比下相似，3天龄期时，矿渣对强度的贡献还不能体现，但在28天时，掺矿渣的水泥砂浆强度高出不掺的，而且，矿渣掺量增大，强度相应提高。这种影响规律在90天长龄期时也得到确认。 图9-11为不同粉煤灰掺量和不同水灰比时水泥砂浆强度随龄期的发展。可以看出，早期强度随着粉煤灰掺量的增加而下降，在低水灰比范围内下降的幅度较在高水灰比范围内大。但在后期，强度发展出现了值得注意的不同变化。在28天和更长龄期90天后，较低水灰比范围内的粉煤灰水泥砂浆强度相互非常接近，而且与不掺粉煤灰的强度差距变小。在较高水灰比范围内，龄期在28天和90天时，粉煤灰掺量低的强度表现出较大增长, 掺量10%的强度显著超过了不掺粉煤灰的强度，掺量20%的强度与不掺的相近。但是在掺量较高（如30%）时，强度仍显著低于不掺的。这说明粉煤灰火山灰反应对后期强度的贡献受到水灰比大小的影响。因此，利用粉煤灰时，必须综合考虑掺量和水灰比对强度的影响，例如，在掺入粉煤灰时适当降低水灰比，在较大水灰比条件下，适当减少粉煤灰的掺量等都是避免掺粉煤灰的不利影响的有效措施。 图12-14为掺沸石的水泥砂浆强度的发展曲线。与掺粉煤灰的情况基本相似，在较低水灰比范围，掺沸石的强度发展在后期加快，不仅缩小与不掺的差距，而且10%，20%和30%掺量的水泥之间强度差别很小。类似的，在较高水灰比范围，火山灰反应的贡献在低掺量10%的情况下得到充分发挥，强度几乎与不掺的相同。较高的沸石掺量仍然导致明显的强度降低。 4． 进一步讨论 上述试验结果主要从两方面说明了现行的水泥标准强度评价方法的局限性：一是单一水灰比下的强度只是强度—水灰比函数关系曲线上的一个点函数，既不能反映同一水泥在大的水灰比范围内强度性能，也无法预测和比较不同水泥在其它水灰比条件下的强度发展行为；二是除了水泥熟料以外（假定熟料矿物组成完全相同），水泥中矿物混合材的种类和数量又给这种强度—水灰比的关系随时间的演变增加了新的变数。过去对混合材品种和掺量影响水泥和混凝土性能的研究，大多在相同水灰比条件下进行的比较，而不是完整的强度—水灰比—龄期的关系，往往以在某一水灰比条件下的影响规律为根据推定在其它水灰比条件下的大致情况。此外，在我国水泥新标准实施之后，有些水泥生产者为满足在单一水灰比条件下的强度要求所采取的技术措施对在其它水灰比条件下强度和其它性能的影响也不得而知。从高性能水泥混凝土材料配合比的要求和本文研究的结果可以看出，低水灰比范围的水泥强度性能不仅重要，而且在低水灰比范围，强度性能对影响因素的反映更敏感。  从混凝土工程的实际需要来看，仅有单一水灰比下确定的强度等级远远不能提供混凝土设计与施工工程师所需要的材料性能信息，甚至可能误导一些对水泥强度性能缺乏认识的工程技术人员。与其它结构材料相比，水泥强度等级这一指标没有提供足够的强度性能。如金属材料的应力-应变曲线为结构设计工程师提供了比较全面的在不同受力状态下的力学性能。而对于同一强度等级的不同水泥，由于缺乏完整的强度—水灰比—时间关系曲线，在配置不同强度与耐久性等级的混凝土时表现出的非预见性差异可能使混凝土工程质量的保证受到严重影响。过去，水泥生产者把这种责任完全推给了混凝土工程界，甚至连水泥混合材的种类与掺量也不详细提供，给混凝土配合比设计和工程质量保证带来隐患[8]。 如果水泥生产者提供较大范围内的强度—水灰比—时间关系曲线，或至少补充在一较低水灰比下（如0.3）的水泥强度和混合材的种类与掺量，则不仅能大大减少混凝土工作者在选择水泥品种、设计强度与耐久性时的盲目性，而且大大减少混凝土试配的工作量。此外，在强度水灰比—时间性能特征曲线的基础上进行比较，强度等级相同的不同水泥，其特点或优劣就会一目了然。因此，水泥强度性能的标准测试与评价方法，无论从科学性的角度还是确保水泥质量和混凝土工程质量的现实需要来说，都应该进一步改进完善。 需要进一步指出的是，对水泥强度性能的评价，本文仅从抗压强度方面进行了研究，从工程实际需要来说，在强度方面，还有抗折强度等。至于其它方面，至少还有水泥对外加剂的适应性，水泥的水化放热曲线等对于水电、公路桥梁等混凝土工程来说非常重要的性能。因此，水泥性能评价标准的改进与完善还是一个系统工程，对此需要有充分的认识。 5. 结论  (1)随着现代高性能混凝土材料的发展，工程混凝土的水灰比范围已大大扩展，现行水泥标准仅以单一水灰比（0.5）下确定的水泥砂浆强度作为水泥强度等级的评价标准不能完整表征取决于水灰比的水泥强度特性。 (2)研究结果表明，相同强度等级的不同水泥，由于化学组成、煅烧和粉磨工艺以及质量控制等方面的差异，在较高和较低水灰比范围内的强度性能及其随时间的发展可能存在很大差别。 (3)这种强度性能的差异也受到水泥中混合材的品种和掺量的很大影响。在30%掺量和0.3~0.6水灰比范围内,矿渣的掺入提高水泥强度，而粉煤灰和沸石的影响则随掺量和水灰比不同而异。在低水灰比范围，粉煤灰和沸石对强度的不利影响随龄期逐渐减小；但在较高的水灰比范围，粉煤灰和沸石在掺量大于10%后显著降低强度。 (4) 理论和试验结果均表明，在混凝土向高性能发展的今天，水泥强度评价标准需进一步改进。不仅应详细提供所用混合材的种类和掺量，更应提供全面表征水泥强度特征的强度—水灰比—时间曲线。作为过渡性要求，可先补充一个较低水灰比（如0.30）时的强度性能指标。这不仅有助于清楚地区别不同水泥强度性能上的优异，满足高性能混凝土配制的需要，更为重要的是，由于减少了对强度—水灰比关系的认识盲区，工程混凝土试配的工作量将大量节省，混凝土工程质量也能更好地得到控制。 参考文献 1. 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