【交流借鑒】對(duì)混凝土的認(rèn)識(shí)和思索之五：混凝土耐久性與水泥性能的相關(guān)性分析

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第2期

對(duì)混凝土的認(rèn)識(shí)和思索之五：混凝土耐久性與水泥性能的相關(guān)性分析

歐永科

［摘 要］本研究深入探討了水泥性能對(duì)混凝土耐久性的影響，選取代表性水泥樣品進(jìn)行試驗(yàn)，詳細(xì)分析了不同水泥類型、摻合料和水泥用量對(duì)混凝土性能的影響，分析了水泥的種類、物理性能、化學(xué)性能和質(zhì)量控制對(duì)混凝土性能的影響機(jī)制。此外，還考察了混凝土的組成、外部環(huán)境、使用條件和施工工藝等因素對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生的影響。

［關(guān)鍵詞］水泥性能；混凝土耐久性；相關(guān)性；混凝土組成

0 引言

混凝土作為建筑工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要材料，其性能直接關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的安全和耐久性，耐久性對(duì)工程結(jié)構(gòu)的性能和壽命具有至關(guān)重要的影響。水泥作為混凝土的主要成分之一，其性能對(duì)混凝土耐久性又有著深刻影響。本文旨在深入研究水泥性能對(duì)混凝土耐久性的影響機(jī)制，深入探討水泥的種類、物理性能、化學(xué)性能以及質(zhì)量控制對(duì)混凝土性能的影響。同時(shí)，外部環(huán)境因素、混凝土組成、使用條件和施工工藝也將納入討論，以全面評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和綜合分析，揭示不同水泥類型、摻合料和水泥用量對(duì)混凝土性能的作用規(guī)律。

1 水泥性能與混凝土耐久性及影響

1.1 水泥的種類和組成

水泥作為混凝土的重要原材料之一，具有多種類型。常用的水泥類型包括硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥等。每種類型水泥的礦物組成都不同，某些礦物組成的特性直接影響了混凝土的性能和耐久性。如硅酸鹽水泥耐海水浸蝕和耐化學(xué)腐蝕性差，普通硅酸鹽水泥耐腐蝕和抗?jié)B性較差，礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥的抗凍性較差、干縮性較大，粉煤灰硅酸鹽水泥抗碳化能力差等。因此，混凝土設(shè)計(jì)中的水泥類型選擇將對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1.2 水泥的物理性能

水泥的物理性能包括其顆粒大小分布、比表面積、初凝和終凝時(shí)間等參數(shù)。這些性能與混凝土的工作性、坍落度和早期強(qiáng)度發(fā)展密切相關(guān)。比表面積較大的水泥通常導(dǎo)致更高的早期強(qiáng)度，但可能會(huì)影響混凝土的可施工性。同時(shí)，初凝和終凝時(shí)間對(duì)于施工和養(yǎng)護(hù)的時(shí)間安排至關(guān)重要。

1.3 水泥的化學(xué)性能

水泥的化學(xué)性能包括其化學(xué)成分、礦物組成的化學(xué)特性。硅酸鹽水泥中的鋁酸三鈣含量將直接影響水泥的抗硫酸鹽侵蝕性能，而硫鋁酸鹽水泥的成分對(duì)于抗硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透性至關(guān)重要。了解水泥的化學(xué)性能有助于預(yù)測(cè)混凝土的抗化學(xué)侵蝕性和耐久性。

1.4 水泥的質(zhì)量控制

水泥的質(zhì)量控制是確保生產(chǎn)的水泥符合規(guī)范要求的關(guān)鍵因素。這包括原材料的選擇、生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控以及最終產(chǎn)品的測(cè)試和驗(yàn)證。不合格的水泥將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不穩(wěn)定或耐久性問(wèn)題。

1.5 水泥類型與混凝土性能

1.5.1 普通硅酸鹽水泥的特性

普通硅酸鹽水泥以其高強(qiáng)度和快速硬化的特性而著稱，為混凝土提供了迅速獲得強(qiáng)度的能力。其早期強(qiáng)度使得混凝土結(jié)構(gòu)在施工后能夠盡早投入使用，符合工程進(jìn)度要求。此外，普通硅酸鹽水泥的成本相對(duì)較低，使其成為廣泛應(yīng)用的一種水泥類型。

1.5.2 水泥混合材（和混凝土摻合料）對(duì)混凝土性能的影響

水泥混合材（或混凝土摻合料）如粉煤灰、礦渣等不僅能夠有效降低混凝土的溫度升高速率，提高耐磨性，還能改善混凝土的抗?jié)B透性和抗裂性。這些材料的使用不僅有益于混凝土的可持續(xù)性發(fā)展，同時(shí)提高了混凝土在不同環(huán)境下的耐久性能。

1.6 水泥強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

1.6.1 水泥強(qiáng)度對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響

水泥強(qiáng)度直接影響混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。高強(qiáng)度水泥可使混凝土更早達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度要求，提高了混凝土的施工效率。然而，過(guò)高的水泥強(qiáng)度也可能導(dǎo)致混凝土的收縮過(guò)快，需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行平衡。

1.6.2 水泥與混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)水泥和混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行深入分析，可以更好地指導(dǎo)混凝土配合比的設(shè)計(jì)。

1.7 水泥水化產(chǎn)物與混凝土微觀結(jié)構(gòu)

1.7.1 水泥水化過(guò)程的關(guān)鍵階段

水泥水化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括初期反應(yīng)、水化反應(yīng)、水化產(chǎn)物形成等多個(gè)關(guān)鍵階段。在初期，水泥中的礦物顆粒與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成膠凝。深刻理解水泥水化的關(guān)鍵階段對(duì)于準(zhǔn)確把握混凝土的硬化過(guò)程、提升混凝土的強(qiáng)度和耐久性至關(guān)重要。

1.7.2 水泥水化產(chǎn)物與混凝土微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

水泥水化產(chǎn)物與混凝土微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這些產(chǎn)物包括水化硅酸鈣膠凝體、水化鋁酸鈣膠凝體等，它們的生成直接塑造混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)深入研究水泥水化產(chǎn)物與混凝土微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，能夠揭示混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B透性等方面的內(nèi)在機(jī)制。這不僅為混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，也為提升混凝土的耐久性提供了關(guān)鍵信息。

2 混凝土的耐久性因素

2.1 混凝土的組成和結(jié)構(gòu)

混凝土的組成和結(jié)構(gòu)對(duì)其耐久性至關(guān)重要?；炷恋膹?qiáng)度、密實(shí)性、孔隙結(jié)構(gòu)和水灰比都會(huì)影響其抗?jié)B性、抗凍融性和抗裂性能。此外，添加劑和摻合料的使用也可以改善混凝土性能。

2.2 外部環(huán)境因素

混凝土結(jié)構(gòu)所處的外部環(huán)境條件，如氣候、溫度、濕度和氣體成分，會(huì)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生重要影響。在潮濕或腐蝕性環(huán)境中，混凝土可能會(huì)受到更大的侵蝕，從而降低其壽命。

2.3 使用條件和荷載

混凝土結(jié)構(gòu)的使用條件和承受的荷載對(duì)其耐久性也至關(guān)重要。重載、震動(dòng)等因素可能導(dǎo)致混凝土的疲勞破壞，而不適當(dāng)?shù)氖褂脳l件可能導(dǎo)致混凝土提前老化。

2.4 施工工藝和質(zhì)量控制

施工工藝和質(zhì)量控制對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生直接影響。不適當(dāng)?shù)臐仓?、養(yǎng)護(hù)和施工流程可能導(dǎo)致混凝土質(zhì)量問(wèn)題，降低其耐久性。

3 水泥配合比對(duì)混凝土耐久性的影響

3.1 水泥摻合料對(duì)混凝土性能的改善

3.1.1 摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土中添加摻合料，如粉煤灰、礦渣等，能顯著改善混凝土的力學(xué)性能。摻合料填充了混凝土內(nèi)部微觀孔隙，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。此改進(jìn)不僅增加了混凝土的承載能力，還降低了混凝土的收縮率，改善了其工程性能。

3.1.2 摻合料對(duì)混凝土耐久性的提升

摻合料的引入能有效提升混凝土的耐久性。通過(guò)形成致密的水泥基質(zhì)和改良混凝土孔結(jié)構(gòu)，摻合料能夠減緩混凝土的氯離子滲透、碳化以及硫酸鹽侵蝕等惡劣環(huán)境下的耐久性損傷，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.2 水泥用量與混凝土工程性能的平衡

3.2.1 水泥用量對(duì)混凝土工程成本的影響

混凝土中水泥用量的調(diào)整直接關(guān)系到工程成本。合理控制水泥用量不僅可以降低混凝土成本，還有助于減少對(duì)資源的過(guò)度開(kāi)采。因此，在保證混凝土強(qiáng)度和耐久性的前提下，優(yōu)化水泥用量是工程經(jīng)濟(jì)可行性的重要考量因素。

3.2.2 水泥用量與混凝土工程性能的最優(yōu)平衡點(diǎn)

通過(guò)精確計(jì)算混凝土的水泥用量，可以實(shí)現(xiàn)混凝土工程性能與成本的最優(yōu)平衡?？紤]混凝土在不同環(huán)境下的使用條件，結(jié)合工程的具體需求，尋找最佳的水泥用量，有助于確保混凝土在實(shí)際工程中取得最佳性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工程經(jīng)濟(jì)的雙贏。

4 數(shù)據(jù)支撐與案例分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)收集

4.1.1 選擇代表性水泥樣品

在本試驗(yàn)中，我們精心挑選了三種具有代表性的水泥樣品，分別為X牌號(hào)普通硅酸鹽水泥、Y牌號(hào)混合材水泥（20%粉煤灰摻合）、Z牌號(hào)高強(qiáng)度水泥。這一選擇的目的在于全面涵蓋市場(chǎng)上常用的普通硅酸鹽水泥、摻合料水泥和高強(qiáng)度水泥，以確保研究結(jié)果具有廣泛的適用性。這三種水泥類型代表了不同強(qiáng)度、混合材含量和應(yīng)用領(lǐng)域，為后續(xù)深入了解水泥性能對(duì)混凝土耐久性的影響提供了多樣性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.1.2 進(jìn)行混凝土試件制備及性能測(cè)試

按照標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)制備混凝土試件并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和氯離子滲透性等方面的性能測(cè)試。

4.2 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

4.2.1 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析

在抗壓強(qiáng)度測(cè)試中，X牌號(hào)水泥混凝土強(qiáng)度達(dá)到40MPa，Y牌號(hào)強(qiáng)度為35MPa，而Z牌號(hào)水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到50MPa?？拐蹚?qiáng)度方面，X、Y、Z三種水泥混凝土分別為5.5MPa、6.2MPa和7.8MPa。氯離子滲透性測(cè)試結(jié)果顯示，X水泥混凝土滲透深度為25mm，Y水泥混凝土滲透深度為18mm，而Z水泥混凝土僅為15mm。

4.2.2 結(jié)論

X水泥適用于一般強(qiáng)度要求的工程，Y水泥通過(guò)添加混合材在抗壓和抗折強(qiáng)度上有所提升，適用于對(duì)耐久性要求較高的工程。Z水泥在抗壓、抗折強(qiáng)度和氯離子滲透性上均表現(xiàn)出色，適用于高強(qiáng)度和高耐久性要求的工程。

5 結(jié)語(yǔ)

在深入研究水泥性能對(duì)混凝土耐久性的之間存在密切的關(guān)聯(lián)關(guān)系后，水泥的種類、物理性能、化學(xué)性能和質(zhì)量控制都對(duì)混凝土的性能和壽命產(chǎn)生直接影響?；炷恋慕M成、外部環(huán)境、使用條件和施工工藝也是決定混凝土耐久性的關(guān)鍵因素。在混凝土工程中，工程師需要仔細(xì)考慮水泥的選擇和使用，以確?；炷两Y(jié)構(gòu)具有所需的性能和壽命。

未來(lái)我們將繼續(xù)關(guān)新型水泥材料的研發(fā)與應(yīng)用，以推動(dòng)混凝土技術(shù)的進(jìn)步，滿足不同工程需求，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)更多創(chuàng)新與實(shí)用的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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供稿人：歐永科

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說(shuō)明書(shū)》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

【會(huì)議培訓(xùn)】

2025全國(guó)混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術(shù)交流大會(huì)

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《新技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用》圖書(shū)

《常見(jiàn)預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書(shū)

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)室建設(shè)指南》圖書(shū)

混凝土技術(shù)發(fā)展中心（以下簡(jiǎn)稱“中心”）隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國(guó)內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動(dòng)態(tài)，為全國(guó)混凝土行業(yè)開(kāi)展技術(shù)服務(wù)工作，包括出版技術(shù)期刊、研究制定標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會(huì)議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認(rèn)證評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)研究等，中心是建材情報(bào)所主要業(yè)務(wù)部門(mén)之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會(huì)分支機(jī)構(gòu)包括中國(guó)散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會(huì)混凝土專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會(huì)預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)砂石協(xié)會(huì)建筑固廢利用分會(huì)、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺(tái)有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺(tái)、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)、中國(guó)商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會(huì)（擁有200余名行業(yè)一線專家）、北京砼享未來(lái)工程技術(shù)研究院（會(huì)員制技術(shù)和管理服務(wù)）。

中心每年參與多個(gè)混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目，包括雄安新區(qū)混凝土項(xiàng)目咨詢、河北省多個(gè)高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù)，以及數(shù)十個(gè)混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開(kāi)展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認(rèn)證和科技成果評(píng)價(jià)工作。

咨詢電話：孫繼成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915

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