朱效荣  1970出生,教授、研究员级高级工程师,北京城建集团高级顾问,冀东发展集团首席科学家。
       科技创新
 
 
P•II水泥
 

 
 
 
P·II水泥
在预拌混凝土中的应用技术
 
鉴定资料汇编
 
 
 
 
 
 
 
 
唐山冀东混凝土有限公司


总  目  录
 
一、鉴定大纲及受理通知书………………………………1
二、工作报告………………………………………………5
三、技术报告………………………………………………11
四、生产应用报告…………………………………………49
五、经济效益分析报告……………………………………69
六、国内外同类技术比较…………………………………75
七、检测报告………………………………………………81
八、科技查新报告…………………………………………95
九、用户意见……………………………………………115


 
鉴定文件之一
 
 
 


P·II水泥
在预拌混凝土中的应用技术
 
  鉴定大纲
 
 
 
 
 
 
 河北省科技成果转化服务中心
 


鉴定大纲
一、    鉴定技术名称
P·II水泥在预拌混凝土中的应用技术
二、    鉴定形式及组织鉴定单位
1﹑鉴定形式:会议鉴定
2﹑组织鉴定单位:河北省科技成果转化服务中心
三、鉴定内容
1、技术资料是否完整、规范。
2、选题是否准确,方法是否得当。
3、是否完成计划任务或合同要求。
4、对应用技术成果的新颖性、先进性、实用性做出评价。
(1)技术经济指标的先进性;(2)采取的试验方案、技术路线的先进性;(3)生产工艺或农艺措施的先进成熟程度;(4)样品、样机、软件等的性能水平;(5)考察新产品的生产设施、工装工艺、检测及质量保证手段,对可否进行批量生产做出结论。(6)关键技术及创新程度;(7)项目的实用性和推广应用前景。
5、对取得的社会经济效益、潜在效益做出评价。
6、对项目总体水平做出评价。
7、提出存在问题和改进意见(需实质性具体技术问题和意见, 否则视为不合格鉴定)。
四、    会议审查技术文件
1、工作报告
2、技术报告
3、生产应用报告 
4、经济效益分析报告
5、国内外同类技术比较
6、检测报告
7、科技查新报告
8、用户意见
五、    鉴定会议程序
1、宣读鉴定大纲。
2、宣布鉴定委员会名单。
3、由鉴定委员会主任主持,听取课题汇报:(1)工作报告;(2)技术报告;(3)生产应用报告;(4)效益分析报告;(5)国内外同类技术比较;(6)检测报告;(7)科技查新报告; (8)用户意见。
4、考察生产现场、观看演示,或现场测试(计算机软件等需要进行测试的项目)。
5、鉴定委员质疑,主研人答辩。
6、主研人回避,鉴定委员会对项目进行评议,形成鉴定意见。
7、对国内先进水平以上项目是否具有保密价值进行评价(填写密级评价表)。
8、鉴定专家签字。
9、鉴定会结束。


 
鉴定文件之二
 
 
 


P·II水泥
在预拌混凝土中的应用技术
 
  工作报告
 
 
 
 
 
 
  唐山冀东混凝土有限公司
 


P·II水泥在预拌混凝土中的应用技术
   工作报告
1 立项的目的
1.1 技术背景
目前混凝土搅拌站生产使用的水泥主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥,按照水泥标准检验,水泥本身的技术指标如强度、凝结时间、标准稠度用水量、安定性等都能满足国家标准的要求。但在使用过程中,经常出现水泥与外加剂适应性差、强度波动大、混凝土滞后泌水、凝结时间不正常等问题,从而给混凝土生产和质量控制带来了不利影响,也给企业带来了一定的经济损失和声誉影响。通过大量试验研究可知,产生这些问题的主要原因与水泥中混合材的品种和掺量变化有直接的关系,特别是使用同一强度等级的水泥配制某强度等级的混凝土时水泥用量差别很大,对混凝土企业提高产品质量、控制成本带来很大的困难。
1.2 能源与经济效益的优化配置
在水泥生产过程中,大多数企业采用将熟料和混合材分别粉磨后均化的工艺,然后将水泥出售到混凝土生产企业,这样混合材经历了由供应商运输到粉磨厂粉磨,再与熟料混合均化后形成水泥,将水泥销售到混凝土企业,混合材经历了二次运输,提高了综合运输成本。如果我们在混凝土生产中采用P·II硅酸盐水泥,将掺入水泥中的混合材改变为混凝土的矿物掺合料,由供应商运输到粉磨厂粉磨后,直接销售到混凝土企业,其技术效果不变,但可以减少一次运输,降低了综合运输成本。
为了提高搅拌站对混凝土质量控制的稳定性和混凝土配合比设计的合理性,同时降低混凝土企业的成本,唐山冀东混凝土有限公司根据专家建议立项进行了P·II水泥在预拌混凝土中的应用技术研究项目。
2 项目研究的主要过程
2.1 调研阶段
从2010年3月至2011年3月进行项目的可行性调研,调查水泥在国内预拌混凝土生产工厂的应用情况,掌握水泥对预拌混凝土工作性、强度以及耐久性的影响,了解到水泥质量变化导致混凝土拌合物工作性差、外加剂对混凝土适应性差是混凝土行业的共同难题,我们有必要在技术原理、工艺条件、设备配套方面进行深入研究。
2.2 技术原理的确定阶段
从2011年4月至2011年5月,通过分析研究,提出解决以上技术难题的依据:水泥水化形成强度的理论计算公式,理想水泥浆表观密度计算公式,配制1MPa强度的混凝土水泥用量的计算公式,掺合料取代水泥适量取代系数的计算公式,复合胶凝材料与外加剂适应性的调整计算公式。
2.3 技术方案的确定阶段
从2011年5月至2011年7月,根据以上原理,提出先生产出P·Ⅱ硅酸盐水泥、应用水泥水化形成的强度、理想水泥浆表观密度,求得配制强度1MPA的混凝土所用水泥的具体数值,结合混凝土配制强度得到单方混凝土水泥的基准用量。为了保证混凝土具有合理的浆体量同时水化热达到最小,在保证强度不变的条件下,充分利用掺合料适量取代系数合理分配胶凝材料的比例,最后根据胶凝材料的需水量调整其与外加剂的适应性,实现混凝土各种原材料用量合理,胶凝材料与外加剂的适应性好,生产的混凝土拌合物工作性稳定,硬化后强度适中,耐久性指标优异,综合成本低。
2.4 水泥试制及混凝土的试配
从2011年7月至2011年8月,用六种方案生产P·Ⅱ型水泥,对不同工艺生产的水泥进行性能测试并配制混凝土进行试验,实验结果表明6种隆丰P·Ⅱ水泥物理指标及外加剂的适应性良好,配制的混凝土拌合物工作性优异,强度符合设计目标,耐久性优于工程建设的设计要求。
2.5 工程应用
从2011年9月至2012年8月,根据以上原理和计算公式,采用P·Ⅱ硅酸盐水泥配制的混凝土在凤凰新城9号、10号楼进行工程应用,结果表明P·Ⅱ水泥与外加剂的适应性良好,配制的混凝土拌合物工作性优异,经过回弹检测、实体检测,混凝土强度和耐久性均满足设计要求,达到了预期的效果。
3 P·Ⅱ水泥在预拌混凝土中的应用技术的创新点
(1)建立了配制混凝土时所用水泥强度与水泥用量之间的量化计算公式,合理使用了水泥。
(2)建立了掺合料适量取代系数的准确计算方法,合理分配了胶凝材料,有效降低了水化热。
(3)建立了复合胶凝材料需水量与外加剂检验的科学方法,解决了外加剂与水泥适应性之间的矛盾。
(4)减少矿物掺合料的一次倒运,降低了水泥企业和混凝土企业的生产成本。
4 实施效果及结论
以上技术原理和计算公式的推广应用以及工程实践,实现了P·Ⅱ硅酸盐水泥、矿物掺合料、外加剂的合理利用,降低了水化热,有效预防了开裂,在保证强度的基础上提高了耐久性。减少矿物掺合料的倒运一次,降低了水泥企业和混凝土企业的生产成本,达到了预期的技术经济效果。
 


 
鉴定文件之三
 
 
 
P·II水泥
在预拌混凝土中的应用技术
 
  技术报告
 
 
 
 
 
 
 唐山冀东混凝土有限公司
 
 


P·Ⅱ水泥在预拌混凝土中的应用技术
技术报告
1 概述
混凝土是当今建筑行业中用途最广、用量最大的建筑材料之一,全国每年就有数十亿立方米混凝土的需求,而且随着国家基础建设的加大投入,每年的混凝土用量仍呈递增趋势。伴随混凝土用量的增长,混凝土专业技术人员的增加,混凝土整体质量逐年提升,但与国外相比还存在较大差距,主要体现在混凝土的和易性与耐久性上。这是因为区域的不同,用于混凝土生产的原材料质量千差万别,而为了应付生产,找不到适合的原材料,只能以次充好。就以混凝土胶凝材料来说,目前大量用于混凝土生产的胶凝材料是通用硅酸盐水泥中的普通硅酸盐水泥,众所周知,普通硅酸盐水泥是指由硅酸盐水泥熟料、5%-20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,而混合材是降低水泥材料成本的唯一途径,这样有些水泥厂为了追求水泥利润,加大混合材的掺加量,远超过20%混合材的限制,而这样的水泥运到商品混凝土站后,在生产过程中还要掺加矿物掺合料,但商品混凝土站不清楚水泥厂已掺加的混合材的种类和数量,于是就导致了生产混凝土经常出现的质量问题,如水泥与外加剂的适应性问题,混凝土滞后泌水,混凝土凝结时间不正常,混凝土开裂、碳化加剧等等,大大增加了混凝土生产过程质量控制的难度。
1.1 技术背景
目前混凝土搅拌站生产使用的水泥主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥,按照水泥标准检验,水泥本身的技术指标如强度、凝结时间、标准稠度用水量、安定性等都能满足国家标准的要求。但在使用过程中,经常出现水泥与外加剂适应性差、强度波动大、混凝土滞后泌水、凝结时间不正常等问题,从而给混凝土生产和质量控制带来了不利影响,也给企业带来了一定的经济损失和声誉影响。通过大量试验研究可知,产生这些问题的主要原因与水泥中混合材的品种和掺量变化有直接关系,特别是使用同一强度等级的水泥配制某强度等级的混凝土时水泥用量差别很大,对混凝土企业提高产品质量、控制成本带来很大的困难。
1.2 能源与经济效益的优化配置
在水泥生产过程中,大多数企业采用将熟料和混合材分别粉磨后均化的工艺,然后将水泥出售到混凝土生产企业,这样混合材经历了由供应商运输到粉磨厂粉磨,再与熟料混合均化后形成水泥,将水泥销售到混凝土企业,混合材经历了二次运输,提高了综合运输成本。如果我们在混凝土生产中采用P·II硅酸盐水泥,将掺入水泥中的混合材改变为混凝土的矿物掺合料,由供应商运输到粉磨厂粉磨后,直接销售到混凝土企业,其技术效果不变,但可以减少一次运输,降低了综合运输成本。
为了提高搅拌站对混凝土质量控制的稳定性和混凝土配合比设计的合理性,同时降低混凝土企业的成本,唐山冀东混凝土有限公司根据专家建议立项进行了P·II水泥在预拌混凝土中的应用技术研究项目。
2 技术原理与技术方案
2.1 研究目的
为了解决当前配制混凝土时水泥用量与混凝土强度之间对应关系,特别是使用同一强度等级的水泥配制某强度等级的混凝土时水泥用量差别很大,水泥与外加剂的适应性不好的难题,实现提高混凝土企业产品质量、控制成本的目的。
2.2 研究思路
(1)确定水泥强度与混凝土强度直接的对应关系计算公式,建立配制单位强度混凝土所用水泥量的计算公式;(2)建立掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式;(3)为了改善混凝土的耐久性,胶凝材料的最佳水胶比为标准稠度用水量对应的水胶比,凝固后浆体形成的孔结构最合理;(4)外加剂的调整以标准稠度为基准,配制的混凝土在拌合物状态下,可以保证混凝土拌合物不离析不泌水。通过以上三个参数计算公式的确定与外加剂的调整,将水泥、掺合料、外加剂、水分与混凝土的工作性、强度、耐久性紧密结合起来。
2.3 技术方案
(1)水泥的生产
试制硅酸盐水泥,测定需水量、强度、比表面积、三氧化硫、密度。分析同一强度等级的水泥在某强度的混凝土配比中水泥用量不同的原理,外加剂与水泥适应性差的原因。
(2)混凝土的配制
多组分混凝土配合比设计方法,包括水泥用量的确定方法,掺合料分配的方法,拌合水量确定的方法,耐久性改善的原理,合理砂率的确定方法;检测混凝土的工作性、强度、耐久性。
3 水泥强度与混凝土强度之间的关系
水泥强度的检验采用标准胶砂试验的方法,当标准养护的胶砂试件破型检验时,试件中的标准砂并没有破坏,而是试件中的水泥水化形成的纯浆体被压力破坏,因此我们认为水泥水化形成的纯浆体的强度大于标准胶砂的强度。水泥水化形成的纯浆体的强度等于标准胶砂的强度除以标准胶砂中水泥的体积比。
影响水泥水化强度的主要因素是水泥比表面积和水灰比。水泥粉磨得越细,比表面积就越大,与水接触的面积也越大,水化反应就会越充分,强度越高;此外,细磨时还会使水泥内晶体产生扭曲、错位等缺陷而加速水化。但是增大细度,迅速水化生成的产物层又会阻碍水化作用的进一步深入,所以增大水泥细度,只能提高早期水化速度,对后期强度和水化作用不明显。而对于较粗的颗粒,各阶段的反应都较慢。
从水泥水化产生强度的角度考虑,合理的水灰比为标准稠度用水量对应的水灰比,这一水灰比对应的水有两个作用,其一是保证水泥充分水化的水,其二是保证水泥颗粒达到充分水化所需的匀质性。水灰比在此范围内变化时,适当增大水灰比,可以增大水化反应的接触面积,使水化速度加快,早期强度提高,但水灰比过大,会使水泥石结构中孔隙太多,而降低其强度,故水灰比不宜太大。若水灰比过小,水泥水化反应所需水量不足,会延缓反应进行;同时,水灰比过小,则没有足够孔隙来容纳水化产物而阻碍未水化部分进一步水化,也会降低水化速度,强度降低,因此水灰比也不宜太小。所以,先用GB/T1346规定的水泥标准稠度用水量检验方法确定水灰比,再以此水灰比作为标准胶砂的水灰比。
3.1 水泥在标准胶砂中体积比的计算公式
式中:
VC0-------------标准胶砂中水泥的体积比
C0-------------标准胶砂中水泥的用量
ρC0-----------水泥的密度
S0------------标准胶砂中砂的用量
ρS0-----------砂的密度
W-------------标准胶砂中水的用量
ρW0----------水的密度
表1 水泥的密度与水泥的体积比对照
名称P·II水泥普通水泥矿渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥复合水泥
密度305030002950230026502450
体积比0.1690.1710.1740.2130.1900.202

 
3.2水泥水化形成的强度计算公式
式中:
σ0-------------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度
R28-------------标准胶砂的强度
VC0-------------标准胶砂中水泥的体积比
表2 标准胶砂的强度、水泥的体积比与纯浆体的强度对照
名称P·II水泥普通水泥矿渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥复合水泥
R28605548353840
VC00.1690.1710.1740.2130.1900.202
σ0297322276164200198

 
3.3 标准稠度水泥浆表观密度计算公式
式中:
ρ0-------------标准稠度水泥浆的密度
W0-------------水泥的标准稠度用水量
ρC0------------水泥的密度
表3 水泥的标准稠度用水量、水泥的密度与水泥浆的密度对照
名称P·II水泥普通水泥矿渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥复合水泥
W0252729333231
ρC0305030002950230026502450
ρ0212421052051173918931824

 
3.4 提供1MPa强度所需水泥用量计算公式
式中:
C -----------------提供1MPa强度所需水泥的用量
ρ0-----------------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的密度
(即标准稠度水泥浆的密度)
σ0-----------------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度
表4 胶砂强度、纯浆体强度、纯浆体密度、1MPa强度水泥用量对照
名称P·II水泥普通水泥矿渣水泥粉煤灰水泥火山灰水泥复合水泥
强度等级52.552.542.532.532.532.5
R28605548353840
σ0297322276164200198
ρ0212421052051173918931824
C (kg/MPa)7.26.57.410.69.59.2
C20(25MPa)180163185265238230
C30(35MPa)252228259371333322
C40(46MPa)331299340488437423
C50 (58 MPa)418377429615551534

 
表4解释了同样强度等级的水泥配制混凝土时水泥用量差别很大的原因。
4 掺合料活性的计算
掺合料在混凝土中的作用主要是降低水化热,改善工作性,提高耐久性。在配合比设计过程中,我们主要考虑反应活性和填充效应。反应活性用活性系数表示,活性系数指同样质量的掺合料产生的强度与对比试验水泥强度的比值。填充效应用填充系数表示,填充系数指矿物掺合料的比表面积与表观密度的乘积除以对比试验水泥的比表面积与表观密度的乘积的二次方根。
4.1 粉煤灰
4.1.1 填充系数的计算
原状灰的细度与电厂制煤系统和收尘装置有关。粉煤灰颗粒中的玻璃微珠粒径为0.5~100μm,大部分在45μm以下,平均粒径为10~30μm;海绵状颗粒粒径 (含碳粒)范围为10~30Oμm,大部分在45μm以上。I级灰和磨细粉煤灰中海绵状颗粒较少。GB/T18736规定以45μm(用气流筛测定)筛余百分数和透气法测比表面积来评定粉煤灰的细度。
本项目提出粉煤灰填充系数的计算方法如下:
水泥的填充系数:
u1------水泥的填充系数(基准数据)
ρC------水泥的密度
SC------水泥的比表面积
粉煤灰的填充系数:
u2-----------粉煤灰的填充系数
ρF-----------粉煤灰的密度
SF-----------粉煤灰的比表面积
其物理意义为1千克的粉煤灰填充效应产生的强度相当于u2千克的水泥填充效应产生的强度。
4.1.2 活性指数的计算
粉煤灰是由多种不同形状的颗?;旌隙丫鄣牧H?,其中只有硅酸盐或铝硅酸盐玻璃体的微细颗粒、微珠和海绵状玻璃体是有活性的;而结晶体,如石英,在常温下火山灰性质就不够明显;莫来石则是惰性成分;富铁微珠活性较低甚至惰性;碳粒则不是火山灰物质。一般说,玻璃体与结晶体比值越高,粉煤灰的活性也越好。
(1)活性指数测定试验
测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度,以二者抗压强度之比确定粉煤灰试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量如表
表5 试验胶砂和对比胶砂材料用量
胶砂种类水泥(g)粉煤灰(g)标准砂(g)水(ml)28d强度(MPa)
对比胶砂450——1350225R0=50
试验胶砂3151351350225R1=45

(2)结果计算
a.活性指数的国家标准计算方法: 式中:H28---------活性指数(%);
R1----------试验胶砂28d抗压强度(Mpa); 
R0----------对比胶砂28d抗压强度(MPa)。
计算结果精确至1%。
b.活性指数的准确计算方法(自定义为活性系数)
根据对比胶砂可知,450g水泥提供强度50MPa,则315g水泥提供的强度为0.7R0=35MPa,135g水泥提供的强度为0.3R0=15Mpa;那么,试验胶砂提供的强度包括315g水泥提供的强度(即0.7R0=35Mpa)与135g粉煤灰提供的强度(即R1 -0.7R0=10Mpa)。所以,粉煤灰的活性系数由下式求得:
式中:αF---------粉煤灰的活性系数;
R1--------试验胶砂28d抗压强度(Mpa); 
R0--------对比胶砂28d抗压强度(MPa)。
粉煤灰的取代系数用δc表示,则代入数据可得粉煤灰的活性系数αF=0.67,粉煤灰的取代系数δc=1.5。
这样,我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg粉煤灰取代0.67kg与对比试验相同的水泥,或者用1.5kg粉煤灰取代1kg与对比试验相同的水泥。这种设计摒弃传统观念中粉煤灰等量取代和超量取代水泥的思路,准确合理地使用了粉煤灰。
表6 粉煤灰活性等级、活性指数、活性系数与水泥取代系数的对照
活性等级S75S75S95S95S105S105
活性指数759096103106113
活性系数0.170.670.871.11.21.43
取代系数6.01.51.150.910.830.70

表6解释了同一强度等级的粉煤灰在取代水泥时用量差别很大的原因。
4.2 矿渣粉
4.2.1 填充系数的计算
随着矿渣粉比表面积的增大,矿渣的平均粒径减小。当比表面积为300m2/kg时,平均粒径为21.2μm;比表面积为40Om2/kg时,平均粒径为14.5μm;比表面积800m2/kg时,平均粒径为2.5μm,仅为比表面积300m2/kg的矿渣粒径的1/8左右。
粒径大于45μm的矿渣颗粒很难参与水化反应,因此要求用于高性能混凝土的矿渣粉磨至比表面积超过400m2/kg,以较充分地发挥其活性,减小泌水性。比表面积为600~10OOm2/kg的矿渣粉用于配制高强混凝土时的最佳掺量为30%~50%??笤サ迷较?,其活性越高,掺入混凝土后,早期产生的水化热越大,越不利于降低混凝土的温升;当矿渣的比表面积超过400m2/kg后,用于低水胶比的混凝土时,混凝土早期的自收缩随掺量的增加而增大,但矿渣粉的填充效应增加。
矿渣粉的填充系数可以用下式求得:
u3--------矿渣粉的填充系数
ρK--------矿渣粉的密度
SK--------矿渣粉的比表面积
计算求得的填充系数,其物理意义为1千克的矿渣粉填充效应产生的强度相当于u3千克的水泥填充效应产生的强度。粉磨矿渣要消耗能源,成本较高;矿渣粉磨得越细,掺量越大,则低水胶比的高性能混凝土拌合物越黏稠。用于高性能混凝土的矿渣粉的细度一般要求比表面积达到400m2/kg以上,至于最佳细度的确定,需根据混凝土工程的性能要求,综合考虑混凝土的温升、自收缩以及电耗成本等多种因素。
4.2.2 活性指数的计算
(1)矿渣粉活性指数测定试验
测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度,以二者抗压强度之比确定矿渣粉试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量如表7
表7 测定矿渣粉活性指数试验中试验胶砂和对比胶砂材料用量
胶砂种类水泥(g)矿渣粉(g)标准砂(g)水(ml)28d强度
对比胶砂450——1350225R0=50
试验胶砂2252251350225R2=45

(2)结果计算
a. 活性指数的国家标准计算方法:
矿渣粉活性指数按下式计算: 式中:A---------28d活性指数,%;
R0--------对比砂浆28d抗压强度,MPa;
R2--------试验砂浆28d抗压强度,MPa。
计算结果精确至1%。
b. 活性指数的准确计算方法(自定义为活性系数)
根据对比胶砂可知,450g水泥提供强度50MPa,则225g水泥提供的强度为0.5R0=25MPa;那么,试验胶砂提供的强度包括225g水泥提供的强度(即0.5R0=25Mpa)与225g矿渣粉提供的强度(即R2 -0.50R0=20Mpa)。所以,矿渣粉的活性系数由下式求得:
式中:αK--------矿渣粉的活性系数;
R0-------对比砂浆28d抗压强度,MPa;
R2-------试验砂浆28d抗压强度,MPa。
矿渣粉的取代系数用δk表示,则代入数据可得矿渣粉的活性指数αK =0.8,矿渣粉的取代系数δc=1.25。
这样,我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg矿渣粉可以取代0.8kg与对比试验相同的水泥,或者用1.25kg矿渣粉取代1kg与对比试验相同的水泥。这种设计摒弃传统观念中矿渣粉等量取代和超量取代水泥的思路,准确合理地使用了矿渣粉。
表8 矿渣粉活性等级、活性指数、活性系数与水泥取代系数的对照
活性等级S75S75S95S95S105S105
活性指数759096103106113
活性系数0.50.80.921.061.121.26
取代系数2.01.251.090.940.890.79

表8解释了同一等级的矿渣粉在取代水泥时用量差别很大的原因。
4.3 硅灰
4.3.1 填充系数的计算
作为超细矿物掺合料,硅灰的平均粒径度为0.1μm,仅为水泥平均粒径的几百分之一,主要用来配制高强高性能混凝土,掺入水泥混凝土后能很好地填充于水泥颗??障吨?,使浆体更致密。
硅灰的填充系数可以用下式求得:
u4--------------硅灰的填充系数
ρSi--------------硅粉的密度
SSi--------------硅粉的比表面积
其物理意义为,我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg硅灰取代u4kg与对比试验的水泥,充分利用了硅灰的填充功能,实现硅粉的准确合理利用。
4.3.2 硅灰活性指数的计算
(1)硅灰活性指数测定试验
测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度,以二者抗压强度之比确定硅粉试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量如表9。
表9 测定硅粉活性指数试验中试验胶砂和对比胶砂材料用量
胶砂种类水泥(g)硅粉(g)标准砂(g)水(ml)28d强度
对比胶砂450——1350225R0=50
试验胶砂405451350225R4=75

(2)结果计算
a. 硅灰活性指数的国家标准计算方法:
硅粉28d活性指数按下式计算:
式中:A28------28d活性指数,%;
R0-------对比砂浆28d抗压强度,MPa;
R4-------试验砂浆28d抗压强度,MPa。
计算结果精确至1%。
b. 硅灰活性指数的准确计算方法(自定义为活性系数)
根据对比胶砂可知,450g水泥提供强度50MPa,则405g水泥提供的强度为0.9R0=45MPa;那么,试验胶砂提供的强度包括405g水泥提供的强度(即0.9R0=45Mpa)与45g硅粉提供的强度(即R4-0.9R0=30Mpa);则硅粉的活性指数由下式求得:
式中:αSi-------硅灰的活性系数;
R0------对比砂浆28d抗压强度,MPa;
R4------试验砂浆28d抗压强度,MPa。
硅灰的取代系数用δSi表示,则代入数据可得硅灰的活性指数αSi=6,硅灰的取代系数δSi= 0.17。
这样,我们在混凝土配合比设计过程中可以用1kg硅灰取代6kg与对比试验相同的水泥,或者用0.17kg硅灰取代1kg与对比试验相同的水泥,这种设计摒弃传统观念中硅粉取代水泥5%-20%的思路,准确合理地使用了硅粉。
表10 硅灰填充系数与取代系数的对照
比表面积100001200015000180002000022000
填充系数4.85.25.86.46.77.1
取代系数0.210.190.170.160.150.14

表10解释了不同比表面积的硅灰在取代水泥用量差别很大的原因。
5 外加剂的适应性问题探讨
水泥对混凝土工作性的影响主要在于水泥中C3A含量、石膏、水泥需水量和比表面积,从这些方面分析水泥与外加剂适应性的影响原理如下。
5.1 水泥中C3A含量对适应性的影响
铝酸三钙的水化反应迅速,且放热量大,通常在加水后几分钟内开始快速反应,石膏含量较少时,几小时就基本水化完全。其水化产物的组成与结构受溶液中氧化钙、氧化铝的浓度反应温度的影响很大。
其化学反应式如下:
3CaO·Al2O3十21H2O→4CaO·Al2O3·13H2O十2CaO·Al2O3·8H2O
简写为:
C3A十21H →C4AH13十C2AH8
    C4AH13和C2AH8在常温下处于介稳状态,随时间延长会逐渐转变为更稳定的等轴立方晶体C3AH6,该反应将随温度升高而加速进行,由于C3A本身水化热很高,所以极易进行反应。当温度升高到25~40℃以上时,甚至会直接生成C3AH6晶体;在高于80℃时,几乎立即生成C3AH6 (即水石榴子石)。
    为防止水泥的急凝或瞬凝,在水泥粉磨时需掺有一定量的石膏,以保证正常凝结时间,防止急凝的发生。
    当石膏和氧化钙同时存在时,虽然C3A也会快速水化生成C4AH13,但接着C4AH13就会与石膏反应,其反应方程式如下:
4CaO·Al2O3·13H2O十3(CaSO4·2H2O)十l4 H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O十Ca(OH)2
简写为:
C4AH13十3CSH2十14H→C3A·3CS·H32十CH
    上述反应产物三硫型水化硫铝酸钙(C3A·3CS·H32)称为钙矾石。由于其中铝可被铁置换而成为含铝、铁的三硫酸盐相,故常用AFt表示。钙矾石不溶于碱溶液而在C3A表面沉淀形成致密的?;げ?,阻碍了水与C3A进一步反应,因此降低了水化速度,避免了急凝。
    当C3A尚未完全水化而反应剩余的石膏不足以形成钙矾石时,则C3A水化所形成的C4AH13,又能与先前形成的钙矾石继续反应生成单硫型水化硫铝酸钙,以AFm表示。反应方程式如下:
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O十2(4CaO·Al2O3·13H2O)→3(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)十2 Ca(OH)2十20 H2O
简写为:
C3A·3CS·H:32十2C4AH13→3(C3A·CS·H12)十2CH十20H
    当石膏剩余极少,在所有的钙矾石都转化成单硫型水化硫铝酸钙后,剩下尚未水化的C3A将会继续反应生成C4AH13及C4AS·H12和C3AH6的固溶体。
    由上可知,C3A水化产物的组成和结构与实际参加反应的石膏量有重要关系, C3A和石膏参加反应的合理质量比例为1568:516,近似于3:1。
当C3A单独与水拌和后,几分钟内就开始快速反应,数小时后即完全水化,因此与外加剂的适应性很差。在掺有石膏时,反应则能延缓几小时后再加速水化,这是因为石膏降低了铝酸盐的溶解度,而石膏和氢氧化钙同时存在时则会更进一步使其溶解度减小到几乎接近于零,因此掺加石膏可以调整外加剂与水泥的适应性。当石膏用量控制在3%~5%时,控制水泥中C3A<6%可以改善外加剂与水泥的适应性。
5.2 水泥中的SO3对适应性的影响
5.2.1 石膏的缓凝机理
对于石膏的缓凝机理,存在着不同的观点。目前,一般认为,石膏在Ca(OH)2饱和溶液中与C3A作用,生成溶解度极低的钙矾石,覆盖于C3A颗粒表面并形成一层薄膜,阻滞水分子及离子的扩散,延缓了水泥颗粒特别是C3A的进一步水化,故防止了快凝现象。随着扩散作用的继续进行,在C3A表面又生成钙矾石,当固相体积增加所产生的结晶压力达到一定数值时,钙矾石薄膜就会局部胀裂,而使水化继续进行,接着又生成钙矾石,直至溶液中的SO42—离子消耗完为止。因此石膏的缓凝作用是在水泥颗粒表面形成钙矾石?;つ?,阻碍水分子移动的结果。
5.2.2 石膏的最佳掺量
试验表明,石膏对水泥凝结时间的影响,并不与掺量成正比,并带有突变性,如图1-1-12所示。石膏掺量(以SO3计)小于1.3%时,不足以阻止快凝,当SO3含量继续增加,才有明显缓凝作用,而掺量超过2.5%,对凝结时间的影响不大。因此,石膏最佳掺量是决定水泥凝结时间的关键。所谓石膏最佳掺入量是指使水泥凝结正常、强度高、安定性良好的掺量,许多学者认为石膏最佳掺入量的原则是水泥加水24h石膏刚好被耗尽的数量。经过计算可知, C3A和石膏参加反应的合理质量比例为1568:516,近似于3:1。当水泥中存在C3A时,控制水泥中SO3含量2%~2.5%可以有效解决欠缺SO3引起的外加剂适应性问题。
5.3 水泥需水量与比表面积对适应性的影响
在水泥水化过程中,水泥粉磨得越细,比表面积就越大,与水接触的面积也越大,需水量越大,对外加剂的吸附越多。在其他条件相同的情况下,水化反应就会越快,表现为外加剂与水泥的适应性越差。此外,细磨时还会使水泥内晶体产生扭曲、错位等缺陷而加速水化。但是增大细度,迅速水化生成的产物层又会阻碍水化作用的进一步深入,所以增加水泥细度,只能提高早期水化速度,降低了外加剂与水泥的适应性。
5.4 胶凝材料复合对适应性的影响
在混凝土生产过程中,胶凝材料使用了水泥、矿粉、煤灰和硅灰,这些材料复合后形成的产品实质上是一种复合水泥,由于矿粉、粉煤灰和硅灰中不含石膏,因此复合水泥中缓凝剂石膏不足以引起混凝土急凝、假凝,这个因素可以采用控制胶凝材料的SO3含量2%~2.5%,达到改善水泥与外加剂适应性的目的;掺合料的需水量与水泥不同,在检测方法不变时,由于检测用水量小于胶凝材料的标准稠度用水量,引起外加剂与混凝土的适应性变差,可以通过调整用水量解决这一难题,胶凝材料需水量的确定方法如下。
 5.4.1 试验法
在已知水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的比例后,按照已知的比例将各种胶凝材料混合成复合胶凝材料,采用测定水泥标准稠度用水量的方法求得胶凝材料的标准稠度用水量为W,对应的有效水胶比 ,求得搅拌胶凝材料所需水量W1为胶凝材料总量乘以有效水胶比,即 。
5.4.2 计算法
通过以上计算求得水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的准确用量后,按照胶凝材料的需水量系数通过加权求和计算得到搅拌胶凝材料所需水量:
反之求得搅拌胶凝材料的有效水胶比:
5.5 外加剂合理用量的确定
采用以上水胶比,以推荐掺量进行外加剂的最佳掺量试验,即可求得外加剂的最佳用量,解决了外加剂与水泥以及掺合料的适应性问题。
6 混凝土配比设计
由多组分混凝土强度理论数学模型f=σ×u×m可知,多组分混凝土硬化后单位体积内的石子、砂子均没有参与胶凝材料的水化硬化,其体积没有发生改变,分别为Vg、Vs,混凝土的强度由硬化水泥混合砂浆理论强度、胶凝材料的填充强度贡献率和硬化密实浆体的体积百分比决定。以下介绍依据现代多组分混凝土理论进行混凝土配合比设计的具体步骤。
胶凝材料和外加剂的确定,以使用水泥配制混凝土为计算基础,根据水泥强度、需水量和表观密度求出1MPA强度水泥的用量,以此计算出满足设计强度等级所需水泥的量, 其次根据掺合料的活性系数和填充系数用等活性替换和等填充替换求得胶凝材料的合理分配比例,然后用胶凝材料求得标准用水量对应的水胶比,在这一水胶比条件下确定合理的外加剂用量以及胶凝材料所需的搅拌用水量。
集料的确定,首先测得石子的空隙率,根据砂子完全填充于石子的空隙中求得每立方混凝土砂子的准确用量,然后按照混凝土体积组成石子填充模型,用石子的堆积密度扣除胶凝材料,即可求得每立方混凝土石子的准确用量,通过试验求得砂子和石子的吸水率即可求得润湿砂石所需的水。在计算的过程中,除去含气量,由于砂子的空隙率所占体积和胶凝材料水化所需水分在混凝土最后占据的体积基本相同,因此计算过程不考虑砂子的孔隙率和拌合水的体积。
6.1 配制强度的确定
现代多组分混凝土的配制强度按现行规范fcu,p=fcu,o+1.645σ确定,不同强度等级混凝土σ值按表11确定。
表11 混凝土的σ取值表
强度等级C10~C25C30~C55C60~C100
σ(MPa)456

6.2 水泥浆理论强度σ0的计算
由于配制设计强度等级的混凝土选用的水泥是确定的,在基准混凝土配比计算时取水泥为唯一胶凝材料,则σ0的取值等于水泥标准砂浆的理论强度值σ0,计算如下:
VC0----------标准胶砂中水泥的体积比
C0----------标准胶砂中水泥的用量
ρC0----------水泥的密度
ρS0----------砂的密度
ρW0----------水的密度
S0-----------标准胶砂中砂的用量
W-----------标准胶砂中水的用量

σ0----------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度
R28---------标准胶砂的强度
6.3 水泥基准用量的确定
依据石子填充法设计思路,当混凝土中水泥浆体的体积达到100%时,混凝土的强度等于水泥浆体的理论强度值,即R=σ0,此时水泥浆体内含水泥的量可以通过下式求得:
水泥浆的表观密度:
ρ0-----------标准胶砂中纯浆体的密度
W ----------标准胶砂中水泥的标准稠度用水量
ρC0----------标准胶砂中水泥的密度
每兆帕混凝土对应的水泥浆质量由下式求得:
C ----------提供1MPA强度所需水泥用量
ρ0-----------标准胶砂中纯浆体的密度 
σ0-----------标准胶砂中水泥水化形成的纯浆体的强度 
配制强度为fcu,p的混凝土基准水泥用量为C01:
6.4 掺合料用量的确定
设计中采用掺合料反应活性和填充强度贡献率折算后与水泥相等为基础,因此掺合料可由下式求得:
C01 = B =α1C +α2F +α3K +α4Si
C01 = u1C + u2F + u3K +u4Si
300 ≤ C + F + K + Si ≤ 600
式中:
C、F、K、Si分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的用量;
α1、α2、α3、α4分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的活性系数;
u1、u2、u3、u4分别为水泥、粉煤灰、矿粉、硅粉的填充系数;
, , , 综合填充系数
6.4.1 C10~C30(大掺量粉煤灰)混凝土
由于C10~C30混凝土配比计算C0较小,用于生产普通混凝土时水泥用量C直接取C0计算值,但用于预拌混凝土或者自密实混凝土等富浆的混凝土时,我们需要增加一定的胶凝材料,根据我国现行规范,预拌或者自密实等富浆的混凝土中的胶凝材料用量不少于300kg, 除水泥外的胶凝材料由活性较低的粉煤灰、炉渣粉等代替,不考虑填充效应??梢杂梢韵鹿角蟮茫?
C0 = α1C + α2F
C + F = 300
可以准确求得:水泥用量,粉煤灰(炉渣粉)用量。
6.4.2 C30~C55掺复合料(矿粉和粉煤灰)混凝土
由于C30~C50混凝土配合比计算值C0为水泥,用于生产普通混凝土时水泥用量直接取计算值C0,但为了降低混凝土的水化热,掺加一定的矿物掺合料,可以有效地预防混凝土塑性裂缝的产生,本计算方法确定将水泥的量控制在C0的70%以下。根据我国国情,矿粉和粉煤灰是来源较广、价格比较便宜的两种矿物掺合料,当生产预拌或者自密实等富浆的混凝土时, 应优先选用矿粉和粉煤灰代替部分水泥。根据现场实际情况,我们可以先确定水泥用量,然后求其余的两种。具体用量由以下公式求得:
C0 = B = α1C + α2F + α3K
C0 = u1C + u2F + u3K
可以准确求得:水泥、粉煤灰和矿粉的合理用量。
6.4.3 C60~C100掺硅粉高强混凝土
由于C60~C100混凝土配比计算C0较大,用于生产普通混凝土或干硬性混凝土时水泥用量直接取计算值C0,当用于生产预拌混凝土、自密实或自流平等富浆的混凝土时,为了改善混凝土的工作性,降低水泥的水化热,预防混凝土塑性裂缝的产生,提高混凝土的耐久性,需要增加一定的矿物掺合料,根据我国国情,矿粉和硅灰是来源较广、价格比较便宜的矿物掺合料,应优先选用并部分代替水泥。本计算方法确定将水泥的量控制在450 kg以下。采用矿粉主要考虑活性系数,使用硅粉主要考虑填充效应,胶凝材料总量控制在600kg左右。具体计算由以下公式求得:
C0 = B = α1C + α3K + α4Si
C0 = u1C + u3K + α4Si
C + K + Si = 600
可以准确求得:水泥、矿粉和硅灰用量。
6.5 减水剂及用水量的确定
6.5.1 胶凝材料需水量的确定
(1)试验法
通过以上计算求得水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的准确用量后,按照已知的比例将各种胶凝材料混合成复合胶凝材料,可以采用测定水泥标准稠度用水量的方法求得胶凝材料的标准稠度用水量对应的水胶比W/B。求得搅拌胶凝材料所需水量W1为胶凝材料总量乘以水胶比。
(2)计算法
通过以上计算求得水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰的准确用量后,按照胶凝材料的需水量系数通过加权求和计算得到搅拌胶凝材料所需水量W1,同时求得搅拌胶凝材料的有效水胶比。
6.5.2 外加剂用量的确定
采用以上水胶比,以推荐掺量进行外加剂的最佳掺量试验,即可求得外加剂的最佳用量。
6.6 砂子用量的确定
6.6.1 砂子用量的确定
首先测得石子的空隙率p,由于混凝土中的砂子完全填充于石子的空隙中,每立方混凝土中砂子的准确用量为砂子的堆积密度乘以石子的空隙率,则砂子用量计算公式如下:
S = ρS × p
6.6.2 砂子润湿用水量的确定
称量1kg砂子,放到水中浸泡至表面润湿状态,测得吸水率,用吸水率乘以砂子用量即可求得润湿砂子的水量:
W2 = S ×吸水率
6.7 石子用量的确定
6.7.1 石子用量的确定
根据混凝土体积组成石子填充模型,在计算的过程中,除去含气量,由于砂子的孔隙率所占体积和胶凝材料水化所需水分在混凝土最后占据的体积基本相同,因此计算过程不考虑砂子的孔隙率和拌合水的体积。用石子的堆积密度扣除胶凝材料,即可求得每立方混凝土石子的准确用量,则石子用量计算公式如下:
G = ρg堆积 - ( VC + VF + VK + VSi ) × ρg表观
6.7.2 石子润湿用水量的确定
称量1kg石子,放到水中浸泡至表面润湿状态,测得吸水率,用吸水率乘以石子用量即可求得润湿砂子的水量:
W3 = G ×吸水率
6.8 总用水的确定
通过以上计算,混凝土搅拌胶凝材料所用水量为W1;
    润湿砂子所需的水W2;
润湿石子所需的水W3;
混凝土总的用水量W = W1 + W2 + W3
6.9 混凝土的试配、配合比调整及生产
由上可知,混凝土体积组成石子填充模型是适用于现代多组分混凝土配合比设计的数学模型,经过数学推导得到混凝土配合比设计中水泥、掺合料、砂、石、外加剂和拌合用水量等组成材料的准确计算公式,解密了混凝土各组成与强度之间的定量关系,实现了现代混凝土配合比设计和强度的科学定量计算。在此基础上我们编制了混凝土配合比设计计算软件,提出了预湿集料生产工艺,应用于重点工程的预拌混凝土生产,取得了良好的技术经济效果。
7 提高混凝土耐久性的思路
影响水泥混凝土耐久性的因素是多方面的,所处的环境和使用条件不同,对其耐久性的要求也不同,但是影响耐久性的因素却有许多相同之处,密实程度是影响耐久性的主要因素,其次是原材料的性质、施工质量等。密实程度主要取决于混凝土中浆体的孔结构,因此,混凝土耐久性的改善应从影响孔结构的因素着手。
7.1 提高密实度,改善孔结构
    正确设计混凝土的配合比,控制合理的水胶比,保证足够的胶凝材料用量,选择合理的集料级配,提高施工质量,采取适当的养护措施,保持水化的适宜温度和湿度,保证水泥水化硬化的正常进行,掺加合适的减水剂、加气剂等外加剂,可提高混凝土的密实度,改善孔结构。
    施工中加强搅拌,可防止各组分产生离析分层现象,提高混凝土的均匀性和流动性,使拌合物能很好地充满模板,减少其内部空隙;另外,强化振捣,增大混凝土的密实度,尽可能排出其内部气泡,减少显孔、大孔,尤其是连通孔,提高其强度,从而提高其抗渗能力,最终达到改善其耐久性的目的。
   采用减水剂可以在保证和易性不变的情况下,大大减少拌和用水量,降低水胶比,从而减少混凝土内部空隙,提高其强度。如采用加气剂则可引入大量50~123μm的微小气泡,隔绝浆体结构内毛细管通道,阻碍水分迁移,减少泌水现象;同时由于其变形能力大,因而可明显提高结构的抗渗、抗冻等能力。
7.2 选择适当熟料矿物组成的水泥
    水泥中的各熟料矿物对侵蚀的抵抗能力是不相同的,所以在使用水泥时。应根据环境的不同而选择不同熟料矿物组成的水泥,可改善水泥的抗蚀能力。
如降低熟料中C3A的含量,相应增加C4AF的含量,可以提高水泥的抗硫酸盐侵蚀的能力。研究表明,在硫酸盐作用下,铁铝酸钙所形成的水化硫铁酸钙或其与硫铝酸钙的固溶体,系隐晶质呈凝胶状析出,而且分布比较均匀,因此其膨胀性能远比钙矾石小。而且硫酸盐对其侵蚀速度随A/F减小而降低,A/F<0.7时,水泥性能最稳定;A/F=0.7~1.4时,水泥稳定性较好;A/F>1.4时,水泥不能稳定存在。
由于C3S在水化时析出较多的Ca(OH)2,而Ca(OH)2又是造成溶出侵蚀的主要原因,所以适当减少C3S的含量,相应增加C2S的含量,也能提高水泥的抗蚀性,尤其是抗淡水侵蚀的能力。
    水泥中掺入石膏量的不同,对其耐久性也有一定影响。具有合理颗粒级配和最佳石膏掺量的细磨水泥具有较强的抗海水侵蚀的能力。这主要是在水化早期,C3A快速溶解并与石膏生成大量钙矾石,此时水泥浆体尚具有足够的塑性,可将钙矾石产生的膨胀应力分散,不但不会产生膨胀破坏,反而使水泥石更加致密。若石膏掺量不足,生成大量单硫型水化铝酸钙,则会与外来侵蚀介质硫酸盐反应生成二次钙矾石,产生膨胀导致硬化浆体开裂。但应注意,石膏的最大掺量是保证钙矾石的生成在水化早期完成,以免在硬化后期产生膨胀破坏而影响安定性。
此外,严格控制水泥中碱含量,防止或明显抑制碱-集料反应,也是提高水泥耐久性的有效途径。
7.3 掺加适量矿物掺合料
混凝土中掺加的掺合料的种类及其数量多少,也会影响耐久性。一般说来,硅酸盐水泥中,掺加火山灰质混合材料和?;呗笤?,可以提高其抗蚀能力。因为熟料水化时析出的Ca(OH)2能与掺合料中所含的活性氧化硅相结合,生成低碱度的水化产物,反应式如下:
xCa(OH)2十SiO2·aq→2CaO·SiO2·aq
在掺合料掺量一定时,所形成的水化硅酸钙中C/S接近于1,使其平衡所需的石灰极限浓度仅为0.05~0.09g/L,比普通水泥为稳定水化硅酸钙所需要石灰浓度低很多,因此在淡水中的溶析速度要显著减慢;同时,还能使水化铝酸盐的浓度降低,而且在氧化钙浓度降低的液相中形成的低碱性水化硫铝酸钙溶解度较大,结晶较慢,不致因膨胀而产生较大的应力。另外,掺加掺合料后,熟料所占比例减少,C3A和C3S的含量相应降低,也会改善抗蚀性;而且由于生成较多的凝胶,硬化水泥浆体的密实性得到提高,抗渗性和抗蚀性得到了改善。所以说,火山灰水泥和矿渣水泥的抗蚀性比硅酸盐水泥要强??笤嗟目沽蛩嵫涡杂炙婵笤袅康脑黾蛹翱笤蠥l2O3含量的降低而提高。
但火山灰水泥的抗冻性和大气隐定性不高,掺加火山灰质混合材料的水泥也不能抵抗含酸或镁盐的溶液侵蚀,在掺入烧黏土类火山灰质混合材料时,由于活性Al2O3含量较高,抗硫酸盐能力反而可能变差。
为保证水泥的正常水化,通常拌和用水量要大大超过理论上水化所需水量。当残留水分蒸发或逸出后,会留下相同体积的孔隙,这些孔的尺寸、形态、数量及其分布,是硬化水泥浆体的重要特征。
硬化浆体中的孔分为毛细孔和凝胶孔两大类。由于在水化过程中,水不断被消耗,同时本身产生蒸发,使原来充水的地方形成空间,这些空间被生长的各种水化产物不规则地填充,最后分割成形状极不规则的毛细孔,其尺寸大小一般在10μm至100nm的范围内。另外,在C-S-H凝胶所占据的空间中存在凝胶孔,其尺寸更为细小,用扫描电子显微镜也难以分辨。关于其具体尺寸大小,各研究者观点尚未统一。
还有人将凝胶孔分为胶粒间孔、微孔和层间孔三种,孔的尺寸在极为宽广的范围内变化,孔径可从10μm到0.0005μm。实际上,孔的尺寸具有连续性,很难明确地划分界限。对于一般的硬化水泥浆体,总孔隙率常常超过50%,因此,它就成为决定水泥石强度的重要因素。尤其当孔半径大于100nm时,就成了强度破坏的主要原因。但一般在水化24h以后,硬化浆体大部分(70%~80%)的孔径已在100nm以下。
由于水化产物,特别是C-S-H凝胶的高度分散性,其中又包含有数量如此众多的凝胶孔,所以硬化水泥浆体具有极大的内表面积,巨大的内表面积必然处于高能状态,而表面能减小等趋势产生的表面效应,成了决定水泥浆体性能的一个重要因素。
8 试验研究P·Ⅱ水泥及混凝土试生产方案
8.1 试验研究
8.1.1 水泥性能对比
表12 冀东水泥三友公司生产的低碱P·O42.5R水泥性能
密度(g/cm3)比表面积(m2/kg)标准稠度(%)凝结时间(min)抗折强度(Mpa)抗压强度(Mpa)安定性碱含量(%)氯离子(%)
初凝终凝R3R28R3R28
3.0840727.61832426.08.733.862.3合格0.480.03

 
表13 冀东水泥滦县公司生产的P·Ⅱ42.5R水泥性能
密度(g/cm3)比表面积(m2/kg)标准稠度(%)凝结时间(min)抗折强度(Mpa)抗压强度(Mpa)安定性碱含量(%)氯离子(%)
初凝终凝R3R28R3R28
3.1638428.21562116.58.934.660.8合格0.680.01

从以上实验结果分析,P·Ⅱ水泥和P·O水泥相比,显著特点是P·Ⅱ水泥密度增大,标准稠度用水量稍有上升,比表面积下降,凝结时间缩短,强度指标基本持平,有利于混凝土裂缝的改善。
8.1.2 掺和料性能
表14 矿物掺和料性能
掺和料 种类产地等级密度(g/cm3)0.045mm筛余(%)比表面积(m2/kg)需水量比(%)流动度比(%)活性指数(%)
R7R28
粉煤灰唐山陡电Ⅱ级2.2113.5—104—6779
矿渣粉唐山银水S95级2.862.0428—1008898

8.1.3 骨料性能
表15 砂、石性能
骨料种类产地细度模数/级配含泥量(%)泥块含量(%)压碎值(%)堆积密度(g/cm3)表观密度(g/cm3)碱活性
砂迁西2.52.20.4—15402860非活性
碎石丰润5~250.30.17.715502800非活性

8.1.4 混凝土外加剂
采用唐山中天外加剂厂生产的ZHT-3型聚羧酸系混凝土泵送剂,减水率28%,含气量2.4%,28天抗压强度比129%。
8.2 混凝土配合比
配合比采用对比试配的方式进行,主要观察混凝土的和易性,坍落度经时损失情况,混凝土标养强度发展情况及经济成本对比情况,以C30和C50混凝土配合比为基础进行试配,配合比情况如下:
表16 混凝土试配拌合物工作性能
强度等级水泥品种配合比参数单方混凝土原材用量(kg/m3)混凝土拌合物性能
水胶比砂率(%)水水泥砂石粉煤灰矿粉外加剂出机坍落度(mm)1小时后坍落度((mm)混凝土和易性
C30P.O0.4643.51801948091051891098.23210/600210/400良好
C50P.O0.3239.017034868110656312312.82215/580200/400良好
C30P·Ⅱ0.4843.518515281010521021317.32220/520205/500良好
C50P·Ⅱ0.3339.017529268110658215411.62215/600215/400良好

表17 硬化混凝土力学性能
强度等级水泥品种100*100*100 混凝土试块强度情况(Mpa)150*150*150 同条件混凝土试块硬度情况(Mpa)
R3%R7%R14%R28%R14抗压R14回弹R28抗压R28回弹
C30P.O15.95326.58834.111443.814636.433.440.734.8
C50P.O33.76749.49959.812066.313361.537.469.940.8
C30P·Ⅱ15.15025.98633.711243.614534.932.941.534.9
C50P·Ⅱ31.56356.19358.111663.712864.638.470.742.2

从以上对比试验结果分析,由于P·II水泥比P·O水泥标准稠度略高,致使单方混凝土用水量略有上升,外加剂略有下降;混凝土工作性能和硬化后的混凝土标养强度基本一致,硬化后混凝土表面硬度略有提高,P·II水泥取代P·O水泥用于混凝土生产混凝土工作性能和力学性能满足使用要求。
8.3 混凝土耐久性能
混凝土耐久性是混凝土的一项重要指标,本试验通过测试混凝土的抗渗性能和抗冻性能来度量混凝土的耐久性能。由于公司不具备检测混凝土抗冻性能的试验设备,采用委托检测的方法检测混凝土的抗渗性能和抗冻性能,委托唐山市中权检测中心检测混凝土耐久性结果见下表:
表18 混凝土抗渗性能和抗冻性能
强度等级试体状态水泥品种抗渗性能抗冻性能
加压(Mpa)状态等级冻融次数相对弹性模量,%质量损失率,%
C30试验P·Ⅱ1.3无渗透P1225070.04.2
C50试验P·Ⅱ1.3无渗透P1225079.43.3
C30生产P·Ⅱ1.3无渗透P1225084.94.3
C50生产P·Ⅱ1.3无渗透P1225083.93.5

使用P·II水泥取代P·O水泥生产混凝土在不掺加任何膨胀剂和引气剂的情况下,无论是试验试体还是生产试体,抗渗性能满足抗渗等级大于P12的要求,抗冻性能满足抗冻等级大于250次冻融循环的要求。使用P·II水泥取代P·O水泥生产混凝土可以保持较好的耐久性。
9 结论
本项目研究的技术解决了利用高强度的P·II硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制预拌混凝土降低成本的技术难题,突破了在试验室利用高强度的P·II硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制不同强度等级的预拌混凝土时,技术效果明显,降低成本的作用比较理想,然而一旦投入生产应用时,配制混凝土时使用的同等级水泥的用量就会增加,降低成本的目标就会受挫的理论瓶颈。从而为这项技术的推广应用奠定了坚实的理论基础。
    本项技术的研究成功为水泥行业、混凝土行业和外加剂行业的发展具有重大的指导意义。对合理使用水泥、矿物掺合料、砂、石和外加剂,特别是推广应用P·II硅酸盐水泥配制预拌混凝土,合理使用掺合料,解决外加剂的适应性,降低企业生产成本,节约社会资源,起到了技术桥梁的作用,在国内外处于领先水平。
(1)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,由于P·Ⅱ水泥中掺和料的掺加比例确定,进厂水泥和外加剂的适应性明显改善,混凝土出厂稳定性大大提高。
(2)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,商混公司可根据施工部位不同确定适宜的掺和料数量,大大提升掺和料的掺加比例,可大幅度降低混凝土材料成本。
(3)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,进厂水泥28天强度波动较小,各强度等级的混凝土标养强度离散性较小,混凝土标准差降低,大大提升混凝土质量控制的稳定性。
(4)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,由于P·Ⅱ水泥中掺和料的用量较少,商混公司可较大幅度提高掺和料的掺加比例,相应降低混凝土中的碱含量和氯离子含量,有利于改善混凝土耐久性,延长混凝土使用寿命。
 


 
鉴定文件之四
 
 
 


P·II水泥
在预拌混凝土中的应用技术
 
  生产应用报告
                                                 
 
 
 
 
 
 
唐山冀东混凝土有限公司
 
 
                                                                                                                  
                                                                


1 应用P·II水泥配制混凝土生产准备方案
1.1 P·II水泥的制备方案
由冀东水泥滦县公司试生产P·Ⅱ型硅酸盐水泥,运至唐山冀东混凝土有限公司任各庄站,要求P·Ⅱ水泥的物理性能及水泥与外加剂的适应性满足以下技术指标:
a.水泥28天强度≥52.5Mpa;
b.初凝时间120~180min,终凝时间210~270min;
c.比表面积350~380㎡/kg;
d.配比:熟料90%+石膏5% +矿渣3%+石灰石2%;
e.水泥总含碱量≤0.8kg/吨;
f.水泥适应性在180~240mm(外加剂掺量2%)。
1.2 P·II水泥应用的试配方案
用P·Ⅱ水泥进行C30、C50混凝土比较性能试配
表19 试配的配合比
强度WCSGFAS95ZHT-3水灰比水胶比砂率容重
C30180 201 807 1069 91 91 9.2 0.49 0.47 43.0 2448.6 
C30180 150 806 1069 87 146 9.2 0.49 0.47 43.0 2446.7 
C30180 131 805 1069 87 164 9.2 0.49 0.47 43.0 2445.6 
C30180 110 794 1072 100 175 9.2 0.49 0.47 42.5 2440.4 
C50175 344 674 1076 64 118 14.8 0.34 0.33 38.5 2467.7 
C50175 283 673 1074 64 180 14.8 0.34 0.33 38.5 2463.9 
C50175 272 661 1076 84 175 14.9 0.34 0.33 38.0 2457.7 
C50175 262 660 1076 84 185 14.9 0.34 0.33 38.0 2457.1 
C50175 252 658 1074 90 190 14.9 0.34 0.33 38.0 2454.6 

共9组试配,每次试配要检测混凝土的凝结时间,对应每组试配留置3d、7d、14d、28d龄期标养的100×100×100mm试块各1组,用于检测混凝土不同龄期的标养强度;同时对应每组试配留置14d、28d龄期标养的150×150×150mm 试块各1块,用于检测混凝土同条件强度及回弹硬度。
1.3 P·Ⅱ水泥应用的试生产方案
选择唐山冀东混凝土有限公司任各庄站1号生产线进行P·Ⅱ水泥试生产,水泥储存在1号生产线的2号储罐(专用),严禁其他水泥混入,试生产时选择有代表性的工程-凤凰新城9号、10号楼高层C30墙柱进行试生产,同时留置和混凝土试配相同数量的试块组数,并在试生产时派质检员到现场进行跟踪,严禁施工过程中加水,对14天、28天混凝土试块强度及工程实体回弹强度进行跟踪与记录,汇集与分析数据,以验证P·Ⅱ水泥的生产效果。
1.4 P·Ⅱ水泥应用的实施进度方案
2011年8月5日,6种隆丰P·Ⅱ水泥物理检验及适应性检验;
2011年8月7日,滦县P·Ⅱ水泥物理检验及适应性检验;
2011年8月8日,滦县P·Ⅱ水泥混凝土强度和拌合物性能检测及6种隆丰P·Ⅱ水泥3天抗压、抗折试验;
2011年8月9日,隆丰矿渣-360P·Ⅱ水泥混凝土强度和拌合物性能检测;
2011年8月10日,隆丰矿渣-380P·Ⅱ水泥混凝土强度和拌合物性能检测及进厂滦县P·Ⅱ水泥3天抗压、抗折检验;
2011年8月11日,隆丰矿渣-400P·Ⅱ水泥混凝土强度和拌合物性能检测及混凝土3天抗压试验;
2011年8月12日,隆丰石灰石-360P·Ⅱ水泥混凝土强度和拌合物性能检测及混凝土3天抗压试验
2011年8月13日,隆丰石灰石-380P·Ⅱ水泥混凝土强度和拌合物性能检测及混凝土3天抗压试验;
2011年8月14日,隆丰石灰石-400P·Ⅱ水泥混凝土强度和拌合物性能检测及混凝土3天抗压试验;
2011年8月15日,滦县P·Ⅱ水泥试配混凝土7天抗压试验及隆丰3天抗压试验;
2011年8月21日,滦县P·Ⅱ水泥试配混凝土14天标养抗压试验及14天同条件抗压试验和试块回弹检验;
2011年8月23日,选择适合配合比生产试用(凤凰新城9号、10号楼)专人质检现场跟踪;
2011年9月4日,进行凤凰新城9号、10号楼现场比较回弹。
2 水泥试验及混凝土试配
2.1 概述
混凝土搅拌站生产使用的P·O42.5R水泥本身品质指标如强度、凝结时间、标准稠度用水量、安定性等都能满足混凝土的使用要求,但在使用过程中经常出现与外加剂适应性的波动,产生滞后泌水,凝结时间不正常等问题,从而给混凝土生产和质量控制带来了很大影响,也给企业带来了一定损失和声誉影响。产生这些问题的原因与水泥中混合材的性能和比例波动有直接的关系,特别是换季时尤为明显。
为了提高搅拌站对混凝土的质量稳定性的控制和混凝土配合比设计的合理性,同时降低混凝土企业的成本,唐山冀东混凝土有限公司根据专家建议进行了P·II水泥代替P·O水泥的混凝土试配和生产应用试验。
2.2 试验用原材料
2.2.1 水泥
(1)对比样:
冀东水泥丰润三期P·O42.5R;
(2)P·II水泥:
冀东水泥滦县公司P·II42.5R(实际生产时使用)
冀东水泥隆丰公司P·II42.5R(试配试验时使用)
本研究采用冀东水泥滦县公司试生产的P·Ⅱ型硅酸盐水泥,于2011年8月7日运送到唐山冀东混凝土有限公司任各庄站1#生产线2#水泥仓,前期运送量为300吨, 8月8日冀东水泥隆丰公司试磨了6种P·Ⅱ型硅酸盐水泥样品,也送到任各庄站进行试验,所以共有7种水泥在唐山冀东混凝土有限公司任各庄站试验室按试验方案进行系统的试验与试配,试验数据如下:
根据混合材与比表面积的不同,隆丰水泥分为6种样品,具体技术数据如下:
表20 隆丰水泥样品
序号水泥品种配比情况混合材种类比表面积控制
指标(kg/m2)
1隆丰矿渣-360水泥熟料与石膏合计占95%;
混合材占5%矿渣360
2隆丰矿渣-380矿渣380
3隆丰矿渣-400矿渣400
4隆丰石灰石-360石灰石360
5隆丰石灰石-380石灰石380
6隆丰石灰石-400石灰石400

(3)不同水泥的物理性能检验结果如下:
表21 水泥的物理性能
生产厂家及种类水泥品种强度等级比表
面积
(m2/kg)净浆流动度(mm)标准稠度(%)初凝(min)终凝(min)安定性抗折强度(Mpa)抗压强度(Mpa)水泥
用量kg/MPa
3d28d3d28d
三期P.O42.5R38520026.0170237合格7.09.329.553.26.8
滦县P•II42.5R35824527.8172222合格6.99.429.853.86.6
隆丰矿渣-360P•II42.5R36523527.9215265合格7.39.433.759.26.0
隆丰矿渣-380P•II42.5R37919028.0200256合格7.49.633.360.05.9
隆丰矿渣-400P•II42.5R39820028.1196246合格7.69.535.360.75.8
隆丰石灰石-360P•II42.5R36817526.3168218合格7.39.333.859.06.1
隆丰石灰石-380P•II42.5R38222526.2155210合格7.59.534.559.16.1
隆丰石灰石-400P•II42.5R40018026.2162220合格7.69.536.759.36.1

从水泥和外加剂适应性分析:滦县P·Ⅱ水泥、隆丰矿渣-365P·Ⅱ水泥、隆丰矿渣-398P·Ⅱ水泥和隆丰石灰石-382P·Ⅱ水泥较好;从凝结时间分析隆丰石灰石P·Ⅱ水泥、滦县P·Ⅱ水泥好于隆丰矿渣P·Ⅱ水泥;从水泥强度分析隆丰石灰石P·Ⅱ水泥和隆丰矿渣P·Ⅱ水泥好于滦县P·Ⅱ水泥,所以生产混凝土专用P·Ⅱ水泥宜优先选用配比为熟料+石膏+石灰石+矿渣的P·Ⅱ水泥。
2.2.2 石子
5~25mm连续级配碎石,产地为丰润。
2.2.3 矿粉
S95级?;呗笤?,比表面积420m2/Kg,28天活性指数103%,活性系数为1.06,水泥取代系数0.94,需水量比0.98,产地为唐山唐龙。
2.2.4 粉煤灰
Ⅱ级优质粉煤灰,细度21,需水量比1.03,产地为陡河电厂。
2.2.5 粗尾矿砂
2.5~2.8细度模数,产地为迁西。 
2.2.6 细尾矿砂
2.0~2.2细度模数,产地为迁西。
2.2.7 外加剂
搅拌站自配聚羧酸系泵送剂,减水率25%。
2.3 试验方案
本次试验分为三个步骤
第一步以滦县P·II42.5R水泥为基础,通过单位强度(kg/MPa)所需水泥的量进行混凝土试配,确定C30、C50混凝土的配合比;
第二步以滦县P·II42.5R水泥和6种隆丰生产的不同混合材和比表面的P·II42.5R水泥根据单位强度(kg/MPa)所需各种水泥的量进行混凝土试配,选取并确定P·II42.5R水泥的最佳配比和比表面积,为水泥企业提供生产控制依据;
第三步通过实际工程验证P·II42.5R水泥代替P·O42.5R水泥生产混凝土的技术可行性与技术优势。
2.4 使用P·II水泥进行混凝土的试配试验
2.4.1 P·II42.5R水泥生产C30、C50混凝土配合比的确定
为使配合比的设计具有可比性,在试配试验时采用P·O42.5R水泥的正常生产配合比与设计配合比的平行试验,并对强度进行对比选取。
表22 试配的试验结果
强度等级原材料(kg/m3)水灰比水胶比砂率R28
(MPa)备注
水水泥砂石子粉煤灰矿粉外加剂
C30180201807106991919.20.490.4743.043.9P·O42.5R
C30180 150 806 1069 87 146 9.2 0.49 0.47 43.0 45.5滦县P·II42.5R
C30180 131 805 1069 87 164 9.2 0.49 0.47 43.0 40.2滦县P·II42.5R
C30180 110 794 1072 100 175 9.2 0.49 0.47 42.5 37.5滦县P·II42.5R
C50175 344 674 1076 64 118 14.8 0.34 0.33 38.5 73.5P·O42.5R
C50175 283 673 1074 64 180 14.8 0.34 0.33 38.5 75.0滦县P·II42.5R
C50175 272 661 1076 84 175 14.9 0.34 0.33 38.0 73.5滦县P·II42.5R
C50175 262 660 1076 84 185 14.9 0.34 0.33 38.0 67.1滦县P·II42.5R
C50175 252 658 1074 90 190 14.9 0.34 0.33 38.0 66.8滦县P·II42.5R

根据以上试验数据,可得出下图:
图1 C30混凝土设计配合比28天强度与水泥用量关系
图2 C50混凝土设计配合比28天强度与水泥用量关系
通过以上试配强度的检测结果可以看出,C30混凝土配比的P·II42.5R水泥用量在150Kg/m3时,其28天抗压强度与对比试样基本相同;C50混凝土配比的水泥用量在272 Kg/m3时,其28天抗压强度与对比试样基本相同,因此使用P·II42.5R水泥时混凝土的配合比确定如下:
表23 使用P·II42.5R水泥时混凝土的配合比
强度等级原材料(kg/m3)砂率容重(kg/m3)
水水泥砂石粉煤灰矿粉外加剂
C30180 150 806 1069 87 146 9.2 43.0 2446.7 
C50175 272 661 1076 84 175 14.9 38.0 2457.7 

2.4.2 P·II42.5R水泥生产的最佳配料和比表面积的确定
在检验水泥基本物理性能的基础上,以7种不同配料、不同比表面的P·II42.5R水泥进行混凝土试配,通过混凝土抗压强度与和易性试验确定水泥生产控制的最佳值。
(1)水泥物理性能检验结果
图三 水泥凝结时间与水泥类型(配料、比表面积不同)的关系
图四 水泥28天强度与水泥类型(配料、比表面积不同)的关系
(2)混凝土的试配试验及结果
表24 混凝土试配的配合比
水泥品种强度等级原材料(kg/m3)
水水泥砂石粉煤灰矿粉外加剂
P·II
42.5RC301801508061069871469.2
C5017527266110768417514.9
P·O
42.5RC30180201807106991919.2
C50175 344 674 1076 64 118 14.8 

混凝土试配的结果如下:
表25 混凝土的出机状态
编号水泥品种强度
等级出机状态
(坍落度)混凝土
和易性凝结
时间
1三期P•O42.5RC30205/460良好正常
2滦县P•II42.5C30225/520良好正常
3隆丰矿渣-360C30225/500泌水露石稍长
4隆丰矿渣-380C30215/510泌水露石稍长
5隆丰矿渣-400C30205/570轻微泌水稍长
6隆丰石灰石-360C30225/490良好正常
7隆丰石灰石-380C30210/500良好正常
8隆丰石灰石-400C30230/560粘度较大正常
9三期P•O42.5RC50220/650良好正常
10滦县P•II42.5C50240/570良好正常
11隆丰矿渣-360C50220/540抓底露石正常
12隆丰矿渣-380C50215/470抓底露石正常
13隆丰矿渣-400C50200/400粘度较大正常
14隆丰石灰石-360C50240/580良好正常
15隆丰石灰石-380C50250/550良好正常
16隆丰石灰石-400C50245/580粘度较大正常

 
表26 混凝土的强度
编号强度等级标养R3
Mpa标养R7
Mpa标养R14
Mpa标养R28
Mpa同条件R14抗压同条件R14回弹同条件R28抗压同条件R28回弹
1C3014.0 24.4 34.7 40.8 36.9 32.940.731.8
2C3011.6 23.1 30.9 40.5 35.9 30.737.329.7
3C3015.927.3 34.2 41.4 35.729.441.935.1
4C3013.725.0 33.0 39.934.6 28.742.432.5
5C3015.3 26.534.7 41.137.1 24.841.4  28.6   
6C3016.5 30.337.4 41.6 35.6 28.1 42.5 28.8  
7C3017.6 32.4 36.6 42.9 36.0 27.438.2 29.7 
8C3016.9 25.1 34.7 41.8 36.528.939.3 30.7 
9C5032.2 49.9 59.9 68.5 61.5 36.670.943.3
10C5029.3 46.4 56.8 68.5 59.4 38.565.540.9
11C5037.2 54.1 57.5 68.8 57.1 36.470.2 46.6
12C5033.5 53.1 59.5 64.0 64.6 38.568.746.2
13C5036.8 49.9 58.5 64.8 61.4 38.967.8  45.2  
14C5030.5 52.1 60.2 67.163.4 44.469.4  45.6 
15C5027.6 55.7 59.6 65.8 62.0 41.365.8  46.6 
16C5034.2 50.3 60.6 64.5 62.4 43.366.6  47.2 

 
通过对水泥物理性能的检测和混凝土试配的检测,可以得到:
第一,滦县P·II42.5R水泥与三期P·O42.5R水泥的性能基本接近。
第二,隆丰P·II42.5R水泥横向比较强度较高,3天抗压强度高4MPa左右,28天抗压强度高5 MPa左右;
第三,隆丰P·II42.5R水泥凝结时间与混合材的种类直接相关,掺矿渣的初、终凝时间比掺石灰石的长40分钟左右,与比表面积的对应关系不明显。
第四,从试配混凝土的出机状态分析,以矿渣为混合材的P·Ⅱ42.5R水泥在试配时,混凝土较容易抓底、泌水,外加剂掺量较P·O42.5R水泥有所下降,但混凝土状态较差,不利于混凝土质量控制;以石灰石为混合材的P·Ⅱ42.5水泥在试配时,混凝土状态较好,外加剂掺量较P·O42.5R水泥基本持平,但混凝土状态较好,便于混凝土质量控制;
第五,从混凝土标养强度和同条件强度分析,对于C30混凝土,混合材为石灰石的P·II42.5水泥稍差于矿渣的P·II42.5R水泥,对于C50混凝土,混合材为石灰石的P·II42.5R水泥好于矿渣的P·II42.5R水泥。
综合考虑混凝土质量控制、外加剂掺量及混凝土强度发展情况,生产混凝土专用P·II型水泥应优先选用配比与其它物理性能指标为:
熟料90%+石膏5%+石灰石3%+矿渣2%
表27 其它物理性能指标
水泥品种强度等级比表面积
(m2/kg)初凝(min)终凝(min)安定性28天抗压强度(Mpa)单位强度水泥用量(kg/MPa)
P•II42.5R360~380160~200200~240合格大于55小于

3 工程验证(应用P·II42.5R水泥代替P·O42.5R水泥配制混凝土)
3.1 验证工程一
唐山冀东混凝土有限公司任各庄站于2011年8月7日购进冀东水泥滦县有限责任公司试生产的P·Ⅱ型硅酸盐水泥300吨,截止到9月22日共进货1198.5吨,于8月29日开始试生产,选取的工程项目为唐山凤凰新城居住、商业项目A标段一期,施工单位为中铁建工集团有限公司,试生产情况如下:
表28 滦县P·Ⅱ42.5R水泥用于生产混凝土的试生产情况
生产日期施工部位强度
等级生产
方量配合比用量(kg)
水泥粉煤灰矿渣粉外加剂
2011-8-2910#楼十七层19~36轴/A~K轴墙、柱及连梁C3069146911468.6
2011-8-319#楼十七层19~29/A~K轴墙、柱、连梁C3031146911468.6
2011-9-19#楼十七层29~36/A~K轴墙、柱、连梁.C3040146911469.4
2011-9-39#楼十八层1~10/A~K轴墙、柱、连梁C30411469114610.5
2011-9-310#楼十八层1~19轴/A~K轴墙、柱及连梁C3079146911469.4
2011-9-49#楼十八层10~19/A~K轴墙、柱、连梁C3038146911468.4
2011-9-610#楼十八层19~36轴/A~K轴墙、柱及连梁C3069161911319.6
2011-9-79#楼十八层29~36/A~K轴墙、柱、连梁C3040161911319.4
2011-9-99#楼十九层1~10/A~K轴墙、柱、连梁C3041161911319.2
2011-9-1010#楼十九层1~19轴/A~K轴墙、柱及连梁C3062161911319.2
2011-9-139#楼十九层29~36/A~K轴墙、柱、连梁C3039161911319.0
2011-9-1614#楼十五层14a-3~14a-9轴/14a-A~14a-G轴墙、柱、梁C40582488713310.8
2011-9-1814#楼十六层14c-1~14c-7轴/14c-A~14c-G轴墙、柱、梁C40582488713310.4
2011-9-1914#楼十六层14c-1~14a-9轴/14b-E~14c-A轴墙、柱、梁C40472488713310.4

表29 用滦县P·Ⅱ42.5R水泥生产的混凝土强度情况
生产日期强度等级R14同回弹值(碳化1.5mm)
 R14同抗压R28同回弹值(碳化1.5mm)R28同抗压R14结构回弹(碳化2mm)R28结构回弹(碳化2mm)混凝土标养强度(Mpa)
R3R7R14R28达到设计强度,%
2011-8-29C3028.335.830.038.522.429.411.523.330.136.9123
2011-8-31C302.5733.828.435.522.330.710.519.432.537.2124
2011-9-1C3026.734.928.039.524.428.510.620.832.539.0130
2011-9-3C3027.035.830.738.423.527.615.025.534.039.6132
2011-9-3C3026.733.832.238.623.830.415.427.735.538.8129
2011-9-4C3022.229.825.233.923.528.49.622.029.434.4115
2011-9-6C3026.433.431.439.724.830.215.329.536.540.2134
2011-9-7C3025.131.231.638.024.029.712.524.231.740.3134
2011-9-9C3028.737.333.142.030.730.717.629.035.644.2147
2011-9-10C3029.037.630.438.430.229.815.129.035.944.0147
2011-9-13C3026.436.731.140.230.229.613.925.237.940.3134
2011-9-16C4033.145.839.348.733.335.623.737.845.254.7137
2011-9-18C4034.047.838.354.133.636.230.841.948.456.2140
2011-9-19C4034.048.336.451.632.635.225.033.443.453.1133

 
在此次的工程验证中,自8月29日至9月19日共生产了712m3混凝土,其中C30混凝土549 m3;C40混凝土163 m3,其使用的部位均为墙、柱和梁等关键部位,因此所使用的配合比和试验结果具有较强的代表性。
在实际生产过程中,C30混凝土的水泥用量在8月29日到9月4日为146kg/m3,9月6日至9月13日为161kg/m3,其胶凝材料总量不变,粉煤灰的用量未变,只是将矿粉等量下调15kg/m3。
从强度结果来看,7天标养强度达到设计强度的65%以上,14天标养强度基本达到设计强度的100%,28天标养强度最低达到设计强度的115%,平均可达128%;14天同养试块抗压强度也达到了设计强度的100%以上,28天同养最低强度达到设计强度的120%,平均可达130%?;炷林柿拷衔榷?,有利于提高混凝土出厂控制,并且工程实体结构的28天回弹强度也能够满足工程结构验收要求,合格率为100%。
因此,通过工程的实际验证,P·II42.5R水泥及相应设计的配合比满足工程使用条件,可以进行推广使用。
3.2 验证工程二
2012年3月25日在前期成熟试验研究的基础上,唐山冀东混凝土有限公司开始在唐山区域推行用P·II水泥取代P·O水泥生产混凝土,从生产3个月的混凝土数据来看,混凝土出厂稳定性大大提高,坍落度保留值明显改善,施工现场加水现象相应减少;混凝土试块标养强度符合要求;实体结构28天回弹以碳化2mm计算达到设计强度85%以上,实体结构60天回弹以碳化2mm计算达到设计强度100%以上,满足结构验收要求。使用P·II水泥取代P·O水泥生产混凝土的另外一个显著特点是混凝土实体结构泌水和滞后泌水现象得以缓解,地下连续墙竖向裂缝得以改善。
其生产材料成本对比情况见下表:
 
表30 2011年5月份用P·O水泥生产单方混凝土综合成本
强度等级水泥kg/m3水kg/m3粗砂kg/m3细砂kg/m3石子kg/m3粉煤灰kg/m3矿粉kg/m3外加剂kg/m3容重kg/m3材料成本元/m3
材料单价(元/吨)372.5133313499.6143.852500  
C301771574214221044901156.72432.7170.82
C352241204194201043781327.52443.5194.5
C402701214004011049671419.22458.2215.5
C5035112436436410596312411.22460.2246.5

表31 2012年5月份用P·II水泥生产单方混凝土综合成本
强度等级水泥kg/m3水kg/m3粗砂kg/m3细砂kg/m3石子kg/m3粉煤灰kg/m3矿粉kg/m3外加剂kg/m3容重kg/m3材料成本元/m3
材料单价(元/吨)399133313499.6143.851906  
C30152130432.5432.61056.897.1125.66.92433.6165.28
C35164.21544084081064.794.7144.87.52445.5173.35
C40217.91463873871070.089.9143.58.72450.4194.41
C50300128353.7353.71085.080.615011.22462.5230.31

由于当月生产混凝土的实体结构部位占有量不一样,用于指导生产的混凝土配合比不一样,因此单方配合比材料成本下降的幅度有所区别。总之,使用P·II水泥取代P·O水泥生产混凝土的材料成本下降幅度显著,经济效益明显提升。
4 实体工程耐久性指标检测
混凝土耐久性是混凝土的一项重要指标,本试验通过测试混凝土的抗渗性能和抗冻性能来度量混凝土的耐久性能。由于搅拌站不具备检测混凝土抗冻性能的试验设备,采用委托检测的方法检测混凝土的抗渗性能和抗冻性能,委托单位为唐山市中权检测中心,检测结果见下表:
表32 混凝土抗渗性能和抗冻性能
强度等级试体状态水泥品种抗渗性能抗冻性能
加压(Mpa)状态等级冻融次数相对弹性模量,%质量损失率,%
C30生产P·Ⅱ1.3无渗透P1225070.04.2
C50生产P·Ⅱ1.3无渗透P1225079.43.3
C30生产P·Ⅱ1.3无渗透P1225084.94.3
C50生产P·Ⅱ1.3无渗透P1225083.93.5

使用P·II水泥取代P·O水泥生产混凝土,在不掺加任何膨胀剂和引气剂的情况下,无论是试验试体还是生产试体,抗渗性能都能满足抗渗等级大于P12的要求,且抗冻性能都能满足抗冻等级大于250次冻融循环的要求。所以,使用P·II水泥取代P·O水泥生产混凝土可以保持较好的耐久性。
5 工程应用结论
5.1 混凝土的基准配合比
使用P·II42.5R水泥时C30、C50混凝土的配合比确定如下:
 
 
 
表33 C30、C50混凝土的基准配合比
强度
等级原材料(kg/m3)砂率容重(kg/m3)
水水泥砂石粉煤灰矿粉外加剂
C30180 150 806 1069 87 146 9.2 43.0 2446.7 
C50175 272 661 1076 84 175 14.9 38.0 2457.7 

 5.2 水泥配比及技术指标
生产混凝土专用P·II型水泥应优先选用配比为:
熟料90%+石膏5%+石灰石3%+矿渣2%
表34 P·II水泥应符合的其它性能指标
比表面积
(m2/kg)初凝时间(min)终凝时间(min)安定性28天胶砂抗压强度(MPa)单位强度水泥用量
(Kg/MPa)
350~370160~200200~240合格≥55<6.5

5.3 工程应用的可行性
5.3.1 理论方面
研究本项目提出的技术理论及计算公式从原理上解决了利用高强度的P·II硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制预拌混凝土降低成本的技术难题,技术效果明显,降低成本的作用比较理想,为这项技术的推广应用奠定了坚实的理论基础。
5.3.2 能源资源和技术经济方面
本项技术的研究成功对水泥行业、混凝土行业和外加剂行业的科学发展具有重大的指导意义。对合理使用水泥、矿物掺合料、砂、石和外加剂,特别是对推广应用P·II硅酸盐水泥配制预拌混凝土,合理使用掺合料,减少运输量,解决外加剂的适应性,降低企业生产成本,节约社会资源,起到了技术桥梁的作用。
5.3.3 实际应用的技术经济效果
(1)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,由于P·Ⅱ水泥中混合材掺加比例确定,进厂水泥和外加剂的适应性明显改善,混凝土出厂稳定性大大提高。
(2)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,商混公司可根据施工部位不同确定适宜的掺和料数量,大大提高掺和料掺加比例,可大幅度降低混凝土材料成本。
(3)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,进厂水泥28天强度波动较小,混凝土各强度等级标养强度离散性较小,混凝土标准差降低,大大提升混凝土质量控制的稳定性。
(4)使用P·Ⅱ水泥取代P·O水泥用于混凝土生产,由于P·Ⅱ水泥中混合材用量较少,商混公司可较大幅度提高掺和料掺加比例,相应降低混凝土中的碱含量和氯离子含量,有利于改善混凝土耐久性,延长混凝土使用寿命。
6 生产应用结论
     经过近一年的工程应用验证,从试验和试生产数据可以得出,使用P·Ⅱ型水泥取代P·O型水泥配制预拌混凝土的技术原理、计算公式是科学的,实现了生产质量稳定,成本有效降低,满足了企业提高技术水平和经济效益的需求,具备了推广应用的条件。


 
鉴定文件之五
 
 
 


P·II水泥
在预拌混凝土中的应用技术
 
   经济效益分析报告
 
 
 
 
 
 
唐山冀东混凝土有限公司
 
 


 
P.II水泥在预拌混凝土中的应用技术
经济分析报告
1 工程应用概况
唐山冀东混凝土有限公司从2011年8月29日开始采用P·II水泥代替P·O水泥配制预拌混凝土,强度等级覆盖 C20至 C50,工程项目为唐山凤凰新城居住、商业项目A标段一期;施工单位为中铁建工集团有限公司,其使用的部位均为墙、柱和梁等关键部位,因此所使用的配合比和试验结果在技术经济方面具有较强的代表性。
在实际生产过程中,C30混凝土的水泥用量在8月29日到9月4日为146kg/m3,9月6日至9月13日以后调整为161kg/m3,其胶凝材料总量不变,粉煤灰的用量未变,只是将矿粉用量同量下调15kg/m3。从强度结果来看,7天标养强度达到设计强度的65%以上,14天标养强度基本达到设计强度的100%,28天标养强度最低达到设计强度的115%,平均强度可达128%;14天同养试块的抗压强度也达到了设计强度的100%以上,28天同养强度最低达到设计强度的120%,平均强度可达130%;混凝土质量较为稳定,有利于提高混凝土出厂控制,并且工程实体结构的28天回弹强度也满足工程结构验收要求,合格率为100%。
2 经济效益分析
2.1 混凝土配合比成本分析
由于唐山冀东混凝土有限公司生产的混凝土强度等级在C10至 C50之间,所以成本核算以C30和 C50为基准计算,用同期 P·II水泥与P·O水泥配制的预拌混凝土配合比进行成本分析,原材料成本对比数据如下:
表35 配合比成本对比情况
强度等级水泥品种配合比参数单方混凝土原材用量(kg/m3)配合比材料成本
(元/方)
水胶比砂率(%)水水泥砂石粉煤灰矿粉外加剂
P.O水泥配合比材料单价(元/吨)136932341051452000 
C30P.O0.4643.51801948091051891098.23175.00
C50P.O0.3239.017034868110656312312.82236.67
P.II水泥配合比材料单价(元/吨)139932341051452000 
C30P·Ⅱ0.4843.518515281010521021317.32166.87
C50P·Ⅱ0.3339.017529268110658215411.62228.87


使用P·II水泥取代P·O水泥试配混凝土,单方混凝土的水泥用量减少40kg,掺合料增加30kg,混凝土材料成本显著降低,C30和 C50单方混凝土材料成本可降低7~8元,对于混凝土生产企业来说,经济效益非常显著。
2.2 生产应用经济效益分析
表36 三期P·O42.5R水泥生产施工配合比成本情况
强度等级水水泥粗砂细砂石子粉煤灰矿粉ZHT-3容重材料成本
材料单价
(元/kg)1377363234.51181501900  
C30墙柱1802041576691032899911.02450.0186.00元/方
C30泵送180173171645105210111010.02450.0175.91元/方
C30基础1801551716451060881399.92445.0172.03元/方
C40墙柱17630719856410335610913.22470.0224.77元/方
C40泵送17624822154110538113513.02470.0209.78元/方
C40基础17621521853310588116913.02460.0202.24元/方

表37 滦县P·Ⅱ42.5R水泥生产施工配合比成本情况
强度等级水水泥粗砂细砂石子粉煤灰矿粉ZHT-3容重材料成本
材料单价
(元/kg)1450363234.51181501900  
C30墙柱1801611536531068911319.22446.8183.79元/方
C30墙柱1801461536531068911469.22446.8179.29元/方
C30泵送18012816963110651001578.52443.1172.34元/方
C30基础18011016762610731051728.52440.7167.06元/方
C40墙柱17624819555510558713310.82460.4223.45元/方
C40泵送17619221853510639516410.42454.1203.87元/方
C40基础176177216528107010017510.42453.6199.27元/方

表38 三期P·O42.5R与滦县P·Ⅱ42.5R生产成本对比
强度等级三期P·Ⅱ42.5R
材料成本(元/方)滦县P·Ⅱ42.5R
材料成本(元/方)节约成本
(元/方)
C30墙柱186.00183.792.21
C30墙柱186.00179.296.71
C30泵送175.91172.343.57
C30基础172.03167.064.97
C40墙柱224.77223.451.32
C40泵送209.78203.875.91
C40基础202.24199.272.97

从表38的成本对比分析可以看到,当P·O水泥单价以377元/吨,P·Ⅱ水泥以450元/吨进行核算时,C30混凝土直接材料成本可以降低2.2~6.5元/方;C40混凝土直接材料平均成本可以降低3元/方。使用P·Ⅱ型水泥取代P·O型水泥用于混凝土生产,无论从成本控制、质量控制都符合企业发展需求,具备了在集团公司内部推广应用的条件。
2.3 生产成本分析结论
综合以上数据,以C30和C50为基准,每方混凝土平均可节约成本4元,采用该项技术,按集团公司所有搅拌站每年生产混凝土1000万方计算,则每年预计可节约的成本为4000万元。
3 运输成本的节约
使用P·II水泥取代P·O水泥试配混凝土,单方混凝土的水泥用量减少40kg,掺合料增加30kg,由于在水泥生产过程中,大多数企业采用先将熟料和混合材分别粉磨后再均化的工艺,然后将水泥出售到混凝土生产企业,这样混合材经历了由供应商运输到粉磨厂粉磨,再与熟料混合均化后形成水泥,将水泥销售到混凝土企业,混合材经历了二次运输,提高了综合运输成本。如果我们在混凝土生产中采用P·II硅酸盐水泥,将掺入水泥中的混合材改变为混凝土的矿物掺合料,由供应商运输到粉磨厂粉磨后,直接销售到混凝土企业,其技术效果不变,但可以减少水泥均化的费用和减少一次运输费用,降低了综合运输成本25元/吨(以冀东水泥2011年运费计算)。如果采用该项技术,单方混凝土减少的40kg含混合材的水泥减少了一次运输, 以集团公司为核算单位,按每年生产混凝土1000万方,一年可以减少40万吨的运输量一次,预计一年可节约运输成本1000万元。
4 社会效益分析
采用该项技术后,单方混凝土的水泥用量减少40kg,在水泥生产过程中减少了10%的二次均化,节约了有限的电力,减少了水泥的生产能耗;减少一次运输,在节约运输费用的同时节省了大量的燃油,同时降低了运输产生的尾气、粉尘、噪音以及交通拥堵,改善了生产和生活环境,因此该项目具有明显的社会效益。


 
鉴定文件之六
 
 
 


P·II水泥
在预拌混凝土中的应用技术
 
    国内外同类技术比较
 
 
 
 
 
 
唐山冀东混凝土有限公司
 


1 国内外研究概况
1.1 国内研究状况
混凝土是我国建筑行业中用途最广、用量最大的建筑材料之一,全国每年就有数十亿立方米混凝土的需求,而且随着国家基础建设的加大投入,每年的混凝土用量仍呈递增趋势。伴随混凝土用量的增长,混凝土专业技术人员的增加,混凝土整体质量逐年提升,但和国外相比还存在较大差距,主要体现在混凝土的和易性和耐久性上。这是因区域的不同用于混凝土生产的原材料质量千差万别,而为了应付生产,找不到适合的原材料只能以次充好,就以混凝土胶凝材料来说,目前大量用于混凝土生产的胶凝材料是通用硅酸盐水泥中的普通硅酸盐水泥,众所周知,普通硅酸盐水泥是指由硅酸盐水泥熟料、5%-20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,而混合材是降低水泥材料成本的唯一途径,所以有些水泥厂为了追求水泥利润,加大混合材的掺加量,远超过20%混合材的限制,而这样的水泥运到混凝土搅拌站后在生产过程中还要掺加矿物掺合料,对于混凝土搅拌站来说,并不清楚水泥厂所掺加的混合材的种类和数量,于是就形成了生产混凝土经常出现的质量问题,如水泥和外加剂的适应性问题,混凝土滞后泌水,混凝土凝结时间不正常,混凝土开裂、碳化加剧等等,大大增加了混凝土生产过程质量控制的难度。从2000年以来,国内多家混凝土咨询单位开始了利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制预拌混凝土降低成本的技术研究,具体思路就是做配合比试验,在试验室利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制了不同强度等级的预拌混凝土,技术效果明显,降低成本的作用比较理想,而一旦投入使用,配制混凝土时使用的同等级水泥的用量就会增加,降低成本的目标就会受挫。最近几年这项技术的研究处于停滞状态。
1.2 国外研究状况
    在国外,欧美国家属于发达国家,由于大多数地区处于发达状态,建筑行业处于相对稳定的循环经济状态,建设总量较小,由于国外没有矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥,使用的水泥主要为纯硅酸盐水泥,因此不存在利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制不同强度等级预拌混凝土的应用技术问题,所以没有这方面的研究。
2 本项目的创新点
2.1 建立配制单位强度混凝土所需水泥量的计算公式
水泥强度的检验采用标准胶砂试验的方法,当标准养护的水泥胶砂试件破型检验时,标准砂并没有破坏,水泥浆体被压力破坏,因此我们认为纯水泥浆的强度大于胶砂的标准养护强度。水泥水化形成的强度等于胶砂标准养护强度除以水泥浆在标准胶砂中的体积比。确定了水泥强度与混凝土配制强度之间直接的对应关系计算公式,建立配制单位强度混凝土所需水泥量的计算公式,这些计算公式在国内外属于首创,具体包括以下几部分:水泥胶砂中水泥体积比的计算公式1;水泥胶砂中水泥水化形成的强度计算公式2;水泥胶砂中水泥浆体密度的计算公式3;提供1MPa强度所需水泥量的计算公式4;配制强度为fcuo的混凝土基准水泥用量的计算公式5。 
计算公式1------------- 计算公式2------------- 计算公式3------------- 计算公式4------------- 计算公式 5------------ 2.2 建立掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式
建立掺合料活性和水泥取代系数的准确计算公式,这些计算公式在国内外属于首创,具体包括以下五个计算公式:矿渣粉活性系数的计算公式6;粉煤灰活性系数的计算公式7;硅粉活性系数计算公式8;硅粉填充系数的计算公式9。
计算公式6----------- 计算公式7----------- 计算公式8----------- 计算公式9----------- 2.3 建立胶凝材料合理用水量的计算公式
为了改善混凝土的耐久性,胶凝材料的最佳水胶比为标准稠度用水量对应的水胶比,凝固后浆体形成的孔结构最合理,建立了胶凝材料合理用水量的计算公式10,这些计算公式在国内外属于独创。
计算公式10--------- 2.4 外加剂的调整方法
外加剂的调整以标准稠度为基准,外加剂的掺量以净浆流动扩展度达到220---240mm为基准,配制的混凝土在拌合物状态下,可以保证混凝土拌合物不离析不泌水。这种复合胶凝材料需水量与外加剂检验的科学方法,解决了外加剂与水泥适应性之间的矛盾;这种方法在国内外属于独创,通过以上调整方法对外加剂的调整,将水泥、掺合料、外加剂、水分与混凝土的工作性、强度、耐久性紧密结合起来。
3 技术经济效益的取得
3.1 混凝土的配制方法
创立了多组分混凝土配合比设计方法,包括水泥用量的确定方法,掺合料的分配方法,拌合水量的确定方法,耐久性的改善原理,合理砂率的确定方法;使混凝土的配合比设计更加合理、科学、实用,单方混凝土平均降低成本4元。这种设计方法的使用在国内外属独创。
3.2 节约能源
在水泥生产过程中,大多数企业采用将熟料和混合材分别粉磨后均化的工艺,然后将水泥出售到混凝土生产企业,这样混合材经历了由供应商运输到粉磨厂粉磨,再与熟料混合均化后形成水泥,将水泥销售到混凝土企业,混合材经历了二次运输,提高了综合运输成本。采用本项研究的技术原理与工艺,我们在混凝土生产中使用P·II硅酸盐水泥,将掺入水泥中的混合材改变为混凝土的矿物掺合料,由供应商运输到粉磨厂粉磨后,直接销售到混凝土企业,其技术效果不变,但可以减少一次运输,每方混凝土降低了综合运输成本1元,节约了燃油,减少了环境污染。这种技术原理和工艺设, 计方法的推广使用在国内属独创。
以上技术提高了搅拌站对混凝土质量控制的稳定性与混凝土配合比设计的合理性,同时降低了企业的生产成本。
4 对比结论
通过对比可知,本项目研究的技术解决了利用高强度的硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制预拌混凝土降低成本的技术难题,突破了在试验室利用高强度的P·II硅酸盐水泥代替矿渣水泥和复合水泥配制不同强度等级的预拌混凝土时,技术效果明显,降低成本的作用比较理想,然而一旦投入生产应用时,配制混凝土时使用的同等级水泥的用量就会增加,降低成本的目标就会受挫的理论瓶颈。为这项技术的推广应用奠定了坚实的理论基础。
    本项技术的研究成功对水泥行业、混凝土行业与外加剂行业的发展具有重大的指导意义。对合理使用水泥、矿物掺合料、砂、石和外加剂,特别是对推广应用P·II硅酸盐水泥配制预拌混凝土,合理使用掺合料,减少运输量,解决外加剂的适应性,降低企业生产成本,节约社会资源,起到了技术桥梁的作用。


   
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