出廠水泥質(zhì)量穩(wěn)定性要求
0 引言
混凝土是一種非勻質(zhì)的復(fù)雜多相復(fù)合材料，提高混凝土的勻質(zhì)性可以提高混凝土強(qiáng)度，改善其孔結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的耐久性。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和美國混凝土學(xué)會(ACI)聯(lián)合主辦的第一次國際高性能混凝土(HPC)會議提出的HPC定義中，突出強(qiáng)調(diào)了HPC的勻質(zhì)性特征；同時強(qiáng)調(diào)使用傳統(tǒng)的組分是不可能獲得的。其主要原因即是傳統(tǒng)材料的質(zhì)量穩(wěn)定性不能滿足HPC的勻質(zhì)性要求。高質(zhì)量穩(wěn)定性的水泥是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)混凝土的重要條件。目前還很少系統(tǒng)地提出有關(guān)水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的要求。
1 水泥質(zhì)量穩(wěn)定性定義與內(nèi)涵
水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性通常以某項質(zhì)量指標(biāo)在一定時期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(變異系數(shù))表示。水泥行業(yè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)對水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的定義、要求僅限于28d抗壓強(qiáng)度，目前水泥廠對水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的檢驗與控制也僅限于此。對于28d抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性，JC/T578-1995《評定水泥強(qiáng)度勻質(zhì)性試驗方法》規(guī)定了2個指標(biāo)：①勻質(zhì)性(Uniformity)：某一時期單一品種水泥28d強(qiáng)度變化的穩(wěn)定程度。②均勻性(Homogeniety)：某一時期單一編號水泥10個分割樣28d強(qiáng)度的均勻程度。GB/Tl2573-2008《水泥取樣方法》和JC/T578-1995規(guī)定了勻質(zhì)性、均勻性的取樣、檢驗和計算方法。根據(jù)勻質(zhì)性和均勻性的定義、取樣方法可知，勻質(zhì)性是指一個較長時期(至少一個月)內(nèi)28d抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性。均勻性是指一個較短時期(約幾個小時，最多幾十個小時)內(nèi)同一個出廠編號的水泥各部分之間28d抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性。兩者的主要區(qū)別在于限定穩(wěn)定性的時間尺度不同。
目前水泥行業(yè)有關(guān)水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的規(guī)定，僅限定了28d抗壓強(qiáng)度的勻質(zhì)性和均勻性，反映了混凝土和水泥行業(yè)過去以強(qiáng)度為核心的觀念。事實(shí)上幾乎所有影響混凝土性能的水泥性能都應(yīng)該具有穩(wěn)定性的要求，而這些性能中多數(shù)與28d抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性是不確定的。換言之，即使能夠保證水泥28d抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性，并不一定能夠保證其它質(zhì)量指標(biāo)的穩(wěn)定性。從保證混凝土性能的角度考慮，水泥穩(wěn)定性應(yīng)該包含所有與混凝土性能相關(guān)的重要質(zhì)量指標(biāo)。相應(yīng)的勻質(zhì)性和均勻性的定義應(yīng)該改為：①勻質(zhì)性：某一時期單一品種水泥某項質(zhì)量指標(biāo)變化的穩(wěn)定程度。②均勻性：某一時期單一編號水泥若干分割樣某項質(zhì)量指標(biāo)的均勻程度。將JC/T578-1995規(guī)定的10個樣品改為若干樣品的原因在于，均勻性試驗是通過對出廠水泥抽樣檢驗估計出廠水泥的方差，抽取l0個樣品明顯抽樣量不足。
2 水泥質(zhì)量穩(wěn)定性要求的內(nèi)容
2.1混凝土性能與水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性關(guān)系
混凝土的以下要求需要水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性予以保證：①混凝土生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性；②混凝土的勻質(zhì)性；③混凝土要求的特殊性能?；炷辽a(chǎn)過程穩(wěn)定性是指混凝土連續(xù)生產(chǎn)的一定時期內(nèi)的質(zhì)量穩(wěn)定性，水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性是混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性的重要保證。混凝土的勻質(zhì)性可以劃分為宏觀、細(xì)觀和微觀3個層次，其中混凝土的宏觀勻質(zhì)性與水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性相關(guān)，混凝土不泌水、不離析是宏觀勻質(zhì)性的主要內(nèi)容。某些時候混凝土有一些特殊性能的要求，也會對水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性提出要求。例如，對于清水飾面混凝土，水泥顏色的穩(wěn)定性就是一個十分重要的指標(biāo)，其重要程度甚至超過強(qiáng)度。為了滿足混凝土生產(chǎn)穩(wěn)定性和勻質(zhì)性的要求，所有與混凝土性能有關(guān)的水泥性能均應(yīng)該具有穩(wěn)定性的要求。
2.2 混凝土攪拌站對水泥質(zhì)量穩(wěn)定性要求的內(nèi)容
混凝土攪拌站是許多水泥廠典型的和主要的顧客，也是對水泥質(zhì)量穩(wěn)定性要求較高的顧客。筆者在十余年從事水泥廠質(zhì)量管理和技術(shù)服務(wù)工作過程中，曾經(jīng)就水泥質(zhì)量穩(wěn)定性與混凝土攪拌站技術(shù)人員有過廣泛和深入的交流。據(jù)此提出通用水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的基本要求。這些要求是針對混凝土攪拌站生產(chǎn)常用強(qiáng)度等級、無特殊要求的混凝土。
2.2.1 28d抗壓強(qiáng)度
28d抗壓強(qiáng)度一直是水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的唯一指標(biāo)，已得到水泥生產(chǎn)和使用雙方的廣泛認(rèn)可。目前以標(biāo)準(zhǔn)偏差或變異系數(shù)限定的28d抗壓強(qiáng)度沒有考慮檢驗誤差的影響，而檢驗誤差的影響是不容忽視的。
2.2.2 水泥與減水劑相容性
水泥與減水劑相容性的較大變化，將直接影響混凝土坍落度的大小。相容性突然變差，混凝土坍落度會明顯減小，影響混凝土的施工性能，如果是泵送混凝土則可能導(dǎo)致無法泵送；相容性突然變好，混凝土坍落度會明顯增大，可能出現(xiàn)泌水、離析。
JC/T1083-2008《水泥與減水劑相容性試驗方法》規(guī)定以凈漿流動性(包括凈漿流動度和Marsh筒時間)定量表征水泥與減水劑相容性，并規(guī)定了檢驗方法。水泥的凈漿流動性既反映出水泥與減水劑相容性，也反映了水泥自身在減水劑存在條件下的流變性能。
2.2.3 保水性
水泥的保水性是指凈漿或砂漿抵抗水從固-液懸浮體系中逐步分離的能力。水泥的保水性與混凝土的保水性相關(guān)?；炷恋拿谒ū砻婷谒蛢?nèi)部泌水。表面泌水會提高混凝土表面的水膠比，導(dǎo)致混凝土表面強(qiáng)度降低。在連續(xù)澆筑的混凝土中，表面泌水還會降低混凝土分次澆筑界面的強(qiáng)度。水由內(nèi)部遷移到表面的泌水通道，形成硬化混凝土中較大的空隙，降低了混凝土的密實(shí)度，成為外部侵蝕介質(zhì)侵入的通道，降低混凝土的耐久性。內(nèi)部泌水是指在混凝土粗集料的周圍特別是下部形成水的富集區(qū)，導(dǎo)致混凝土界面過渡區(qū)的各種不利影響加劇，形成結(jié)構(gòu)缺陷。
2.2.4 新鮮度
新鮮度是與水泥粉磨后的儲存時間相關(guān)聯(lián)的一項指標(biāo)。水泥粉磨后，隨著儲存時間延長，與減水劑相容性逐漸變好。有人認(rèn)為其原因是隨著儲存時間延長，水泥中一些活性較高的組分如C3A、f-CaO，將吸收部分水分發(fā)生預(yù)水化。水分主要來自石膏的結(jié)晶水，還包括少量空氣中的水分。筆者推測，新鮮度不同的水泥具有不同的性能，可能還有另外一個原因，即熟料顆粒表面靜電荷的作用。多數(shù)減水劑屬于表面活性劑，減水作用與熟料顆粒表面的靜電荷有關(guān)。水泥粉磨過程使熟料顆粒內(nèi)部的價鍵斷裂，主要是Si-O共價鍵和Ca-O離子鍵被打斷。這些鍵的斷裂，使熟料顆粒表面產(chǎn)生靜電荷。隨著儲存時間延長，靜電荷逐漸減少。
新鮮度是一個難以定量表征的概念。粗略地可用水泥粉磨后的儲存時間描述。應(yīng)該指出，不同水泥與減水劑相容性隨著儲存時間延長而改善的程度是不同的。與減水劑相容性差的水泥，隨儲存時間延長，相容性的改善更加明顯。
2.2.5 夏季出廠水泥溫度
夏季出廠水泥溫度過高，將導(dǎo)致混凝土入模溫度過高(例如超過35℃)，劣化混凝土的工作性，增加混凝土的坍落度損失，加速混凝土放熱，提高混凝土內(nèi)部溫升速率和溫度峰值，加大熱應(yīng)力，增加開裂風(fēng)險。
3 取樣方法和檢驗誤差的影響
3.1 取樣方法
不同的取樣方法會得到不同的穩(wěn)定性檢驗結(jié)果，主要取決于是合并樣品還是瞬時樣品。例如JC/T578-1995和GB/T 12573-2008規(guī)定的檢驗出廠水泥勻質(zhì)性的取樣方法為，在一個出廠水泥編號內(nèi)連續(xù)取樣，或在20個取樣點(diǎn)隨機(jī)取樣后合并。這樣得到的勻質(zhì)性是一段時間出廠水泥合并樣品的波動程度。有些水泥廠規(guī)定，對出廠水泥按一定的時間間隔，例如24h取瞬時樣品，用于評價勻質(zhì)性。后者的標(biāo)準(zhǔn)偏差將大于前者。
3．2 檢驗誤差對于出廠水泥28d抗壓強(qiáng)度，《水泥企業(yè)質(zhì)量管理規(guī)程》規(guī)定勻質(zhì)性變異系數(shù)不大于4.1%，均勻性變異系數(shù)不大于3.0%。使用變異系數(shù)的意義在于，對28d抗壓強(qiáng)度較高的水泥允許更高的標(biāo)準(zhǔn)偏差。以用戶的實(shí)際使用要求而言，多數(shù)情況下強(qiáng)度等級較高的水泥，多用于制作強(qiáng)度等級較高的混凝土，用于重要的結(jié)構(gòu)工程，對穩(wěn)定性的要求更高。因此，從用戶的使用要求角度，沒有必要使用變異系數(shù)，宜直接使用標(biāo)準(zhǔn)偏差表征水泥28d抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性。
《水泥企業(yè)質(zhì)量管理規(guī)程》沒有說明計算兩個變異系數(shù)是否需要校正檢驗誤差。水泥廠在實(shí)際操作中均沒有考慮檢驗誤差的影響。事實(shí)上檢驗誤差的影響是不容忽略的。
將出廠水泥某質(zhì)量指標(biāo)的檢驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差稱為表觀標(biāo)準(zhǔn)偏差S表觀，是由水泥自身真實(shí)波動的標(biāo)準(zhǔn)偏差S真實(shí)與檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差S檢驗二者合成的結(jié)果。其關(guān)系可用下式表示：
(1)
確定了檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差S檢驗，即可由上式求得水泥自身真實(shí)波動的標(biāo)準(zhǔn)偏差S真實(shí)。其中S檢驗的確定方法，可以采用在相同試驗條件下對同一個水泥樣品連續(xù)檢驗至少15次，計算檢驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，也可以按照J(rèn)C/T578-1995中方法確定。
GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO法)》規(guī)定，同一個試驗室在試驗條件基本相同的條件下，對同一個水泥樣品多次試驗的變異系數(shù)應(yīng)在1%～3%。參照這一誤差范圍，以出廠水泥的28d抗壓強(qiáng)度勻質(zhì)性說明檢驗誤差的影響程度。根據(jù)多數(shù)水泥廠的實(shí)際情況，設(shè)28d抗壓強(qiáng)度的檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差的波動范圍約0～2MPa(實(shí)際波動范圍約0.5～2MPa，為了圖示清楚，波動范圍下限延至0MPa)。勻質(zhì)性的真實(shí)波動范圍約0.5～2MPa。在上述數(shù)值范圍內(nèi)，按式(1)計算檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差對表觀標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響，見圖1。
圖1 不同真實(shí)波動標(biāo)準(zhǔn)偏差情況下檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差
對表觀標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響
從圖l可以看出，在工廠的實(shí)際數(shù)值波動范圍內(nèi)，28d抗壓強(qiáng)度檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響程度甚至可以超過水泥自身的真實(shí)波動。至少對于28d抗壓強(qiáng)度，檢驗誤差是不能忽視的。圖l還顯示，真實(shí)波動標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響程度越小。
對于可用標(biāo)準(zhǔn)偏差定量表征的穩(wěn)定性指標(biāo)，均存在與28d抗壓強(qiáng)度類似的檢驗誤差的影響。由于不同試驗室的檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差可能存在很大差別，為了更加清晰、準(zhǔn)確地表示質(zhì)量指標(biāo)的波動，對于可以準(zhǔn)確定量且檢驗誤差不能忽視的穩(wěn)定性指標(biāo)：28d抗壓強(qiáng)度、水泥與減水劑相容性宜按式(1)修正檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響。
4 穩(wěn)定性的現(xiàn)狀
對生產(chǎn)規(guī)模1000t／d至2×5000t／d的12個新型干法水泥廠的出廠水泥質(zhì)量穩(wěn)定性進(jìn)行了調(diào)查。表1列出了3個水泥廠28d抗壓強(qiáng)度的調(diào)查結(jié)果，代表了所調(diào)查12個新型干法水泥廠質(zhì)量穩(wěn)定性較好、中等和較差的水平。
表1 3個水泥廠28d抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)
表1數(shù)據(jù)表明，對于新型干法水泥廠的主要產(chǎn)品P·O42.5R水泥，28d抗壓強(qiáng)度勻質(zhì)性標(biāo)準(zhǔn)偏差的最小值為0.55MPa，最大值2.04MPa。28d抗壓強(qiáng)度均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差的最小值為0.26MPa，最大值1.27MPa。
此次對12個新型干法水泥廠的出廠水泥質(zhì)量穩(wěn)定性的調(diào)查結(jié)果顯示，目前國內(nèi)新型干法水泥廠在出廠水泥質(zhì)量穩(wěn)定性方面存在的主要問題有：
1)對質(zhì)量穩(wěn)定性的認(rèn)識和控制不夠全面。多數(shù)水泥廠對質(zhì)量穩(wěn)定性的評價指標(biāo)只有28d抗壓強(qiáng)度，其它對混凝土性能有顯著影響但水泥標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定的性能指標(biāo)：水泥與減水劑相容性、保水性、新鮮度和出廠水泥溫度等，幾乎沒有關(guān)注。
2)即使對于28d抗壓強(qiáng)度，也存在標(biāo)準(zhǔn)偏差過大的問題。12個新型干法水泥廠中有8個廠在一年中出現(xiàn)過月標(biāo)準(zhǔn)偏差超過1.5MPa的情況?！端嗥髽I(yè)質(zhì)量管理規(guī)程》規(guī)定:“28天抗壓強(qiáng)度月(或一統(tǒng)計期)平均變異系數(shù)目標(biāo)值不大于4.1%?！边@一規(guī)定偏寬。以42.5強(qiáng)度等級水泥28d抗壓強(qiáng)度50MPa計算，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.05MPa，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理估算極差可達(dá)3×2.05×2=12.3MPa。這是一般用戶難以接受的。
3)28d抗壓強(qiáng)度存在個別顯著偏低的數(shù)據(jù)。在提供了單個出廠編號檢驗結(jié)果的10個工廠中，有8個工廠在一年期間至少出現(xiàn)過一次單個編號28d抗壓強(qiáng)度與月平均值相差大于5MPa的情況，有5個工廠出現(xiàn)過多次這樣的情況。由于多數(shù)用戶不是按照強(qiáng)度等級而是按照平均強(qiáng)度或比平均強(qiáng)度稍低的數(shù)值配制混凝土，出廠水泥出現(xiàn)比平均值顯著偏低的數(shù)據(jù)會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度顯著偏低，甚至不合格。
5 穩(wěn)定性推薦指標(biāo)
根據(jù)對十余個新型干法水泥廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果以及混凝土攪拌站對水泥質(zhì)量穩(wěn)定性要求，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)控制經(jīng)驗，提出水泥28d抗壓強(qiáng)度、與減水劑相容性的穩(wěn)定性要求見表2。
表2 水泥28d抗壓強(qiáng)度、與減水劑相容性的穩(wěn)定性要求
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項目 |
指標(biāo) |
標(biāo)準(zhǔn)偏差推薦范圍 |
|
28d抗壓強(qiáng)度 |
勻質(zhì)性/MPa |
0.8～1.2 |
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均勻性/MPa |
0.5～0.8 | |
|
與減水劑相容性 |
凈漿流動度月標(biāo)準(zhǔn)偏差/mm |
6～l0 |
注：28d抗壓強(qiáng)度勻質(zhì)性、均勻性標(biāo)準(zhǔn)偏差推薦范圍均為校正檢驗誤差后的數(shù)據(jù)。
表2數(shù)據(jù)的低限對應(yīng)了國內(nèi)新型干法水泥廠較高水平，高限對應(yīng)了中等偏下的水平。保水性目前尚沒有標(biāo)準(zhǔn)的檢驗方法，只有極少數(shù)水泥廠檢驗，沒有廣泛的具有可比性的數(shù)據(jù)可供統(tǒng)計，暫時無法給出推薦范圍。因不同水泥廠的水泥儲存、均化設(shè)備限制，新鮮度也難以給出推薦范圍。
6 結(jié)束語
混凝土技術(shù)的發(fā)展對水泥質(zhì)量提出了一系列新的要求，其中就包括水泥的質(zhì)量穩(wěn)定性。僅僅關(guān)注單一的28d抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代混凝土的要求。為了更好地滿足混凝土性能的需要，有必要對水泥質(zhì)量穩(wěn)定性要求的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。
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