水泥安定性不合格的原因及危害

水泥安定性不合格的原因及危害

宋代元

日照市工程检测咨询集团，山东日照 276800

摘要：水泥安定性关系到混凝土结构的安全性，是水泥在工程应用时的必测项目。文章分析了影响水泥安定性的因素及其机理,以及水泥安定性对混凝土构件的影响。

关键词：水泥；安定性；原因；危害

引言

　　为保证工程质量，GB50204-2015《钢筋混凝土工程施工及验收规范》和建设部部颁标准GBJ203-83《砖石工程施工及验收规范》明确规定，不合格水泥严禁用于建筑工程；工程技术保证资料又规定，施工中所用的水泥必须经过该地区有资质的试验室复检合格后方可使用。水泥安定性是判定水泥质量是否合格的主要指标之一，其对工程质量的影响最大，出厂检验必须合格方能用于建筑工程。但是在实际工作中，由于建设工期和施工进度的要求（尤其在北方地区，可施工季节短，对工期要求更迫切），进入现场的水泥往往还未来得及取样复验即已用于工程，而且这种现象非常普遍。一些小型施工企业甚至在对水泥安定性不甚了解的情况下贸然施工，根本谈不上对水泥安定性的重视，致使安定性不合格的水泥用于工程的现象屡有发生，造成的事故不乏其例。因此，充分认识水泥安定性不合格对工程质量的危害程度，对减少或避免工程损失是非常必要的。

　　1 水泥安定性不合格的内在原因

　　造成水泥安定性不合格的主要原因是由于水泥熟料中的f CaO（或者还有少量MgO、SO3）。我们知道，水泥熟料中最主要的化学成分是 CaO，它与SiO2生成硅酸钙，与Al2O3和Fe2O3生成铝酸盐和铁铝酸盐。要生产出高品位的优质水泥，就需要有足量的碱性氧化物（即CaO）来满足酸性氧化物的需要。但在生产过程中，由于配料比例失当或煅烧温度低以及熟料冷却方式不当，其中一部分CaO就不能完全与酸性氧化物化合或是已形成的C3S发生分解，从而以f CaO的形式存在于水泥熟料中。这种经高温烧成的晶体颗粒呈死烧状，遇水后水化速度极慢。在水泥水化、硬化的过程中，f CaO在水泥具有一定的强度后才开始水化，并伴随一定的体积膨胀，从而导致混凝土内部产生巨大的膨胀应力，致使混凝土的强度急剧下降。当膨胀应力超过混凝土的强度极限时，就会引起混凝土的开裂和损坏。

　　2.水泥安定性的影响因素

2.1游离氧化钙(f-Ca0)对安定性的影响

水泥熟料矿物是在1450℃左右高温下反应生成，反应程度受到生料的配合比、混合是否均匀、烧成温度、煅烧带停留时间等条件的影响。一些组份的反应不可能是很完全，或多或少地剩余一些氧化钙未被吸收化合，这些剩余的氧化钙称为游离氧化钙。游离氧化钙因产生的条件不同存在形态也不同。

第一种形态是低温游离氧化钙；其结构疏松多孔，遇水反应较快，相对水泥安定性危害不很大。表现为降低水泥或混凝土强度。

第二种形态是死烧状态的游离氧化钙；水化速度很慢，在硬化的水泥石中继续与水生成六方板状的Ca(OH)2晶体，体积增大近一倍，产生的膨胀应力以致破坏水泥石。

游离氧化钙的水化可以用下式表示：CaO+H2OCa(OH)2

游离氧化钙的水化膨胀有两个特征：一是在空间上的不规则性，难于预测结构变形和开裂前的方位；二是时间上的不确定性，使得难以预测结构破坏的期限。上述特征使其对混凝土结构的安全造成了严重的隐患。

2.2氧化镁(MgO)对安定性的影响

熟料中的氧化镁主要来源于石灰石(CaCO3，CaMg(C03)2)成分。温度为(600―650)℃时，就会迅速地分解为氧化镁，水泥熟料烧成温度1450℃左右，如此高的温度会使氧化镁严重过烧。过烧的氧化镁，晶粒较大，结构致密，包裹在熟料矿物中，极难在短期内水化。在水泥的其它成份已经硬化后，氧化镁在水的条件下，还会长期进行水化，水化后生成氢氧化镁(Mg(0H)2)，固相体积可增大到近2．5倍，由于体积膨胀，产生内应力。因此，MgO在熟料中含量超过规定值时，内应力过大，就极易引起水泥石破坏，这种破坏力将在很长时期里一直进行，甚至长达几十年，给混凝土结构带来危害。熟料中氧化镁的含量，水泥标准都有明确规定，如水泥压缩安定性合格，则熟料中氧化镁可放宽到6%。氧化镁的水化可以用下式表示：MgO+H2OMg(OH)2

2.3三氧化硫(SO3)对安定性的影响

为了延缓水泥中C3A的水化速度，调节水泥的凝结时问，达到便于施工的目的，在粉磨熟料时，需加入一定量(约5％)的石膏(CaSO4•H2O)。在石膏的条件下，熟料中的C3A水化形成钙矾石，固相体积可增大到2倍多。所以要求石膏应在水泥终凝之前消耗完。若加入的石膏超量，剩余石膏将继续与水和C3A形成钙矾石，引起体积膨胀，产生内应力，使水泥石开裂破坏。石膏与C3A水化形成钙矾石在硬化前是没有危害的，反而能起到补偿收缩作用，有利于提高密实度，改善抗渗、抗冻性能。

2.4三氧化二铁对安定性的影响

Fe2O3被还原成FeO, FeO和C3A形成钙橄榄石(CaO.FeO.SiO2), FeO被硫还原生成FeS能水化生成Fe(OH)3,体积膨胀约40%,同时Fe2O3在125℃时能促使C3S分解生成游离氧化钙(f-Ca0)。

3 安定性不合格水泥对混凝土的危害

　　我院建筑工程试验室5年间共做安定性不合格水泥的试件54组，试验结果为：试饼膨胀疏松的36组，占试验数的66.7 %；试块疏松膨胀并龟裂翘曲的14组，占试验数的25.9 %；试饼崩溃的3组，占试验数的5.6 %.因水泥安定性不合格会对工程产生危害的高达98.2 %以上。而且水泥的强度也大大低于标准中有关出厂水泥的规定，其中最低的1组，P.S 325的实际强度只有3.7 MPa；最高的1组，P.S 325的抗压强度为21.4 MPa；425水泥的强度也只有30 MPa.对试件外形体积检测的结果是： ① 除自崩2组无法进行检测外，其余52组试件的体积均出现膨胀现象，膨胀率最大的2 %，最小的0.5 %；②试件有不同程度的开裂、翘曲现象，其中3组试件体积膨胀率最大，整组试件均有开裂并伴随显著的翘曲变形；③自行崩坏的2组，在标准条件养护24 h后变成一堆砂灰。

　　以上水泥大部分是送检品，小部分是工程出现质量问题后送检的。凡工程中使用了安定性不合格的水泥的，均造成了程度不同的质量问题。事故发生的部位和损坏程度如下：

　　（1） 砌体部位：轻者砂浆达不到设计强度，重者砂浆几乎没有强度。随着砂浆中水分的析出干燥，砂灰变酥，用手指即可轻易扒下，墙体粘结强度远远达不到设计要求，甚至出现崩裂和损坏。

　　（2）装饰工程：使用在内外墙裙、踢脚线、抹灰层、场地及地面工程的混凝土砂浆，轻者装饰层无强度、起皮、开裂、掉砂、起泡等，重者抹灰层出现大面积脱落、掉皮，或因经不起风雨的冲刷而在短期内毁坏。

　　（3）混凝土工程：用于混凝土工程的板、梁、柱及预制构件处的混凝土材料，浇筑后凝结缓慢、无强度，随后便在构件表面出现不规则的裂纹。尤其是位于承重部位的阳台、梁、挑檐板、雨篷等，拆除模板的同时就可能发生断裂或损坏。

　　4 对水泥安定性的简易判定方法

　　判别用于混凝土工程的水泥的安定性是否合格，有以下几种简易方法：

　　（1）合格水泥浇筑的混凝土外表坚硬刺手，而安定性不合格水泥浇灌的混凝土给人以松软、冻后融化的感觉；

　　（2）安定性合格的水泥浇筑的混凝土多数呈青灰色且有光亮，而不合格水泥浇筑的混凝土多呈白色且黯淡无光；

　　（3）合格水泥拌制的混凝土与骨料的握裹力强、粘结牢，石子很难从构件表面剥离下来，而安定性不合格的水泥拌制的混凝土与骨料的握裹力差、粘结力小，石子容易从混凝土的表面剥离下来。

　　5 结语

　　上面进行的安定性不合格的54组水泥试件的试验中，低标号水泥所占的比例要高得多：其中325水泥52组，占96.3 %；425水泥2组，仅为3.7 %；525及525以上标号的水泥，安定性不合格的为0.从水泥生产的工艺和设备来看，普通立窑生产的水泥，安定性不合格率极高，达70 %左右；机械化立窑生产的占30 %左右，说明立窑水泥的安定性问题尤为突出，应严格控制、认真对待。而大型回转窑生产的水泥质量稳定、安定性合格率高，是今后水泥工业发展的方向。

参考文献：

《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安全性检测方法》(GB/Tl346―2011)