表8為德國2000年度在各建筑領(lǐng)域所用水泥種類的分布情況。建筑領(lǐng)域按地面建筑、住宅和工商業(yè)房屋建筑、土木工程和地下與水利工程、交通地面和其它5類劃分。用于混凝土預(yù)制構(gòu)件和制品的水泥量約占33% ,到2003年降至31%左右,主要是42.5和52.5級水泥。在現(xiàn)澆混凝土中80%以上為預(yù)拌混凝土,主要用于一般房屋建筑,包括住宅建筑和工商業(yè)房屋建筑,所用水泥量約占50%。這里僅重點講一下32.5級水泥的使用情況。從表8中可以看到,大體積素混凝土、道路和機場地面只使用32.5N/R級水泥,房屋建筑中也絕大部分(90%以上)使用32.5級水泥。32.5N級水泥主要為礦渣含量高的高爐水泥(CEMIII),用于大體積混凝土構(gòu)筑物,CEM I和CEM 1I類多為32.5R型水泥,用在一般的現(xiàn)澆混凝土中。德國水泥研究所在2005年發(fā)表的一份研究報告中寫到:“目前在德國生產(chǎn)的32.5強度等級含多種主要組分水泥能夠滿足一般房屋建筑用現(xiàn)澆混凝土的各種主要要求,包括預(yù)拌混凝土和現(xiàn)場拌制混凝土。這些水泥在使用普通混凝土制備工藝時能以足夠的速度產(chǎn)生強度,使所配制的混凝土具有足夠的抗碳化和抗氯化物侵蝕能力,以防混凝土中的鋼筋因此銹蝕,也能使混凝土在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下具有足夠的抗凍性。一般房屋建筑包括住宅建筑和工商業(yè)用的高層建筑。在某些土木工程如橋梁和隧道建筑用的現(xiàn)澆混凝土中通常使用較高強度等級水泥,且絕大部分為CEM I類波特蘭水泥,現(xiàn)在也逐漸增加了CEMⅡ和CEM11I類水泥的應(yīng)用”。以上這一段敘述表達(dá)了德國人對32.5級水泥的看法,也許這就是多年來在德國以及歐洲水泥市場上32.5級水泥一直占主導(dǎo)地位的原因。
2.2 2個應(yīng)用實例
為了進一步說明德國對32.5級水泥的重視,下面介紹2個實例:
2.2.1 A4號高速公路的混凝土路面
2000年前后德國修建了一條貫穿魯爾和萊比錫等工業(yè)區(qū)的東西大通道——A4號6車道高速公路。一般地段的道路結(jié)構(gòu)為底部墊層厚30cm,混凝土面層厚30cm,使用CEM I 32.5R型波特蘭水泥。 昆凝土路面有的分2層結(jié)構(gòu),下層厚25cm,水泥用量為350kg/m 3,水/灰比0.43,混凝土28d強度為:20cm立方試體抗壓強度45MPa,70cm*l5cm*l0cm試體抗折強度6.0MPa。上層混凝土厚5cm,使用同樣水泥,水泥用量增至430kg/m 3,水/灰比0.43,28d抗壓強度為47MPa,抗折強度為7.2MPa。所用水泥除符合EN197一l標(biāo)準(zhǔn)要求外,還必須滿足交通路面建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中“道路建筑通函”18/1998(ARS18/1998)的有關(guān)規(guī)定,其中有:水泥勃氏比表面積≤3020cm2/g,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量≤27.0% ,初凝時間≥145min,2d抗壓強度≤23.1MPa,總堿含量Na2 O當(dāng)量≤0.84% ,水泥用量≥350kg/m3 。
德國認(rèn)為高負(fù)荷的地面如高速公路、機場跑道、工業(yè)地面等,從耐久性、經(jīng)濟性和環(huán)保方面考慮,采用混凝土的是最佳方案,其中對道路結(jié)構(gòu)、材料性能及施工方法等的要求與規(guī)范一直在不斷修改和完善,例如最近又將使用CEM I和CEMⅡ/A類水泥時的總堿含量降為Na2O當(dāng)量≤0.80%。
2.2.2 斯圖加特機場起降跑道
1996年斯圖加特市機場起降跑道建設(shè)采用混凝土路面,混凝土層厚40cm,承載層厚15cm,防凍層厚≥55cm。一般氣候條件使用CEM I 32.5R型水泥,氣溫低時使用CEM I 42.5R型水泥?;炷谅访鏋閱螌咏Y(jié)構(gòu)時水泥用量為370kg/m3 ,水/灰比0.42,60d抗壓強度56MPa,28d抗折強度7.1MPa。雙層結(jié)構(gòu)時(上層厚10 cm,下層厚30cm)水泥用量為360kg/m3 ,水/灰比0.42,60d抗壓強度55MPa,28d抗折強度下層6.5 MPa,上層7.7MPa,所用水泥性能也符合一般混凝土路面用水泥的要求,這里為防止路面產(chǎn)生微裂紋和貫穿性裂縫,采取了一系列后期養(yǎng)護措施。
首先是在新澆注的混凝土跑道上面搭蓋一個15m寬120m長橫跨跑道的移動式帳篷,帳篷長度要與混凝土澆注速度相匹配,確保在水泥凝結(jié)之前不受陣雨損害,避開太陽直射和夏日的過度升溫,防止由于風(fēng)吹引起的表面過早干燥和防止過快冷卻。
第二步是在跑道表面噴灑1d阻隔系數(shù)(S1)足夠高的養(yǎng)護劑,阻止水分蒸發(fā)。這種路面混凝土抗收縮裂紋能力弱,機場氣候條件較差,風(fēng)大、干燥,由試驗室在30℃溫度、50%空氣相對濕度和5m/s的平均風(fēng)速下作試驗(有風(fēng)影響阻隔系數(shù)約降低10%),由此得出養(yǎng)護劑的適宜噴灑量為150—180g/m2 ,ld的阻隔系數(shù)可保證達(dá)到85%以上,阻隔效果約達(dá)60%。根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件,只要阻隔系數(shù)達(dá)到75%,試驗室試體的早期收縮量即可<1.0mm/m,進入無早期收縮裂紋出現(xiàn)概率范圍,確保混凝土不出現(xiàn)早期收縮裂紋。
由養(yǎng)護劑形成的養(yǎng)護膜有時還不能完全避免混凝土表面因受急冷而出現(xiàn)收縮裂紋,如酷熱的夏天突然下一場驟雨,遇這種情況要在跑道上覆蓋保溫的遮蓋物。為了增強養(yǎng)護劑的作用,在較為不利的氣候條件下還要增加數(shù)天濕養(yǎng)護,用農(nóng)業(yè)噴灌的方式往跑道上噴水,所用的噴灑水事先要在太陽照射下曬熱,以防混凝土因受急冷而產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂紋。
舉以上2個實例是想說明以下問題:
1) 32.5級水泥能夠用在受應(yīng)力較大的工程上。
2) 32.5級水泥的用途很廣,尤其現(xiàn)澆混凝土更是以此作為主要的適用膠凝材料,在一般32.5級水泥中對一些特定情況還應(yīng)有相應(yīng)的性能要求,如例1中的道路用水泥ARS 18/1998較ARS 19/1995對水泥細(xì)度、用水量、初凝時間、2d抗壓強度、總堿含量和最低水泥用量都更加嚴(yán)格了。要使水泥真正符合市場要求,就要在不改變類別和品種的前提下,調(diào)整相應(yīng)的水泥性能,滿足個性用戶的特定需要。
3) 例2是想說明除改善水泥性能外還應(yīng)重視混凝土后期養(yǎng)護,當(dāng)然文中是一個特例,一般不需要這樣復(fù)雜。但重視后期養(yǎng)護的觀念還是不容忽視的,它也屬正確使用水泥的一個組成部分,尤其對混凝土凝結(jié)之前尚處濕漿狀態(tài)的養(yǎng)護和硬化初期尚處初生態(tài)的養(yǎng)護對防止早期收縮裂紋十分重要,不容忽視。
另外,德國在執(zhí)行新混凝土標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)現(xiàn),在某些暴露等級如XD2、XS2、XF2、XF3、XD3、XS3和XA2的大體積混凝土上使用32.5R級水泥達(dá)不到規(guī)定的最低強度(C35/45)要求,施工部門不得不提高水泥標(biāo)號或降低水/灰比,由此常引起混凝土早期發(fā)熱高,出現(xiàn)裂紋。對此采取的措施是于2005年5月修改了相關(guān)規(guī)范,將最低強度要求降低1級(C30/37),在某些情況下提高水/灰比限值,降低最低水泥含量指標(biāo),以使施工部門仍能使用32.5級水泥和多使用可計人膠凝材料的摻合料,確保混凝土能有適宜的可加工性、較好的質(zhì)量和耐久性。這個做法也反映出德國在現(xiàn)澆混凝土上多使用32.0級水泥和更加重視防止混凝土出現(xiàn)裂紋的基本觀念。
2.3 對我國某些水泥性能的淺析
我國有關(guān)文獻曾報道某大型預(yù)分解窯廠生產(chǎn)的P·II42.5R型水泥,本文暫命名為G水泥,文中提到此水泥用于大體積混凝土工程、機場、道路、管樁制品、高標(biāo)號混凝土工程及預(yù)拌混凝土都具有性能優(yōu)勢。G水泥性能列于表9。本文不想深入研究G水泥的特征,只想以此為例說明一下中德兩國在某些觀念上的差異。按德國人的觀點,G水泥不適用于大體積混凝土、機場跑道和公路路面。用于混凝土預(yù)制品的水泥和用于現(xiàn)場澆注的水泥不應(yīng)是同一類型水泥,因為前者要求早期強度高、脫??欤笳弑仨毧刂圃缙趶姸群桶l(fā)熱量,防止混凝土過分開裂,因此前面對G水泥性能的一段描述是相互矛盾的。
用G水泥的發(fā)熱量與表6中的參考值對照,則G水泥相當(dāng)于德國的32.5R和42.5N級水泥,尚未達(dá)到42.5R級水平。德國1998年公布了82個市售CEM I 42.5R級水泥強度平均值,2d為31MPa,28d為58MPa。德國在評價混凝土早期強度增進速度時采用立方試體2d抗壓強度與28d抗壓強度比值作為評價指標(biāo),2d/28d>10.50為快,>10.30至<0.50為中等,≥0.15至<0.30為慢,≤0.15為極慢。若借用此方法則德國的CEM I 42.5R水泥2d/28d為0.53。對比G水泥,若按1.1—1.2的換算系數(shù)將3d強度換算為2d強度,約為25.5—27.8MPa,2d/28d為0.45—0.49,對照表10列出的數(shù)據(jù),G水泥的早期強度和早期強度增進速度都低于德國CEM I 42.5R水泥的平均水平,與礦渣摻量平均為10%的CEMII/A—S 42.5R水泥相當(dāng),高于CEM I 42.5N級水泥,2d/28d比值只處在中等水平上。再從水泥顆粒分布上比較如表11所示,德國CEMI 32.5R和CEM I 42.5R水泥數(shù)據(jù)是1995年報道幾個測值的平均值,用<32µm有效粉含量和>64µm的粗粉含量比較,G水泥也介于德國32.5R型和42.5R型之間。
我國另一家水泥廠生產(chǎn)的P·032.5水泥,3d抗壓強度一般可達(dá)22~27MPa,28d抗壓強度一半左右超過52.5MPa,最高達(dá)60.8MPa,查看12個檢測結(jié)果平均值,一組為52.64MPa,一組為56.7MPa。德國Riidersdorf水泥廠5 000t/d預(yù)分解窯1998年生產(chǎn)的CEM I 32.5R型水泥,抗壓強度2d為32MPa,7d為42MPa,28d為51MPa,2d/28d為0.63。德國1998年檢測12個市售CEM II/A—S32.5R型水泥樣,平均值為礦渣摻加量15% ,勃氏比表面積310m2/kg,抗壓強度2d為22MPa,28d為48MPa。從這個對比可以看出:
1) 我國的這個水泥早后期強度都很高,很受市場歡迎,但是后期強度太高,超過52.5MPa,雖然我國標(biāo)準(zhǔn)沒規(guī)定強度上限,但28d強度太高也有許多不利,歐洲國家有過教訓(xùn),所以在其標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了上限。因為不然會助長無序競爭;施工單位會因水泥強度高而多摻礦物摻料,一旦水泥質(zhì)量有波動或摻料量控制不準(zhǔn)就會嚴(yán)重?fù)p害混凝土質(zhì)量;影響混凝土性能和材料組配的合理設(shè)計。這種水泥作為32.5級用于大體積混凝土或道路建筑上是否合適也存在問題。
2) 德國CEM I 32.5R型水泥,2d強度很高但28d強度仍在規(guī)定極限以內(nèi),這種水泥很適合低溫下施工的現(xiàn)澆混凝土,它仍是32.5級水泥。德國CEM II/A—S 32.5R型水泥與我國的該例水泥相同,混合材摻量都≤15%,早期強度也基本相等,但28d強度沒有超標(biāo)。這2個德國水泥實例說明他們對水泥熟料及水泥的早期活性控制得比較好,既提高了早期強度,后期強度還不超標(biāo)。我國生產(chǎn)的P·032.5級水泥要做到這點一般廠還有困難,提高了早期強度,后期強度便會“超標(biāo)”。
通過以上對德國32.5級水泥應(yīng)用情況的介紹和與我國水泥性能的對比可以歸納出以下幾點:
1) 德國的32.5級水泥質(zhì)量較好,這也是其銷售量一直占主導(dǎo)地位的原因之一。
2) 德國各強度等級水泥性能特色比較鮮明,適用領(lǐng)域劃分清楚,如32.5N級用于大體積混凝土,32.5R級包括部分42.5N/R級用于道路、房屋建筑,42.5R級及以上主要用于混凝土預(yù)制構(gòu)件和制品及高標(biāo)號混凝土工程。
3)對特定項目制定相應(yīng)的水泥性能要求,以確保混凝土工程質(zhì)量,使水泥的選用真正做到“量體裁衣”。
4)我國應(yīng)該提高對32.5級水泥的質(zhì)量控制,使它更加適應(yīng)一般混凝土工程需要,32.5級水泥摻加的混合材量比較大,品種雜,提高這一級水泥質(zhì)量更有利于擴大它的使用范圍和提高廢料利用率,有利于提高混凝土耐久性,有利于對生態(tài)環(huán)境的保護。
5)應(yīng)更加突出各強度等級水泥性能特色,根據(jù)我國的氣候條件、使用習(xí)慣、技術(shù)水平等提出各級水泥的適用領(lǐng)域,德國在大部分現(xiàn)澆混凝土中尤其夏季施工不使用高標(biāo)號水泥的做法也值得我們思考(未完待續(xù))。