摘 要： 随着一带一路的发展, 目前中国公司在海外的工程建设项目越来越多, 与国外规范以及国外原材料的接触也越来越多。水泥作为混凝土原材料中最主要的组分, 对混凝土性能的影响至关重要, 本文以马尔代夫中马友谊大桥项目为依托, 选取印度尼西亚SEMEN PADANG 42.5水泥、马来西亚YTL42.5水泥、国内金羊P·Ⅱ42.5和华润P·Ⅱ42.5水泥, 从化学成分分析、化学性能分析、物理力学性能和水化热等方面进行对比, 研究国内外水泥性能的差异, 为海外项目混凝土的配置提供技术指导。
关键词： 水泥; 化学成分; 化学性能; 物理力学性能; 水化热;
1、 引言
“一带一路”战略是国家根据全球形势变化, 统筹国内国际两个大局做出的重大战略决策。作为亚洲工程建设领域的龙头企业, 中国交建的国际化水平在央企中处于领先地位, 在海外已积累了大量项目储备。重点跟踪的项目内容包括铁路、公路、桥梁、隧道、机场、港口、运河、资源开发、城市综合体开发建设、工业投资、园区开发建设等。随着海外项目的增加, 由于国内外材料、规范的差异导致的混凝土质量问题日益增多。水泥作为混凝土原材料的重要组成部分, 不同国家水泥性能所产生的差异对混凝土质量的控制尤为重要。
我国现行六大水泥产品标准 (简称通用水泥标准) GB175-2007《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》、GB1344-1999《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥》、GB12958-1999《复合硅酸盐水泥》中涉及的试验方法基本上是等同或修改采用国际标准, 但一带一路项目所在国家大多执行英标、欧标或者当地国家标准, 在标准上与中国标准也是有不少差异[1][2]。
针对该问题, 依托马尔代夫中马友谊大桥项目通过对不同国家的水泥与国内水泥进行试验, 从化学成分分析、化学性能分析、物理力学性能、水化热等方面进行对比, 分析国内外水泥性能的差异, 为马尔代夫中马友谊大桥项目高性能海工混凝土的配置提供技术指导。
2、 试验
2.1 、原材料
国内水泥:广州金羊P·Ⅱ42.5, 华润P·Ⅱ42.5;
国外水泥:印度尼西亚SEMEN PADANG 42.5, 马来西亚YTL 42.5。
2.2、 试验方法
⑴化学成分分析:采用国标GB176-2008《水泥化学分析》中元素分析方法测试;
⑵化学性能分析:采用灼烧和化学滴定等方法测试;
⑶物理力学性能测试:国内水泥采用中国标准GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》标准进行测试, 国外水泥采用英标BS EN197-1:2011进行测试;
⑷水化热测试:采用国标GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》中的直接法测试。
3、 试验结果分析
3.1、 化学成分对比
水泥熟料的化学成分主要是二氧化硅、氧化钙、氧化铝、氧化铁, 这四种化学成分总量在95%以上, 另5%左右的成分主要为氧化镁、三氧化硅、氧化钠、氧化钾等。化学成分采用元素分析方法进行对比, 对比结果见表1。由表可知不同国家水泥在化学成分上总体差异不大, 主要差异在于氧化镁和三氧化硫含量。
水泥中氧化镁主要来源于石灰石中的白云石 (Ca CO3·Mg CO3) 。在熟料煅烧过程中, 氧化镁一般不与酸性氧化物反应生成熟料矿物。少量的氧化镁有助融作用, 可以固熔于C3S、C2S、C3A和C4AF矿物中。固熔总量在1.3%～2.9%, 多余的氧化镁则以游离状态的方镁石存在。方镁石水化活性比游离氧化钙还差, 其水化生成氢氧化镁需几个月甚至几年, 且体积膨胀148%, 它的潜在危害性能使硬化后的混凝土产生溃裂。因此应严格控制水泥中氧化镁含量, 相比而言印度尼西亚SEMEN PADANG水泥和马来西亚YTL水泥的氧化镁含量较国内金羊水泥、华润水泥低, 较为有利。
表1 水泥化学成分
适中的三氧化硫含量能提高水泥的强度和耐蚀性, 含量过低, 达不到缓凝作用, 从而造成水泥快凝, 水泥石强度会大大降低;若含量过高, 多余的三氧化硫在水泥硬化后继续与水和水泥中的C3A继续反应, 产生膨胀应力, 破坏水泥石。相比而言印度尼西亚SEMEN PADANG水泥和马来西亚YTL水泥较国内金羊水泥、华润水泥高, 对混凝土耐久性能不利。
3.2、 化学性能分析
化学性能采用灼烧和化学滴定等方法测试, 测试水泥中不溶物、烧失量、氧化镁、氯离子等技术参数, 各项分析指标见表2。
由表2可知, 中国标准P·Ⅱ42.5的要求明显高于其他两个标准;四种水泥大部分指标均能满足中国标准与英标水泥标准, 国外水泥SEMEN PADANG和YTL水泥不溶物和烧失量两个指标能达到英标和国标P·O42.5要求, 但不满足国标P·Ⅱ42.5水泥要求。
水泥中不溶物高, 表明水泥中掺加的火山灰和粉煤灰及炉渣等混合材比较高;水泥烧失量是指坯料在烧成过程中所排出的结晶水, 碳酸盐分解出的二氧化碳, 硫酸盐分解出的二氧化硫, 以及有机杂质被排除后物量的损失。烧失量是用来限制石膏和混合材中杂质的。
由试验结果可知, 国外水泥由于原材料、生产工艺及规范要求的差异, 与国内水泥还是有较大差别, 在设计混凝土配合比时需考虑水泥化学指标的差异所造成的影响。
3.3、 物理力学性能
国内水泥采用中国标准GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》标准进行测试, 国外水泥采用英标BS EN197-1:2011进行测试[3][4]。
由表3可知, SEMEN PADANG和YTL水泥的比表面积较金羊水泥、华润水泥小, 国内水泥磨得较细, 早期水化热高, 国外水泥磨得较粗, 早期水化热小, 这对混凝土控裂较为有利;标准稠度、凝结时间两个指标相差不大;强度方面, 国外水泥普遍比国内水泥强度低。在设计混凝土配合比时需考虑不同水泥的比表面积、强度等因素的影响。
表2 水泥化学分析指标
表3 水泥物理力学性能指标
图1 华润水泥水化热
图2 SEMEN ADANG水泥水化热
图3 YTL水泥水化热
表4 水泥水化热测试结果
3.4、 水化热
马尔代夫中马友谊大桥项目使用的混凝土大部分为大体积海工混凝土, 水泥水化热对混凝土裂缝控制至关重要, 选择低水化热水泥可有效降低混凝土内部最高温度和温升速率, 可有效降低混凝土开裂风险。
采用国标GB/T?12959—2008《水泥水化热测定方法》中的直接法测试分别对华润P·Ⅱ42.5水泥、SEMEN-PADANG水泥、YTL水泥进行水化热测试, 测试结果分别见图1、图2、图3及表4。
对比三个水化热值及水化速率图, 可看出国内水泥的最大水化热放热速率、水化热量均明显高于印尼SE-MENPADANG水泥和马来西亚YTL水泥, 最大放热速率出现时间也早于另两种国外水泥;印尼SEMEN-PADANG水泥的水化热量和放热速率均最小;主要是国外水泥比国内水泥磨得粗, 比表面积小, 早期水化热低, 且国外水泥中主要掺和料为粉煤灰, 且掺和料比例高于国内水泥, 导致国外水泥水化热普遍低于国内水泥, 本项目选用水化热及水化速率最低的SEMENPADANG水泥配制混凝土, 有利于减少混凝土开裂的风险。
4、 结论
⑴国外水泥中氧化镁含量比国内水泥低, 从而降低了混凝土开裂风险, 但三氧化硫含量偏高, 对混凝土的耐久性能不利。
⑵国外SEMEN PADANG和YTL水泥不溶物和烧失量两项指标比国内金羊、华润水泥高, 造成两者过大的主要原因可能为水泥中混合材掺量不同, 配置混凝土时需考虑矿物掺合料比例。
⑶国外SEMEN PADANG和YTL水泥与国内金羊、华润水泥相比, 比表面积稍小、强度偏低。比表面积稍小、强度偏低尤其是早期强度低对混凝土裂缝控制有利, 但在混凝土配合比设计时需考虑最低胶凝材料用量, 保障混凝土强度。
⑷SEMEN PADANG水泥水化热及水化速率最低, 中马友谊大桥选用SEMEN PADANG水泥配制大体积海工混凝土有利于减少混凝土开裂的风险;
⑸总体来看, 国外水泥与国内水泥化学成分大体类似, 个别性能有较大差异, 配合比设计时应注意胶凝材料体系设计。
参考文献
[1]颜碧兰, 王幼云.中国VS欧美--各国水泥标准对比分析[J].中国水泥, 2005, (5) :172-65.
[2]隋同波, 文寨军.国内外水泥及水泥基材料研究进展[J].建材发展导向, 2004, (10) :172.
[3]GB175-1999, 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥[S].
[4]BS EN197-1:2011 Cement.Composition, specifications and conformity criteria for common cements.
