水泥生产工艺对混凝土质量影响
先看看水泥地位：水泥是混凝土之母，混凝土核心原材料；
内容提要：
一、水泥各项性能指标
二、水泥的生产工艺过程简述
三、现代水泥生产工艺对混凝土质量的影响
四、水泥生产工艺正确发展方向
以下是正文：
一、水泥各项性能指标
1.1、水泥四大主要矿物成分：
水泥中有四大主要矿物成分硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙；他们遇水后发生水化反应，生成胶凝材料，将混凝土中的粗细集料胶结一起形成混凝土；
以上四种主要矿物成分遇水后的水化速度各不相同，它们对混凝土的3天、7天、28天和90天后的强度影响各不相同。按反应速度来分，铝酸三钙反应速度最快，对混凝土3天和7天强度影响最大；铁铝酸四钙次之，硅酸三钙又次之，对28天强度影响最大；硅酸二钙反应速度最慢，是混凝土后期强度增长的主要来源；
1.2、影响水泥水化反应速度的主要因素有三个：
影响水泥水化反应速度的因素主要有三个：矿物成分、水泥细度、环境温度；
1.3、水泥细度：
细度是影响水泥水化速度的三大原因之一。特别是混凝土28天的强度，细度越大，强度越高，反之则越低。
1.4、水泥磨细简述：
近二百年来水泥生产术发展的历史，基本上可以说就是一部如何磨得更细的历史。
我国1999年水泥标号与试验方法和国际接轨后，进一步提高了水泥细度。 以42.5#水泥为例：比表面积由过去的300～350m2/kg 提高到350～380m2/kg，个别厂甚至达到了400m2/kg以上。比表面积的增大，大幅度提高了水泥的28天强度，尤其是3天强度得到了很大的提高。水泥强度的提高，使混凝土强度也得到进一步提高，其强度的增长速度进一步加快。这给施工企业提前拆模、缩短工期都带来了便利条件，也给混凝土行业配制更高标号的混凝土提供了便利。但同时也带来了不利因素，混凝土凝结速度的加快，使混凝土收缩速度加快，使混凝土早期开裂的可能性提高，自愈合能力降低等。
1.5、硅酸三钙：
自水泥被发现以来，水泥中最有效的成分硅酸三钙，由于是混凝土 28天强度的主要影响因素，所以其含量一直呈上升趋势。以42.5#水泥为例， 我国水泥目前的硅酸三钙含量已达52%～63% ，硅酸三钙含量的提高，同样给提前拆模、缩短工期、配制高标号混凝土带来了便利，但含量过高会导致水泥水化时可能性变大。强度和温度上开速度过快，混凝土产生假凝和收缩缝的可能性变大。
1.6、铝酸三钙
由于铝酸三钙的水化速度极快，所以对混凝土的初凝和终凝时间有极大影响。含量高时，混凝土初凝和终凝的时间缩短，失水加快。更容易使混凝土产生裂缝(特别是前三天产生的收缩裂缝)、出现假凝现象及使减水剂的适应性变差。含量低时，混凝土初凝和终凝的时间延长，容易产生泌水。我国水泥的铝酸三钙含量在1%～10% 。
1.7、硅酸二钙
硅酸二钙水化速度最慢，所以，硅酸二钙含量高的水泥，混凝土28天强度较低，90天强度增长较大。但由于它有延长水化反应时间的作用，混凝土裂缝自愈能力明显增大。
1.8、铁铝酸四钙
铁铝酸四钙的水化速度较快，但由于其在水泥中含量较低，对混凝土的初终凝时间实际影响较小。但其收缩小，抗磨性能好，可用于道路、机场跑道等需要抗磨的混凝土。含量高时对提高抗折强度有利。
1.9、初凝和终凝时间
一般水泥的初凝和终凝时间越短，其3天、7天和28天强度越高，发生假凝和裂缝的可能性越大。但过长的初凝和终凝时间，混凝土的前期强度就会降低，发生泌水的可能性变大。
1.10、碱含量
碱含量过高会使混凝土收缩变大，干缩裂缝会更严重，可能会发生碱骨料反应。
二、水泥的生产工艺过程简述
水泥的生产过程可以简单地概括为“二磨一烧”，即生料制备粉磨、熟料煅烧、水泥粉磨。
2.1、生料制备粉磨
石灰石+页岩+硅土和黄铁矿的原料被送至破碎机，在那里经过破碎或锺击变成碎块，然后进行粉磨，也叫生料磨。
2.2、熟料煅烧
高温煅烧系统包括三个步骤：烘干、预热、煅烧。
煅烧系统分为立窑和旋窑，目前国内立窑因质量不稳定等原因基本被淘汰了。
煅烧系统也有干法和湿法两种，干法由于粉尘多一度被环保部门禁止，但其成本低；近年来很多厂家增加了除尘设备，目前我国水泥生产以干法为主；湿法环保但成本高，目前未普及；
煅烧是此工序中的核心部分。生料被连续地称重并送入预热器最顶部的旋风分离器，预热器中的材料被上升的热空气加热，在巨大的旋转窑内部，原料在1450℃左右的高温下转化成为熟料。
2.3、水泥粉磨
熟料从熟料料仓中取出，在进入熟料磨之前与石膏和添加剂进行配比混合。
在熟料粉磨过程中，熟料和其他原料被一同磨成细粉，多达5%的石膏与其他混合材料被添加进来，以控制水泥的凝固时间及品种等，这些材料被送入球磨(旋转式、垂直钢筒，内含钢合金滚珠)进行余下的粉磨加工。
熟料粉磨分为开流磨和闭路磨。由于闭路路磨能大幅度地减少水泥中粗颗粒含量，提高水泥的3天和28天强度，所以全世界的熟料粉磨工艺现在基本以闭路磨为主。
2.4、储藏和发运
成品水泥被储藏在巨大的混凝土料仓内，待安定性合格后即可出厂。
三、现代水泥生产工艺对混凝土质量的影响
现代水泥生产工艺的不断进步，对混凝土的影响是空前的。它为混凝土向高强度、高性能方向发展奠定了基础，但同时，对混凝土的各项性能指标别是耐久性产生的不利影响也是巨大的。甚至对旧的混凝土理论也带来了很大的挑战。
3.1、细度增加的影响
水泥细度影响详见第一节，第5条、水泥磨细简述，近十多年来的工程实践表明，水泥细度给混凝土的耐久性带来了危害。
3.2、窑外预分解工艺的影响
窑外预分解工艺就是用熟料烧结后的余热来预热生料。它的使用，大幅度降低了水泥厂的生产成本，也降低了生产对空气的污染，但这些余热粉尘中，碱的含量非常高(英国学者A.M Neville在其权威的《混凝土性能》一书中就认为：这些粉尘的碱含量可以高达15%) ，这些碱由于新工艺的使用，全部被带回熟料中。使水泥的碱含量高居不下。
绝大多数学者认为，使用高碱水泥增加了混凝土发生碱骨料反应的可能性。大多数学者认为，高碱水泥使混凝土产生裂缝的可能变大了。作者在新疆干旱地区的工程实践证明，高碱水泥让混凝土的干缩变得更严重了。综上所述，水泥中的碱含量过高使混凝土的耐久性下降了。
3.3、助磨剂的影响
助磨剂在水泥粉磨时使用，以克服水泥颗粒之间的静电，提高粉磨效率，降低成本，但作者在近几年的工程实践中发现，助磨剂使混凝土的收缩增大、干缩加快，也使外加剂的不适应性增强，产生裂缝的可能性变大。
助磨剂的品种很多，主要品种为醇胺类聚合物，对混凝土来说，醇胺类聚合物有早强作用，所以，有的水泥厂直接用助磨剂来提高水泥的早期强度。
近些年来，硝酸盐类也被部分水泥厂用作助磨剂，这些对混凝土有早强作用，这就是说，不管你的工程结构浇筑时是否需要早强，水泥厂家出厂时已经把早强剂加上了。
3.4、闭路磨和高效选粉机
这是近几年新发展的生产工艺。由于过粗的水泥颗粒水化速度缓慢，特别是大于60μm以上的颗粒，对水泥的28天强度几乎没有作用，水泥生产的技术人员简单地认为是一种材料的浪费。
现代水泥由开流磨改为闭路磨，并增加了高效选粉工艺，目的是将这些粗颗粒，特别是大于60μm 的颗粒筛选出来，回到磨头重新磨细，以增加28天强度。这样，使水泥中60μm以上的颗粒含量极少。
我国混凝土中细骨料的最小粒径为75μm，这就大致造成了混凝土中60~ 75μm区段内颗粒短缺，给密实性带来不利影响，也使水泥自身的密实性降低。
事实上。水泥中暂时未能水化的相颗粒对混凝土的许多性能有重要的影响。它能降低混凝土的收缩，防止裂缝的发生， 提高自愈合能力和耐久性等。所以，闭路磨和高效选粉机工艺对混凝土的工程质量有较多负面影响。
3.5、过大的混合材掺量
增加混合材掺量，尽可能减少水泥中熟料的含量，是水泥生产企业降低成本、增加利润的主要手段。但过大的混合材掺量会使混凝土前期强度降低，收缩增大，干缩加快。
3.6、矿物成分含量的改变
水泥工业上百年以来，提高28天强度的手段主要是提高细度和改变矿物含量。
总之，特别是近十年来，随着机械工业的进步，水泥工业面貌改变很大。从产量上讲，二十年前我国八大水泥厂，每个厂的年产量也不过二三百万吨，现在的水泥生产大厂，年产量大约在五百万吨以上。我国有些品牌的水泥，年产量已经上亿吨。从单窑日产量来说，十年前上千吨的窑已经是大窑了，现在我国万吨窑已经在生产中使用了。水泥产量也由1980年的1亿吨左右提高到2012年的20亿吨以上。
细度的提高改变了水泥工业的面貌，那么对混凝土来说是好事还是坏事？当前学术界看法不一，作者的看法基本上是否定的，认为现代水泥是现在一切工程质量问题的主要原因之一，理由如下：
1)、随着水泥28天强度的大幅度提高，高强混凝土被大量应用到工程
大约20世纪80年代以前，C30混凝土已经是高标号了，一般用在工程结构的关键部位。现在，C35、C40、C50很普遍了，随着细度的不断提高，水泥的强度检验方法也在不断地改变和提高，我国20世纪60年代是硬练法，80年代是软练法，现在是ISO法。另外， 随着混凝土前期强度的不断提高，各种工程的拆模时间缩短，工程进度加快。
2)、使过去的许多混凝土配比公式、理论和经验等出现了偏差，甚至失去了使用价值。
二十年前，水灰比越小，混凝土强度越高，质量越好；现在，过小的水灰比是混凝土发生假凝和裂缝的一个主要因素。过去使用减水剂，可以减少裂缝的发生，现在却反过来了，使用减水剂是产生裂缝的原因之一。过去认为砂率越低，混凝土强度越高；在现代混凝土中，这个概念也已经不能成立，等等。 这些使现代混凝土工程实践失去了理论支持，更使混凝土学科的理论研究出现了混乱。
3)、现代水泥是混凝土耐久性变差的主要原因之一。
现代水泥是许多混凝土病害最重要最直接的原因之一。特别是水泥的“高细度、高含量、高标号”，也就是所谓的“三高”水泥，尤其对混凝土裂缝的不利影响应该说是越来越大了；
四、水泥生产工艺正确的发展方向
出现以上问题的根源在于：水泥生产技术进步过快，而混凝土技术的发展落后于它。水泥是混凝土的核心原材料。从某种意义上说，水泥的优劣决定了混凝土的优劣。水泥生产技术的过快发展而混凝土技术的发展相对滞后，致使现代混凝土从理论到工程实践，都出现了许多无法解决的混乱和问题。
特别是现代水泥，它是混凝土强度、抗冻抗渗、泌水和假凝、裂缝、干缩、徐变、碳化、耐久性等的最主要、最直接的影响因素。如果不懂得水泥，特别是现代水泥的性能，要解决工程实际中出现的质量和技术问题，已经变得十分困难。所以，全面掌握现代水泥在混凝土中的作用，应该是现代混凝土科学的基础任务。
我们不禁要问：虽然现代水泥提高了混凝土的强度，加快了工程进度，但同时给混凝土的科学技术带来了这么多难以解决的问题，为什么不采取和混凝土技术同步或者说协调发展的措施呢？水泥生产行业似乎忘记了自己生产的不是完整的产品，而只是混凝土的一种原材料而已，只管拼命地磨细，拼命地多加混合材料以最大限度地提高其商业利益。对混凝土质量和耐久性带来的危害，似乎从来事不关己。这也是我国水泥生产和混凝土施工分属两个不同行业带来的严重后果。
一百多年来，水泥生产技术一直按照如何提高细度和提高前期强度，特别是28天强度这个固定模式发展。
不论是矿物成分含量还是细度，现代水泥生产已经达到了一个高峰，而这个高峰已经不能再高了，这就是混凝土科学的一个基本规律，发展到极致就会适得其反。
以细度为例，现在的水泥生产技术，可以把水泥磨到400m2/kg、500m2/kg甚至更高，那为什么不磨得更细呢？
一个最致命的问题是，当细度达到450m2/kg以后，终凝时间极速缩短，假凝、裂缝很快出现，水泥的强度不是上升而是下降了。硅酸三钙的问题也相同，65％的含量是接近极限了。这就是当今世界水泥生产的实际情况。
总之，评价水泥质量的好坏不应在水泥自身，而在于它对混凝土各项性能的影响，特别是对混凝土的耐久性的影响，尤为重要。什么是优质水泥？由于混凝土的复杂性使这个看似简单的问题要想正确地回答，难度也是相当大的。
本节从以下几个方面对优质水泥的含义做出界定。
1、水泥颗粒应该和混凝土中的细颗粒级配连续起来，以利混凝土的密实性。目前，混凝土中的细骨料最小颗粒粒径为75~ 80μm，水泥颗粒的最大粒径也应为这个范围。
2、水泥自身颗粒应有合理的级配，以利自身的密实性。我国水泥标准中，颗粒范围为0~ 80μm， 但为了提高早期和28天强度，水泥厂使用了闭路磨和高效选粉机等生产工艺以后，许多厂的水泥颗粒主要分布在60μm以下。这就人为地造成了窄颗粒分布，对密实性不利。
3、有适当的细度、早期强度、较低的水化热和收缩性，以利混凝土的耐久性。早期强度高、水热化较大和收缩较大的水泥都增大了混凝土裂缝的可能，对耐久性不利。
我国资深水泥专家乔龄山先生指出了水泥颗粒的最佳颗粒分布曲线-富勒(Fuller)曲线，并指出并指出调配水泥最佳堆积密度的理论和工艺，在欧美一些发达国家日趋普及，在桥梁、隧道以及高性能混凝土和耐磨、耐腐蚀混凝土等工程都有应用，并取得了很好的效果。
清华大学阎培渝教授指出，为防止混凝土开裂，必须控制我国水泥出厂强度的富裕系数，降低水泥中铝酸三钙的含量，降低水泥细度等。
也有人研究了水泥颗粒表面特性，研究了球性水泥颗粒对混凝土性能的良好影响等。
这些研究对我国的水泥发展都起到了良好的作用。但混凝土问题是复杂的，单凭这些研究是不够的。
所以，提倡多品种，少批量，多生产针对某一个具体环境下具体工程的专用水泥，应该作为我们的发展方向。施工现场根据工程每个部位结构的不同，施工时施工工艺和方法及环境气候条件的不同，向水泥厂提出不同的要求。水泥厂根据这些要求，对水泥的主要成分和其细度，进行自由调节，生产出完全满足现场要求，对混凝土的耐久性最有利的水泥。这可能是最好。
