陳琪，楊文科

（1.福州理工學(xué)院 應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350003；2.中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司，北京 100101）

0 引言

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近年我國(guó)的水泥產(chǎn)量占全球水泥總產(chǎn)量的60%左右，是名副其實(shí)的全球水泥制造第一大國(guó)。目前，混凝土結(jié)構(gòu)依舊主導(dǎo)我國(guó)土木工程結(jié)構(gòu)。混凝土發(fā)生裂縫難免，是困擾工程界的難題，影響著結(jié)構(gòu)承載力和安全性、防水性、耐久性，縮短了工程使用壽命。研制一種高抗裂性能的水泥，結(jié)合施工工藝和管理，將材料對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生的不良影響降到最低，達(dá)到控制和消滅裂縫病害，成為必然選擇。

1 水泥產(chǎn)品

1.1 水泥產(chǎn)品對(duì)工程質(zhì)量的影響

在現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)中，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料加工、配合比選用、施工過(guò)程到施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，都存在產(chǎn)生裂縫的因素。施工現(xiàn)場(chǎng)要保證施工質(zhì)量，必須對(duì)進(jìn)場(chǎng)的砂石料、配合比、施工和養(yǎng)護(hù)流程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把控。但水泥的品質(zhì)，作為上游的工廠產(chǎn)品不在施工現(xiàn)場(chǎng)掌控的能力范圍內(nèi)，也就是說(shuō)，水泥自身存在的裂縫因素是無(wú)法克服的。高性能混凝土不是只要有配合比就能生產(chǎn)出來(lái)，而是由包括原材料控制、拌和物生產(chǎn)制備與整個(gè)施工過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。

1.2 高抗裂性優(yōu)化水泥

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的建設(shè)，要做到百年工程的要求，就要具備百年耐久性的混凝土，才能確保整體工程質(zhì)量達(dá)到新水平、新高度。對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心的研究和設(shè)計(jì)，生產(chǎn)高抗裂性優(yōu)化水泥，大幅度降低工程結(jié)構(gòu)裂縫，是確保百年工程的一個(gè)關(guān)鍵措施。以GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中P·O42.5 級(jí)水泥為基準(zhǔn)，開(kāi)展了P·O42.5 級(jí)高抗裂性硅酸鹽優(yōu)化水泥（以下簡(jiǎn)稱為P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥）的研究。

1.3 硅酸鹽水泥生產(chǎn)流程及控制節(jié)點(diǎn)

硅酸鹽水泥以石灰石作為主要原料，經(jīng)過(guò)破碎及預(yù)均化進(jìn)行生料制備、均化、預(yù)熱分解，然后喂入窯中煅燒成熟料，再將熟料加適量石膏（有時(shí)還摻加混合材料或外加劑）粉磨至適宜的粒度，形成一定的顆粒級(jí)配，增大其水化面積，加速水化速度，滿足水泥漿體凝結(jié)、硬化要求。所以，高抗裂優(yōu)化水泥在生料制備、均化，熟料的研制燒成、粉磨等節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行控制，是研制的控制節(jié)點(diǎn)。

1.4 混凝土裂縫成因的水泥因素分析

在混凝土裂縫成因分析中，關(guān)于水泥的主要因素有：熟料中C3S 含量越來(lái)越高、C3A 的含量影響很大、C2S 的含量越來(lái)越少；混合材摻量越來(lái)越大，品種越來(lái)越多；閉路磨和高效選粉機(jī)，并且普遍使用助磨劑；水泥的細(xì)度越來(lái)越細(xì)，顆粒級(jí)配不合理；3 d 強(qiáng)度越來(lái)越高；出廠存放日期普遍不夠等[2]。這些因素成為研究和控制的主要方向。

2 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥試制過(guò)程

2.1 水泥主要原材料的質(zhì)量指標(biāo)（見(jiàn)表1）

表1 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥主要原材料的質(zhì)量指標(biāo)

2.2 生料的配合比

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的生料配合比見(jiàn)表2。

表2 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥優(yōu)化生料配合比%

2.3 煅燒控制

煅燒過(guò)程中重點(diǎn)控制項(xiàng)目主要有堿含量、游離氧化鈣、硅酸二鈣和鋁酸三鈣，P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥煅燒過(guò)程中的重點(diǎn)控制項(xiàng)目指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥煅燒過(guò)程中重點(diǎn)控制項(xiàng)目指標(biāo) %

2.4 水泥熟料

水泥熟料是水泥的半成品。硅酸鹽水泥熟料中主要氧化物含量一般為：CaO 62%～67%，SiO220%～24%，Al2O34%～7%，F(xiàn)e2O32.5%～6.0%。P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥熟料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表4 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥熟料的主要化學(xué)成分 %

2.5 熟料率值及礦物成分控制

水泥生產(chǎn)中不僅要控制各氧化物含量，還應(yīng)控制各氧化物之間的比例，即率值。在一定工藝條件下，率值是質(zhì)量控制的基本要素。作為控制生產(chǎn)的主要指標(biāo)，我國(guó)主要采用石灰飽和系數(shù)（KH）、硅率（n）、鋁率（p）3 個(gè)率值，通常硅酸三鈣（C3S）含量為37%～60%；硅酸二鈣（C2S）含量為15%～37%；鋁酸三鈣（C3A）含量為7%～15%；鐵鋁酸四鈣（C4AF）含量為10%～18%。P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥的熟料率值及礦物成分見(jiàn)表5。

表5 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥熟料率值及礦物成分

2.6 優(yōu)化后的熟料物理性能

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥熟料（過(guò)程產(chǎn)品）的物理性能如表6所示。

表6 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥熟料的物理性能

2.7 水泥粉磨過(guò)程中重點(diǎn)控制指標(biāo)（見(jiàn)表7）

表7 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥粉磨過(guò)程中控制指標(biāo)

2.8 比較實(shí)驗(yàn)

將P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥與普通水泥（P·O42.5 水泥）進(jìn)行了同等條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥與普通水泥的主要技術(shù)性能對(duì)比

由表8 可見(jiàn)，P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥與普通水泥相比較，在滿足90 d 的抗折和抗壓強(qiáng)度的前提下，降低了用水量（稠度），3 d、7 d 水化熱均小于普通水泥，干縮率約為普通水泥的50%，使得P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥的抗裂性能得以提高。

2.9 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥和普通水泥配制C30混凝土的強(qiáng)度比較

分別采用P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥和普通水泥，按照相同配合比配制C30 混凝土，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，普通水泥的水化能力約1 個(gè)月內(nèi)就消耗殆盡，之后抗壓強(qiáng)度不再提高；而P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥由于水化熱與干縮率低，其抗壓強(qiáng)度在28 d 后依舊持續(xù)緩慢提高。

通過(guò)對(duì)水泥生產(chǎn)流程的精心設(shè)計(jì)，所研制的P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥大幅度降低了C3S、C3A 含量和比表面積，在優(yōu)化了水泥顆粒的級(jí)配和摻合料的摻量后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大幅度降低混凝土前3 d 強(qiáng)度的情況下，也大幅度降低了工程結(jié)構(gòu)裂縫。同時(shí)，所研制的P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥符合GB 175—2007 對(duì)P·O42.5 級(jí)水泥的要求。

3 工程試驗(yàn)

3.1 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥的C30 水泥混凝土配合比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥對(duì)減少混凝土收縮裂縫的作用，2016年1月北京金隅集團(tuán)采用P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥進(jìn)行C30 混凝土配合比試驗(yàn)（采用P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥280 kg/m3，水155 kg/m3，外加劑5.6%，砂960 kg/m3，碎石385 kg/m3，卵石575 kg/m3）。測(cè)試項(xiàng)目為3、14、28、60 d 抗壓強(qiáng)度，28、60 d 抗折強(qiáng)度，結(jié)果表明：與普通水泥相比，優(yōu)化水泥的水化熱和干縮率低，并有較高的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.2 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥的C30 水泥混凝土收縮裂縫路面試驗(yàn)

為了驗(yàn)證P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥對(duì)減少混凝土收縮裂縫的作用，2016年3月6日，在北京房山浩然攪拌站內(nèi)進(jìn)行了實(shí)體工程試驗(yàn)。選擇2 塊各約300 m2的路面進(jìn)行混凝土澆筑，路面厚度為20 cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥和普通水泥混凝土（配合比見(jiàn)表9）同步進(jìn)行澆筑，溫度-2～6 ℃，風(fēng)力4 級(jí)。為在極端條件下進(jìn)行效果對(duì)比，所澆筑混凝土采取不養(yǎng)護(hù)、不蓋布、不切縫的施工措施。混凝土澆筑完后的2、7、14、20、34 d 對(duì)開(kāi)裂情況進(jìn)行觀察，采用P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥澆筑的試驗(yàn)段表面顏色正常，有鏡面光澤，無(wú)任何裂縫；采用普通水泥澆筑的試驗(yàn)段表面顏色發(fā)白，裂縫不斷發(fā)展并越來(lái)越嚴(yán)重。37 d 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的回彈試驗(yàn)，采用P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥的試驗(yàn)段回彈強(qiáng)度為41 MPa，采用普通水泥的試驗(yàn)段回彈強(qiáng)度為32 MPa。

表9 C30 水泥混凝土路面配合比及實(shí)測(cè)坍落度

3.3 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥C40 混凝土干縮裂縫實(shí)體工程試驗(yàn)

為了驗(yàn)證P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥對(duì)減少混凝土干縮裂縫的作用，2016年7月4日，在北京大興新機(jī)場(chǎng)中心實(shí)驗(yàn)室和金港項(xiàng)目部的院內(nèi)進(jìn)行了實(shí)體工程試驗(yàn)。由于只進(jìn)行干縮試驗(yàn)，采用常規(guī)的震搗、抹面、拉毛、養(yǎng)護(hù)等道路施工措施。試驗(yàn)選擇2 塊各約4000 m2的路面同步進(jìn)行混凝土澆筑，路面厚度為20 cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，試驗(yàn)時(shí)溫度為24～31 ℃，風(fēng)力4 級(jí)，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后對(duì)比干縮情況。實(shí)體試驗(yàn)表明，采用普通水泥養(yǎng)護(hù)結(jié)束后第3 天開(kāi)始出現(xiàn)干縮裂縫，并發(fā)展很快，而采用P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥無(wú)任何干縮裂縫出現(xiàn)，證明了其有很好的抗干縮性能。試驗(yàn)所采用的混凝土配合比機(jī)實(shí)測(cè)坍落度見(jiàn)表10。

表10 C40 水泥混凝土干縮裂縫試驗(yàn)配合比及實(shí)測(cè)坍落度

3.4 道路破壞比較試驗(yàn)

2016年9月14日，在北京大興新機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部、監(jiān)理、試驗(yàn)和施工等單位的技術(shù)人員與專家共同監(jiān)督下，在北京大興新機(jī)場(chǎng)一條長(zhǎng)約6 km 的臨時(shí)道路上，采用琉璃河水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5 級(jí)普通水泥，與P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥進(jìn)行道路破壞的比較試驗(yàn)。在采用相同配合比和施工工藝下，進(jìn)行混凝土路面的同步澆筑；養(yǎng)護(hù)完成后，歷經(jīng)長(zhǎng)達(dá)8 個(gè)月的重車（200 t）反復(fù)碾壓，再進(jìn)行道路路面的狀態(tài)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果充分顯示出了P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥的強(qiáng)度和優(yōu)越性，試驗(yàn)后的路面效果見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥路面道路破壞試驗(yàn)結(jié)果

圖2 普通水泥路面道路破壞試驗(yàn)結(jié)果

4 P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥使用的其它要求

為了檢驗(yàn)P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥在實(shí)際工程中的適應(yīng)性，在北京不同的攪拌站，采用攪拌站實(shí)際使用的原材料進(jìn)行了大量的配合比試驗(yàn)，總結(jié)出P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥使用中的注意事項(xiàng)，主要包括：含泥量對(duì)混凝土裂縫影響比較大，必須對(duì)砂子的含泥量進(jìn)行嚴(yán)格要求；在不摻其它膠凝材料的前提下，P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足工程使用要求，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，所以不提倡再摻其它膠凝材料；外加劑有增加收縮的負(fù)面作用，盡可能地降低配合比中外加劑的摻量，并對(duì)所用外加劑進(jìn)行相關(guān)收縮試驗(yàn)，選擇采用收縮量最小的外加劑。

5 P·O42.5級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥混凝土拌合物制備過(guò)程控制

5.1 把水泥生產(chǎn)納入混凝土的質(zhì)量管理體系

通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出防止混凝土裂縫的重要因素：把水泥生產(chǎn)納入混凝土質(zhì)量管理體系，選用優(yōu)質(zhì)的水泥原材料，選用合適的三率值和煅燒、粉磨工藝，嚴(yán)格控制混凝土用砂中的含泥量。

5.2 配合比設(shè)計(jì)原則

凡是增加混凝土收縮的因素都必須降低甚至排除。（1）坍落度越小，裂縫越少、抗碳化能力及耐久性越好；（2）在滿足強(qiáng)度和施工工藝要求的前提下，盡可能增加粗骨料用量，減少漿體體積，同時(shí)也會(huì)減少水泥用量；（3）在滿足強(qiáng)度和施工工藝要求的前提下，盡可能減少水泥用量；（4）在滿足工作性能要求的前提下，盡量減少減水劑用量；（5）礦粉會(huì)增加混凝土收縮，盡量少用或不用；（6）適當(dāng)加粉煤灰，以降低水化熱，增加和易性。

6 P·O42.5級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥混凝土成型施工過(guò)程控制

6.1 機(jī)場(chǎng)跑道混凝土施工要求

為了盡最大可能減少收縮，確保無(wú)裂縫，要求禁止使用礦物摻合料；除引氣劑外，不提倡使用其它外加劑；運(yùn)輸?shù)幕炷敛荒茏冃?，確保是無(wú)坍落度混凝土；廢漿必須清除；氣溫28℃以上，風(fēng)力4 級(jí)以上禁止施工；實(shí)行多次抹面制度，白天至少4 次抹面，夜間6 次抹面；及時(shí)養(yǎng)護(hù)。

6.2 地下管廊、橋泵送混凝土施工要求

氣溫28 ℃以上，風(fēng)力5 級(jí)以上禁止施工；混凝土必須攪足60 s；確保泵車的接續(xù)時(shí)間不超過(guò)20 min；澆筑過(guò)程中，從底部到頂部不超過(guò)30 min；一般情況下不搞對(duì)頭澆注；頂部浮漿必須全部清除；頂部抹面至少3 次，并及早覆蓋養(yǎng)護(hù)；在滿足工期的前提下，盡可能帶模養(yǎng)護(hù)；氣溫28 ℃以上，風(fēng)力4 級(jí)以上禁止拆模，并根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，盡可能保證2 d 以上的低溫方可拆模，拆模后立即濕養(yǎng)護(hù)。

7 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)要注意溫度和濕度2 個(gè)方面，不僅澆水保濕，還要注意控制混凝土溫度變化，其目的主要是為了防止溫差過(guò)大引起混凝土產(chǎn)生裂縫[3]。采用混凝土節(jié)水保濕養(yǎng)護(hù)膜（見(jiàn)圖3），這是一種以新型可控高分子吸水材料為核心，以塑料薄膜為載體，通過(guò)設(shè)備加工復(fù)合而成的卷材產(chǎn)品。通?；炷琉B(yǎng)護(hù)過(guò)程中要不斷灑水保濕，而新型養(yǎng)護(hù)膜既解決了工人難以做到位的工作，也克服了多風(fēng)地區(qū)風(fēng)吹后覆蓋物容易露風(fēng)而導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)不到位的問(wèn)題，做到一次灑水、長(zhǎng)期保濕（經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，最長(zhǎng)可達(dá)到2 個(gè)月），確?；炷帘砻嫦鄬?duì)濕度在92%～99%。

圖3 機(jī)場(chǎng)道面使用養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)

8 工程實(shí)際效果

8.1 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的機(jī)場(chǎng)道面

機(jī)場(chǎng)跑道對(duì)裂縫控制要求很高，成型后只要發(fā)現(xiàn)有裂縫（行內(nèi)叫做“斷板”），就必須砸掉重做，過(guò)去主要依靠加強(qiáng)施工作業(yè)來(lái)進(jìn)行控制，斷板率約為每10000 塊中出現(xiàn)3～4 塊。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的機(jī)場(chǎng)道面采用P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥，并對(duì)施工工藝進(jìn)行嚴(yán)格把控，在相同條件下，共成型約50萬(wàn)塊板，斷板只有13 塊，斷板率非常低。

8.2 技術(shù)成果推廣項(xiàng)目

在P·O42.5 級(jí)高抗裂優(yōu)化水泥技術(shù)成果推廣項(xiàng)目的工程中，實(shí)現(xiàn)了北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)地下汽車通道墻體1000 m 無(wú)裂縫施工，在京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站地下火車站、北京市政地下管廊工程、北京市政大興水廠水塔工程中也都達(dá)到了無(wú)裂縫施工的實(shí)際效果，使得高抗裂優(yōu)化水泥的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益得到進(jìn)一步的提升（見(jiàn)圖4～圖7）。

圖4 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)地下汽車通道墻體1000 m無(wú)裂縫施工

圖5 高鐵八達(dá)嶺地下車站的無(wú)裂縫施工

圖6 北京市政地下管廊工程的無(wú)裂縫施工

圖7 北京市政大興水廠水塔的無(wú)裂縫施工