水泥与现代混凝土 宋少民 北京建筑工程学院.

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1 水泥与现代混凝土 宋少民 北京建筑工程学院

2 一、传统混凝土对水泥的需求与认识 混凝土强度的根本来源
混凝土的强度归根结底来源于水泥石。水泥水化物质生成后，将不是一粒一粒地离开水泥颗粒母体向着液体游动，而是立即互相交织粘结起来，成为立体网结构，这种具有强度而仍有变形能力的网构状的物质，以固体键在交接点上联结，这才形成了赋予混凝土强度的基本单元―凝胶。

3 四组分混凝土与保罗米公式 依据四组分混凝土大量试验提出的Bolomy公式 ：R28＝ARc(c/w-B)成为混凝土配合比设计的重要基础，延续近100年。由此人们得到了混凝土强度依赖于水泥强度的结论。 20世纪60年代以前大量的工程实践证实了水泥强度对混凝土形成高强度的重要意义。 混凝土对水泥品质的要求“强度第一，甚至强度唯一”成为主流观念。

4 传统观念形成的理由 传统四组分塑性混凝土往往水灰比比较大，水泥浆量相对较低，这是保罗米公式形成的重要前提条件。在这样的基础上，水泥活性对混凝土28天强度和其他性能意义重大。 也就是说需要大量的水化产物形成硬化结构。

5 传统观念形成的理由 例如，许多规范、标准限定混凝土中粉煤灰的掺量应在25%以下，尤其是预应力混凝土构件中的掺量。这是因为过去我们的混凝土中没有掺用减水剂，混凝土的水灰比较大（一般都高于0.5）。在这种情况下掺入粉煤灰，减少水泥的用量，就会使混凝土的凝结时间明显延缓、硬化速率减慢，表现为早期强度低、混凝土渗透性增大。

6 传统观念形成的理由 高水灰比的水泥浆体里，水泥颗粒悬浮于水分中，水化环境良好，可以迅速地生成表面积增大1000倍的硅酸盐水化物等，有良好地填充浆体内空隙的能力。虽然从颗粒形状来说，粉煤灰易于堆积密实，但是它水化缓慢，生成的凝胶量少，难以填充颗粒周围的空隙，所以掺粉煤灰水泥浆体的强度和其他性能总是随其掺量增大（水泥用量减少）呈下降趋势（在早龄期尤为显著）。

7 为什么粉煤灰掺量如此之大的混凝土各项性能会很优异呢？
但是现今高效减水剂的应用已经很普遍，混凝土所用水灰比，尤其是掺有矿物掺合料混凝土的水胶比很容易降至0.5以下，同时现今的水泥活性则远高于二十世纪八十年代以前的水泥（因为早强矿物C3S含量显著提高、粉磨细度加大），因此掺加矿物掺合料的混凝土，即使是掺量很大的混凝土，与过去混凝土相比，其早期强度的发展速率也大大加快了。

8 为什么粉煤灰掺量如此之大的混凝土各项性能会很优异呢？
在低水胶比（如0.3左右）的水泥浆体里情况就大不一样了。不掺粉煤灰时，高活性的水泥因水化环境较差，即缺水而不能充分水化，所以随水灰比下降，未水化水泥的内芯增大，生成产物量下降；但由于颗粒间的距离减小，要填充的空隙同时减小，因此混凝土强度发展迅速。

9 为什么粉煤灰掺量如此之大的混凝土各项性能会很优异呢？
这种情况下用粉煤灰代替部分水泥，在低水胶比条件下，水泥的水化条件相对改善，因为粉煤灰水化缓慢，使混凝土的“水灰比”增大，水泥的水化程度因而提高，这种作用机理随着粉煤灰的掺量增大愈加明显（掺量为58%:左右，初期水灰比则约0.65）。

10 为什么粉煤灰掺量如此之大的混凝土各项性能会很优异呢？
水泥水化程度的改善，则有利于粉煤灰作用的发挥，然而与此同时，需要粉煤灰水化产物填充的空隙已经大大减小，所以其水化能力差的弱点在低水胶比条件下被掩盖，而降低温升等其他优点则依然起着有利于混凝土性能提高的作用。

11 混凝土追求高强度误导水泥追求高强度 水泥提高强度的技术途径 提高C3S含量 提高细度 提高石膏含量
其中将水泥磨得更细些成为提高水泥强度的主要技术手段之一，被普遍采用。

12 水泥磨得更细的问题 由于水泥粉磨技术进步，高效选粉机、辊 压机、立磨、超细磨、颗粒分析仪等的普遍应 用，磨得更细已颇容易。当前水泥确实磨得比
以前要细很多，颗粒形状也有从球磨机的球形 向辊磨的扁平片转变之势，直接导致水泥标准 稠度用水量明显增大。商砼也明显感受到用水 量增加、稠化快、流动性变差，继而还有水化 热大、吸附量多、收缩增大、易产生裂缝等衍 生问题，对这些人们微词颇多。

13 二、现代混凝土的技术特征 混凝土是什么？ 混凝土是用最简单的工艺制作的最复杂的体系。 工艺必须简单──否则不能成为最大宗的结构工程材料：
原材料来源广泛 制作工艺简单──混合、搅拌、成型 比其他结构材料（钢材、木材）耐久 体系必然复杂：

14 复杂的体系 原材料不能提纯，成分波动 微结构形成的环境和时间的依赖性——对温度、湿度的敏感性；水化不断进行造成动态的微结构。因此造成性能的不确定性 性能随微结构的发展而发展,而微结构具有不同层次(宏观层次、亚微观层次、微观层次)的多相(固相、液相、气相)的非均质性(依配合比不同而离散) 微结构的不确知性——水泥水化形成复杂的凝胶，在目前技术水平下难以测定。

15 复杂的体系 混凝土是十分复杂的一个材料体系，恐怕 是人类所用各种材料中最为复杂的。
砂、石、水泥、外加剂、矿物掺合料与水的简单混合，即刻出现一个有明显“生命历程”的材料体系，其中水泥自发进行着长期延续的水化硬化过程，带动整个体系经历复杂的物理—化学—力学的变化过程，而就在这变化过程中得到长期使用。

16 复杂的体系 混凝土是极其复杂的多相、多尺度的非匀质体，这就造成了混凝土材料本身的高度复杂性和随机变化性，加之我国幅员辽阔，对于使用地方性材料的混凝土而言，其变化就更加复杂了。 仅就原材料而言，各地、各厂的水泥是变化的，哪怕就是同一个水泥厂生产的水泥也是变化的，骨料是变化的，外加剂是变化的，粉煤灰更是变化的。

17 复杂的体系 对混凝土，人们的描述用语是：多组分、多相、多种尺度颗粒物料混杂堆积互相填充的组成结构，具有不稳定性、非均质性、不连续性、多种尺度的孔隙结构、接触界面情况复杂，而这一切都在变动等特点，……。 混凝土里面包含着综合许多门学科内容的大学问。可惜，探究这些学问是十分复杂而艰难的。

18 简单与复杂 简单得“……通常认为任何站在那里没事干的人都能直接就去浇筑或捣实混凝土”──Neville；
复杂得至今无法建立实验室指标试验结果和同样复杂的现场条件下的混凝土行为的相关关系；人们仍不确知混凝土的体内在服役的环境中随时间究竟发生了什么。

19 因此： 混凝土属于混沌体系（非线性体系），具有“蝴蝶效应”──事物发展的结果对初始条件具有极为敏感的依赖性.初始条件极小的偏差将会引起结果的巨大差异。 越是简单的工艺，越有管理和控制的难度； 工业化、集约化是社会生产发展的趋势，促使了现代混凝土的发展。

20 “失之毫厘，差之千里”的浑沌体系实例 自密实混凝土流变仪

21 配合比相同、石子针、片状颗粒含量对自密实混凝土工作性的影响
编 号 流动性 流动时间 (秒) 钢筋 通过性 h mm L 石子针、片状颗粒 （%） Sl sf 流过 50cm 65cm 16 265 665 6 × 10.0 K53 260 695 17  ＞800 5.0 k54 10 22 100 ＜400 7.0 h──混凝土停止流动后在L仪的立筒中下沉的高度 L──通过钢筋后流动停止时的流出距离

22 什么是当代混凝土？ 当代混凝土是建立在混凝土化学外加剂和矿物掺合料两大混凝土科学技术进展基础上的六组分混凝土。 预拌混凝土是当代混凝土的主体品种。以预拌混凝土、泵送为主流。拌和料的流变性能成为重要问题。

23 技术与性能特征 减小了强度对水泥的依赖性 水胶比较低，浆骨比较大 严酷环境的工程增加，使耐久性要求日益突现
在水泥水化热增大、强度提高的同时，结构尺度增大，改变了大体积混凝土的概念 使用混凝土强度范围很宽，从C20(极少量C15)到C80(极少）

24 混凝土配合比选择上趋于复杂 原因是使用环境、原材料和施工方法的多样性。例如2010年暑期在大连理工大学举行的首届全国大学生混凝土材料设计大赛中呈现的现象。 正所谓： 人工造石本无奇，砂子石头和水泥。 一朝采用多组分，百变技法令人迷。

25 现代六组分混凝土引领高性能化技术 矿物细粉的掺加与混凝土的高性能化 1) 矿物细粉的功能 ① 密实结构 ② 胶凝材料低内能
2) 低水胶比、低水泥用量、低单位体积用水量等技术理念得以成功实践 “外加剂使混凝土进入大流态时代,实现泵送，而粉体掺合料使泵送混凝土走向成熟” 混凝土材料满足强度、工作性和耐久性的要求，完成了一次重要的螺旋式上升。

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28 高性能混凝土技术迅速开发和应用

29 现代混凝土的发展方向 进入二十一世纪，混凝土研究和实践将主要围绕两个焦点展开，一是解决好混凝土耐久性问题，二是混凝土走上可持续发展的健康轨道。

30 发展绿色高性能混凝土是必然选择 水泥混凝土在过去的100年中，几乎覆盖了所有的土木工程领域，可以说，没有混凝土就没有今天的世界。但是在应用过程中，传统水泥混凝土的缺陷也越来越多地暴露出来，集中体现在耐久性方面。在目前正在实践和发展的现代混凝土中我们越来越意识到被寄予厚望的胶凝材料——水泥在混凝土中的表现，远没有我们想象的那么完美。

31 低水胶比下所需要的凝胶数量 当HPC水化程度只及常规混凝土60％时，两者结构强度相近。从长期角度来说,HPC水化程度提高后，凝胶数量增多，强度、密实性继续提高。 换句话说在低水胶比下，达到同样强度对凝胶的数量要求有所下降。换句话说对胶凝材料的活性要求有所下降。保罗米公式不再适用。目前JGJ 标准的修订组仍然试图对保罗米公式进行修正的做法是对现代混凝土理解不够。

32 三、水泥的功与过 ⑴ 水泥之功，功不可没 应该说水泥与现代建筑紧密相连，“没有水泥，就没有今天的世界”。 水泥－→混凝土－→建筑设计 砂浆－→建筑施工 可以说水泥是一剂灵丹妙药，它使建筑这个行业完成了一次本质性的跨跃。今天的大跨度桥梁、海底隧道、高层建筑、水库大坝都离不开水泥。

33 铁科院郭成举先生的诗 女娲未许补残天 弃置荒丘数万年 一朝寻来灵丹药 敢教世界换容颜

34 水泥之所以如此重要是因为它有优良的胶凝性能。四大类型矿物，可以在短时间内水化形成坚强的石状结构，且在大气、水中稳定存在。是一种高能量的人造材料。经过近两百年的研究、生产与实践，水泥技术已经相当成熟，是人类改造自然，从事建设的有力武器。

35 ⑵ 水泥之过 1）长期以来，重水泥研究，轻混凝土研究，错误的认为水泥的问题解决了，混凝土的问题就解决了，不认为混凝土本身是一门科学和复杂的技术。 2）认为将水泥作为胶凝材料的唯一组分是混凝土的最佳选择。

36 3）认为水泥掺加的越多，混凝土的质量越好。
4）认为水泥活性越高越好，当然这里指的是早期活性 根源在于水泥带来混凝土高的早期强度，使人们产生错觉，忽略了耐久性问题。是基于传统混凝土理念的产物。

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40 5）水泥性能不能满足现代混凝土需求 单纯追求满足强度下的高利润，使水泥厂采取使用助磨剂磨细、掺用 “增强剂”，细度越来越细，矿物中C3S、C3A越来越高，增加了开裂敏感性和不利于混凝土长期性能稳定性和耐久性的成分。再加之使用硬石膏缓凝、胶凝材料中SO3含量偏低，水泥供不应求造成的生产混凝土时水泥温度过高等因素使水泥与外加剂相容性不好，硬化性能也受到影响。

41 大量使用水泥造成很严重的后果 2）优质的天然资源被过快地消耗，生态遭到破坏。
1）没有解决混凝土的质量问题，相反混凝土的“富贵病”导致大量的混凝土的工程病害。 2）优质的天然资源被过快地消耗，生态遭到破坏。

42 水泥强度和混凝土强度关系已经变化 任何水泥基材料的强度主要取决于水胶比 按现有标准的水泥强度检验水胶比：0.5
当前用量最大的混凝土水胶比：＜0.5 不必盲目追求水泥的高强，32.5的水泥能配制出C60混凝土 当然，在相同水胶比下，混凝土28天强度和水泥强度仍然有关，高强度水泥可用于象C80、C100这样的高强的混凝土，但是用量很少。

43 外加剂与掺和料使用技术发展改变了对水泥强度和混凝土强度的关系的认识
矿物掺和料对混凝土强度的贡献随水胶比的减小而增大的幅度大于水泥对强度的贡献随水灰比减小而增大的幅度，因此掺用掺和料的混凝土必须降低水胶比

44 粉煤灰体积比为1∶ 1的不同水胶比浆体中 粉煤灰和水泥在不同龄期时对强度的贡献
7天粉煤灰 90天粉煤灰 7天水泥 90天水泥 28天粉煤灰 28天水泥 365天粉煤灰 365天水泥

45 在掺加矿物细粉掺和料的混凝土中水胶比决定着混凝土的强度
混凝土和水泥强度之间不再有线性关系

46 四、水泥细度对混凝土性能的影响 以强度高低作为水泥和混凝土“好”、“差”之分： 抗压强度高的混凝土，其他性能都好； 早期强度高的水泥和混凝土是好的水泥和混凝土 高强混凝土必须用高强度水泥 纯的水泥混凝土是真货，掺用掺和料的是假冒伪劣的；硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥是正品，其他都是次品

47 什么是好水泥？ 人们通常会认为强度高，尤其是28d强度高的水泥是好水泥，但这种认识是不正确的。例，美国垦务局的Burrows在《混凝土的可见裂缝与不可见裂缝》中介绍了1910年Withy在威斯康辛大学开始的50年水泥净浆、砂浆和混凝土的实验计划，Withy分别于1910、1923和1937年3个不同时间成型了5000多个试件。50年的结果由Washa和Wendt于1975年发表。

48 什么是好水泥？ Lemish 和Elwell
1996年在对依阿华州劣化的公路路面钻芯取样的一项研究中,也发现10～14年强度倒缩而得出结论：混凝土性能良好和强度增长慢有关。这是客观规律。

49 水泥过细不仅影响强度发展规律 1999年前的标准和1999年修改的标准。现代混凝土与旧标准的水泥相互契合颇好，改用新标准后水泥品性本应更好，但却因放松水泥粉磨控制出了问题，细度过细和混合材过多，引起了与商砼生产的不适应情况。

50 比表面积为3014cm2,饱和点为0.8%, 坍落度不损失掺量为1.6%

51 水泥细度为3982cm2,饱和点为1.2%, 坍落度无损失掺量为1.82%

52 比表面积为4445cm2,饱和点为1.6%, 找不到坍落度无损失点

53 水泥细度对砂浆抗拉强度的影响

54 水泥细度对水泥浆土和混凝土开裂的影响

55 水泥中不同细度颗粒对强度的作用

56 水泥细度与其抗压强度的关系

57 抗冻性随水泥比表面积增大而下降

58 水泥细度和开裂敏感性的关系 用收缩开裂环检测水泥的开裂敏感性, 从成型到开裂经过的时间越短，抗裂性越差

59 水泥过细的危害 片面追求强度而使比表面积太大、早期强度太高而长期增长率低甚至倒缩、实际强度浮动幅度太大；
太细的水泥 提高水泥的放热速率，降低与外加剂的相容性、增加混凝土需水量，增大收缩，不利于混凝土长期性能的发展，后期水化无发展余地，使结构失去自愈的能力。

60 五、现代混凝土需要的水泥品质 具有低的开裂敏感性、良好的匀质性、有利于混凝土结构长期性能的发展，无损害混凝土结构耐久性的成分（如Cl-、含碱量的控制） 尽可能低的需水量（标准稠度用水量） 质检合格的水泥未必能满足混凝土的需要，相同品种和强度的水泥可能会在混凝土中有不同的表现 水泥标准是为了控制无害性和匀质性而规定的最低要求，重要的是产品的匀质性，应当限制指标的上下限；每个水泥厂都应当有自己的标准差。

61 日本水泥颗粒级配 日本的水泥生产注重颗粒级配：控制熟料在一个很窄的范围──从30μm～70μm，然后用磨细矿渣和粉煤灰等不同细度的掺和料调整级配，其中矿渣粉磨到比表面积600m/kg2以上。这样，既可使熟料和掺和料都充分发挥作用，又可使水泥水化有长期的发展。怪不得磨细矿渣最早从日本提倡的，而在日本却看不见在搅拌站掺用磨细矿渣。原来他们的掺和料也是在水泥生产时掺的。这样生产的水泥总的比表面积增大了，但却不会有水泥过细而使水化热大的弊病。

62 水泥现状对当代混凝土的不适应 无法提供在混凝土中与外加剂的相容性 不检测开裂敏感性 水泥出厂温度太高，造成混凝土浇筑温度过高，温度应力增大，混凝土凝结时间不正常，早期开裂问题普遍

63 7天开裂 天开裂 两个大厂的52.5硅酸盐水泥，w/c＝0.3 成型温度18℃；24h后拆模并在室外负温下放置

64 不同厂家生产的相同品种、相同强度硅酸盐水泥在混凝土中的不同表现
A 水泥厂，稍有膨胀 B厂水泥在半绝热条件下收缩的约束应力是A厂的3倍 B 水泥厂，收缩

65 水泥含碱量和C3A对收缩的影响

66 以水泥温度为例 出厂水泥温度过高对商砼有何危害？不少报道指明，仅因温度不同，商砼的流动性可以从室温下的良好可泵送的高流动度变化至高过70-80℃时的完全丧失流动性，只此水泥温度一项，若不能平稳到仅略高于室温，就将使商砼生产严重失控乃至无法进行。

67 关于水泥细度的不同观点 水泥专家： 通过技术进步促使水泥熟料质量提高，水硬性越来越高，就应该加以充分利用，也就是将水泥磨得更细一点，充分发挥其强度，才对得起所耗的能源以及排放CO2产生的温室效应。否则岂非暴殓天物。在我国水泥工业发展过程中,水泥界前辈黄大能先生一贯坚持水泥应磨得细一点以免浪费水泥熟料潜在的活性的观点。

68 关于水泥细度的不同观点 混凝土专家：水泥不能磨的太细，理由是水泥细度过细是造成混凝土体积稳定性不好，导致裂缝产生的主要原因之一。大量钢筋混凝土建筑物的短寿命、多病害才是真正的非暴殓天物。控制水泥细度不要太细也是避免个别水泥厂混合材超量掺加的有效措施。

69 水泥应该为混凝土服务 廉慧珍教授常说的三句话：存在的不一定都合理；国外的不一定都先进；专家说的不一定都正确。我们正是在对前人不断地修正与否定中前进的。 廉慧珍教授提出，水泥不是最终产品，不是一种通用的产品，而是有很强针对性用户的原料型产品，必须为混凝土（或砂浆等制品）服务 。

70 助磨剂的应用目的 我们必须清楚的是在水泥生产中使用助磨剂的根本目的是节约能源，提高台时产量。
而水泥企业使用助磨剂试图把水泥磨得更细以增加混合材掺量，减少熟料的前提下满足水泥标准要求的做法是经济利益驱使，对混凝土性能，尤其是长期性能不利。 更有甚者，还将提高早期强度的功能附加给助磨剂，须知任何增加早期强度的做法都会对混凝土后期强度和性能造成不利影响。

71 水泥细度对水工混凝土的性能影响 当前水工混凝土耐久性的根本问题是漏水。所谓“十坝十漏”。50年前没有这种现象，主要原因是那时的水泥粗。
在四川溪洛渡大坝工程，混凝土大坝温度降不下来，采用埋水管、加冰等措施，混凝土温度都降不下来，后来，实验用天山水泥，细度分别为400、370 、330、300、280、250 m2/kg，实验结果，使用较粗的水泥，温度降低下来。建议采用280 m2/kg的细度。

72 为什么现在的水坝十坝十漏？过去为什么少？
最根本的问题是水泥： 水泥强度太高，粉磨得太细，造成混凝土温升太高，结构物失去自愈能力 为适应水泥现状，不得不用大石子（80mm以上）、尽量少的胶凝材料用量，造成界面缺陷增多 对策：──

73 高铁混凝土限制水泥细度 高速铁路高性能混凝土开始对水泥细度进行限制，要求≤350m2/kg。

74 水泥的三高问题 “高细度、高C3S含量、高强度等级”所谓的“三高”水泥对混凝土产生裂缝的不利影响应该说越来越大了。
例如机场跑道工程，在20世纪50-70年代修建的许多军事和民用机场，路面混凝土至今保持完好，而20世纪80年代后修建的混凝土路面三五年内出现破坏的有很多。

75 你能看到多远的过去，就能看到多远 的未来。
只有深刻了解过去，才能正确把握未来 你能看到多远的过去，就能看到多远 的未来。 —温斯顿·丘吉尔 R.W.burrows：我们肯定误入了歧途。50年来，我们一丝不苟地遵照不断细化和改进的标准制备混凝土，但是混凝土的开裂情况反而比50年前更加严重。

76 原因何在？ 原因不外乎两种： 一是我们使用的水泥过量，二是波特兰水泥变得更易开裂。
尽管遭受除冰盐环境，但是多伦多地区165座50年代建造的大桥，至今还没有出现开裂，而最近建造的大桥在建成后三个月内就出现了不同程度的裂缝。

77 毁灭之路——美国水泥的变迁 1925年，P·H·贝茨（P.H.Bates)试图在他的粗颗粒水泥混凝土中诱导塑性收缩开裂，但是失败了。一个最好的比喻是，泥浆干燥时总会开裂，而沙滩上的砂子从不干燥开裂。

78 毁灭之路——美国水泥的变迁 在1940年，美国材料与试验协会(ASTM) C 150的创始人P.H.贝茨(P.H.Bates)就关注普通水泥（Ⅰ型）的开裂趋势，当时，水泥的7d立方体抗压强度大约在3000psi（20.7MPa）。因此，他提出了2500psi （17.2MPa）的低强Ⅱ型水泥。

79 毁灭之路 贝茨先生为了减少因温度应力而产生的开裂，限制了水泥中硅酸三钙（C3S）和铝酸三钙（C3A）的含量。在一段时间内，Ⅱ型水泥表现出良好的性能。在1943年，混凝土杂志宣布“低热水泥已经研制成功，极大减少了收缩裂缝，其效果远好于预期”。

80 毁灭之路 在1940年，Ⅱ型水泥中的C3A和C3S含量分别限制在8%和50%。但是在1960年，这种规定已经改变了。
根源在于工程承包商意识到：如果提高水泥早期强度，他们就能获得更多的利润。

81 毁灭之路 尽管水泥越来越细，但承包商还给水泥厂施压，使其要求美国材料与试验协会(ASTM)水泥委员会取消对C3S含量不大于50%的规定。作为一个折衷的办法，水泥委员会提出了中热水泥标准，其中C3A和C3S的总含量限制在58%以内。然而，几乎没有厂家执行这项规定。

82 毁灭之路 水泥厂争相提高早期强度，不断提高水泥细度和C3S含量。1965年，美国混凝土专家布莱恩特·马瑟(Bryant Mather)访问欧洲时发现，他们几年前就对水泥早期强度最大值作出了限制。当他向美国材料与试验协会(ASTM)水泥委员会提议这件事时，却被嘲笑了！后来，水泥的早期强度仍然在提高，但是，就像运动员服用类固醇一样，副作用也是在所难免的。

83 水泥的变化 1920年代，欧美国家水泥中C3S约为30%，如今达50～70%；水泥细度从220m2/kg到现今的340～600m2/kg
我国1970年代水泥(GB175-63)最高标号是硬练强度500＃，相当于GB175-77的425＃、现行标准32.5的强度等级；常用水泥是400#，按现行标准只有27.5。 检测的水灰比增大，对3天强度的规定未变，实际提高了早期强度，而高早期强度并不是普适必要的；

84 水泥的三高问题 美国从20世纪30年代开始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把细度由允许大于75ηm的颗粒含量为22%，改为基本为零。70年后的今天，经调查发现，1930年前修建的桥梁有67%保持完好，而1930年后修建的桥梁只有27%保持完好。

85 水泥的三高问题 R型水泥除了可以使混凝土早强、早拆模外，对混凝土的其他性能不会有明显好处。相反，由于它3d强度高，水化热和收缩集中，可能会对混凝土裂缝的产生带来不利的影响。所以，如果工程中对混凝土早强没有特别的要求，就最好不要使用它；

86 水泥的三高问题 比表面积在400m2/kg以上的高强度等级水泥，由于其颗粒比较细，凝结较快，水化热集中，对混凝土的体积稳定性有不利影响，更使混凝土产生裂缝的可能性增加，所以使用时应慎重考虑；

87 水泥过细对现代混凝土的劣化原因 水泥颗粒粒径越细，早期的水化越快，水化热释放得早，单位时间内的水化热越高，而水化越快消耗混凝土内部的水分就越快，这样就可引起混凝土的自干燥收缩，使混凝土容易产生裂缝。而且由于水泥粗颗粒的减少，减少了稳定体积未水化的颗粒，从而影响到混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化能力、抗侵蚀性等。

88 水泥过细对现代混凝土的劣化原因 在1987年，亚当·内维尔博士(Adam Neville)写道：混凝土的性能劣化，是由于没有对水泥细度、硅酸三钙含量和早期强度进行限制（参考文献4）。有超过66项的研究都表明：任何提高水泥水化速度的因素，都会削弱混凝土的耐久性

89 水泥过细对现代混凝土的劣化原因 本茨（Bentz）等人（1999）指出，水泥细度对自收缩的影响非常大。因此，人们建议高性能混凝土使用粗磨水泥。

90 美国水泥的演变

91 美国水泥的演变

92 美国水泥的演变

93 美国水泥的演变

94 美国水泥的演变 细度增加自收缩增大

95 毁灭之路——美国混凝土的变迁 1973年，美国国家公路与运输协会（AASHTO）把混凝土的最大水灰比从0.53降低到0.45，最低强度从3000psi提高到4500psi，并开始使用环氧涂层钢筋。环氧涂层钢筋的粘结强度下降了35%，导致钢筋滑移和混凝土开裂加剧。

96 毁灭之路——美国混凝土的变迁 1983年，大卫·怀汀（David Whiting）的快速氯离子扩散实验方法确认为美国国家公路与运输协会（AASHTO）T277标准。高抗离子渗透混凝土的电通量值建议为1000库伦。如此低的电通量要求，不得不使用硅灰和非常低的水灰比，混凝土强度显著提高，增加了混凝土的开裂几率。

97 毁灭之路——美国混凝土的变迁 1990年，美国公路战略研究计划（SHRP）定义高性能混凝土为: 4小时龄期强度3000psi或28天龄期强度10000psi的混凝土。这简直就是一场灾难。这种混凝土是非常容易开裂的。

98 毁灭之路——美国混凝土的变迁 由于对水泥细度和硅酸三钙含量没有限制，美国Ⅱ型水泥已正变得越来越容易开裂。这都是为了获得更高的早期强度以满足更快的施工。在德国、挪威和瑞典，仍然继续生产和使用水化速率较慢﹑更抗裂的水泥。

99 毁灭之路——美国混凝土的变迁 1996年，一篇美国联邦公路管理局（FHWA）资助的学术论文把高性能混凝土分为四个“性能等级”。对于科罗拉多地区，由于每年有超过50次的冻融循环，建议使用性能等级2，强度要求为8000 psi （55MPa）到10000psi（69MPa）。

100 毁灭之路——美国混凝土的变迁 在丹佛老城区，一段数英里长的采用非引气混凝土修建的排水沟及其边缘部分经年被水浸泡而没有出现剥落。基于这一点，我相信，在自然条件下，只有严重开裂的混凝土才会遭受冻融循环而破坏。

101 毁灭之路——美国混凝土的变迁 多年研究发现，水灰比为0.79的引气混凝土暴露在芝加哥(斯科基)的气候环境中，25年未受破坏。可见，高强抗冻融的建议是多么的荒谬。

102 毁灭之路——美国混凝土的变迁 纽伦(1974）发现，1966年混凝土强度从3000psi提升到4000psi时，维吉尼亚桥面混凝土的横向裂纹增多了。1961年一项调查表面，10％的混凝土有横向裂纹，1972年增加到25％。调查的混凝土包括566个刚建不到5年的桥跨板。1996年克劳斯(Krauss)和罗格拉(Rogalla)发现美国52％的桥有早期横向开裂现象。

103 毁灭之路——美国混凝土的变迁 在科罗拉多地区并没有因钢筋锈蚀而引起混凝土膨胀破坏的现象。所发现的钢筋锈蚀也是由于混凝土的预先开裂而造成的。在科罗拉多地区，没有氯离子渗透问题，但是有混凝土开裂问题。问题是温度收缩和干燥收缩会导致混凝土的开裂，从而使混凝土遭受冻融破坏。

104 毁灭之路——美国混凝土的变迁 我们已经误入歧途了，因为我们试图通过降低混凝土的氯离子渗透性来解决混凝土的开裂问题，而且我们正是这么做的，例如提高水泥用量、掺入硅灰和阻锈剂。希望这种“钟摆”可以把焦点从混凝土的低渗透性转向低开裂性，从而回到正确的位置。

105 毁灭之路——美国混凝土的变迁 然后，形成了所谓的“从中思维”， 人人都被传染。通常的传播方式是，一但加入群体就会适应这个现状。

106 毁灭之路——美国混凝土的变迁 尽管有许多有力的证据，但是还是有很多人不相信高强混凝土是易开裂的。因而无视材料强度越高，脆性就越大，越容易开裂的基本原理。

107 毁灭之路——美国混凝土的变迁 铸铁是脆性材料，而且很难进行机械加工，但是，当铸铁退火处理至较低强度时，就变得非常有韧性。一个玻璃餐盘掉在地板上就会摔碎，而强度较低的塑料盘子却不会破碎。

108 毁灭之路——美国混凝土的变迁 美国联邦公路局高性能混凝土计划过于强调高强，使得混凝土的开裂问题加剧。他们在科罗拉多的示范桥梁工程就开裂了。
8、过于强调低渗透性的重要，使制备的混凝土更密实、强度更高，但同时也增大了混凝土的脆性和易开裂性。

109 毁灭之路——美国混凝土的变迁 目前过多依赖粉煤灰和矿渣的掺入来解决混凝土的耐久性问题。最近的研究表明这些材料对混凝土耐久性的改善没有我们预想的有效。 我们被一种禁止对波特兰水泥进行任何批判的文化氛围所禁锢。

110 水泥过细对现代混凝土的劣化原因 水泥颗粒粒径越细，早期的水化越快，水化热释放得早，单位时间内的水化热越高，而水化越快消耗混凝土内部的水分就越快，这样就可引起混凝土的自干燥收缩，使混凝土容易产生裂缝。而且由于水泥粗颗粒的减少，减少了稳定体积未水化的颗粒，从而影响到混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化能力、抗侵蚀性等。

111 六、混凝土高早强的误导与危害 长时期以来，我们已经习惯了快速的施工建设模式， 而且在低价中标、政绩工程等因素驱使下，追求施工速度愈演愈烈。施工单位不适当地加快工程进度,追求施工速度。 政府建设管理机构对工程进度应符合现代材料制备和工程建造规律的常识认识不够，没有严格限制和控制过快的工程进度。其实，高早强有损混凝土长期性能。早产有损生命健康的概念同样适用于混凝土 。此外混凝土的耐久性质量尤其需要有足够的施工养护期加以保证；

112 对水泥行业的误导 混凝土追求高早强，使水泥行业认为提高水泥强度，尤其是早期强度是现代混凝土的需求。实际上形成对水泥行业的误导。
其实关键是要明确我们到底想要什么？我们到底看中什么？我们到底觉得什么更重要？ 唐明述院士告诫我们：基础设施建筑物的耐久性是最大的节能减排。一个建筑使用50年还是500年对生态、资源的影响大不相同。

113 当前行业隔离现状的实例 水泥 混凝土 工 程 结 构 研 究 提高比表面积, 增加C3A、C3S 骨料 针片状颗粒增多 混凝土流变性能下降
强度 水泥 混凝土 强度 工 程 结 构 研 究 提高比表面积, 增加C3A、C3S 强度 骨料 强度 强度 结构设计 针片状颗粒增多 混凝土流变性能下降 级配变差 甲方管理监理 流变性能下降 收缩增加 水化热增大 抗化学腐蚀性下降 后期强度增长小 强度 由于行业隔离，水泥厂误认为混凝土生产者对水泥的要求就是要强度高，丛熟料生产来进一步提高水泥强度的难度已经很大了，最易行的就是磨细。 混凝土耐久性下降

114 要早期强度还是要耐久性 过度追求工程进度不仅造成混凝土追求高早强。高早强的混凝土更易于开裂，同时势必导致混凝土得不到充分养护，在侵蚀性环境中劣化更迅速；规范应该修正，足够地强调这一点。

115 要早期强度还是要耐久性 我国专家黄士元实验表明混凝土24小时抗压强度不超过10MPa左右，或28天抗压强度不超过50MPa可以大大降低开裂的风险。

116 要早期强度还是要耐久性 施普林斯密德(Springenschmid)（巴罗斯-1998）指出，通过降低水泥用量，新德国铁路隧道的温度裂缝得到了消除。同时，限制12小时立方体抗压强度最大值为870psi（6MPa）。

117 要早期强度还是要耐久性 提前完成合同规定施工工期的工程在国外要被罚款,因为意味着工程质量有遭到损害的可能。工程施工速度的不断加快。一再加速的施工进度使得浇筑后的混凝土普遍得不到充足时间的养护，且因早期强度高影响混凝土体积稳定性和抗化学侵蚀性。

118 要早期强度还是要耐久性 我国工程建设的一个突出问题就是一旦决定建设就突击施工，不惜以牺牲工程质量为代价。这种施工方式的最大受害者是结构的耐久性，因为养护不足直接损伤了表层混凝土的密实性与强度，而防止钢筋发生锈蚀和外界有害物质侵入混凝土内部所依靠的就是表层混凝土的密实性;表层混凝土抵抗外界有害物质侵入的能力(抗侵入性或抗渗性)可因养护不良而成倍降低。

119 要早期强度还是要耐久性 即使正确地限定了原材料和拌合物配合比，并且小心地遵循施工规程，认为可以根据现有的实践建造耐用和持久的混凝土结构仍然是不现实的。这是因为在20世纪里，材料和建造实践首先是为了满足快速建设的需要，事实已经证明：这对暴露于严酷环境条件下运行的混凝土结构耐久性是有害的。我们在建造耐用和环境中持久的混凝土结构时，必须牺牲一些建设速度，显然，这需要政府主管部门、业主、营造商与设计者转变观念。

120 我们必须认识到 所以,结构混凝土所需的强度等级一定要兼顾构件承载力和耐久性的双重需要,而且必须了解,现在的混凝土由于水泥的早强和颗粒更细以及施工养护过程越来越短,其耐久性已远远不如过去几十年前同样强度的混凝土。需要强调的是我们不是反对混凝土高强度，我们是反对高早强。

121 制备绿色高强混凝土具有可行性 至少可以说在低水胶比下，低水泥熟料胶凝材料体系是可以制备高强混凝土的，在满足施工要求的前提下，选择较小的浆骨比。 绿色混凝土是可以做到高强度的，当然不是高早强。

122 强度与耐久性的关系 比如同一低水胶比的纯硅酸盐水泥混凝土,其强度等级要比大掺量粉煤灰混凝土高得多,但抗氯盐侵蚀的能力却远不如后者。
高压蒸养的低水胶比混凝土,如果温控不当,可使混凝土内部的微细孔隙连通,这时的混凝土强度等级仍能达到90 MPa甚至更高,抗水渗透能力也非常好,可是抗冻融和抗氯离子的能力有可能降到与中低强混凝土相近的程度。

123 思维方法和观念的转变比技术更重要 我们一方面信誓旦旦要发展绿色混凝土，一方面又不舍得放弃传统混凝土带给我们的种种“好处”，当然其实主要还是高早强形成的观念和做法。比如“最好3天就能张拉”，“最好第二天上班就拆模”；“28天衡量强度不能改变”…… 如果有“成长催化剂”我们是不是让我们的孩子吃？我们是不是要求用成人的标准衡量一个十岁的孩子？ 我们应该习惯于制造缓凝混凝土，在幼龄期具有高徐变和低弹性模量。

124 转变观念谈何容易 开惯了汽车，叫你骑自行车，你当然不适应；胡吃海塞惯了让你管住自己的嘴当然不情愿；建设习惯于追求速度，抢工期，让你使用强度发展慢的绿色混凝土，许多人脑袋肯定会摇得像个拨浪鼓，“不可能、不现实、无法实现……”。人们有一万个理由把自己的思路框在快速建设的模式中。但是如果是为子孙考虑，让人类“寿与天齐”我们就必须改变自己，让建筑行业接受科学发展观。

125 混凝土产业的科学发展观首先是可持续发展 老子在道德经中说：天地所以长且久者,以其不自生,故能长久。和宇宙万物协调发展与存在是我们唯一正确的选择。 老子又说：天地不仁，以万物为邹狗。告戒我们应该体恤、敬重世间万物。 体现在建筑行业上就是要物尽其用以减轻对生态与资源的压力。就是要最大限度地延长建筑物的使用寿命。建筑物的质量不仅体现在早期安全性、经济性；更重要地是体现在长龄期安全服役。

126 七、问题与出路 当前商品混凝土存在什么问题？ 掺入组分太多，管理水平对当代混凝土技术适应性较差，上错料的问题时有发生； 搅拌机搅拌时间太短，混凝土的多组分无预均化工序，存在拌和物匀质性的问题

127 七、问题与出路 使用大掺量矿物掺和料的混凝土SO3不足，致使混凝土早期强度、凝结慢、收缩大，与减水剂相容性差。采取提高比表面积的措施以提高矿渣活性，使混凝土降低温升的效果差，自收缩增大，开裂敏感性增加，早期强度低； 难以改变外加剂掺入方式，影响外加剂效率和拌和物质量；

128 搅拌时间和混凝土匀质性的关系

129 搅拌时间和混凝土强度变异系数关系

130 石膏对坍落度损失的影响

131 SO3对砂浆变形性能的影响

132 SO3对砂浆抗压强度的影响

133 SO3对砂浆抗折强度的影响

134 石膏掺量对掺减水剂的浆体需水量的影响 胶凝材料中矿物掺和料占50％

135 — SPC在工厂中生产水泥时加入超塑化剂 — SpAD在使用水泥加水前先加入超塑化剂 — AD将超塑化剂溶于拌和水中
高效减水剂掺入方式对浆体流变性能的影响 — SPC在工厂中生产水泥时加入超塑化剂 — SpAD在使用水泥加水前先加入超塑化剂 — AD将超塑化剂溶于拌和水中

136 表面化的材性表现，如强度、凝结时间、标准 稠度之类，还需要了解材质构成的种种情况， 如熟料烧成工艺和矿物组成、氯硫碱含量，水
商砼需要透彻了解水泥的细致情况，不光是 表面化的材性表现，如强度、凝结时间、标准 稠度之类，还需要了解材质构成的种种情况， 如熟料烧成工艺和矿物组成、氯硫碱含量，水 泥制成工艺和控制参数、石膏形态和用量、混 合材种类和掺量、助磨剂情况，乃至水泥颗粒 分析、水化热测定值等等。丝毫不比水泥企业 自身稍逊，这不是为收藏情报，而是为了生产 的实用目的。

137 行业隔离造成的问题 行业隔离问题已经不是一个技术问题，归根到底是利益的问题，而反过来却影响社会整体的生产力和人类的可持续发展。行业隔离最终影响的是工程质量。

138 出路——水泥产业向胶凝材料产业过渡 明天的混凝土将含有较少的熟料，因此水泥业将成为水硬性胶凝材料业，一种向市场提供与水拌和时能硬化的微细粉末的工业。这种使矿物组分，而不是细磨熟料用量增大的做法，将有助于水泥业向更加符合各国政府提出的可持续发展的目标迈进。今天的水泥业沿着这个方向努力已经是非常必要了。 Cements of yesterday and today； Concrete of tomorrow P.-C.Aïtcin

139 为什么不能换一种思维方法来生产水泥？ 由用户订货来生产和供应
按混凝土的需要生产，既解决混凝土原材料预均化问题，又免除混凝土配料工序，提高管理效率 按混凝土的规律进行产品性能检测。国家标准是最低要求，只控制产品对国家与社会的安全性和产品匀质性

140 水泥混凝土生产方式的否定之否定规律

141 水泥企业的发展趋势 水泥和混凝土原本是不可分割的，分则两 伤，合则两利，而像混合材和掺合料之争这 样的现实问题，放在一家子内部协调更容易
处理，水泥和混凝土应该重新融合为一体求 发展，这是历史的宿命。水泥应该积极主动 去拥抱混凝土，走向融合。这里，只有水泥 能当主动者，水泥必须主动。要从产业和科 研两个方面全面进军商砼领域，齐头并进， 进驻商砼领域。

142 水泥企业的发展趋势 水泥工业应全面构建“泛商砼圈产业链”，并取得对商砼产业的主导权。
水泥工业应该全面生产商砼生产所需的主要原材料，包括砂石、掺合料、高效减水剂等等。应该秉持商砼的基础理论（例如颗粒密实堆积的连续级配理论）统筹安排各项生产，把各方面的优化配置的产品，整合到商砼中综合性地体现出来，必将能大幅提升商砼的品质性能。

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144 水泥和混凝土生产发展的趋势 水泥厂只生产熟料，由搅拌站自建水泥粉磨站，生产混凝土所需的胶凝材料，但也要有自己的标准供质量量控制用，并要增加均化措施；熟料出场须有产品标准； 水泥厂真正做到水泥混凝土一体化生产， 按混凝土需要生产，按混凝土规律检测 多样化是未来市场的必然，无论是水泥厂，还是搅拌站，最终都要为工程服务，满足工程需要 水泥不再是最终产品，而是中间产品

145 胶凝材料发展方向 高性能水泥基材料设计的出发点就是形成低钙硅比的水化硅酸钙凝胶为主的胶凝材料体系 水泥体系的概念和内涵将发生重大变化

146 绿色混凝土技术的出路 给水泥在混凝土中重新定位，发挥其作用，克服其缺点，与矿物掺合料形成合理的胶凝材料体系是混凝土高性化过程中必须完成的观念转变。

147 水泥基材料随着水胶比的降低，强度对水泥活性和用量的依赖逐渐减少，水泥与矿物细粉掺和料共同组成合理胶凝材料体系（各占50%，或者更少的使用水泥熟料）在低水胶比下是可行的，其耐久性也是可以信赖的。

148 展望未来，混凝土即将迎来水泥和粉煤灰共同组成合理胶凝材料体系的崭新时代，建筑结构的寿命也将因为这一革命性进步而大大延长。