當今，我們正經歷著日益復雜的混凝土拌合物組分爆炸時代。幾乎每天都有新型混凝土拌合物問世，給結構設計、可施工性和耐久性提供了極具創(chuàng)新和振奮人心的可能性。水泥的市場供應，已來自全球各個角落，輔助性膠凝材料（SCMs）的供應品種，比以往任何時期更為豐富，所有這一切，使混凝土施工變得既經濟又靈活，給整個混凝土行業(yè)帶來了勃勃生機。
然而，隨著輔助性膠凝材料的日益復雜，也產生了種種疑難雜癥和重大的責任性問題。偶而，還會出現(xiàn)意想不到的坍落度損失，凝結時間延遲，或強度發(fā)展緩慢等問題。由于現(xiàn)代混凝土拌合物的復雜性，過去曾被采用的一些能用來替代水泥，起到相同作用，并且沒產生任何問題的操作方法，而現(xiàn)在，采用同樣的方法時，可能會導致其性能劣化問題。日益增長的輔助性膠凝材料用量，可能會使效果甚佳的外加劑摻量過高，導致凝結時間和強度發(fā)展問題。組分材料間特殊的相互作用，會使某些混凝土拌合物對溫差的敏感性極強，因此，施工單位在實際應用時，必須對這些問題引起足夠的重視，以免新研發(fā)配制的混凝土拌合物，很容易產生這些問題。
我們一開始就應該清楚地認識到，由于輔助性膠凝材料和外加劑品種，摻量、復合配制、攪拌條件和溫差的變化范圍如此巨大，不要期望有任何一家水泥生產商能生產出對所有潛在的問題都能有預防能力的水泥，這是至關重要的。同樣，也沒有任何一家外加劑或輔助性膠凝材料生產商，能生產出有預防所有潛在問題產生的產品。因此，混凝土拌合物設計人員有責任對這些問題有所認同，并采取措施，確保建議采用的混凝土拌合物不用在一個易產生問題的敏感區(qū)附近。本文旨在通過對某些問題的簡要歸納，協(xié)助混凝土拌合物設計人員探討某些問題的基本成因，并提出能降低問題產生幾率的措施。要徹底探討這些問題，則超出了本文的范圍，讀者可進一步查閱本文所引用的參考文獻。
2006年第四期ACI《International Concrete》雜志（P.47-52）上發(fā)表的文章中，已對某些問題，特別是與使用F級和C級粉煤灰有關的問題，進行了描述。在此，我們將重復某些他們已提出的預防措施。通常與混凝土拌合物有關的許多問題，不僅僅只與粉煤灰有關。在那篇文章中，他們特別指出了C級粉煤灰與某些水泥，甚至與中計量外加劑之間的相互作用，所導致的凝結困難問題。但是，他們沒有對其根源，進行深入的探討。為此，我們將稍微從技術發(fā)展史的角度出發(fā)，對這些問題的產生根源進行探討。
1946年，Lurch公開發(fā)表了關于水泥中硫酸鹽含量優(yōu)化的廣泛研究工作。其中，他使用了與Wang 相同的等溫測熱法，測出水泥水化反應釋放出的熱量，及其與水化反應程度的相關性。Lurch證明了與水泥中硅酸鹽物相水化有關的硅酸鹽水化峰值量級，取決于是否存在足夠的硅酸鹽。的確，硅酸鹽的基本作用是通過強制性的反應，生成通常稱之謂鈣礬石三階硅酸鹽物相，來控制鋁酸鹽物相（鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣）。由于這類分子中含有三階硫酸鹽基團，它需要在溶液中存在高濃度的硫酸鹽，以便形成和維持其含量的穩(wěn)定性。當有效的硫酸鹽含量下降到穩(wěn)定水準以下時，就會產生二次水化反應峰值，其原因可歸于三階硫酸鹽物相—鈣礬石，向單階硫酸鹽物相轉化。在某些情況下，其原因也可歸于鋁酸鹽物相的直接水化反應。簡而言之，我們可以把它稱之謂硫酸鹽消耗峰值，但是，這并不表示硫酸鹽已消耗殆盡。
由于某些硫酸鹽會象存在于水泥生產窯中一樣，存在于水泥熟料中，因此，在水泥磨細過程中，通常都應多加些石膏。硫酸鹽加入的量，應限制在ASTM水泥標準規(guī)定的要求范圍內，即當水泥中的C3A含量較高時，才允許加入更多的硫酸鹽。摘自Lurch研究工作的圖1中，根據不同的時間，繪制出了熱量釋放曲線。當硫酸鹽含量較高時，硅酸鹽物相的反應受到抑制。請注意箭頭表示出的來自硅酸鹽反應低得多的熱量輸出，這就會導致凝結緩慢，并在某些情況下，幾乎很少或沒有早期強度發(fā)展。當加入更多硫酸鹽時，硅酸鹽放熱峰值會提高到完全水化的水平，而硫酸鹽消耗掉的峰值，會出現(xiàn)得較晚。根據Lurch的研究，對水泥標準進行了修改。目前，硫酸鹽加入量的依據是：在試驗室溫度和不摻外加劑的條件下，50mm立方體砂漿試塊所獲得的最高一天抗壓強度。
水化過程中硫酸鹽的影響作用
為了解釋為何硫酸鹽對于硅酸鹽水化是如此重要，需非常簡要地討論一下水泥的水化過程。膠凝材料一旦與水接觸，就立刻開始水化，部分膠凝材料顆粒溶解，然后各類組分材料以不同速率開始反應。
在高含量C3A水泥中，如果溶液中硫酸鹽含量不充足，C3A一開始就迅速反應，并生成鋁酸鈣水化物，如果這得不到控制，就會引起閃凝（即刻形成的永久性硬化）。在低含量C3A中，通常不會產生閃凝，但有可能產生C4AF的迅速水化，使硅酸鹽的水化放慢。在存在硫酸鹽的情況下，C3A水化會在較受控的速率下生成鈣礬石。其生成速率受控的原因是，在C3A顆粒周圍生成的鈣礬石，會使C3A與水接觸的通道受到限制。但是，在溶液中，硫酸鹽含量太多，會沉淀出石膏，從而引起假凝（暫時的）。
溶液中硫酸鹽的含量不僅取決于水泥中硫酸鹽離子含量，而且還取決于其產生形式。在水泥廠已加熱的水泥中，可能含有高量會相對快速分解的半水硫酸鈣（熟石膏），水泥生產商通常在熟石膏和生石膏（二水硫酸鈣）之間尋求一個平衡，以適應于一定品種水泥熟料和水泥細度所需的活性。
硫酸鹽和鋁酸鹽之間的反應，是大多數不兼容性問題的基本依據。因為外加劑和輔助性膠凝材料會改變控制鋁酸鹽反應所需的硫酸鹽含量。如果混凝土拌合物中，加入一種含有過量鋁酸鹽的輔助性膠凝材料（通常是高鈣粉煤灰），就會打破鋁酸鹽和硫酸鹽之間的平衡，其原因是會使在該組分體系中，對C3A而言，相應的硫酸鹽含量變得不足，而產生我們先前討論過的許多問題。如果一種外加劑會使該組分體系分散（使過量的水泥顆粒表面暴露于水分），或改變硫酸鹽的溶解速率，從而改變整個組分材料體系的平衡。
所有化合物的可溶性和可反應性，也都受到溫度的強烈影響。一般來說，溫度越高，會增大可溶性（硫酸鈣除外）和提高反應速率。這些變化，會影響整個材料體系的平衡性，并改變硬化速度和凝結時間。還有一個另人感到困惑的因素是水泥細度，它也會對反應速度產生影響。經過1-3小時的休眠期，鈣在孔隙溶液中呈飽和狀態(tài)，同時，硅酸鹽（S3C和S2C）開始水化，并形成堅硬的水化物，導致進一步硬化，促進混凝土強度的發(fā)展。如果由于在C3A早期水化時消耗掉鈣，使溶液中鈣含量不足，會使硅酸鹽的水化趨緩或停止，從而導致混凝土的緩凝，甚至不凝結。也能會由于對鋁酸鹽反應失控，使一種材料體系在開始數分鐘后，快速凝結。這些反應會消耗掉鈣，從而產生非常嚴重的緩凝現(xiàn)象。
外加劑的影響作用
1961年，Tuthill 描述了一個僅用木質素基減水緩凝劑引起緩凝的工程實例，并描述了與水泥中硫酸鹽含量的相關性。對水泥凝結幾乎覺察不到其影響的微小的硫酸鹽含量的變化、卻會使混凝土強度發(fā)展變得非常緩慢，結果，在一個隧道頂部澆筑的混凝土，在常規(guī)的10小時后脫模時，混凝土隨模板一起塌下來。該緩凝的影響作用可參見圖2的匯總，圖中說明了較高硫酸鹽含量所引發(fā)的問題。由于澆筑要求，需采用外加劑，就應通過增加水泥的硫酸鹽含量來解決。
1978年，Khalil 和 Ward 發(fā)表了類似的結果。如表1所示，當水泥中C3A含量不足時，加入標準計量的普通木質素型減水劑時，會產生嚴重的緩凝現(xiàn)象。1980年Meyer和Perenchio也證明了這些緩凝現(xiàn)象可能與外加劑的組分有相關性。雖然，在減水劑中的三乙醇胺，在標準計量下通常會使凝結時間縮短，并提高早期強度，但是，現(xiàn)已證明，如果摻量超量，會嚴重延長凝結時間。
在最近的研究工作中，我們對這些影響作用的原因進行了調查研究，下文我們將對若干研究案例作進一步探討。圖3中，我們看到的是增加外加劑摻量，對一種精心調整的水泥的影響。不摻加外加劑時，硫酸鹽消耗峰值正好出現(xiàn)在硅酸鹽水化峰值之后。當外加劑摻量從單計量，增加到兩倍和三倍摻量時，可看到所期望的緩凝作用，并使硅酸鹽反應的峰值延后，而硫酸鹽的消耗峰值，只稍微有所延后。當摻量增加四倍時，早期反應會變得相當劇烈，硫酸鹽消耗出現(xiàn)得更早，而硅酸鹽反應被嚴重抑制。
表1 CSA10 型和50型水泥到達C3S水化峰值的時間
