混凝土核心原材料——水泥

楊文科

（中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司，北京 100101）

1 水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)混凝土的影響

水泥中有四大主要礦物成分，它們是硅酸三鈣（簡寫為C3S）、硅酸二鈣（簡寫為C2S）、鋁酸三鈣（簡寫為C3A）和鐵鋁酸四鈣（簡寫為C4AF）。它們遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，生成膠凝材料，將混凝土中的粗細(xì)集料膠結(jié)起來，形成人造石頭——混凝土。所以，它們是混凝土各項(xiàng)性能產(chǎn)生的根源。

C3S的水化反應(yīng)式為：

3CaO?SiO2+nH2O=2CaO?SiO2?(n-1)H2O+ Ca(OH)2C2S的水化反應(yīng)式為：

2CaO?SiO2+nH2O=2CaO?SiO2?nH2O

C3A的水化反應(yīng)式為：

3CaO?Al2O3+6H2O=3CaO?Al2O3?6H2O

C4AF的水化反應(yīng)式為：

4CaO?Al2O3?Fe2O3+7H2O=3CaO?Al2O3?6H2O+CaO?Fe2O3?H2O

另外，它們發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)放出熱量形成水化熱。

以上四種水泥中的主要礦物成分，遇水后的水化速度各不相同，所以它們對(duì)混凝土的 3d、7d、28d 和 90d 的強(qiáng)度影響也就各不相同。按反應(yīng)速度來分， C3A 最快，對(duì)混凝土的3d 和 7d 強(qiáng)度影響最大； C4AF 次之； C3S 第三，對(duì) 28d 強(qiáng)度影響最大； C2S 速度最慢，是混凝土后期強(qiáng)度增長的主要來源，如表 1 所示。

表 1 水泥熟料礦物成分含量和特性

影響水泥水化反應(yīng)速度的因素主要有三個(gè)，除了礦物成分外，還有水泥的細(xì)度和環(huán)境溫度。從上面幾個(gè)水化反應(yīng)公式可以看到，硅酸三鈣在水化反應(yīng)后不僅生成水化硅酸鈣，同時(shí)生成了 Ca(OH)2，在混凝土中，Ca(OH)2為白色析出物，層狀結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度不利，但可以繼續(xù)和酸性材料反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，起到了增加混凝土強(qiáng)度的作用。反應(yīng)式為：

Ca(OH)2+ SiO2+ H2O→CaO?SiO2?H2O

所以，我國水泥除 P·Ⅰ 型外，都加有程度不同的酸性或其他混合材料。加酸性混合材料的目的是和 Ca(OH)2繼續(xù)水化反應(yīng)，生成新的膠凝材料。所以，水泥規(guī)范中根據(jù)它們與Ca(OH)2反應(yīng)程度的不同，將這些材料劃分為活性混合材料和非活性混合材料。

另外，在硅酸三鈣和硅酸二鈣的水化反應(yīng)式中，用了多少水，是個(gè)未定數(shù)，反應(yīng)式中用“n”來代替，大家一定要特別注意這個(gè)“n”，混凝土中許多未定之因素，都與它有關(guān)。

水泥中還含有少量的 SO2、游離 CaO、MgO 和不溶物等，是水泥熟料生產(chǎn)過程中的伴生物質(zhì)。

水泥中的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)混凝土的影響如下。

1.1 水泥細(xì)度

細(xì)度是影響水泥水化速度的三大主要因素之一，特別是混凝土 28d 強(qiáng)度，細(xì)度越大，強(qiáng)度越高，反之則越低。所以，近二百年來水泥科技發(fā)展的歷史，基本上可以說就是一部如何磨得更細(xì)的歷史。我國在 1999 年水泥強(qiáng)度等級(jí)與試驗(yàn)方法和國際接軌后，進(jìn)一步提高了水泥細(xì)度。以 42.5# 水泥為例：比表面積由過去的 300～350m2/kg 提高到 350～380m2/kg，個(gè)別廠甚至達(dá)到了 400m2/kg 以上。比表面積的增大，大幅度提高了水泥的 28d 強(qiáng)度，尤其是 3d 強(qiáng)度得到了很大的提高。水泥強(qiáng)度的提高，使混凝土強(qiáng)度也得到進(jìn)一步提高，其強(qiáng)度的增長速度進(jìn)一步加快。這給施工企業(yè)提前拆模，縮短工期都帶來了便利條件，也給混凝土界配制更高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土提供了便利。但同時(shí)也帶來了不利因素，混凝土凝結(jié)速度的加快，使混凝土收縮速度加快，混凝土早期開裂的可能性提高，自愈合能力降低等。

1.2 C3S 的含量

自發(fā)明水泥以來，水泥中最有效的成分 C3S，由于是混凝土 28d 強(qiáng)度的主要影響因素，所以其含量一直呈上升趨勢。以 42.5# 水泥為例，我國水泥目前的 C3S 含量已達(dá)52%～63%。C3S 含量的提高，同樣對(duì)提前拆模、縮短工期、配制高強(qiáng)度等級(jí)混凝土帶來便利，但含量過高導(dǎo)致水泥水化時(shí)放熱量加大，強(qiáng)度和溫度上升速度過快，混凝土產(chǎn)生假凝和收縮裂縫的可能性變大。

1.3 C3A 的含量

由于 C3A 的水化速度極快，所以對(duì)混凝土的初凝和終凝時(shí)間有極大的影響。含量高時(shí)，混凝土初凝終凝時(shí)間縮短，失水加快，更容易使混凝土產(chǎn)生收縮裂縫（特別是前三天產(chǎn)生的收縮裂縫）、出現(xiàn)假凝現(xiàn)象及使減水劑的適應(yīng)性變差。含量低時(shí)，混凝土初凝和終凝時(shí)間延長，容易產(chǎn)生泌水。我國水泥的 C3A 含量在 1%～10%。

1.4 C2S 的含量

C2S 水化速度最慢，所以，使用C2S 含量高的水泥，混凝土的 28d 強(qiáng)度較低，90d 強(qiáng)度增長較大。但由于它有延長水化反應(yīng)時(shí)期的作用，混凝土裂縫自愈合能力較大。根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)水泥中的 C2S 含量大于 25% 時(shí)，混凝土的自愈合能力明顯增大，耐久性變好。但過高的 C2S 含量，產(chǎn)生泌水的可能性增大。

1.5 C4AF 的含量

C4AF 水化速度較快，但由于其在水泥中含量較低，對(duì)混凝土的初終凝時(shí)間實(shí)際影響較小。但其收縮小，抗磨性能好，用于道路、機(jī)場跑道等需要抗磨的混凝土。C4AF 含量高時(shí)對(duì)提高抗折強(qiáng)度有利。

1.6 初凝和終凝時(shí)間

一般水泥的初凝和終凝時(shí)間越短，其 3d、7d 和 28d 強(qiáng)度越高，發(fā)生假凝和裂縫的可能性越大；過長的初凝和終凝時(shí)間，混凝土的前期強(qiáng)度會(huì)降低，發(fā)生泌水的可能性變大。

1.7 堿含量

堿含量過高會(huì)使混凝土收縮變大，干縮裂縫會(huì)更嚴(yán)重，可能會(huì)發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

1.8 游離的 CaO、MgO

游離的 CaO、MgO 含量過高會(huì)使水泥的安定性不合格，混凝土?xí)l(fā)生假凝現(xiàn)象。在安定性合格的前提下，較高的MgO 含量會(huì)使水泥和混凝土的顏色變深，可以提高道路、機(jī)場跑道等露天地面建筑、工程的外觀質(zhì)量。

1.9 不溶物

不溶物是指水泥中 SiO2的結(jié)晶體。做一個(gè)通俗的比喻，相當(dāng)于水泥中混入了砂子。在含量滿足規(guī)范要求時(shí)，不會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生危害。

2 現(xiàn)代水泥生產(chǎn)工藝對(duì)混凝土質(zhì)量的影響

現(xiàn)代水泥生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，對(duì)混凝土科學(xué)的影響是空前的。它為混凝土向高強(qiáng)、高性能方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但同時(shí)，給混凝土的各項(xiàng)性能特別是耐久性帶來的不利影響也是巨大的，甚至對(duì)舊的混凝土理論也提出了很大的挑戰(zhàn)。本節(jié)主要對(duì)此加以論述，以供在水泥生產(chǎn)和使用時(shí)注意和參考。

2.1 石膏

石膏作為水泥的調(diào)凝劑，在粉磨時(shí)使用。但質(zhì)量較差的石膏對(duì)水泥起不到調(diào)凝作用，容易使混凝土發(fā)生假凝和裂縫。

2.2 助磨劑

助磨劑在水泥粉磨時(shí)使用，以克服水泥顆粒之間的靜電，提高粉磨效率，降低成本。但作者在近幾年的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，助磨劑使混凝土的收縮增大、干縮加快，使外加劑的不適應(yīng)性增強(qiáng)，產(chǎn)生裂縫的可能性變大。

2.3 閉路磨和高效選粉機(jī)

這是近幾年新發(fā)展的生產(chǎn)工藝。由于過粗的水泥顆粒水化速度緩慢，特別是大于 60μm 以上的顆粒，對(duì)水泥的 28d強(qiáng)度幾乎沒有作用，水泥生產(chǎn)的技術(shù)人員簡單地認(rèn)為是一種材料的浪費(fèi)。現(xiàn)代水泥由開流磨改為閉路磨，并增加了高效選粉工藝，目的是將這些粗顆粒，特別是大于 60μm 的顆粒篩選出來，回到磨頭重新磨細(xì)，以增加 28d 強(qiáng)度。這樣，使水泥中 60μm 以上的顆粒含量極少。我國混凝土中細(xì)骨料的最小粒徑為 75μm，這就大致造成了混凝土 75～60μm 區(qū)段內(nèi)顆粒短缺，給密實(shí)性帶來不利影響，也使水泥自身的密實(shí)性降低。

事實(shí)上，水泥中暫時(shí)未能水化的粗顆粒，對(duì)混凝土的許多性能有重要的影響。它能降低混凝土的收縮，防止裂縫的發(fā)生，提高自愈合能力和耐久性等。所以，閉路磨和高效選粉機(jī)工藝對(duì)混凝土的工程質(zhì)量有較多負(fù)面影響。

2.4 過大的混合材摻量

增加混合材摻量，盡可能減少水泥中熟料含量，是水泥生產(chǎn)企業(yè)降低成本、增加利潤的主要手段。但過大的混合材摻量會(huì)使混凝土前期強(qiáng)度降低，收縮增大，干縮加快。

2.5 礦物成分含量的改變

水泥工業(yè)上百年來的技術(shù)進(jìn)步，提高 28d 強(qiáng)度的手段主要是提高細(xì)度和改變礦物成分含量。表 2 是以 P·O 42.5 型水泥為例，將 1980 年以前和 2010 年的細(xì)度和礦物成分和性能進(jìn)行對(duì)比。

表 2 1980年和2010年熟料礦物成分及性能對(duì)比表

由表 2 中可以看出：有利于水泥和混凝土 28d 強(qiáng)度的C3S 含量得到了充分的提高，強(qiáng)度增長緩慢的 C2S 含量被降低，特別是細(xì)度得到了大幅度提高，終凝時(shí)間也隨之縮短。

總之，特別是近十年來，隨著機(jī)械工業(yè)的進(jìn)步，水泥工業(yè)面貌改變很大。從產(chǎn)量上講，二十年前我國八大水泥廠，每個(gè)廠年產(chǎn)量也不過二三百萬噸，現(xiàn)在的水泥生產(chǎn)大廠，年產(chǎn)量大約在五百萬噸以上。我國第一大品牌海螺水泥，年產(chǎn)量已經(jīng)上億噸。從單窯日產(chǎn)量來說，十年前上千噸的窯已經(jīng)是大窯了，現(xiàn)在我國萬噸窯已經(jīng)在生產(chǎn)中使用了。水泥產(chǎn)量也由 1980 年的 1 億噸左右提高到 2007 年的 11 億噸。細(xì)度的提高改變了水泥工業(yè)的面貌，那么對(duì)混凝土是好事還是壞事？當(dāng)前學(xué)術(shù)界看法不一，作者的看法基本上是否定的，認(rèn)為現(xiàn)代水泥是現(xiàn)在一切工程質(zhì)量問題的主要原因。另外，它對(duì)混凝土科學(xué)技術(shù)、質(zhì)量和理論研究的影響是空前的，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）隨著水泥 28d 強(qiáng)度的大幅度提高，高強(qiáng)混凝土被大量應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。

大約 20 世紀(jì) 80 年代以前，C30 混凝土已經(jīng)是高強(qiáng)度了，一般用在工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。現(xiàn)在，C30 混凝土已經(jīng)很難配出來，房子的散水有時(shí)都是 C40 混凝土做的，C100 也被用在工程實(shí)體結(jié)構(gòu)中。隨著細(xì)度的不斷提高，水泥的強(qiáng)度檢驗(yàn)方法也在不斷地改變，我國 20 世紀(jì) 60 年代是硬練法，80 年代是軟練法，現(xiàn)在是 ISO 法。另外，隨著混凝土前期強(qiáng)度的不斷提高，各種工程的拆模時(shí)間縮短，工程進(jìn)度加快。

（2）使過去的許多混凝土配比公式、理論和經(jīng)驗(yàn)等出現(xiàn)了偏差，甚至失去了使用價(jià)值。

二十年前，水灰比越小，混凝土強(qiáng)度越高，質(zhì)量越好；現(xiàn)在，過小的水灰比是混凝土假凝和裂縫發(fā)生的一個(gè)主要因素。過去使用減水劑，可以減少裂縫的發(fā)生，現(xiàn)在卻恰恰相反，使用減水劑是產(chǎn)生裂縫的原因之一。過去認(rèn)為砂率越低，混凝土強(qiáng)度越高；在現(xiàn)代混凝土中，這個(gè)概念也已經(jīng)不能成立，等等。這些使現(xiàn)代混凝土工程實(shí)踐失去了理論支持，更使混凝土科學(xué)的理論研究出現(xiàn)了混亂。

（3）是混凝土耐久性變差的主要原因。

現(xiàn)代水泥是導(dǎo)致許多混凝土病害最重要最直接的原因。特別是水泥的“高細(xì)度、高含量（C3S）、高強(qiáng)度等級(jí)”，也就是所謂的“三高”水泥，尤其對(duì)混凝土裂縫的不利影響應(yīng)該說是越來越大了，有許多工程實(shí)例可以證明這一點(diǎn)。就作者所熟悉的機(jī)場跑道工程，在 20 世紀(jì) 50 至 70 年代修建的許多軍事和民用機(jī)場，道面混凝土至今保持完好，而 20 世紀(jì) 80年代后修建的混凝土道面三五年內(nèi)出現(xiàn)破壞的有很多；陜西省有一條渭惠水渠，是 20 世紀(jì) 30 年代由我國著名水利專家李儀祉主持修建的，至今 80 年過去了，許多橋涵設(shè)施大部分保持完好，而 20 世紀(jì) 80 年代后修建的一些水利工程，出現(xiàn)嚴(yán)重破壞的有很多；類似的例子還有不少。據(jù)作者所看到的一些資料，美國從 20 世紀(jì) 30 年代開始，把水泥中的 C3S 含量由 30% 提高到 50%，把細(xì)度由允許大于 75μm 顆粒含量為22%，改為基本為零。70 年后對(duì) 1930 年前后修建的橋梁進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn) 1930 年前修建的橋梁有 67% 基本保持完好，而1930 年后修建的橋梁只有 27% 基本保持完好，日本近幾年類似的例子更多。

然而在許多房建施工工地，比表面積高、終凝時(shí)間短、3d 強(qiáng)度高的水泥受到了廣泛歡迎。但對(duì)這種水泥引起的混凝土水化熱集中、收縮大、裂縫比較嚴(yán)重等問題，現(xiàn)場工程師卻束手無策。

3 正確的水泥生產(chǎn)科技發(fā)展方向在哪里？

出現(xiàn)以上問題的根源在于：水泥生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步過快，而混凝土技術(shù)的發(fā)展滯后于它。水泥是混凝土的核心原材料。從某種意義上說，水泥的優(yōu)劣決定了混凝土的優(yōu)劣。水泥生產(chǎn)技術(shù)的過快發(fā)展而混凝土技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，致使現(xiàn)代混凝土從理論到工程實(shí)踐，都出現(xiàn)了許多無法解決的混亂和問題?，F(xiàn)代水泥是混凝土強(qiáng)度、抗凍抗?jié)B、泌水和假凝、裂縫、干縮、徐變、碳化、耐久性等的最主要、最直接的影響因素。如果不懂得水泥，特別是現(xiàn)代水泥的性能，要解決工程實(shí)際中出現(xiàn)的質(zhì)量和技術(shù)問題，已經(jīng)變得十分困難。所以，全面掌握現(xiàn)代水泥在混凝土中的作用，應(yīng)該是現(xiàn)代混凝土科學(xué)的基礎(chǔ)任務(wù)。

我們不禁要問：雖然現(xiàn)代水泥提高了混凝土的強(qiáng)度，加快了工程進(jìn)度，但同時(shí)給混凝土的科學(xué)技術(shù)帶來了這么多難以解決的問題，為什么不采取和混凝土技術(shù)同步或者說協(xié)調(diào)發(fā)展的措施呢？水泥生產(chǎn)行業(yè)似乎忘記了自己生產(chǎn)的不是完整的產(chǎn)品，而只是水泥基材料的一種原材料而已，只管拼命地磨細(xì)，拼命地多加混合材以最大限度地提高其商業(yè)利益，對(duì)混凝土質(zhì)量和耐久性帶來的危害，似乎從來事不關(guān)己。這也是我國水泥生產(chǎn)和混凝土施工分屬兩個(gè)不同行業(yè)帶來的嚴(yán)重后果。

一百多年來，水泥生產(chǎn)技術(shù)一直按照如何提高細(xì)度和提高前期強(qiáng)度，特別是 28d 強(qiáng)度這個(gè)固定模式發(fā)展。不論是礦物成分含量還是細(xì)度，現(xiàn)代水泥生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)高峰，而這個(gè)高峰已經(jīng)不能再高了，這就是混凝土科學(xué)的一個(gè)基本規(guī)律，發(fā)展到極致就會(huì)適得其反。以細(xì)度為例：現(xiàn)在的水泥生產(chǎn)技術(shù)，可以把水泥磨到 400m2/kg、500m2/kg 甚至更高，那為什么不再磨得更細(xì)呢？一個(gè)最致命的問題是，當(dāng)細(xì)度達(dá)到 450m2/kg 以后，終凝時(shí)間極速縮短，假凝、裂縫很快出現(xiàn)，水泥的強(qiáng)度不是上升而是下降了。C3S 的問題也相同，65% 的含量也是接近極限了。這就是當(dāng)前世界水泥生產(chǎn)的實(shí)際情況。

總之，評(píng)價(jià)水泥質(zhì)量的好壞不應(yīng)在水泥自身，而在于它對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，特別是對(duì)混凝土的耐久性的影響，尤為重要。什么是優(yōu)質(zhì)水泥？由于混凝土的復(fù)雜性使這個(gè)看似簡單的問題要想正確地回答，難度也是相當(dāng)大的。

本節(jié)從以下幾個(gè)方面對(duì)優(yōu)質(zhì)水泥的含義做出界定：

（1）水泥顆粒應(yīng)該和混凝土中的細(xì)顆粒級(jí)配連續(xù)起來，以利混凝土的密實(shí)性。目前，混凝土中的細(xì)骨料最小顆粒粒徑為 75～80μm，水泥顆粒的最大粒徑也應(yīng)為這個(gè)范圍。

（2）水泥自身顆粒應(yīng)有合理的級(jí)配，以利自身的密實(shí)性。我國水泥標(biāo)準(zhǔn)中，顆粒范圍在 0～80μm，但為了提高早期和 28d 強(qiáng)度，水泥廠使用了閉路磨和高效選粉機(jī)等生產(chǎn)工藝以后，許多廠的水泥顆粒主要分布在 60μm 以下。這就人為地造成了窄顆粒分布，對(duì)密實(shí)性不利。

（3）有適當(dāng)?shù)募?xì)度、早期強(qiáng)度、較低的水化熱和收縮性，以利混凝土的耐久性。早期強(qiáng)度較高、水化熱較大和收縮較大的水泥都增大了混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性，對(duì)耐久性不利。

我國水泥專家喬齡山先生介紹水泥顆粒的最佳顆粒分布曲線——富勒（Fuller）曲線及調(diào)配水泥最佳堆積密度的理論和工藝，已在歐美一些發(fā)達(dá)國家日趨普及，在橋梁、隧道以及高性能混凝土和耐磨、耐腐蝕混凝土等工程中都有應(yīng)用，并取得了很好效果；清華大學(xué)閻培渝教授指出，為防止混凝土開裂，必須控制我國水泥出廠強(qiáng)度富余系數(shù)，降低水泥中 C3A 的含量，降低水泥細(xì)度等；也有人研究了水泥顆粒表面特性，研究了球形水泥顆粒對(duì)混凝土性能的良好影響等。這些研究對(duì)我國的水泥發(fā)展都起到了良好的指導(dǎo)作用。但混凝土問題是復(fù)雜的，單憑這些研究是不夠的。我們把混凝土技術(shù)看作是一個(gè)“大系統(tǒng)”，那么水泥就是最重要的“支系統(tǒng)”。春夏秋冬、晴天雨天，不同工程、甚至同一個(gè)工程的不同部位，對(duì)水泥這個(gè)“支系統(tǒng)”的要求是不一樣的。所以，提倡多品種、少批量，多生產(chǎn)針對(duì)某一個(gè)具體環(huán)境下具體工程的專用水泥，應(yīng)該作為水泥廠的發(fā)展方向。施工現(xiàn)場根據(jù)工程每個(gè)部位結(jié)構(gòu)的不同，施工時(shí)施工工藝和方法及環(huán)境氣候條件的不同，向水泥廠提出不同的要求。水泥廠根據(jù)這些要求，對(duì)水泥的主要成分 C3S、C2S、C3A、C4AF 及MgO、SO3和其細(xì)度，進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，生產(chǎn)出完全滿足現(xiàn)場要求，對(duì)混凝土的耐久性最有利的水泥。這可能是最好的。

4 結(jié)束語

總之，隨著機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代水泥工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的速度不斷被加快。它必然會(huì)大于混凝土技術(shù)進(jìn)步的速度，就會(huì)像一匹脫僵的野馬，拉著混凝土這個(gè)戰(zhàn)車，瘋狂地奔跑。而水泥工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步目前仍然以提高 3d 和 28d 強(qiáng)度為核心內(nèi)容，由此引起的混凝土收縮加大，裂縫越來越嚴(yán)重，耐久性也越來越差等嚴(yán)重的技術(shù)難題，這些難題就全部交給混凝土工作者來解決了?，F(xiàn)在，施工現(xiàn)場一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，要想解決混凝土一個(gè)很小的技術(shù)質(zhì)量問題，如果不懂水泥，已經(jīng)變得十分困難。如何讓水泥行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和混凝土技術(shù)的進(jìn)步協(xié)調(diào)起來，變?yōu)榭煽?，是我們這個(gè)時(shí)代要解決的最重要的問題。