水泥與水泥混凝土研究

武晉鋒

(晉城市新奇建設監(jiān)理有限公司，山西晉城 048000)

1 水泥的定義與分類

水泥是一種水硬性的膠凝材料。定義為加水拌和成塑膠性漿體，能膠結(jié)砂、石等適當材料并能在空氣中硬化的粉狀水硬性膠凝材料。我國標準按水泥的用途和性能分為三類，即通用水泥、特種水泥和專用水泥。一般的土木建筑工程都用通用水泥，目前通用水泥的品種有硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥、石灰石硅酸鹽水泥等。其中普通硅酸鹽水泥、石灰石硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥是我國水泥市場上的主導產(chǎn)品。

2 水泥的構(gòu)成和水化過程

水泥是經(jīng)過原材料按一定的比例磨細成為生料，生料在水泥窯內(nèi)煅燒成為以硅酸鈣為主的水泥熟料，熟料添加一定的石膏和規(guī)定摻量的混合料共同磨細成為水泥。水泥品種是根據(jù)混合料品種、摻量的不同進行劃分的。各種水泥的水化和性能的差異主要是由混合料性質(zhì)的差異及摻量多少決定的。

硅酸鹽水泥的主要成分為氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁和三氧化二鐵，次要成分為氧化鎂、二氧化鈦、堿和硫酸根等。一般情況下4種主要成分的含量在95%以上。

硅酸鹽水泥水化是一個復雜的物理、化學和物理化學變化過程。水泥的水化、凝結(jié)再到硬化的機理一般分為4個過程:

1)起始期。水泥加水后立即反應，生成鈣礬石，伴隨著放熱，稱為起始期。這個階段很短，在4 min～5 min。

2)誘導期。繼起始期后，即進入遲緩的階段，一般要持續(xù)40 min～2 h，稱為誘導期，在此期內(nèi)，由于生成的水化產(chǎn)物聚集在水泥顆粒的表面，形成了一層薄膜，把水與水化的顆粒隔開，于是反應緩慢。由于生成的膠體狀水化物在某些點接觸，逐漸構(gòu)成疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使?jié){體失去流動性和部分塑性，水泥進入初凝階段。

3)加速期。隨著時間的增長，反應又加速，出現(xiàn)第二個放熱峰，大量生成膠凝和Ca(OH)2，還繼續(xù)生成鈣礬石，這個階段稱為加速期。反應之所以加快，是因為顆粒表面的薄膜破裂，水泥與水迅速接觸而起反應，生成的水化物相互連接而且還不斷地增大化學鍵力，到一定的程度，漿體完全失去可塑性，建立起充滿顆粒間隙的緊密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水泥漿具有一定的抵抗外力強度，這時達到終凝。

4)擴散控制期。水化物不斷增加，使水泥顆粒表面包裹的厚度與致密度不斷增加，反應速率逐漸緩慢，進入擴散控制期，水泥漿體趨于硬化。

3 常用水泥的主要特點及用途

3.1 硅酸鹽水泥

1)凝結(jié)時間較短，水化時放熱集中;

2)強度高，一般都在52.5 MPa以上;

3)快硬、早強，一般3 d可達到28 d強度的50%～57%，7 d強度可達到73%～78%;

4)抗凍性好、耐磨能力強;

5)水化熱較大;

6)對外加劑的作用比較敏感。

可廣泛應用于各種工業(yè)與民用建筑工程，特別適宜配制高強混凝土、大型鋼筋混凝土、預應力混凝土、低溫下施工混凝土。不適用于大體積混凝土和地下有環(huán)境水侵蝕的工程，受熱在250℃以上的耐熱工程不宜使用。

3.2 普通硅酸鹽水泥

普通硅酸鹽水泥是由純熟料和少量的混合料組成的。由于熟料在水泥中占的比例很大，起著主導作用，混合料起輔助作用，非活性混合料則起著微集料作用。因此，普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥的特點基本上相近。不同之處是早期強度增進率低一些。

3.3 礦渣硅酸鹽水泥

1)礦渣水泥需水性較小，保水性差，泌水量稍大;

2)礦渣水泥水化硬化速率慢，凝結(jié)時間較長;

3)水化熱低;

4)早期強度低、后期強度增長快;

5)蒸汽養(yǎng)護效果非常好;

6)耐腐蝕性能好。

礦渣水泥適用于大體積混凝土和地下工程，不適用于快速施工。

3.4 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥

1)需水量大，這是火山灰水泥的一個突出弱點;2)保水性好，用火山灰水泥配制的砂漿和混凝土具有優(yōu)良的和易性;3)干縮性大，這是火山灰水泥的又一大弱點;4)水化熱低;5)耐腐蝕性好;6)早期強度低，后期增長率大?；鹕交宜噙m宜于地下工程、長期潮濕的環(huán)境、有腐蝕性環(huán)境的工程，不宜使用于干燥的環(huán)境，在低溫下使用時應特別注意保濕措施。

3.5 粉煤灰硅酸鹽水泥

1)需水量小、和易性好是粉煤灰水泥的明顯優(yōu)點;2)干縮性小;3)水化熱低;4)耐腐蝕性好;5)早期強度低、后期強度增進率大。粉煤灰泥適用于大體積混凝土、地下工程、有腐蝕介質(zhì)的工程，不適用于低溫施工的混凝土工程。

4 普通水泥混凝土拌和物的技術(shù)性質(zhì)

4.1 和易性

和易性是一項綜合技術(shù)性質(zhì)，包括流動性、粘聚性和保水性。

在工地通常用坍落度測定混凝土的流動性，在測坍落度的同時應觀察拌和物的粘聚性、保水性情況，以便全面評定拌和物的和易性。對于干硬性混凝土(坍落度值小于10 mm)通常采用維勃稠度儀測定。

影響和易性的主要因素，水泥漿液含量、水泥漿的稠度、砂率、水泥品種、集料的性質(zhì)、減水劑、時間和溫度。

4.2 混凝土的強度

強度是混凝土硬化后的主要力學性能，混凝土強度有:立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、剪切強度、粘結(jié)強度等。

抗壓強度是制作混凝土的立方體試件，在標準條件下養(yǎng)護28 d測得混凝土的抗壓強度;棱柱體抗壓強度是測定軸心抗壓強度的，通常是采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體作為標準試件來進行測定;軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值關系約是0.70～0.80(立方體抗壓強度在10 MPa～55 MPa范圍內(nèi))。

混凝土的抗拉強度很低，只有抗壓強度的1/20～1/10，抗拉強度隨著混凝土強度等級的提高而降低，所以在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計中，不考慮混凝土承受的拉應力。我國目前采用邊長150 mm的立方體標準試件，用劈裂法來測定混凝土的抗拉強度，抗拉強度與立方體抗壓強度的關系是 f抗拉=0.35(f抗壓)3/4。

4.3 影響混凝土強度的因素

1)水泥強度和水灰比。

水泥強度和水灰比是影響混凝土強度的主要因素，也是決定性因素。理論上，水泥水化時用水只占水泥質(zhì)量的23%左右，但在實際施工中，為了保證混凝土的流動性要多加一些水(占水泥質(zhì)量的40% ～80%)，而多余的水分蒸發(fā)后就留下孔隙，大大地減小混凝土實際的受力面積，從而影響了混凝土的強度。

2)集料的影響。

集料本身的強度對混凝土強度有著至關重要的作用;集料的有害雜質(zhì)含量、碎石表面粗糙程度、以及集料的級配等對混凝土強度都有一定的影響。

3)養(yǎng)護溫度和濕度。

溫度的高低決定水泥水化速率的快慢。在一定程度范圍內(nèi)，養(yǎng)護溫度高，水泥早期水化速率快，混凝土早期強度就高。反之，養(yǎng)護溫度低，水化物產(chǎn)生的速率低，要達到最終強度的時間要長一些。在低于冰點以下時水泥的水化停止，強度不再增加。濕度適當，水泥水化便能正常進行，混凝土強度能達到充分發(fā)展。如果濕度不夠，混凝土就會失水干燥而影響水泥正常水化，甚至停止水化。

4)混凝土齡期的影響。

混凝土在正常養(yǎng)護條件下，其強度將隨齡期的增加而增長。最初7 d～14 d內(nèi)，強度增長較快，以后逐漸緩慢，28 d后更慢。

5 結(jié)語

隨著我國水泥工業(yè)的技術(shù)進步和現(xiàn)代化建筑工程需求的變化，水泥物理化學性能也趨于高性能化和多元化，水泥混凝土也在隨著工程中的需求發(fā)生著變化。我們在工作中要不斷的學習水泥的技術(shù)特點，掌握其內(nèi)在性質(zhì)，使其更適用于我們的工程施工，為社會的建設做出應有的貢獻。

［1］中國建筑材料科學研究院水泥所.水泥性能及其檢驗［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，1994.

［2］周鴻錦.2009年水泥工業(yè)統(tǒng)計分析報告［J］.中國水泥，2010，3(11)：110-115.

［3］李明預，丁衛(wèi)東.水泥企業(yè)化驗室工作手冊［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2002.

［4］顏碧蘭，江麗珍，肖忠明，等.水泥性能及其檢驗［M］.北京：北京工業(yè)出版社，2010.