簡述水泥的組成、水化反應及化學腐蝕作用

賈海濤，侯帥，張立泉，張功輝，王輝，黃素哲

（中鐵檢驗認證中心鐵道建筑檢驗站，北京 100016）

簡述水泥的組成、水化反應及化學腐蝕作用

賈海濤，侯帥，張立泉，張功輝，王輝，黃素哲

（中鐵檢驗認證中心鐵道建筑檢驗站，北京 100016）

水泥顆粒與水接觸后，即開始水化反應。反應從顆粒的表面逐層進行，水化產物主要為：水化硅酸鈣凝膠、水化鐵酸鈣凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石?；瘜W腐蝕對水泥石的破壞原理，主要包括 4 種。侵蝕性介質就是隨著外界水分從孔道滲入水泥石中的，它們可與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應，從而對水泥石起到破壞作用。

礦物組成；水化反應；水泥石；化學腐蝕

0 前言

水泥是極其重要的建筑材料，在工程施工中得到廣泛應用。保證水泥的生產質量并合理使用，就為工程質量提供了有力的保障。本文簡要介紹了水泥的組成及其水化原理，并著重列舉了化學腐蝕對水泥結構物的破壞作用，希望對工程中水泥的合理使用、保障水泥結構使用壽命，起到促進作用。

1 水泥的組成

水泥主要由石灰質和粘土質原料按約 3：1 的比例混合燒制而成，原料磨細后的生料粉，入窯煅燒成為熟料，再加入適量石膏研磨，成為水泥，即“兩磨一燒”工序［1］。

1.1 礦物組成

制成的水泥是細度為 3～30μm 的粉體，主要由 4 種礦物組成，這些礦物分別由二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）、三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鈣（CaO）這 4 種化學成分構成。

表1 水泥的礦物組成

1.2 石膏

是為延緩水泥的凝結時間而加入的調凝劑，主要使用生石膏（CaSO4·2H2O），摻量一般為水泥質量的3%～5%，在水泥水化開始后 24 小時內耗盡。由于鋁酸三鈣的水化速度很快，大量放熱，會造成水泥的急速凝結（即閃凝），使水泥無法正常使用。石膏能迅速與水化鋁酸鈣（鋁酸三鈣的水化產物）反應，生成水化硫鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，即鈣礬石），其難溶于水，并沉積在水泥顆粒表面，從而放慢了鋁酸三鈣的水化速度，也就延緩了水泥的凝結。

1.3 混合材料

是為改善水泥性質，而在熟料磨細時加入的人工或天然礦物材料。其中，非活性混合材主要起填充作用，品種有石英砂、石灰石、粘土等；活性混合材可生成水化產物，對水泥起到增強、增密、耐腐蝕等作用，品種有礦渣、粉煤灰、火山灰等（由于這些材料的質量、細度都遜于混凝土摻合料，所以作用也較弱）。

活性混合材的主要成分是二氧化硅和三氧化二鋁，它們可與氫氧化鈣［Ca(OH)2］反應，生成具有水硬性的水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）和水化鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·6H2O）：

以上反應被稱為火山灰反應，因為這些反應都發(fā)生在水泥水化之后，也稱二次反應。另外，石膏可與新生成的水化鋁酸鈣反應，生成鈣礬石，其具有強度（反應發(fā)生在水泥硬化之前，所以對水泥的強度有益）?；钚曰旌喜谋旧聿痪哂心z凝性，只有在氫氧化鈣和石膏存在時，才會生成膠凝產物，并具有強度。因此，氫氧化鈣和石膏也叫做活性混合材的激發(fā)劑。

“專門用途的水泥，稱為專用水泥；某種性能比較突出的水泥，稱為特性水泥；建筑工程常用的水泥，稱為“通用水泥［2］”。GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》［3］中，就是根據使用混合材的種類、摻量不同，把通用水泥分為 6 個品種，可依據工程的不同特點選用。

1.4 有害物質

除 4 種主要礦物外，水泥中還含有少量有害物質，即能對水泥硬化產物（水泥石）、水泥結構物中的骨料、鋼材造成破壞的物質：游離氧化鈣（f-CaO）、游離氧化鎂（f-MgO）、三氧化硫（SO3）、堿（包含 K2O、Na2O，統(tǒng)一記為 R2O）及氯離子（Cl），國標及相關標準對有害物質的含量都有明確規(guī)定。

游離氧化鈣和游離氧化鎂在熟料煅燒過程中，結構變得極其致密，所以在水泥硬化后才會緩慢水化：CaO + H2O→Ca(OH)2、MgO + H2O→Mg(OH)2，水化時體積膨脹，不均勻的膨脹會引起水泥石開裂。石膏摻量過高，沒能在水泥硬化前耗盡，余下的三氧化硫繼續(xù)與水化鋁酸鈣反應，生成的鈣礬石體積膨脹很多，從而引起水泥石脹裂。以上都是水泥體積安定性不良的原因，即在水泥硬化后，內部產生不均勻膨脹而造成的水泥石開裂。安定性不良的水泥，不得使用。游離氧化鈣引起的安定性不良可用沸煮法檢驗，游離氧化鎂引起的可用壓蒸法檢驗，石膏引起的需長時間在溫水中浸泡才能發(fā)現。

堿含量超標，則可能與骨料發(fā)生堿-骨料反應。需要在濕度足夠時、骨料中又含有堿活性礦物，發(fā)生反應后的產物可吸水膨脹，導致水泥石與骨料的粘結破裂，最終結構物開裂。

氯離子，會腐蝕結構物中的鋼材，即鋼筋銹蝕。氧氣和水分充足時，銹蝕作用即會發(fā)生，鐵銹的體積要比原來增大很多，從而使鋼材與水泥石剝離，致使結構物破壞。

2 水化反應

水泥顆粒與水接觸后，即開始水化反應（溫度低于-10℃，反應終止）。反應從顆粒的表面逐層進行，水化產物主要為：水化硅酸鈣凝膠（在水化產物中占比 50% 以上）、水化鐵酸鈣凝膠（CaO·Fe2O3·H2O）、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和鈣礬石。反應式如下：

若石膏耗盡時，仍有未水化的鋁酸三鈣存在，則會和鈣礬石反應，生成單硫型水化硫鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)：

隨著水化產物的不斷增加，凝膠體互相搭接，游離水分不斷減少，水泥與水攪拌成的漿體逐漸凝結，進而硬化并產生強度，形成水泥石。其實，水泥水化是個漫長的過程，較大的顆粒很難完全水化。但水泥強度在初期發(fā)展較快，28d 內已完成大部分的增長，之后速度明顯放慢。

3 化學腐蝕

水泥結構物在使用過程中，會受到外界侵蝕性介質的腐蝕，從而降低使用年限甚至完全破壞。侵蝕過程往往是物理和化學作用交互發(fā)生，幾種腐蝕同時出現。在此，著重介紹化學腐蝕對水泥石的破壞原理，主要包括4種。硬化后的水泥石并不完全密實，還存在很多拌合水消耗后（水化和蒸發(fā)）留下的毛細孔道，以及攪拌進入空氣留下的氣孔。侵蝕性介質就是隨著外界水分從孔道滲入水泥石中的，它們可與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應，從而對水泥石起到破壞作用。

3.1 碳酸水腐蝕

雨水、泉水、地下水中含有一些二氧化碳（CO2），可與氫氧化鈣反應，生成碳酸鈣（CaCO3）：Ca(OH)2+ CO2+ H2O→CaCO3+ 2H2O。水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化產物只能在一定堿度下，才能穩(wěn)定存在。氫氧化鈣的耗失，使水泥石堿度下降，導致水化產物隨即分解溶蝕，水泥石破壞。在二氧化碳充足時，還可生成碳酸氫鈣［Ca(HCO3)2］：CaCO3+ CO2+ H2O→Ca(HCO3)2。碳酸氫鈣易溶于水，可導致水泥石破壞（與水泥結構物的碳化類似，碳化是專指在空氣中發(fā)生的反應）。

3.2 一般酸腐蝕

工業(yè)廢水、地下水、酸雨中常含有鹽酸（HCl）、硝酸（HNO3）、氫氟酸（HF）、醋酸（CH3COOH）等有機酸，這些酸類均可與氫氧化鈣反應，生成易溶物。如鹽酸與氫氧化鈣反應：2HCl + Ca(OH)2→CaCl + 2H2O，氯化鈣（CaCl）易溶于水，水泥石受到侵蝕。

3.3 鎂鹽腐蝕

海水和地下水中常含有氯化鎂（MgCl2）等鎂鹽，它們能與水泥石中的氫氧化鈣起置換反應，生成易溶的氯化鈣和略有膨脹性的氫氧化鎂［Mg(OH)2］：MgCl2+ Ca(OH)2→CaCl + Mg(OH)2，從而破壞水泥石結構。

3.4 硫酸鹽腐蝕

海水和鹽漬土中含有硫酸鹽，主要有硫酸鈣（CaSO4）、硫酸鎂（MgSO4）和硫酸鈉（Na2SO4），它們可與氫氧化鈣反應生成石膏，如：Na2SO4+ Ca(OH)2+ 2H2O→CaSO4·2H2O + 2NaOH。石膏本身具有膨脹性，且可與水化鋁酸鈣反應，生成膨脹性更大的鈣礬石，其體積可膨脹到原來的1.5倍，對水泥石具有嚴重破壞作用。因鈣礬石呈針狀結晶形態(tài)，故也被稱為“水泥桿菌”。海水中含有大量硫酸鹽和其它鹽類，但海水并不像單純硫酸鹽腐蝕嚴重，這是因為海水中含氯離子，石膏與鈣礬石在氯鹽溶液里的溶解度比在水中大，所以危害就小。另外，硫酸鹽還能直接與單硫型水化硫鋁酸鈣反應，生成鈣礬石［4］：

預防措施。為防止和減輕水泥石的腐蝕，主要有以下 3種措施：1 根據環(huán)境條件選用水泥品種，如在硫酸鹽腐蝕嚴重的地區(qū)，可選用鋁酸三鈣含量低于 5% 的抗硫酸鹽水泥。2提高水泥石結構的密實度，使侵蝕性介質難以滲入水泥石內部。3 在水泥結構物的外表面加覆蓋層，隔絕侵蝕性介質與水泥石的接觸。4 添加礦物摻合料，使用混凝土外加劑等。

4 結語

本文從水泥水化角度對水泥概況做了介紹，水泥生產消耗大量能源，并排出大量粉塵和二氧化碳。生產 1 噸水泥，大概要排出 1 噸二氧化碳，可見水泥生產對環(huán)境造成的巨大負擔。今后若干年，水泥仍是最主要的建筑材料，為了節(jié)能減排，工程技術人員應了解水泥的基本知識，使用過程中優(yōu)化混凝土配合比，盡可能減少水泥用量，提高水泥利用率；根據使用環(huán)境，選擇不同種類水泥，控制水泥中有害物含量，延長建筑物的使用壽命。

[1] 安文漢．鐵路工程試驗與檢測[M]．山西：山西科學技術出版社，2006．

[2] 祝根立，朱國民．混凝土外加劑實驗室檢驗員培訓講義[M]．北京：2006．

[3] GB175—2007．通用硅酸鹽水泥[S]．

[4] 袁潤章．膠凝材料學[M]．湖北：武漢理工大學出版社，2005．

［通訊地址］北京市朝陽區(qū)酒仙橋北路 1 號，鐵科院東郊分院（100016）

圖3 預拌現澆泡沫混凝土施工

5 結論

預拌現澆泡沫混凝土可真正實現泡沫混凝土配合比的設計及性能優(yōu)化，避免了泡沫混凝土勻質性差、易塌陷開裂等傳統(tǒng)現澆泡沫混凝土的缺陷，有效的保證了泡沫混凝土的施工質量。生產工藝上，預拌現澆泡沫混凝土采用攪拌站拌制凈漿，真正實現泡沫混凝土工業(yè)化、綠色化生產，是對傳統(tǒng)泡沫混凝土生產工藝的一大突破。

參考文獻

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[7] 楊奉源．泡沫混凝土性能的影響因素研究[D]．綿陽：西南科技大學，2012．

［作者簡介］盧佳林（1986-），男，碩士，工程師，主要從事預拌混凝土及混凝土制品的研究。

［單位地址］四川省成都市高新區(qū)益州大道中段 555 號星辰國際 1 棟 9 樓（610041）

賈海濤（1983-），男，漢族，籍貫北京，工作單位中鐵檢驗認證中心，本科，工程師。