混凝土核心原材料——水泥

杨文科

（中国民航机场建设集团公司，北京 100101）

1 水泥的各项性能指标对混凝土的影响

水泥中有四大主要矿物成分，它们是硅酸三钙（简写为C3S）、硅酸二钙（简写为C2S）、铝酸三钙（简写为C3A）和铁铝酸四钙（简写为C4AF）。它们遇水后发生水化反应，生成胶凝材料，将混凝土中的粗细集料胶结起来，形成人造石头——混凝土。所以，它们是混凝土各项性能产生的根源。

C3S的水化反应式为：

3CaO•SiO2+nH2O=2CaO•SiO2•(n-1)H2O+ Ca(OH)2C2S的水化反应式为：

2CaO•SiO2+nH2O=2CaO•SiO2•nH2O

C3A的水化反应式为：

3CaO•Al2O3+6H2O=3CaO•Al2O3•6H2O

C4AF的水化反应式为：

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

另外，它们发生水化反应时放出热量形成水化热。

以上四种水泥中的主要矿物成分，遇水后的水化速度各不相同，所以它们对混凝土的 3d、7d、28d 和 90d 的强度影响也就各不相同。按反应速度来分， C3A 最快，对混凝土的3d 和 7d 强度影响最大； C4AF 次之； C3S 第三，对 28d 强度影响最大； C2S 速度最慢，是混凝土后期强度增长的主要来源，如表 1 所示。

表 1 水泥熟料矿物成分含量和特性

影响水泥水化反应速度的因素主要有三个，除了矿物成分外，还有水泥的细度和环境温度。从上面几个水化反应公式可以看到，硅酸三钙在水化反应后不仅生成水化硅酸钙，同时生成了 Ca(OH)2，在混凝土中，Ca(OH)2为白色析出物，层状结构，对强度不利，但可以继续和酸性材料反应，生成水化硅酸钙，起到了增加混凝土强度的作用。反应式为：

Ca(OH)2+ SiO2+ H2O→CaO•SiO2•H2O

所以，我国水泥除 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继续水化反应，生成新的胶凝材料。所以，水泥规范中根据它们与Ca(OH)2反应程度的不同，将这些材料划分为活性混合材料和非活性混合材料。

另外，在硅酸三钙和硅酸二钙的水化反应式中，用了多少水，是个未定数，反应式中用“n”来代替，大家一定要特别注意这个“n”，混凝土中许多未定之因素，都与它有关。

水泥中还含有少量的 SO2、游离 CaO、MgO 和不溶物等，是水泥熟料生产过程中的伴生物质。

水泥中的各项技术性能指标对混凝土的影响如下。

1.1 水泥细度

细度是影响水泥水化速度的三大主要因素之一，特别是混凝土 28d 强度，细度越大，强度越高，反之则越低。所以，近二百年来水泥科技发展的历史，基本上可以说就是一部如何磨得更细的历史。我国在 1999 年水泥强度等级与试验方法和国际接轨后，进一步提高了水泥细度。以 42.5# 水泥为例：比表面积由过去的 300～350m2/kg 提高到 350～380m2/kg，个别厂甚至达到了 400m2/kg 以上。比表面积的增大，大幅度提高了水泥的 28d 强度，尤其是 3d 强度得到了很大的提高。水泥强度的提高，使混凝土强度也得到进一步提高，其强度的增长速度进一步加快。这给施工企业提前拆模，缩短工期都带来了便利条件，也给混凝土界配制更高强度等级的混凝土提供了便利。但同时也带来了不利因素，混凝土凝结速度的加快，使混凝土收缩速度加快，混凝土早期开裂的可能性提高，自愈合能力降低等。

1.2 C3S 的含量

自发明水泥以来，水泥中最有效的成分 C3S，由于是混凝土 28d 强度的主要影响因素，所以其含量一直呈上升趋势。以 42.5# 水泥为例，我国水泥目前的 C3S 含量已达52%～63%。C3S 含量的提高，同样对提前拆模、缩短工期、配制高强度等级混凝土带来便利，但含量过高导致水泥水化时放热量加大，强度和温度上升速度过快，混凝土产生假凝和收缩裂缝的可能性变大。

1.3 C3A 的含量

由于 C3A 的水化速度极快，所以对混凝土的初凝和终凝时间有极大的影响。含量高时，混凝土初凝终凝时间缩短，失水加快，更容易使混凝土产生收缩裂缝（特别是前三天产生的收缩裂缝）、出现假凝现象及使减水剂的适应性变差。含量低时，混凝土初凝和终凝时间延长，容易产生泌水。我国水泥的 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 强度较低，90d 强度增长较大。但由于它有延长水化反应时期的作用，混凝土裂缝自愈合能力较大。根据作者的经验，当水泥中的 C2S 含量大于 25% 时，混凝土的自愈合能力明显增大，耐久性变好。但过高的 C2S 含量，产生泌水的可能性增大。

1.5 C4AF 的含量

C4AF 水化速度较快，但由于其在水泥中含量较低，对混凝土的初终凝时间实际影响较小。但其收缩小，抗磨性能好，用于道路、机场跑道等需要抗磨的混凝土。C4AF 含量高时对提高抗折强度有利。

1.6 初凝和终凝时间

一般水泥的初凝和终凝时间越短，其 3d、7d 和 28d 强度越高，发生假凝和裂缝的可能性越大；过长的初凝和终凝时间，混凝土的前期强度会降低，发生泌水的可能性变大。

1.7 碱含量

碱含量过高会使混凝土收缩变大，干缩裂缝会更严重，可能会发生碱骨料反应。

1.8 游离的 CaO、MgO

游离的 CaO、MgO 含量过高会使水泥的安定性不合格，混凝土会发生假凝现象。在安定性合格的前提下，较高的MgO 含量会使水泥和混凝土的颜色变深，可以提高道路、机场跑道等露天地面建筑、工程的外观质量。

1.9 不溶物

不溶物是指水泥中 SiO2的结晶体。做一个通俗的比喻，相当于水泥中混入了砂子。在含量满足规范要求时，不会对混凝土的性能产生危害。

2 现代水泥生产工艺对混凝土质量的影响

现代水泥生产工艺的不断进步，对混凝土科学的影响是空前的。它为混凝土向高强、高性能方向发展奠定了基础，但同时，给混凝土的各项性能特别是耐久性带来的不利影响也是巨大的，甚至对旧的混凝土理论也提出了很大的挑战。本节主要对此加以论述，以供在水泥生产和使用时注意和参考。

2.1 石膏

石膏作为水泥的调凝剂，在粉磨时使用。但质量较差的石膏对水泥起不到调凝作用，容易使混凝土发生假凝和裂缝。

2.2 助磨剂

助磨剂在水泥粉磨时使用，以克服水泥颗粒之间的静电，提高粉磨效率，降低成本。但作者在近几年的工程实践中发现，助磨剂使混凝土的收缩增大、干缩加快，使外加剂的不适应性增强，产生裂缝的可能性变大。

2.3 闭路磨和高效选粉机

这是近几年新发展的生产工艺。由于过粗的水泥颗粒水化速度缓慢，特别是大于 60μm 以上的颗粒，对水泥的 28d强度几乎没有作用，水泥生产的技术人员简单地认为是一种材料的浪费。现代水泥由开流磨改为闭路磨，并增加了高效选粉工艺，目的是将这些粗颗粒，特别是大于 60μm 的颗粒筛选出来，回到磨头重新磨细，以增加 28d 强度。这样，使水泥中 60μm 以上的颗粒含量极少。我国混凝土中细骨料的最小粒径为 75μm，这就大致造成了混凝土 75～60μm 区段内颗粒短缺，给密实性带来不利影响，也使水泥自身的密实性降低。

事实上，水泥中暂时未能水化的粗颗粒，对混凝土的许多性能有重要的影响。它能降低混凝土的收缩，防止裂缝的发生，提高自愈合能力和耐久性等。所以，闭路磨和高效选粉机工艺对混凝土的工程质量有较多负面影响。

2.4 过大的混合材掺量

增加混合材掺量，尽可能减少水泥中熟料含量，是水泥生产企业降低成本、增加利润的主要手段。但过大的混合材掺量会使混凝土前期强度降低，收缩增大，干缩加快。

2.5 矿物成分含量的改变

水泥工业上百年来的技术进步，提高 28d 强度的手段主要是提高细度和改变矿物成分含量。表 2 是以 P·O 42.5 型水泥为例，将 1980 年以前和 2010 年的细度和矿物成分和性能进行对比。

表 2 1980年和2010年熟料矿物成分及性能对比表

由表 2 中可以看出：有利于水泥和混凝土 28d 强度的C3S 含量得到了充分的提高，强度增长缓慢的 C2S 含量被降低，特别是细度得到了大幅度提高，终凝时间也随之缩短。

总之，特别是近十年来，随着机械工业的进步，水泥工业面貌改变很大。从产量上讲，二十年前我国八大水泥厂，每个厂年产量也不过二三百万吨，现在的水泥生产大厂，年产量大约在五百万吨以上。我国第一大品牌海螺水泥，年产量已经上亿吨。从单窑日产量来说，十年前上千吨的窑已经是大窑了，现在我国万吨窑已经在生产中使用了。水泥产量也由 1980 年的 1 亿吨左右提高到 2007 年的 11 亿吨。细度的提高改变了水泥工业的面貌，那么对混凝土是好事还是坏事？当前学术界看法不一，作者的看法基本上是否定的，认为现代水泥是现在一切工程质量问题的主要原因。另外，它对混凝土科学技术、质量和理论研究的影响是空前的，主要表现在以下三个方面：

（1）随着水泥 28d 强度的大幅度提高，高强混凝土被大量应用到工程实际当中。

大约 20 世纪 80 年代以前，C30 混凝土已经是高强度了，一般用在工程结构的关键部位。现在，C30 混凝土已经很难配出来，房子的散水有时都是 C40 混凝土做的，C100 也被用在工程实体结构中。随着细度的不断提高，水泥的强度检验方法也在不断地改变，我国 20 世纪 60 年代是硬练法，80 年代是软练法，现在是 ISO 法。另外，随着混凝土前期强度的不断提高，各种工程的拆模时间缩短，工程进度加快。

（2）使过去的许多混凝土配比公式、理论和经验等出现了偏差，甚至失去了使用价值。

二十年前，水灰比越小，混凝土强度越高，质量越好；现在，过小的水灰比是混凝土假凝和裂缝发生的一个主要因素。过去使用减水剂，可以减少裂缝的发生，现在却恰恰相反，使用减水剂是产生裂缝的原因之一。过去认为砂率越低，混凝土强度越高；在现代混凝土中，这个概念也已经不能成立，等等。这些使现代混凝土工程实践失去了理论支持，更使混凝土科学的理论研究出现了混乱。

（3）是混凝土耐久性变差的主要原因。

现代水泥是导致许多混凝土病害最重要最直接的原因。特别是水泥的“高细度、高含量（C3S）、高强度等级”，也就是所谓的“三高”水泥，尤其对混凝土裂缝的不利影响应该说是越来越大了，有许多工程实例可以证明这一点。就作者所熟悉的机场跑道工程，在 20 世纪 50 至 70 年代修建的许多军事和民用机场，道面混凝土至今保持完好，而 20 世纪 80年代后修建的混凝土道面三五年内出现破坏的有很多；陕西省有一条渭惠水渠，是 20 世纪 30 年代由我国著名水利专家李仪祉主持修建的，至今 80 年过去了，许多桥涵设施大部分保持完好，而 20 世纪 80 年代后修建的一些水利工程，出现严重破坏的有很多；类似的例子还有不少。据作者所看到的一些资料，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 75μm 颗粒含量为22%，改为基本为零。70 年后对 1930 年前后修建的桥梁进行调查，发现 1930 年前修建的桥梁有 67% 基本保持完好，而1930 年后修建的桥梁只有 27% 基本保持完好，日本近几年类似的例子更多。

然而在许多房建施工工地，比表面积高、终凝时间短、3d 强度高的水泥受到了广泛欢迎。但对这种水泥引起的混凝土水化热集中、收缩大、裂缝比较严重等问题，现场工程师却束手无策。

3 正确的水泥生产科技发展方向在哪里？

出现以上问题的根源在于：水泥生产技术进步过快，而混凝土技术的发展滞后于它。水泥是混凝土的核心原材料。从某种意义上说，水泥的优劣决定了混凝土的优劣。水泥生产技术的过快发展而混凝土技术的发展相对滞后，致使现代混凝土从理论到工程实践，都出现了许多无法解决的混乱和问题。现代水泥是混凝土强度、抗冻抗渗、泌水和假凝、裂缝、干缩、徐变、碳化、耐久性等的最主要、最直接的影响因素。如果不懂得水泥，特别是现代水泥的性能，要解决工程实际中出现的质量和技术问题，已经变得十分困难。所以，全面掌握现代水泥在混凝土中的作用，应该是现代混凝土科学的基础任务。

我们不禁要问：虽然现代水泥提高了混凝土的强度，加快了工程进度，但同时给混凝土的科学技术带来了这么多难以解决的问题，为什么不采取和混凝土技术同步或者说协调发展的措施呢？水泥生产行业似乎忘记了自己生产的不是完整的产品，而只是水泥基材料的一种原材料而已，只管拼命地磨细，拼命地多加混合材以最大限度地提高其商业利益，对混凝土质量和耐久性带来的危害，似乎从来事不关己。这也是我国水泥生产和混凝土施工分属两个不同行业带来的严重后果。

一百多年来，水泥生产技术一直按照如何提高细度和提高前期强度，特别是 28d 强度这个固定模式发展。不论是矿物成分含量还是细度，现代水泥生产已经达到了一个高峰，而这个高峰已经不能再高了，这就是混凝土科学的一个基本规律，发展到极致就会适得其反。以细度为例：现在的水泥生产技术，可以把水泥磨到 400m2/kg、500m2/kg 甚至更高，那为什么不再磨得更细呢？一个最致命的问题是，当细度达到 450m2/kg 以后，终凝时间极速缩短，假凝、裂缝很快出现，水泥的强度不是上升而是下降了。C3S 的问题也相同，65% 的含量也是接近极限了。这就是当前世界水泥生产的实际情况。

总之，评价水泥质量的好坏不应在水泥自身，而在于它对混凝土各项性能的影响，特别是对混凝土的耐久性的影响，尤为重要。什么是优质水泥？由于混凝土的复杂性使这个看似简单的问题要想正确地回答，难度也是相当大的。

本节从以下几个方面对优质水泥的含义做出界定：

（1）水泥颗粒应该和混凝土中的细颗粒级配连续起来，以利混凝土的密实性。目前，混凝土中的细骨料最小颗粒粒径为 75～80μm，水泥颗粒的最大粒径也应为这个范围。

（2）水泥自身颗粒应有合理的级配，以利自身的密实性。我国水泥标准中，颗粒范围在 0～80μm，但为了提高早期和 28d 强度，水泥厂使用了闭路磨和高效选粉机等生产工艺以后，许多厂的水泥颗粒主要分布在 60μm 以下。这就人为地造成了窄颗粒分布，对密实性不利。

（3）有适当的细度、早期强度、较低的水化热和收缩性，以利混凝土的耐久性。早期强度较高、水化热较大和收缩较大的水泥都增大了混凝土产生裂缝的可能性，对耐久性不利。

我国水泥专家乔龄山先生介绍水泥颗粒的最佳颗粒分布曲线——富勒（Fuller）曲线及调配水泥最佳堆积密度的理论和工艺，已在欧美一些发达国家日趋普及，在桥梁、隧道以及高性能混凝土和耐磨、耐腐蚀混凝土等工程中都有应用，并取得了很好效果；清华大学阎培渝教授指出，为防止混凝土开裂，必须控制我国水泥出厂强度富余系数，降低水泥中 C3A 的含量，降低水泥细度等；也有人研究了水泥颗粒表面特性，研究了球形水泥颗粒对混凝土性能的良好影响等。这些研究对我国的水泥发展都起到了良好的指导作用。但混凝土问题是复杂的，单凭这些研究是不够的。我们把混凝土技术看作是一个“大系统”，那么水泥就是最重要的“支系统”。春夏秋冬、晴天雨天，不同工程、甚至同一个工程的不同部位，对水泥这个“支系统”的要求是不一样的。所以，提倡多品种、少批量，多生产针对某一个具体环境下具体工程的专用水泥，应该作为水泥厂的发展方向。施工现场根据工程每个部位结构的不同，施工时施工工艺和方法及环境气候条件的不同，向水泥厂提出不同的要求。水泥厂根据这些要求，对水泥的主要成分 C3S、C2S、C3A、C4AF 及MgO、SO3和其细度，进行自由调节，生产出完全满足现场要求，对混凝土的耐久性最有利的水泥。这可能是最好的。

4 结束语

总之，随着机械工业的快速发展，现代水泥工业技术进步的速度不断被加快。它必然会大于混凝土技术进步的速度，就会像一匹脱僵的野马，拉着混凝土这个战车，疯狂地奔跑。而水泥工业的技术进步目前仍然以提高 3d 和 28d 强度为核心内容，由此引起的混凝土收缩加大，裂缝越来越严重，耐久性也越来越差等严重的技术难题，这些难题就全部交给混凝土工作者来解决了。现在，施工现场一个经验丰富的工程师，要想解决混凝土一个很小的技术质量问题，如果不懂水泥，已经变得十分困难。如何让水泥行业的技术进步和混凝土技术的进步协调起来，变为可控，是我们这个时代要解决的最重要的问题。