浅议矿物和氧化物成分对水泥使用性能的影响

郭翔

摘要：在综合分析通用水泥中通料矿物组成及水泥中各类氧化物含量的基础上，提出了生产操作的原则做法并深出了相应的结论。

水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量石膏以及规定混合材经粉磨致细制成的水硬性胶凝材料。水泥中不同熟料矿物和化合物成分含量，影响着水泥生产操作和水泥制品的质量性能。了解和把握它们之间的关联性，选择适宜的水泥矿物成分和微量氧化物，可以扬长避短，使水泥性能更好地满足混凝土工程的质量特性，提高水泥混凝土质量长期耐久性要求。

1.通用水泥熟料的矿物成分

通用水泥熟料的矿物成分，主要指硅酸三钙（简称 C3S）、 硅酸二钙 （简称 C2S）、 鋁酸三钙（简称 C3A）、铁铝酸四钙 （简称 C4AF）。

1.1硅酸三钙

硅酸三钙是通用水泥熟料中最主要的矿物成分，在 C3S 晶体中常熔存少量的其它氧化物形成固熔体，通常称为A矿（阿里特）。C3S 在水泥水化时，水化发热量较大，水化速度较快，能迅速使水泥凝结、硬化，水泥早期和后期强度均较高。但在煅烧时，C3S 的形成需要较高温度和一定的时间。

当水泥熟料 C3S 含量较高时，水泥水化发热量大。对于大体积混凝土工程，混凝士内外部之间会产生大约50℃温差，容易造成混凝土膨胀开裂。对于钢筋混凝土工程，当水泥中 C3S 含量高，则水泥的 Ca（OH）2生成物含量多，碱度大，它能在钢筋表面形成钝化保护膜，保护混凝土钢筋不被 C1-、空气侵蚀，提高钢筋与混凝土握裹力，增加钢筋混凝土的耐久性。在一般混凝土工程中，水泥中 C3S 含量高，会加快水泥硬化，提高水泥强度。适应冬季低温施工的工程。

1.2硅酸二钙

硅酸二钙，又称B矿（贝利特）。其水泥水化速度较慢，水化产物后期具有较高强度，水化热量较低。C2S具有多晶转变的性能。在熟料生产操作时，如果熟料冷却较慢（在 675℃左右），它会由β型转为 γ型，晶体密度减小，体积增大，引起粉化。γ型是活性低的矿物，不具有水硬化。因此在熟料煅烧冷却环节，要关注熟料的急冷操作。

生产C2S含量高的熟料，对其主要原料石灰石品位质量要求不高，可以充分利用尾矿、低品位石灰石资源。而且熟料煅烧操作时，所需煅烧温度低，排放的 CO2含量低，对节能减排、资源综合利用意义重大。C2S含量高的水泥熟料，适应大体积混凝土工程。避免混凝土因水化热量高产生的膨胀裂缝。减少混凝土表面微裂缝，阻止其外部有害介质向内部渗透侵蚀混凝土。适宜于有害介质环境条件下的混凝土工程，如水工、涵洞、隧道、油、气固井工程。

由于C2S 相对 C3S 而言，其水化的 Ca（OH）2生成物较少，在含碳酸盐少的软水环境中，C2S 相比C3S 可减少生成物 Ca（OH）2的溶出。即C2S 具有抗淡水的侵蚀能力，适应在水介质环境条件下的工程。

1.3铝酸三钙

其特点是水化迅速，水化发热量大，早期强度发展快。由于凝结时间很快，故需添加石膏使其缓凝，满足混凝土质量和施工的要求。

水泥生产时 ，随着熟料中 C3A 含量增加，石膏掺量也应随之增加。要关注水泥粉磨温度，防止欠硫和石膏脱水导致水泥使用时出现瞬凝。C3A含量高的水泥，不适应大体积混凝土工程。水泥中 C3A 矿物水化速率快，水化发热量大，因混凝土内外温差大而致膨胀开裂。

水泥中的C3A，水化生成铝酸钙水化物，它容易与 SO42-、水介质二次反应，生成水化硫铝酸钙晶体物质，导致体积增大膨胀，易使混凝土出现膨胀裂缝。C3A 含量高的水泥，抵抗 SO42-介质-侵蚀差。不适应海洋工程，以及处于水和 SO42-介质环境下的隧道、涵洞等工程。它适应冬季低温施工需早期强度高的一般工程。C3A 对酸较为敏感，抗腐蚀性能差。

1.4铁铝酸四钙

又称 C 矿（才利特）。在水泥熟料煅烧操作时，C4AF 易熔，能够降低熟料液相形成的温度和粘度，可以降低熟料烧结时的能耗。C4AF水化速度快，但硬化慢，早期强度低，但后期强度高。抗冲耐磨性能好，特别适应道路工程。

2.水泥中氧合物

2.1碱质（R2O）

水泥中碱质（R2O），指碱性氧化物（Na2O、K2O）。水泥中碱含量是由原料带入，碱质会造成熟料工艺生产中碱循环，煅烧系统容易形成结皮堵塞，使熟料煅烧操作困难。一般控制水泥碱含量≤0.6%。含有微量可溶性碱性氧化物（Na2O、K2O）的水泥，它与混凝土中某些含有活性矿物的骨料在有水的条件下会发生化学反应，其反应较为缓慢，称为碱骨料反应。其化学反应有碱—硅酸、碱—碳酸等碱骨料反应。反应生成的凝胶体体积增大，会引起已经硬化的混凝土膨胀开裂破坏。因此，在有一定水泥碱质含量、活性骨料和水的条件存在时，会产生碱骨料反应，影响水泥混凝土长期耐久性能。

碱含量高的水泥与商品混凝土外加剂适应性差，其因是使水泥初期水化速度加快，会使新拌混凝土的流动性变差。当装饰材料使用含有碱含量高的水泥，装饰材料由于碱晶体析出，会使其表面泛白、起凸，严重影响装饰材料质量效果。

2.2游离氧化钙（f-CaO）、氧化镁（MgO）

水泥熟料含有少量游离氧化钙、氧化镁（方镁石）成分。游离氧化钙是熟料煅烧时间、温度等工艺操作失控形成的。水泥中掺入的高钙粉煤灰、钢渣等混合材都含有一定量游离氧化钙成分。氧化镁是水泥原料带入。一般矿渣带入氧化镁呈固熔体结构。控制水泥中氧化镁含量小于5.0%。

游离氧化钙（不同于石灰）和氧化镁它们一般在水泥浆凝固硬化之后，又开始与水发生反应，氧化镁（非固熔体）比游离氧化钙水化更慢。它们水化生成物 Ca（OH）2、Mg（OH）2体积增大，从而使硬化的水泥石内部形成局部膨胀，混凝土表面出现龟裂纹状，严重时表面起凸变形开裂。

水泥中含有适量的氧化镁，也能化害为利。基于水泥水化物具有一定收缩性特征，利用含有适量氧化镁水泥的微膨胀性能，可以补偿混凝土收缩。如在旧混凝土面上浇灌新混凝土，像南水北调丹江大坝加高工程，配制掺与适量的氧化镁生产延滞性微膨胀水泥（氧化镁含量在 4.5%左右）。控制好膨胀值或膨胀应力，较好地解决了新、旧混凝土结合界面的胶凝粘结效果。此外，利用适量氧化镁水泥的微膨胀性能，为使水泥混凝土密实，亦可采用一定量氧化镁的水泥用于防渗混凝土工程。

2.3 水泥中SO3、Al2O3

水泥中SO3主要是石膏带入。目前为了节能减排，资源综合利用，一些水泥厂将化工石膏，诸如烟气脱硫石膏、磷石膏、氟石膏等，代替天然石膏生产水泥。由于磷石膏、氟石膏中含有一定量超缓凝 PO43-、F-離子，可能会使水泥凝结时间延长（超缓凝），影响水泥早期强度，在生产操作要特别注意。

水泥中 SO3具有缓凝功能，调节水泥水化凝结时间，满足施工要求。水泥中的 SO3是一种硫酸盐激发剂，可以提高水泥早期强度。但水泥中 SO3含量偏高，会降低水泥 28d 强度。一般控制水泥中 SO3含量不得大于3.5%。当水泥磨制的较细或水泥中 C3A 含量高，以及夏季气温高时，为抑制水泥水化速度，应适量增加水泥中 SO3含量，即适当提高水泥中石膏掺量，满足施工要求。

水泥中 SO3含量低（欠硫化）或水泥生产操作粉磨温度高（107～170℃时，会使石膏脱水，石膏晶型转变），都会使水泥初凝时间加快，造成水泥水化急凝，不能满足施工要求。会使用商品混凝土流动性能变差。水泥中 SO3和 Al2O3含量高时，首先 Al2O3与水泥中 SiO2水化生成水化铝酸钙，而 SO3它会跟水化铝酸钙二次反应生成硫铝钙晶体。这种晶体含结晶水，晶体体积增大会引起混凝土膨胀开裂破坏。但水泥中适量 SO3和 Al2O3水化反应而引起的可控膨胀值（包括前述氧化镁），可以抑制混凝土收缩，达到补偿混凝土收缩目的。利用控制好水泥膨胀值，用于防渗抗渗、预应力混凝土工程。水泥中 SO3和 Al2O3高，不适宜海工和有硫酸盐介质的工程。

2.4C1-离子

水泥中C1-离子含量极低，有些水泥中C1-离子是使用助磨剂带入的。一般控制水泥中C1-离子含量小于0.06%。在钢筋混凝土中，水泥C1-离子与钢筋Fe离子形成腐蚀电池，生成铁锈（Fe（OH）3），导致钢筋混凝土强度下降。

3结论

（1）把握好水泥熟料的生料配料、化学成分含量和煅烧操作。让水泥满足特性混凝土的使用要求。

（2）对于大体积混凝土工程，应控制水泥C3A 、C3S 含量，防范放热量大，致混凝土膨胀开裂破坏。

（3）用于处于 SO42-、水介质环境条件下的混凝土工程，要控制好水泥中有膨胀因子的碱质、C3A、Al2O3和 SO3含量。以保证混凝土长期耐久性要求。

（4）利用水泥中膨胀因子的特性，适量控制SO3、Al2O3和氧化镁含量，采取限制膨胀量控制，可以增加混凝土密实度，补偿混凝土收缩。

（5）高C2S和低C3A、Al2O3、SO3、碱质含量的水泥，适用水工大坝、海洋、涵洞、隧道和油、气固井工程。