普通硅酸盐水泥与混凝土性能关系的探讨

张雷

四川广元西南商品混凝土有限公司 四川广元 628001

普通硅酸盐水泥的主要品质指标有：烧失量、三氧化硫、细度、凝结时间、安定性、标准稠度用水量、强度，此外还包括碱含量、水化热等指标。混凝土性能包括拌合物工作性能（主要有坍落度、凝结时间和流动、黏聚、保水、泌水性能等）、力学性能（主要指混凝土强度）、长期性能和耐久性能（主要指抗冻、抗渗、抗收缩、早期抗裂、受压徐变、抗碳化、抗压疲劳、碱-骨料反映等）。

1 水泥烧失量对混凝土的影响

国标GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》中对普通水泥烧失量控制在5%以内，水泥烧失量对混凝土的用水量、密实度以及外加剂的掺量影响很大，水泥烧失量大，对混凝土的流变性、强度和混凝土变形都有不利的影响，原因主要是烧失量大的水泥需水量大[1]。

2 水泥三氧化硫对混凝土的影响

三氧化硫主要是从石膏中带入的，石膏在水泥中主要起缓凝作用，适量的石膏会调节适中的水泥凝结时间。若凝结时间正常，则影响不大；若因为三氧化硫过低，导致水泥的凝结时间不达标，则混凝土的凝结时间也会变短，甚至在搅拌、运输过程中混凝土就会凝固，当混凝土中使用外加剂时，过低的三氧化硫可能会导致适应性不太好；若三氧化硫含量过高超过国家标准规定，会严重影响水泥及水泥制品的安定性，造成配置的混凝土产生膨胀、开裂等不良后果。

3 水泥细度对混凝土性能的影响

水泥细度主要影响混凝土的强度和长期性能，此外还对混凝土与外加剂的适应性产生影响。

3.1 水泥细度对强度的影响

水泥磨得越细，水泥在混凝土中的水化速度就越快。增加水泥细度，能提高混凝土的早期强度，但粒径过小的水泥颗粒，对后期强度几乎无贡献，某些混凝土强度倒缩，虽然其他原因是主要的，但水泥过细也是原因之一。当然，水泥比表面积过小，粗颗粒过多，水化速度慢，凝结时间长，导致早期强度不足，影响施工进度。

水泥磨得越细，水泥标准用水量越大，在水泥配制混凝土要达到相同坍落度时，混凝土用水量增加，从而使水胶比增大，降低混凝土强度。

3.2 水泥细度对混凝土长期性能的影响

过细水泥，早期水化快、水化热大、混凝土内外温差大，增加了混凝土温度裂纹的风险。水化快的细颗粒水泥，消耗混凝土内部的水分较快，引起混凝土的干燥收缩，增加了混凝土收缩裂纹产生的几率。

水泥粗颗粒少，水泥在混凝土水化时，减少了稳定体积的未水化颗粒，影响混凝土的长期性能。但粗颗粒过多的水泥，在拌制混凝土时与水包裹的面积小，易产生游离水，造成混凝土拌合物较严重的泌水，泌水严重的混凝土，表层酥软，这是由于表层水泥浆内含水过大，水分蒸发后微孔过多所致，这即是常说的混凝土“脱皮起砂”现象。

4 水泥凝结时间对混凝土的影响

水泥的凝结时间与混凝土的凝结时间有相关性，凝结时间主要是对混凝土的施工性能和耐久性能的影响。

4.1 水泥凝结时间对混凝土工作性能的影响

一般而言，混凝土中骨料含量越高、水胶比越大、缓凝剂用量越多，则混凝土凝结时间越长。水泥凝结时间波动1小时，其配制的混凝土的凝结时间波动一般要大于1小时。

我们曾经用广元高力水泥有限公司的2批不同凝结时间的水泥，按相同材料、相同配合比（一种掺CKL-3高效减水剂，另一种未掺外加剂），在相同的温度、湿度条件下，测定其凝结时间变化差异。通过试配试验不难看出，两批水泥的初凝时间、终凝时间差在1.0小时左右，但配制的混凝土，未掺外加剂的，初凝时间差约为1.5小时，终凝时间差接近2小时；掺CKL-3高效减水剂后，混凝土的初凝时间差超过2.5小时，终凝时间差超过3小时。这即是说，水泥配制成混凝土后，水泥的凝结时间波动“放大”了2-3倍左右。如果水泥的凝结时间波动过大，使混凝土，特别是掺缓凝剂的商品混凝土的凝结时间波动过大，凝结时间过长，一方面影响施工进度，另一方面引起混凝土产生裂纹的可能性大大增加，这必然导致施工单位的不满。

4.2 水泥凝结时间对混凝土长期耐久性能的影响

水泥凝结时间波动大，会造成混凝土水化、硬化时间不一致，从而导致混凝土凝结和收缩不一致，增加混凝土的微观缺陷，增加混凝土内部裂纹的可能性。同时，水泥凝结时间过长，会导致混凝土的凝结时间更长，凝结时间越长的混凝土，越易引起沉降裂纹。商品混凝土由于坍落度大，凝结时间越长，骨料在砂浆中的分布越不均匀，密度大的下沉，与此同时，水泥中的轻物质上浮，致使混凝土的强度及其发展在构件的上下部位不一致，既影响混凝土构件的受力，还会引起混凝土体积的收缩、徐变不一致[2]。

5 水泥安定性和碱含量对混凝土的影响

（1）安定性不合格的水泥是废品，绝对不能用于混凝土工程，这是国家标准强制规定的。安定性不合格的水泥用于混凝土中，在数月到数年内，会导致混凝土体积严重不稳定、开裂，严重时崩溃。

（2）影响水泥安定性的MgO、SO3，国家标准有严格规定，而游离CaO是水泥安定性不良的主要因素，国家标准却没有规定，这是因为游离CaO所产生的危害还与水泥的细度有关，水泥越细，游离CaO水化速度越快，游离CaO的危害越小。因此，商混企业在使用水泥前，必须对水泥的安定性进行检测。

（3）水泥中的碱含量（Na2O+0.658K2O计）也是影响混凝土体积不稳定的重要原因，这主要是碱集料反应的原因。虽然碱集料反应有一定条件，但商混企业在使用水泥时应根据混凝土结构所处的环境和骨料的情况，重视水泥的含碱量，特别是商品混凝土由于外加剂的使用，更应注意外加剂的碱含量与水泥碱含量的叠加，导致碱集料反应的产生。虽然水泥碱含量在国标中未作严格规定，但水泥企业在条件许可的情况下，应尽可能生产低碱水泥，避免碱集料反应。

6 水泥强度对混凝土强度的影响

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》的规定，碎石混凝土28d抗压强度fcu.o与水泥28d胶砂强度fce存在如下关系：

fcu.o/fce=0.48/（W/B）-0.16-（5-1）

从（5-1）式可以看出，当W/B（水胶比）一定时，混凝土强度随水泥强度的变化而呈线性关系变化，水泥强度越高，混凝土强度也越高。

6.1 水泥强度波动对混凝土强度的影响

不同等级的混凝土，其W/B（水胶比）不一样，水泥强度对混凝土强度的影响也不一样。

当W/B（水胶比）在0.72-0.34范围内变化时（混凝土强度等级大致在C15-C45范围）。当水泥强度波动（△fce）1.0MPa，理论上各等级混凝土强度波动的变化值（△fcu.o）在0.51-1.25 Mpa范围内，但随着混凝土强度等级的提高，水泥强度对混凝土的影响更为敏感，水泥强度变化1.0Mpa，对C45混凝土的强度影响是对C15混凝土强度影响的2倍还多。

6.2 水泥强度波动对混凝土富余强度的影响

混凝土生产企业，在配制C15-C30混凝土时，其混凝土富余强度一般为4-8Mpa；C35-C45混凝土配制时，其富余强度一般为6-12Mpa，上述分析表明，水泥在极端情况下波动引所起混凝土强度波动已接近，甚至超过混凝土配制时预留的富余强度，此时还未考虑骨料、外加剂、掺合料等材料变化，也未考虑施工、养护等工艺变异情况。

虽然上述分析是在极端情况下进行的，同一批或同一时期水泥的波动一般也不会如此大，但混凝土有时富余强度很高，有时富余强度很低，甚至达不到设计强度，这虽然与混凝土其他组成材料、配合比、生产施工控制、试块制作和养护等条件密切相关，但水泥强度波动也是影响混凝土强度的重要因素之一。对商品混凝土，由于水泥用量大，水泥使用速度快，检测的及时性有限，配制混凝土时，一方面要留足富余强度，另一方面要对进厂水泥及时、有效地检测，确保水泥强度的波动不致使所配制的混凝土达不到设计和评定要求。水泥生产企业应尽可能使出厂水泥均匀、稳定，充分满足混凝土生产和施工的需要。

7 水泥标准稠度用水量对混凝土的影响

国标GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》规定，水泥胶砂强度检测水胶比固定为0.50，用这种方法检测，胶砂强度相同的水泥，却不一定能够配制相同强度的混凝土（假设其他条件也相同），这主要是水泥的标准稠度用水量不相同。但标准并未对标准稠度用水量进行规定，但混凝土拌合物性能、混凝土强度、混凝土的耐久性，都与水泥的标准稠度用水量有关系。

7.1 水泥标准稠度用水量对混凝土拌合物工作性能的影响

水泥标准稠度用水量越大，配制的混凝土达到相同坍落度的用水量越大。在用水量不变的情况下，标准稠度用水量大的水泥，其配制的混凝土坍落度小、流动性差、和易性差、施工困难。若要达到施工要求的工作性能，势必增加用水量，而增加用水量，又必须增加水泥用量，否则，混凝土强度不能保证。

7.2 水泥标准稠度用水量对混凝土强度的影响

水泥标准稠度每增加1%（即500g水泥增加5ml的用水量），理论上混凝土的用水量需增加2-5Kg/m3。 实际上，由于砂石的吸水率、级配和矿物掺合料需水量的影响，水泥标准稠度增加1%，混凝土要达到相同的坍落度，一般需相应增加6-8 Kg/m3，影响混凝土水胶比0.015-0.04，导致混凝土28d强度下降4-8 Mpa。

7.3 水泥标准稠度用水量对混凝土耐久性能的影响

由于水泥标准稠度需水量增加，混凝土硬化后内部空隙增加，密实度下降，混凝土的抗渗、抗冻、抗收缩、早期抗裂、抗碳化能力均要下降[3]。

8 水泥水化热对混凝土的影响

水泥的水化热主要来源于熟料矿物C3A、C3S，水化热对混凝土的施工应用影响很大。对于小断面小体积的混凝土构件，在低温季节施工，水泥水化热可以加快其硬化速度，提高早期强度，有利于混凝土抵抗低温冻害和加快混凝土施工。但对于水坝、大型基础等大体积混凝土工程，由于水化热在混凝土内部积聚，内部温升过高，造成内外温差过大形成温度梯度，内部的温度急需向外部扩散，致使混凝土产生内部应力而开裂，降低混凝土的耐久性，严重时使混凝土崩裂而破坏。

9 结语

（1）水泥品质是水泥矿物组成、煅烧冷却制度、粉磨工艺和质量控制的集中体现，虽然水泥仅是混凝土的一种组成材料，但通过上述讨论，水泥品质对混凝土的性能影响是十分重要的，因此，水泥生产企业应尽可能考虑水泥对混凝土的各方面的影响，不只重视满足标准，重视强度和安定性等指标，还应该重视产品的适应性，树立“高强度水泥不一定是优质水泥”的观念。

（2）混凝土生产和施工企业，在使用水泥时应根据水泥的强度等级和其他性能特点，工程特征（工程所处的环境、结构断面、钢筋最小间距等），砂石和外加剂等材料种类及规格，混凝土施工工艺等合理选择水泥、合理设计配合比。

总之，水泥生产企业要了解混凝土的性能要求，混凝土生产和使用企业要了解水泥品质指标，为经济、合理、安全地生产和使用水泥奠定技术基础。