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1、水泥的性能特点及其可能的改性方法1133001 1113300107 刘晓玲摘要：水泥作为广泛应用的建筑材料，满足不同的使用要求有不同的组成与结构，还要满足 规定的技术性质标准。水泥混凝土是土木工程中应用最多的混凝土，水泥对混凝土的使用以 及各种性能都有很大的影响。通过在水泥中加入纤维，聚合物，或采用纳米混合材料会极大 地改善水泥的性能，而满足不同混凝土工程的要求。关键词：水泥组成与结构水泥技术性质混凝土工程新性能水泥 一水泥概述水泥是粉状水硬性无机胶凝材料，加适量水搅拌，经一系列物理化学反应能 由可塑性浆体变坚硬的石状体，并能将砂、石等散粒材料胶结成砂浆或混凝土。 水泥广泛应用于工业与民用建
2、筑工程，还广泛应用于农业、水利、公路、铁路、 海港和国防等工程。1. 水泥的组成水泥的品种很多，按水泥的矿物组成，可以分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水 泥、硫铝酸盐类水泥、铁铝酸盐类水泥，氟铝酸盐类水泥等。但其中最基本，应 用最广泛的是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥：以硅酸盐为主要矿物组成的称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥主要 有以下几种类型： 硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、0 5%的石灰石或粒化 高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥，即国外通 称的波特兰水泥。不掺混合材料的称为I型硅酸盐水泥，代号PI，在水泥熟 料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣
3、混合材料的称II型硅 酸盐水泥，代号PII。 普通硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、V5% 20%的活 性混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称 普通水泥），代号：PO。 矿渣硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适 量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥，代号：PS。水泥中 粒化高炉矿渣的掺入量按百分比记为V20% 70% （V20% N50%为P S A 型，V50% N70%为 P S B 型）。 火山灰质硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、V20% 40% 的火山灰质混合材料和
4、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸 盐水泥（简称火山灰水泥），代号：PP。 粉煤灰硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、V 20% N40% 的粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号：P F。 复合硅酸盐水泥：据GB 175-2007，由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规 定的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简 称复合水泥），代号pc。2. 水泥的结构特点水泥加水拌合，水泥颗粒分散在水中，成为水泥浆体。与水接触的水泥颗粒 表面很快发生水化反应，水化产物的生成速度远大于水化产物向周围溶液扩散的 速度，并迅
5、速形成水化产物的过饱和溶液，于是水化产物在水泥颗粒表面沉淀析 出，形成水化物膜层，包裹在水泥颗粒的表面。随着水化反应的不断进行，水化 产物不断增多，包在水泥颗粒表面的水化物膜层增厚，自由水分不断减少，颗粒 间空隙逐渐减少，包有凝胶的水泥颗粒逐渐接近，以致相互接触，在接触点借助 范德华力，形成凝聚结构，使水泥浆体开始失去可塑性，表现为初凝。随后，颗 粒间的接触点数目逐渐增多，凝胶和晶体互相贯穿形成的凝聚一一结品网状结构 不断加强，固体颗粒之间的空隙不断减小，结构逐渐紧密，浆体完全失去失去可 塑性并开始产生强度，表现为终凝。水泥进入硬化阶段后，水化产物不断增多、 长大，并填充到毛细孔当中，使结构更
6、紧密，硬化程度和强度相应提高。最后发 展成坚硬的石状体一一水泥石（由水泥水化生成的品体和凝胶，未水化的水泥颗 粒内核，毛细孔，水等组成）。对于掺混合材料的硅酸盐水泥，水化反应分两步进行，熟料矿物先水化，随 后，熟料矿物水化析出的氢氧化钙和渗入水泥中的石膏与混合材料中的活性氧化 硅与活性氧化铝发生二次水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物， 填充空隙使得水泥后期强度发展快。3. 水泥的技术性质下面主要以硅酸盐水泥的技术性质为例作阐述：硅酸盐水泥的技术性质 细度水泥颗粒粒径一般在7 200的范围内，一般认为水泥颗粒小于40时才 具有较高活性，大于100活性就很小了。 凝结时间GB17520
7、07规定，硅酸盐水泥的初凝不得早于45min，终凝不得迟 于390min （为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣、砌筑水泥 的初凝时间不能过短。当施工完毕，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝时间不 能过长）。初凝时间不满足时为废品，终凝时间不满足时为不合格品。 体积安定性体积安定性是指水泥硬化过程中，产生体积变化的均匀程度。 GB1752007和GB/T 13462001规定，用沸煮法检验体积安定性，如用饼法， 则试饼无裂纹、无翘曲则水泥体积安定性合格，否则为不合格；如用雷氏法，则 雷氏夹膨胀值大于5.0mm则体积安定性不合格。体积安定性不良的水泥应按做废 品处理，不得用于工程中。
8、强度水泥的强度时水泥性能的重要指标，也是划分水泥强度等级的依据GB/T 176711999规定，将水泥、标准砂和水按照1： 3.0： 0.5的比例，并按规定的 方法制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准养护条件下养护全规定龄期，分别 按照规定的方法测定其3d和28d的抗压强度和抗折强度，按测定结果把硅酸盐 水泥分为 42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R 六个强度等级。 水化热水化热指水泥在水化过程中放出的热。水化放热量和放热速度不仅取 决于水泥的矿物组成，而且还与水泥细度、水泥中掺混合材料及外加剂的品种、 数量以及熟料的煅烧和冷却条件等有关。铝酸三钙，硅酸
9、三钙含量多时放热量增 大，放热速度增快，铝酸二钙含量多时，热量减少，速度减慢。水泥细度越细， 水化反应比较容易进行，水化放热量越大，放热速度越快。大体积混凝土工程中 不应用硅酸盐水泥。国家对普通硅酸盐水泥的技术要求有： 凝结时间 初凝不得早于45min，终凝不得迟于600min。 强度等级根据3d和28d龄期的抗折抗压强度，分为42.5、42.5R、52.5、52.5R 四个强度等级。 细度，体积安定性，氧化镁含量，三氧化硫含量与硅酸盐水泥的要求相同。 对矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥的技术要求： 细度、凝结时间、体积安定性三种水泥的凝结时间、体积安定性要求与普通 硅酸盐
10、水泥相同；细度要求为80微米方孔筛筛余不大于10%或45微米方孔筛筛 余不大于30%。 强度等级 根据3d和28d龄期的抗折抗压强度，分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、 52.5、52.5R六个强度等级。 氧化镁、三氧化硫水泥中氧化镁的含量不得超过6%，如水泥经压蒸体积安定 性合格，则可大于6%。矿渣水泥中的三氧化硫含量不得超过4%；火山灰水泥和 粉煤灰水泥中的三氧化硫不得超过3.5%。二水泥的性能特点对混凝土工程的影响高性能混凝土是当代混凝土的发展方向，其特征是合理的强度、高耐久性、 高体积稳定性、高工作性；其组成特点是广泛使用减水剂和高效减水剂、水灰比 大幅度降低（多为0.3
11、0.45之间）、大量使用磨细掺和料。而其中水泥对混凝 土性能的影响不可忽视。1. 水泥品种及胶凝材料用量对混凝土使用性能的影响众所周知，硅酸盐水泥主要的组成矿物有四种，它们的水化性质不同，在水 泥中所占比例不同时将影响对水泥整体的性质。（表1所示为水泥中四种主要矿 物的水化热和这四种主要矿物的收缩率。）表1 C3A、C3S、C2S、C4AF四种矿物收缩率和水化热指标比较矿物种类收缩率（。）水化热水化反应过程(J/g)C3A2.3400.100C3A-C4AH13+C2AH8单硫型铝酸盐1340C3S0.790 + 0.036C3S-CSH+CH490C2S0.770 + 0.036C2S-CS
12、H+CH225C4AF0.490 + 0.114C4AF-C3（AF）H+单硫型铝酸盐460C3A的水化热是其他矿物水化热的数倍，尤其在混凝土早期强度的发挥时 期。C3S的水化热虽然比C3A的小很多，但在3天却是C2S水化热的几乎5倍， 因其含量在熟料中约占一半，故影响也很大；C3A的收缩率是C2S收缩率的3倍， 是C4AF的45倍。因此用C3A含量较大的早强水泥浇筑的混凝土容易因早期的 温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。配制高耐久性混凝土时，一般不宜选用早强水泥，单方混凝土的最大和最小 胶凝材料用量应严格控制。混凝土结构耐久性设计指南（讨论意见稿）规定了相 应的限值（表）对于强度等级达到C6
13、0的泵送混凝土，单位体积混凝土的最大胶 凝材料用量可增大至30kg/m3。混凝土中水泥用量越大，混凝土的水化放热量越 大，早期收缩和开裂的危险性越大，混凝土抵抗有害离子侵蚀的能力越差，减少 胶凝材料用量有利于降低混凝土的渗透性并能减少混凝土的收缩量，降低浆骨 比，也是提高混凝土抗渗性和抗氯离子扩散性的重要手段。2. 水泥性能对混凝土体积稳定性的影响水泥向高C3S和高C3A、高比表面积发展，再加上混凝土的低水灰比、高 水泥用量、超细矿物掺合料的使用，造成混凝土的温度收缩、自收缩和干燥收缩 增加期弹性模量提高，在受约束时产生较大的内应力；另一方面，混凝土早期的 徐变减小，无法缓解这种应力，而产生早
14、期裂缝；内部不可见的微裂缝在混凝土 长期使用过程中继续发展，造成混凝土提早劣化。实际上，要提高混凝土的早期 强度，并不一定需要提高水泥的含量和细度，而可以依靠混凝土方面的措施来 达到这一目的，例如掺高效减水剂减少水灰比。1944年，美国公共道路管理局 对使用了 330年的约200座桥梁的混凝土结构的调查结果证实了上述观点。结 果表明，1930年以前建造的桥梁有67%检查时完好，而1930年后建造的仅27% 尚完好。由于施工技术仍然保持一样，水泥的细度发生了变化很可能是主要原因。3. 水泥性能对混凝土耐久性的影响在水泥的细度和C3S含量相同时，28d抗压强度取决于水灰比；但是当细度 和C3S含量
15、不同时，情况就不一样了。当用了较细、C3S较多的水泥时，可能会 在较大的水灰比条件下得到较高的28d强度。同样是配制28d强度为31MPa的 混凝土，用1945年生产的水泥时需要0.47的水灰比；而用1980年的I型水 泥，虽然水泥用量可以减少，但水灰比大幅度提高到0.72。对于结构设计人员 而言，上述两种混凝土是一样的。然而，如果混凝土暴露于严酷环境中，决定其 耐久性的关键因素就是水灰比和用水量，而非其抗压强度。从微结构的角度看， 两种混凝土的孔隙率和渗透性大不相同，水灰比大的渗透性将增大、耐久性将下 降；水灰比为0.6的混凝土碳化比水灰比0.45的混凝土快，抗海水、冻融与化 冰盐的耐久性也不如后者。与这种变化相对应的是，1974年以后美国的混凝土 桥面板加速出现耐久性问题。水泥细度与混凝土孔径分布密切相关，而孔径分布又是决定混凝土在毛细作 用下常压渗透性的关键因素。试验结果表明：水泥中细颗粒较多的混凝土，比水 泥中细颗粒较少的混凝土常压渗透性更大。具体表现有两种情况：一是将混凝土 试件局部浸入水中，水泥中细颗粒较多的混凝土在常压下的渗透高度更大；二是 在一定条件下将混凝土试件浸入水中，水泥细度相对较细的混凝土开口孔隙体积 的吸水速率更大。这两种现象直接证实了细度相对较细的水泥对混凝土常压渗透 性的不利影响。4. 常用水泥在混凝土工程中的应用硅酸盐水泥常用
