水泥與水泥混凝土研究

武晉鋒

(晉城市新奇建設監理有限公司，山西晉城 048000)

1 水泥的定義與分類

水泥是一種水硬性的膠凝材料。定義為加水拌和成塑膠性漿體，能膠結砂、石等適當材料并能在空氣中硬化的粉狀水硬性膠凝材料。我國標準按水泥的用途和性能分為三類，即通用水泥、特種水泥和專用水泥。一般的土木建筑工程都用通用水泥，目前通用水泥的品種有硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥、石灰石硅酸鹽水泥等。其中普通硅酸鹽水泥、石灰石硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥是我國水泥市場上的主導產品。

2 水泥的構成和水化過程

水泥是經過原材料按一定的比例磨細成為生料，生料在水泥窯內煅燒成為以硅酸鈣為主的水泥熟料，熟料添加一定的石膏和規定摻量的混合料共同磨細成為水泥。水泥品種是根據混合料品種、摻量的不同進行劃分的。各種水泥的水化和性能的差異主要是由混合料性質的差異及摻量多少決定的。

硅酸鹽水泥的主要成分為氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁和三氧化二鐵，次要成分為氧化鎂、二氧化鈦、堿和硫酸根等。一般情況下4種主要成分的含量在95%以上。

硅酸鹽水泥水化是一個復雜的物理、化學和物理化學變化過程。水泥的水化、凝結再到硬化的機理一般分為4個過程:

1)起始期。水泥加水后立即反應，生成鈣礬石，伴隨著放熱，稱為起始期。這個階段很短，在4 min～5 min。

2)誘導期。繼起始期后，即進入遲緩的階段，一般要持續40 min～2 h，稱為誘導期，在此期內，由于生成的水化產物聚集在水泥顆粒的表面，形成了一層薄膜，把水與水化的顆粒隔開，于是反應緩慢。由于生成的膠體狀水化物在某些點接觸，逐漸構成疏松的網狀結構，使漿體失去流動性和部分塑性，水泥進入初凝階段。

3)加速期。隨著時間的增長，反應又加速，出現第二個放熱峰，大量生成膠凝和Ca(OH)2，還繼續生成鈣礬石，這個階段稱為加速期。反應之所以加快，是因為顆粒表面的薄膜破裂，水泥與水迅速接觸而起反應，生成的水化物相互連接而且還不斷地增大化學鍵力，到一定的程度，漿體完全失去可塑性，建立起充滿顆粒間隙的緊密網狀結構，使水泥漿具有一定的抵抗外力強度，這時達到終凝。

4)擴散控制期。水化物不斷增加，使水泥顆粒表面包裹的厚度與致密度不斷增加，反應速率逐漸緩慢，進入擴散控制期，水泥漿體趨于硬化。

3 常用水泥的主要特點及用途

3.1 硅酸鹽水泥

1)凝結時間較短，水化時放熱集中;

2)強度高，一般都在52.5 MPa以上;

3)快硬、早強，一般3 d可達到28 d強度的50%～57%，7 d強度可達到73%～78%;

4)抗凍性好、耐磨能力強;

5)水化熱較大;

6)對外加劑的作用比較敏感。

可廣泛應用于各種工業與民用建筑工程，特別適宜配制高強混凝土、大型鋼筋混凝土、預應力混凝土、低溫下施工混凝土。不適用于大體積混凝土和地下有環境水侵蝕的工程，受熱在250℃以上的耐熱工程不宜使用。

3.2 普通硅酸鹽水泥

普通硅酸鹽水泥是由純熟料和少量的混合料組成的。由于熟料在水泥中占的比例很大，起著主導作用，混合料起輔助作用，非活性混合料則起著微集料作用。因此，普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥的特點基本上相近。不同之處是早期強度增進率低一些。

3.3 礦渣硅酸鹽水泥

1)礦渣水泥需水性較小，保水性差，泌水量稍大;

2)礦渣水泥水化硬化速率慢，凝結時間較長;

3)水化熱低;

4)早期強度低、后期強度增長快;

5)蒸汽養護效果非常好;

6)耐腐蝕性能好。

礦渣水泥適用于大體積混凝土和地下工程，不適用于快速施工。

3.4 火山灰質硅酸鹽水泥

1)需水量大，這是火山灰水泥的一個突出弱點;2)保水性好，用火山灰水泥配制的砂漿和混凝土具有優良的和易性;3)干縮性大，這是火山灰水泥的又一大弱點;4)水化熱低;5)耐腐蝕性好;6)早期強度低，后期增長率大。火山灰水泥適宜于地下工程、長期潮濕的環境、有腐蝕性環境的工程，不宜使用于干燥的環境，在低溫下使用時應特別注意保濕措施。

3.5 粉煤灰硅酸鹽水泥

1)需水量小、和易性好是粉煤灰水泥的明顯優點;2)干縮性小;3)水化熱低;4)耐腐蝕性好;5)早期強度低、后期強度增進率大。粉煤灰泥適用于大體積混凝土、地下工程、有腐蝕介質的工程，不適用于低溫施工的混凝土工程。

4 普通水泥混凝土拌和物的技術性質

4.1 和易性

和易性是一項綜合技術性質，包括流動性、粘聚性和保水性。

在工地通常用坍落度測定混凝土的流動性，在測坍落度的同時應觀察拌和物的粘聚性、保水性情況，以便全面評定拌和物的和易性。對于干硬性混凝土(坍落度值小于10 mm)通常采用維勃稠度儀測定。

影響和易性的主要因素，水泥漿液含量、水泥漿的稠度、砂率、水泥品種、集料的性質、減水劑、時間和溫度。

4.2 混凝土的強度

強度是混凝土硬化后的主要力學性能，混凝土強度有:立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、剪切強度、粘結強度等。

抗壓強度是制作混凝土的立方體試件，在標準條件下養護28 d測得混凝土的抗壓強度;棱柱體抗壓強度是測定軸心抗壓強度的，通常是采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體作為標準試件來進行測定;軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值關系約是0.70～0.80(立方體抗壓強度在10 MPa～55 MPa范圍內)。

混凝土的抗拉強度很低，只有抗壓強度的1/20～1/10，抗拉強度隨著混凝土強度等級的提高而降低，所以在鋼筋混凝土結構設計中，不考慮混凝土承受的拉應力。我國目前采用邊長150 mm的立方體標準試件，用劈裂法來測定混凝土的抗拉強度，抗拉強度與立方體抗壓強度的關系是 f抗拉=0.35(f抗壓)3/4。

4.3 影響混凝土強度的因素

1)水泥強度和水灰比。

水泥強度和水灰比是影響混凝土強度的主要因素，也是決定性因素。理論上，水泥水化時用水只占水泥質量的23%左右，但在實際施工中，為了保證混凝土的流動性要多加一些水(占水泥質量的40% ～80%)，而多余的水分蒸發后就留下孔隙，大大地減小混凝土實際的受力面積，從而影響了混凝土的強度。

2)集料的影響。

集料本身的強度對混凝土強度有著至關重要的作用;集料的有害雜質含量、碎石表面粗糙程度、以及集料的級配等對混凝土強度都有一定的影響。

3)養護溫度和濕度。

溫度的高低決定水泥水化速率的快慢。在一定程度范圍內，養護溫度高，水泥早期水化速率快，混凝土早期強度就高。反之，養護溫度低，水化物產生的速率低，要達到最終強度的時間要長一些。在低于冰點以下時水泥的水化停止，強度不再增加。濕度適當，水泥水化便能正常進行，混凝土強度能達到充分發展。如果濕度不夠，混凝土就會失水干燥而影響水泥正常水化，甚至停止水化。

4)混凝土齡期的影響。

混凝土在正常養護條件下，其強度將隨齡期的增加而增長。最初7 d～14 d內，強度增長較快，以后逐漸緩慢，28 d后更慢。

5 結語

隨著我國水泥工業的技術進步和現代化建筑工程需求的變化，水泥物理化學性能也趨于高性能化和多元化，水泥混凝土也在隨著工程中的需求發生著變化。我們在工作中要不斷的學習水泥的技術特點，掌握其內在性質，使其更適用于我們的工程施工，為社會的建設做出應有的貢獻。

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