高性能水泥研究進展與評述

王冰

【摘要】目前，全社會對水泥混凝土工程質量要求不斷提高，對其生產的高消耗（能源和自然資源）、高環境負荷問題十分關注。因此，本文就高性能水泥最近幾年相關的研究與進展進行了總結，以供參考。

【關鍵詞】高性能水泥 研究進展 評述

一、高性能水泥的定義

高性能水泥是隨著高性能混凝土的出現而出現的，顯然，高性能水泥的定義應該根據高性能混凝土的定義給出。作為混凝土的第一組分材料，水泥的性能是制備高性能混凝土（縮寫HPC），關鍵性的因素。筆者將用來制備HPC的水泥稱之為高性能水泥。可見高性能水泥是與HPC互相匹配和適應的，并且體現在以這種水泥配制的混凝土具有高工作性、高強度、高耐久性。

高工作性主要表現為高流動性、高抗離析性、高保水性、高保塑性和高兼容性；高強度表現為早期相對強度高，強度絕對值高，強度衰減期較長；高耐久性主要表現為高抗滲性、高尺寸穩定性、高抗蝕性和高抗堿集料反應性等。一種性能優良的水泥應當是上述幾個方面的綜合體現，而不是由某一方面性能指標（例如強度，的高低來衡量的。因為制備高性能混凝土除了要求水泥強度以外，還取決于水泥對混凝土制備工藝的適應性等因素。

二、國內研究與應用的現狀

國內高性能水泥已經在許多方面取得了令人鼓舞的成果：①對于高性能水泥的特點、基本性能有了相當程度的掌握；②對高性能混凝土的性能要求對應的水泥性能要求進行了初步研究，認識了一些水泥性能與混凝土性能的對應關系；③初步確定了高性能水泥的技術要求；④探討了高性能水泥性能的若干影響因素，這將為改善和提高高性能水泥的性能提供依據；⑤與高性能水泥技術要求相關的檢驗方法得到重視，但是研究工作較少；⑥對高性能水泥的生產方法進行了多方面的探討，并取得一定成果。部分水泥廠進行了高性能水泥的生產嘗試；⑦進行了高性能水泥生產與應用的基礎理論研究；⑧進行了高性能水泥綠色化生產的研究，提出了一些綠色化生產的措施。

三、高性能水泥原材料分析

普通硅酸鹽水泥熟料主要礦物成分為硅酸三鈣（C₃S）、硅酸二鈣（C₂S）、鋁酸三鈣（C₃A）、鐵鋁酸四鈣（C₄AF），對水化膠凝具有決定性的成分為硅酸三鈣。而環保高性能水泥是在普通水泥當中加入高活性具有膠凝作用的硅、鋁基材料，同時含有少量Fe₂O₃、CaO和MgO。通過將普通水泥與一定比例的添加劑混合研磨，制得具有較高膠凝性的水泥。

目前，我國目前的工藝條件和技術水平，不論是回轉窯廠還是立窯廠，生產高強度的水泥已經不太困難，但是市場上達到高性能水泥技術標準的為數不多。對高性能水泥的技術要求進行量化，對高性能水泥的生產、使用具有重要意義，只有具有了量化的技術要求，高性能水泥才能按要求生產，才能成為商品走人市場。

四、技術要求的檢驗方法

目前，高性能水泥技術要求的檢驗方法的研究成果較少，在水泥與減水劑相容性的檢驗方法方面做的工作也有限。羅云峰等比較Marsh筒法與微型坍落度儀法的試驗結果后認為：Marsh筒法側重反映水泥凈漿的表觀黏度，宜用于測定減水劑的飽和點；微型坍落度儀法側重反映水泥凈漿的屈服值，宜用于測定流動性經時損失。吳笑梅等介紹了Marsh筒法檢驗水泥與減水劑相容性的方法。徐海軍等進行了減水劑與水泥相容性測定方法的比較研究，比較了微型坍落度儀法、旋轉黏度計和Marsh筒法，研究結果認為Marsh筒法具有靈敏度高、重復性強和容易操作的特點，同時與混凝土的流變性能具有良好的相關性。張大康在工程配制C100自流平混凝土的同時，試驗了微型坍落度儀法與混凝土流變性能的關系，試驗結果表明，至少在C100超高強自流平混凝土的條件下，按GB/T8077-2000測定的水泥凈漿流動度與混凝土的流變性能沒有明確一致的相關關系。

蔡安蘭等進行了水泥膠砂干縮試驗方法的探討性研究，提出了一種新的水泥膠砂干縮性試驗方法。王聽等進行了水泥抗氯離子滲透試驗方法的研究，初步提出了評定水泥抗氯離子滲透能力的指標。筆者認為，考慮高性能混凝土低水膠比和普遍使用高效減水劑的使用條件，高性能水泥技術要求檢驗的凈漿或膠砂，可能需要加入減水劑和降低水灰比。

五、環保高性能水泥水化機理分析

研究表明，高性能水泥及相關混凝土與普通水泥相比均表現較好的性能優勢，在此通過電鏡掃描分析泥土及高性能水泥的水化作用。泥土0.075mm以下為松散顆粒狀分布，經過與環保高性能水泥水化反應后，松散泥土顆粒之間形成骨架連接，以穩定團狀結構包裹，這與高性能水泥中添加劑中高濃度的硅、鋁基材料強大的膠凝性能有關，除加強水泥自身膠凝作用，同時激活泥土中含有的非活性但具有硅、鋁成分的基團，提高泥土自身潛在的膠凝性能，降低含泥量對膠凝作用的影響。其原理為大量硅酸三鈣與水反應，生成水化硅酸鈣（C-S-H）和氫氧化鈣，當水化過程進行到一定程度后，固相Ca（OH）₂從溶液中結晶析出，水化硅酸鈣沉積在被水所填充的孔隙中，附在顆粒表面，形成膠凝體。

對粒度分布和顆粒形貌與水泥性能的研究先于高性能水泥的研究，已經取得許多成果并為大家所熟知。從充分發揮熟料活性，減少10μm特別是3μm以下顆粒，防止水泥早期過快水化的角度考慮，水泥應有盡量窄的粒度分布，窄的粒度分布會導致水泥的需水量增加，其原因是粒度分布變窄，顆粒偏離最緊密堆積密度越遠，顆粒的空隙率越大。高性能混凝土在摻加高效減水劑和低水膠比的使用條件下，粒度分布均勻性系數與水泥流變性能的關系有必要進一步試驗。筆者認為，粉磨過程應該使熟料10μm特別是3μm以下顆粒數量盡量少，以防止水泥早期過快地水化；同時又不含有過多的45μm以上的顆粒，以最大限度地發揮熟料的活性，即要求熟料具有較窄的粒度分布。而水泥中的10μm以下和45μm以上顆粒可以由混合材補充。

總之，高能性水泥對我國的建筑行業啟著重大的作用。所以必須確定高性能水泥的技術要求，開發與高性能水泥技術要求對應的檢驗方法，探討制定高性能水泥標準的必要性和可行性。此外，評價某種水泥質量的優劣，應當是在符合國家標準的前提下，考核其滿足建筑工程所需要的各種技術要求的能力。

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