水泥的各项物理和化学指标解读.docx

水泥的物理与化学性能指标：
1.1 水泥的强度
GB175—2007通用硅酸盐水泥标准中，水泥胶砂强度检验配比由水泥1：标准砂3：水胶比0.5（w/c）的试验取得。这是为克服本应用水泥浆试块形成和试验中存在一定难度与偏差大而采用的试验方法。
水泥的强度来自水泥石中矿物，水泥硬化体强度增长分为C3S>C2S>C4AF>C3A；C3A矿物早期强度高，早期水化热大，但C3A对总的水泥强度增长中贡献应该是最小的。现代水泥生产中有适当降低C3A矿物含量的诉求。
水泥强度除受四种矿物组成与水灰比的影响外，还与石膏掺入量、水泥颗粒、矿物料的掺入、拌和程度、拌和方式、养护条件等因素有关。
混凝土配合比的设计配制的强度等级与水泥强度有着密切联系。由于水泥强度波动大，造成混凝土强度波动大，这是屡见不鲜的。商混公司从经济合理性角度出发，设计配比的富余强度值常制定在标准强度值的1.15~1.25倍。在其原材料等不变情况下，当水泥强度与正常供应的水泥强度值超过低于5Mpa时，混凝土28d强度质量会受到威胁。
目前商品混凝土公司逐步增多采用P.O42.5R型水泥，现行标准中P.O42.5R型水泥3d强度为22Mpa,而P.O42.5水泥3d强度为17Mpa,相差5Mpa；虽然正常供应的P.O42.5水泥3天强度也能达到22Mpa,但水泥厂为了确保R型水泥的早期强度要求，或多或少会采取一些提高水泥早期强度的措施。如适当提高水泥熟料中C3S与C3A矿物含量，增加水泥的比表面积，调整混合材的掺量与品种，掺用助磨剂，使用脱硫石膏等措施。这些措施中多项对商品混凝土的塌落度损失，凝结时间，早期塑性收缩，增加裂缝机率及耐久性质量有影响。水泥品质除需注重硬性指标强度等外，考虑对商品混凝土性能潜移默化的影响是水泥科技领域界探讨与研究的方向。
1.2 水泥细度
水泥细度是水泥厂生产中检测频次最多的物理性能指标。水泥细度的粗细对水泥的水化速率与水化完全程度有着相当影响。水泥细度粗，粗颗粒水泥的水化速率减慢，并使其不能水化的颗粒量增多，影响着水泥强度的正常发挥。水泥细度过细，使水泥早期水化速率加快，早期水化放热速率增快，水泥早期强度明显提高，如不能合理的调整水泥煅烧熟料的配比，水泥后期强度增长减少，28d以后的强度增长减少对水泥石的耐久性有影响。所以，水泥细度应控制在适当范围内，让其水化速率适合水泥强度正常发挥的要求中。即3d到28d强度能增长0.8倍或以上，并能继续增长。
GB175—2007通用硅酸盐水泥标准中增加了R型水泥，水泥厂为了适应R型水泥早强要求，普遍采用提高水泥出磨细度措施使水泥早期强度得到提高。目前水泥厂提供的水泥比表面积在350~370㎡/kg居多，比表面积比该标准前使用的水泥约提高10%左右。
水泥比表面积的提高水泥的质量指标并没有什么影响，但大型水泥厂的水泥85%以上都是供给混凝土公司应用，比表面积提高加速水泥颗粒完全水化，对混凝土的外加剂适应性，塌落度经时损失，早期塑性收缩，干燥收缩等均有一些影响，施工后如再不有效养护时，混凝土的碳化，耐久性都会有影响。
1.3 水泥的标准稠度
标准稠度是标准规定的一个水泥浆体稠度。标准稠度用水量是指水泥与加入的水按要求搅拌达到标准稠度时所需的用水量，水与水泥质量之比以百分数表示。标准稠度试验的目的是测定水泥凝结时间、安定性及水化热。
当水泥与水混合时，发生复杂的物理和化学反应，水与水泥颗粒表面的矿物立即发生化学反应，生成含有水份的化合物，并释放出一定的热量，这就是“水化”。水泥与水拌合后，形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠，失去的塑性达到规定值，这就称为“凝结”。
水泥标准稠度用水量的多少与多方面因素有关，在相同的矿物含量时水泥也会显示出不同用水量，因水泥的水化活性取决于其加工过程，即水泥熟料煅烧速率、温度和冷却效果，这些会影响到矿物相在熟料中的分布，晶体尺寸大小，晶体缺陷的程度，晶型转变等。熟料粉磨水泥时有个石膏掺量问题，很重要的是C3A的活性和硫酸钙（CaSO4）的溶解度、溶解速率，并与溶液中的硫酸盐离子浓度和可溶碱等有关。
水泥用水量的多少明显的影响到外加剂适应性问题，通常用水量小的水泥与外加剂适应性均较好，反之就差。标准稠度大，即用水量大的水泥对混凝土水灰比有着直接的影响，影响到混凝土强度的下降，反映出混凝土用水量大，塌落度损失快，收缩大，开裂多，碳化大，耐久性降低。所以水泥的标准稠度上升应引起水泥界人士的重视。
1.4水泥的凝结时间
水泥与水拌和反应的物理变化是水泥浆体从可工作的塑性状态转变成坚硬，脆性材料。水泥浆凝结过程分为初凝和终凝，可以采用标准的方法进行测定比较。水泥中掺入一定量的石膏能起到调节水泥的凝结时间的功能。
当水泥中未掺石膏与水拌和会产生急凝现象，其铝酸盐相（C3A）会与水迅速反应，C3S也会有显著的水化作用。水泥比表面积又高时，则会产生急凝。急凝后产生的水泥团块很难再散开，所以对水泥混凝土的品质会产生很坏的影响。
但急凝程度取决于C3A含量及水泥比表面积大小程度等。当C3A含量在8%以下，比表面积不超过320㎡/kg时，一般还不会产生急凝；当C3A含量较低，而比表面积较高时仍有可能产生急凝。但不掺石膏的水泥熟料是较难粉磨的，由于水泥中缺少CaSO4含量，即生成的钙矾石与硅酸钙凝胶比例失调，造成水泥强度受到一定影响。
当水泥中低掺量石膏时，对水泥的调凝时间并不能起到有效作用；试验证明水泥中SO3含量达到1.5以上调凝时间作用有显著改善。但由于SO3过高时对水泥体积产生膨胀破坏，所以，要注意根据石膏中SO3含量来确定水泥中石膏掺量，一般石膏掺量在3~6%之间。
1.5 水泥中的SO3含量
GB175—2007通用硅酸盐水泥标准中规定，水泥中SO3含量不得超过3.5%。水泥中的SO3含量主要来自石膏中，石膏的掺入量对水泥的凝结、强度、干燥收缩、标准稠度用水量、体积稳定性、吸水膨胀及水化速率等都有一定或显著的影响。所以石膏掺量有个最佳值范围的问题。
水泥中一定范围内的SO3含量控制着C3S的水化，C3A与SO3反应生成钙矾石则在诱导期维持浆体流动性，钙矾石的生成对凝结时间并没有直接影响，直至硅酸钙凝胶（C-S-H）的大量形成浆体流动性减小逐渐变硬，水泥浆体出现从初凝到终凝。
石膏的掺入影响到C3S、C3A的水化与体积的稳定性，最佳掺入量应对应最大强度和最小干缩。而事实上石膏掺量并不能确定对应最大强度与最小干缩；因此，实际水泥生产中采用控制掺量范围。但当石膏含量过多，在浆体凝结后仍会产生过多的钙矾石，并导致浆体微结构膨胀破坏。而石膏含量过少会产生Aft相不足，使得水泥水化和强度发展变得延缓，并受一定影响。水泥中一定的适量含碱量会增加对应石膏最佳掺量的范围。
1.6水泥中混合材的掺入
在磨制水泥过程中，为了增加水泥产量，降低水泥生产成本与改善水泥的某些性能，常掺入一定量的矿物混合材。这些混合材的掺入，可以延缓水泥的水化速度，提高水泥的保水性能与粘度，对水泥早期强度有所下降，但后期强度能达到或超过不掺混合材的水泥。对新拌混凝土塌落度损失有延时作用。目前混凝土公司均采用掺混合材的方法拌制混凝土，适量的混合材掺入对混凝土的施工性能与耐久性有利，能降低混凝土裂缝机率。
水泥中混合材有粒化高炉渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、煤干石、钢渣、煤渣、窑灰等。由于混合材品种及掺量不同，对水泥产生的品质性能变化也有差异，掺矿渣的水泥具有一定的泌水性，而掺窑灰、煤渣的水泥时有标准稠度用水量偏大，干燥收缩也大。对混凝土的徐变、抗渗、抗冻融性能会产生不利影响，新拌混凝土的塌落度损失偏大，耐久性也会受到一定影响。
1.7 水灰比（水胶比）
众所周知，水灰比是设计混凝土强度等级重要参数，根据水灰比法则，在一定范围内混凝土强度与拌和物的水灰比成正比，其水灰比（W/C）越小,混凝土强度和体积稳定性越高。水泥胶砂同样具有水灰比越小强度越高的性质。对于相同水灰比而言，水泥水化程度越高，则水泥水化越趋于完全，而毛细孔和未水化水泥颗粒的量相对越少，水泥石结构密实，强度相对就高，耐久性就好。水灰比增大，毛细孔所占比例相应增加，机体的密实度降低，而该水泥石的强度与耐久性随之降低。现代混凝土的很重要手段，充分利用外加剂的减水功效来降低混凝土的水灰比，使混凝土得以向高强、高性能发展。
1.8 氯离子的含量
GB175—2007通用硅酸盐水泥标准中，增加了氯离子限量的要求，即水泥中氯离子含量不大于0.06%。氯离子在水泥中的含量得到限量是非常必要的。混凝土中的氯离子可称得上多米诺骨牌效应，主要来自水泥与外加剂中微量元素，在混凝土中极为少量，但长期处在各种环境介质中往往会造成不同程度的损害和整体破坏。而混凝土组成材料的特性及内部缺陷更能造成混凝土损害和破坏，其中就与氯离子含量有相当关系。
一方面混凝土是一种多孔的多相无机复合材料，混凝土表面粗糙，尤其是有裂缝的表面状态与陶瓷、金属成相基层差异很大；混凝土本身抗冻、抗渗、抗碳化及抗氯离子渗透能力起着侵蚀钢筋构筑物的关键作用。另一方面混凝土内部氯离子含量同样影响着结构物中钢筋的脱钝，当钢筋表面的氯离子含量达到或超过临界浓度时就产生脱钝。如混凝土中一定量的氧和水供给，钢筋阳极处失去电子生锈，结构进入腐蚀阶段，随着时间的推延，脱钝推进的速度主要取决于外部环境及混凝土本身的氯离子含量与缺陷及抵抗氯离子扩散性能。脱钝的钢筋产生膨胀破坏构造体，使构筑物耐久性受到严重影响。
1.9 水泥中的碱含量
水泥生产所采用的原材料中会带入一些微量组分，这些小于1%的化学组分对水泥熟料的煅烧过程及矿物性能产生着重要的影响。微量组分中最主要的为氧化钠（Na2O）和 氧化钾（K2O），通常以R2O=Na2O+0.658K2O百分数表示。少量碱存在于水泥生产的原燃料中并不一定全是不利的影响，碱对降低水泥熟料煅烧温度有利，主要是需看它以什么样的形态存在于水泥熟料中。
通用硅酸盐水泥标准中，要求P.O42.5水泥的碱（R2O）含量≤0.6%。水泥中碱含量高时给混凝土中发生碱骨料反应提供了首要条件。混凝土发生碱骨料反应的条件为；1.混凝土中具有足够的碱（碱含量3.0kg/m³）；2.骨料中具碱活性物质；3.工程处在一定湿度的环境条件下。三个条件同时存在时才会发生碱骨料反应。混凝土中碱含量大部分来自水泥与骨料中，还要我们注意的是常用的奈系减水剂中，Na2SO4含量在2~20%间不等，对混凝土中总碱量影响也是不容忽视的。
含碱过高的水泥不仅提供给混凝土中一定量的碱组分，为引起碱骨料反应创造条件，同时含碱过高的水泥因部分Na2O会进入到C3A矿物中，增加了C3A矿物水化活性，这对水泥的需水量、凝结时间与对外加剂的适应性都会产生影响，外加剂对混凝土的保塌效果变差，拌和物塌损变快，凝结时间缩短，混凝土的工作性能降低。