水泥性能與混凝土耐久性的關系

王明軍

河南省科學院質量檢測與分析測試研究中心（450002）

1 耐久性的概念

建筑工程一般都規定有使用年限要求，對混凝土而言，就是指其耐久性。水泥是混凝土配比中最重要的組份材料，它的性能必須要符合混凝土耐久性設計的要求?，F代工程建設標準高、技術要求高、質量目標高，要實現建筑工程的質量目標，就必須保證混凝土質量的耐久性。特別是混凝土結構的抗碳化腐蝕、抗氯鹽銹蝕、抗凍融破壞、抗收縮裂縫、抗堿骨料反應、抗化學侵蝕等能力。

根據混凝土所處的環境不同,其耐久性的含義也有所不同。例如，處于水中潮濕環境下并遭受反復凍融的混凝土，應具有較高的耐水性及抗凍性;處于水下或地下的混凝土應具有一定的抗滲性等。通?；炷恋哪途眯詰ǎ嚎箖?、抗滲、抗侵蝕、抗碳化等方面的內容。

1）抗凍性是指混凝土在飽和水狀態下，能經受多次凍融循環作用而不破壞，同時也不嚴重降低強度的性能?？箖鲂缘暮脡模饕Q于混凝土的孔隙率和孔隙特征（孔徑大小、分布、連通孔與密閉孔等）及含水情況。結構密實或具有閉口孔隙的混凝土抗凍性較好。另外選用適當的水泥品種，采用穩定性好、強度高的水泥以及摻入適量礦物摻和料和外加劑，可提高混凝土的抗凍性。

2）抗滲性是指混凝土抵抗壓力水滲透的能力。這一性能還直接影響混凝土的抗凍性和抗侵蝕性?；炷翝B水的原因是由于內部孔隙形成了連通水道。這些通道主要來源于水泥漿多余水分蒸發而留下的毛細孔、水泥漿泌水所形成的孔道、各種收縮形成的微裂縫以及骨科下部積水形成的水隙。滲水通道及孔隙的多少，主要與水灰比的大小有關，因此，水灰比是影響混凝土抗滲性的一個主要原因。

3）抗侵蝕性是指混凝土抵抗化學侵蝕的能力?？骨治g能力大小取決于兩個方面的因素：一方面是水泥（膠凝材料）自身抵抗環境中有害離子的化學侵蝕能力,人們常用抗蝕系數來評價水泥耐SO42-侵蝕的能力,至于水泥在其它侵蝕環境下的耐蝕性能，目前還沒有一個成熟可靠的方法；另一方面是硬化混凝土結構的密實性,混凝土結構愈密實，環境中的有害離子愈難滲入其內。

4）抗碳化性是指空氣中CO2在潮濕的條件下與水泥石中的Ca(OH)2發生化學反應，生成碳酸鈣和水的過程。這個過程是由表面向混凝土內部緩慢擴散的腐蝕（化學反應）過程。碳化使水泥石的化學組成及結構組織產生變化，對混凝土的堿度、強度、收縮及開裂度有一定影響。

2 水泥性能與混凝土耐久性的關系

2.1 目前水泥性能上存在的問題

目前水泥質量在滿足混凝土耐久性技術要求上大都存在一定的性能與耐久性相背的缺陷,生產企業對水泥質量的認識也不全面，認為水泥的質量目標就是達到標準要求；水泥的品質區別就是水泥的強度等級;水泥增效的途徑就是在滿足強度最低要求的前提下最大限度的增加廉價混合材料的摻量。在這種指導思想下生產出的水泥存在兩種情況：1)追求高強度，造成C3A、C3S含量高、細度過細、使水泥水化速率快、水化膠凝收縮大，后期強度增進率低等；2)亂摻混合材料，造成需水量大、水泥保水性差、泌水大、早期強度低、凝結時間長。這樣的水泥性能不能滿足混凝土耐久性的要求，同時也給混凝土的施工帶來了很多困難。在選擇不到適宜水泥的情況下，施工單位為保證混凝土的耐久性，有的自行配制膠凝材料。一般是在硅酸鹽水泥或普通水泥中加入礦物摻和料（粉煤灰、礦渣微粉、硅粉等），由于施工單位不知道水泥中硅酸鹽礦物的成份及混合材料的品種、摻量和外加劑的使用情況,配出的膠凝材料在性能上存在顧此失彼的現象。要保證水泥性能符合混凝土耐久性的要求，我認為最好還是應由水泥生產企業根據施工要求,科學合理地摻配用戶所需的混合材料，并對其進行加工改性、優化組合和質量控制，使水泥質量在性能上全面滿足混凝土工作性能、強度和耐久性的需要。

2.2 水泥品種與混凝土耐久性的關系

水泥的品種不同，其性能也有很大差異。它與不同用途的混凝土耐久性是適宜和不適宜的關系。通用硅酸鹽水泥按混合材料的品種和摻量分為六個品種。

1）硅酸鹽水泥，有 P·I和 P·Ⅱ兩個類型。 其中 P·I型不摻加任何混合材料，由熟料和適量石膏組成。P·Ⅱ型允許摻加≤5%?；郀t礦渣或石灰石。特性是：硬化快、強度高、水化熱大、耐凍性好，而耐軟水侵蝕性差。適宜于有快硬、高強、耐磨要求的混凝土；不適宜于有侵蝕性要求的混凝土。

2）普通硅酸鹽水泥（P·O），允許摻加＞5%且≤20%活性混合材料，若摻加非活性混合材料，摻入量應小于水泥質量的8%。特性是：早期強度較高，水化熱較大，耐腐蝕及耐軟水侵蝕較差。適宜于干燥環境中的混凝土；不適宜于地下或有耐侵蝕要求的混凝土。

3）礦渣硅酸鹽水泥，分 P·S·A 和 P·S·B 兩個類型。 ?；郀t礦渣 P·S·A 摻量＞30%且≤50%,P·S·B 摻量＞50%且≤70%（注：礦渣硬度比熟料大，與熟料共同粉磨時，易出現熟料過細，水泥需水量增大；礦渣顆粒太粗，活性不能充分發揮的現象。目前大多廠都采用分機粉磨，按熟料強度和礦渣的活性指數確定摻和比例）。特性是：早期強度低、后期強度增長較快，水化熱小，耐凍性差，抗侵蝕性較好，耐熱，易碳化，干縮大。適宜于高濕度或水中環境,有耐侵蝕要求及大體積混凝土；不適宜快硬及有抗滲性要求的混凝土。

4）火山灰質硅酸鹽水泥（P·P），允許摻入火山灰質混合材料＞20%且≤40%。特性是：抗滲性好于其它同礦渣水泥。適宜于有抗滲要求的混凝土，不適宜干燥、寒冷環境，及有快硬、高強（C40以上）及耐磨要求的混凝土。

5）粉煤灰硅酸鹽水泥（P·F），允許粉煤灰摻加量＞20%且≤40%。粉煤灰也屬于火山灰質材料，但因其需水量較小、抗裂性較好、活性較高，不同于其它火山灰質材料，故單列為一個品種。適宜性與火山灰水泥基本相同。

6）復合水泥（P·C），可加入二種或二種以上的混合材料，總摻量為＞20%且≤40%。復合水泥可發揮不同混合材料材性的互補作用，調節水泥性能。其特性和適宜性根據所摻混合材料的種類、摻量而定。

水泥品種的劃分,主要目的是區別水泥的不同性能，方便施工單位根據不同用途選擇適宜的水泥。目前水泥品種存在的問題是名不符實。有些生產廠家在經濟利益的驅使下不按標準要求摻加混合材料,對新開發的混合材料也沒有做驗證檢驗。為了增加混合材摻量，有的還自行加入所謂助磨劑（實際上是增強劑）。使同一品種、同一等級的水泥性能差別很大；不同品種的水泥特性不明顯，造成水泥的使用功能下降，給混凝土施工帶來很多困難，混凝土質量也難以保證。

2.3 硅酸鹽水泥熟料與混凝土耐久性的關系

熟料是由含 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按適當配比磨細成粉，燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要礦物成份的產物。主要礦物成份有硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）和鐵鋁酸四鈣（C4AF）等。C3S是水泥早期強度的主要來源，水化速度較快，水化發熱量較大；C2S是水泥后期強度的主要來源，水化速度很慢，水化發熱量最小。C3A的水化最快，水化放熱量最大，水化物的強度最低，干縮大。同一品種和相同強度等級的水泥，由于熟料中C3A和C3S含量、水泥細度、SO3含量、堿含量不同，其與水發生作用后釋放的水化熱和流變性能以及硬化后的早期強度、后期強度增長率、抗裂性、抗化學腐蝕等性能都會有較大差別。因此，不同廠家生產的水泥產品，甚至同一廠家生產的不同批次產品，性能上可能有很大差異。相同品種和強度等級的水泥，在相同配合比和相同的試驗條件下進行抗裂性試驗時,所得出的抗裂時間和開裂度，相差一倍的并不少見。熟料礦物成份的不同含量，直接影響水泥的性能。

硅酸鹽水泥的抗硫酸鹽、抗酸等抗化學侵蝕能力很差。硅酸鹽水泥的水化物Ca(OH)2，不論在強度上還是在化學穩定性上都很弱，在硫酸鹽腐蝕條件下容易分解，遇軟水還會溶解，是混凝土耐久性上的薄弱環節。

在硅酸鹽水泥中加入適量的混合材料,對于提高混凝土抵抗鹽、酸等化學腐蝕介質的能力有很大作用。以往的觀點認為：“Ca(OH)2呈堿性，對防止鋼筋銹蝕有利。混凝土中摻入粉煤灰、硅灰等火山灰質混合材后可與Ca(OH)2發生火山灰反應，會消耗Ca(OH)2并降低混凝土中的堿度，因而不利于防銹,所以需對粉煤灰等礦物摻和料的摻量加以嚴格限制。”但是研究表明,火山灰反應形成的致密水化物改善了混凝土的微觀結構，只要水灰比低，通過火山灰反應不但可以提高混凝土的抗水、抗酸、抗鹽類侵蝕，而且在防止鋼筋銹蝕的能力上也有提高。

2.4 水泥強度與混凝土耐久性的關系

水泥強度反映的是水泥的膠結能力,是水泥最重要的使用功能之一。但水泥的品質質量不能以強度作為唯一的衡量尺度，不能認為強度高的水泥就一定好。發達國家的水泥標準中，對于水泥強度的要求，不僅規定了最低值，而且也規定了最高值，強度超過最高值的也判為不合格品。而我國水泥標準中則沒有最高值的限制,客觀上起到了誤導廠家和用戶片面追求過剩強度的作用,尤其是受到經濟利益和追求施工進度的驅使,過分追求早期強度而不惜犧牲水泥的其它性能和混凝土耐久性質量。在我國目前生產工藝條件下，提高水泥強度（尤其是早期強度）的主要措施，實際上是增加水泥中的C3A與C3S的含量并提高水泥的比表面積，從而導致了水泥水化速率過快、水化熱增大，混凝土收縮大，抗裂性能下降，混凝土的結構不良，抗腐蝕差。據有關資料表明，早期強度很高的水泥在14 d以后的強度幾乎不再增長，長期強度甚至還有可能倒縮。水泥中C3A的3 d水化熱量約為C3S的3.7倍和C2S的17.2倍，7 d水化熱量約為C3S的7倍和C2S的37倍，C3A收縮率大約是C3S和C2S的3倍。而環境中的化學腐蝕介質對混凝土的侵蝕對象主要就是C3A和硅酸鹽水泥水化物中的Ca(OH)2。

水泥強度與混凝土耐久性之間并不存在必然聯系。比如在硅酸鹽水泥中摻入粉煤灰，強度往往有所下降，而混凝土抗氯鹽侵入的能力卻能成倍增加。再如，在混凝土中加入引氣劑后,強度也會受到影響,但其抗凍性卻有極大的改善。

長期以來水泥常以早期強度高，28天強度大作為衡量質量的標準。在施工單位中也形成了單純追求混凝土強度的傾向,以為加大水泥用量或采用早強水泥有利于混凝土質量，實際結果卻恰恰相反。對于現代混凝土來說，提高混凝土強度比較容易，而混凝土的耐久性則亟待改善。

2.5 水泥的需水性與混凝土耐久性的關系

水泥的需水性是指達到砂漿或混凝土流動度要求時的加水量。水泥加水的目的有二個：1)保證硅酸鹽礦物的水化反應；2)保證砂漿或混凝土具有一定的塑性或流動性。水泥需水量大，在配制混凝土時用的水灰比就要增大。過大的水灰比特別不利于混凝土的強度和耐久性,也特別不利于混合材料的效能發揮。與硅酸鹽水泥相比，粉煤灰水泥、礦渣水泥、火山灰水泥、復合水泥的性能受水灰比的影響很大，尤其是粉煤灰水泥則最為敏感。實踐證明只有在低水灰比（如小于0.40）的前提下，混合材料的作用才得以充分發揮。

需水量小的水泥,其優良性能往往受到現行標準試驗方法的掩蓋而不能體現。因為標準規定的試驗方法主要考慮的是水泥質量的可比性，沒有考慮混合材料的不同特性。例如，在強度檢驗中采用了0.50的固定水灰比，這樣對摻有混合材料并且需水量較小的水泥就極為不利。需水性小的水泥，膠砂易出現泌水、流漿，混合材料對膠凝的質密作用發揮不出來，試體結構疏松、氣孔多、強度低；需水量大的水泥，流動性差，砂漿強度與混凝土強度相比有虛高現象。混合材料摻量大的水泥，水化慢，早期強度發展慢，對環境溫度和濕度比較敏感，標準試驗溫度為20℃±1℃，相對濕度＞90%，而現場施工條件卻隨氣候變化而變化。夏季遠遠高于試驗室溫度，冬季遠遠低于試驗室溫度；夏季對混合材料摻量大的水泥強度增長有利，冬季就很不利。在室內外溫濕度相差不大的春秋季,水化熱高的硅酸鹽或普通水泥實際強度要高于室內標準養護下的強度，而水化熱低的、混合材料摻量大的水泥卻正好相反。

2.6 水泥中的堿含量與混凝土耐久性的關系

對水泥中堿含量的控制,以往主要從控制堿—骨料反應的角度提出要求。但工程實踐發現，不管是否有活性骨料存在，堿的影響首先表現在增加混凝土的開裂傾向。這是由于水泥的堿含量高引起的收縮所致。為了防止堿促進混凝土的開裂，水泥中的堿含量應不超過0.6%。近年來，為限制水泥和外加劑中的堿含量,在工程實踐中又發現水泥中堿含量太低時，會使大坍落度（大于160 mm）混凝土的泌水性增加。當使用較大摻量的礦物摻和料或水泥中的C3A、C3S含量低時，對水泥中的堿含量上限可適當放寬。

2.7 混合材料與混凝土耐久性的關系

水泥中摻入混合材料的目的首先是為了改善水泥性能，提高混凝土耐久性，而不是僅出于壓低強度，增大產量降低水泥生產成本。認為高強混凝土就需要增加水泥用量或減少混合材摻量是一種誤解。在混凝土配比時要盡可能降低硅酸鹽水泥用量的目的是增加混合材料的摻量以減少水泥中C3A和C3S含量過高所帶來的負面影響。水泥的早期強度愈高，對混凝土的耐久性愈不利，開裂傾向愈大。

2.7.1粉煤灰

現行粉煤灰分級標準的缺點是，用細度、需水量比、燒失量和28 d抗壓強度比作為分級要求，而將燒失量很小，只是需水量比稍小于95或細度稍大于12%的不符合一級標準的粉煤灰降為二級，這樣不利于發揮粉煤灰的效用。粉煤灰的品質，首先應考慮燒失量，其次是需水量比和28天抗壓強度比，而細度偏粗不必過于苛求。一般說來，粉煤灰的燒失量大，說明含碳量高，而碳含量高就會導致需水量大。用電收塵方法收取的灰越細所含玻璃微珠越多，含碳量低，需水量小，但產量很低。實際中選用粉煤灰時，因條件所限不得不采用燒失量大的粉煤灰時,必須經過需水性和抗壓強度比試驗，且燒失量要控制在8%以內。發電廠的三、四級粉煤灰的產量最大，但收取的粉煤灰多因團聚顆粒多、碳含量大，需水量大而不能直接使用。不少單位研究用磨細的辦法打開團聚顆粒，減少孔隙率,在減小需水性上取得很好的效果。實踐證明當粉煤灰細度的比表面積在800 m2/kg~1 000 m2/kg時，性能有很大改善，需水性減小，活性及火山灰質材料的質密性都有很大提高。粉煤灰水泥的最大摻量為40%，以不超過30%為宜。用比表面積來表征粉煤灰的細度時，因它的材質輕，密度和空隙率與標準樣相比差別較大，有時并不能檢測出粉煤灰的真實細度。所以粉煤灰的細度還可用45 μm篩余表示。

2.7.2礦渣粉

礦渣粉的質量分為S105、S95、S75三個級別,技術指標有密度、比表面積、活性指數、流動度比、含水量、三氧化硫、氯離子、燒失量等。其中比表面積和活性指數最為重要。因為礦渣的材質密實，需水量小，水化速度慢，當粉磨細度達到400 m2/kg~600 m2/kg時，活性可大幅度提高。對于高細度的礦渣微粉，在一定的摻量內，水泥或混凝土的強度隨摻量的增加而提高。但是混凝土的溫升和化學收縮也隨之增加，從減少混凝土收縮、開裂的角度考慮，礦粉細度的比表面積以不超過450 m2/kg為宜。礦渣的活性與火山灰質材料不同，自身具有水硬性,但需要水泥水化物Ca(OH)2和石膏的激發。在礦渣摻量達到一定數量后,由于混凝土中水泥量相應減少,礦渣的水化速度因缺少足夠的激發而減慢,相應的水化熱和自收縮就會減小，所以當摻量超過75%以后，可采用高細礦渣粉。因為礦渣材質較硬，將其磨至規定細度時，耗時、耗能，有些生產廠為了提高產量，在粉磨礦渣時加入大量的易磨混合材料（如粉煤灰、爐底渣、堿渣、脫硫石膏等），這樣做雖然礦渣的細度易達到標準要求,但礦渣的活性及使用性能降低。因此在驗收礦粉質量時,礦粉的活性指數是首先考量的指標。

2.7.3其它混合材料

水泥中可摻入的混合材料品種很多，如沸騰爐渣、煤矸石、石灰石、沸石、玄武巖等。但這些混合材料大多因需水性大，活性低而摻量有限。不同的混合材料，材性各不相同，二種或二種以上復合使用時，具有性能互補效應。如活性材料與非活性材料，堿性材料與酸性材料，需水性大的材料與泌水性大的材料等。在水泥中摻入一定量的混合材料，可有效改善水泥的性能，從而提高混凝土的工作性和耐久性。如硅灰對提高混凝土抗化學腐蝕性有顯著效果，但摻量多時，因其活性高，需水量大，反而會引起水化熱增高，自收縮加大；天然沸石因其特殊的結構作用,抗堿—骨料反應和抗硫酸鹽侵蝕能力很強，但因其需水性過大，不易多摻。大體積混凝土摻入混合材料后，可有效減小混凝土體積內的溫度、減小體積收縮，提高結構密實度。

3 結語

硅酸鹽水泥和普通水泥，因C3A和C3S含量多，水泥早期強度較高；但又因C3A和C3S含量高，則又造成水泥的水化熱高，水化膠凝收縮大，穩定性差，抗鹽、抗酸、抗軟水的化學侵蝕能力很差，對混凝土的耐久性影響很大。摻有各種混合材料的水泥，若混合材摻量不當，級配不合理，也會造成混凝土的和易性差，早期強度低，結構不密實，耐久性差。發揮混合材料的良好作用必須以低水膠比為前提,以優化組合、顆級配、緊密堆積的理論為指導，以提高和改善混凝土的工作性和耐久性為目標，合理的加配各種混合材料，改善硅酸鹽水泥中的不穩定因素,水泥的性能才能符合混凝土耐久性的需要。