淺議礦物和氧化物成分對水泥使用性能的影響

郭翔

摘要：在綜合分析通用水泥中通料礦物組成及水泥中各類氧化物含量的基礎上，提出了生產操作的原則做法并深出了相應的結論。

水泥是以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏以及規定混合材經粉磨致細制成的水硬性膠凝材料。水泥中不同熟料礦物和化合物成分含量，影響著水泥生產操作和水泥制品的質量性能。了解和把握它們之間的關聯性，選擇適宜的水泥礦物成分和微量氧化物，可以揚長避短，使水泥性能更好地滿足混凝土工程的質量特性，提高水泥混凝土質量長期耐久性要求。

1.通用水泥熟料的礦物成分

通用水泥熟料的礦物成分，主要指硅酸三鈣（簡稱 C3S）、 硅酸二鈣 （簡稱 C2S）、 鋁酸三鈣（簡稱 C3A）、鐵鋁酸四鈣 （簡稱 C4AF）。

1.1硅酸三鈣

硅酸三鈣是通用水泥熟料中最主要的礦物成分，在 C3S 晶體中常熔存少量的其它氧化物形成固熔體，通常稱為A礦（阿里特）。C3S 在水泥水化時，水化發熱量較大，水化速度較快，能迅速使水泥凝結、硬化，水泥早期和后期強度均較高。但在煅燒時，C3S 的形成需要較高溫度和一定的時間。

當水泥熟料 C3S 含量較高時，水泥水化發熱量大。對于大體積混凝土工程，混凝士內外部之間會產生大約50℃溫差，容易造成混凝土膨脹開裂。對于鋼筋混凝土工程，當水泥中 C3S 含量高，則水泥的 Ca（OH）2生成物含量多，堿度大，它能在鋼筋表面形成鈍化保護膜，保護混凝土鋼筋不被 C1-、空氣侵蝕，提高鋼筋與混凝土握裹力，增加鋼筋混凝土的耐久性。在一般混凝土工程中，水泥中 C3S 含量高，會加快水泥硬化，提高水泥強度。適應冬季低溫施工的工程。

1.2硅酸二鈣

硅酸二鈣，又稱B礦（貝利特）。其水泥水化速度較慢，水化產物后期具有較高強度，水化熱量較低。C2S具有多晶轉變的性能。在熟料生產操作時，如果熟料冷卻較慢（在 675℃左右），它會由β型轉為 γ型，晶體密度減小，體積增大，引起粉化。γ型是活性低的礦物，不具有水硬化。因此在熟料煅燒冷卻環節，要關注熟料的急冷操作。

生產C2S含量高的熟料，對其主要原料石灰石品位質量要求不高，可以充分利用尾礦、低品位石灰石資源。而且熟料煅燒操作時，所需煅燒溫度低，排放的 CO2含量低，對節能減排、資源綜合利用意義重大。C2S含量高的水泥熟料，適應大體積混凝土工程。避免混凝土因水化熱量高產生的膨脹裂縫。減少混凝土表面微裂縫，阻止其外部有害介質向內部滲透侵蝕混凝土。適宜于有害介質環境條件下的混凝土工程，如水工、涵洞、隧道、油、氣固井工程。

由于C2S 相對 C3S 而言，其水化的 Ca（OH）2生成物較少，在含碳酸鹽少的軟水環境中，C2S 相比C3S 可減少生成物 Ca（OH）2的溶出。即C2S 具有抗淡水的侵蝕能力，適應在水介質環境條件下的工程。

1.3鋁酸三鈣

其特點是水化迅速，水化發熱量大，早期強度發展快。由于凝結時間很快，故需添加石膏使其緩凝，滿足混凝土質量和施工的要求。

水泥生產時 ，隨著熟料中 C3A 含量增加，石膏摻量也應隨之增加。要關注水泥粉磨溫度，防止欠硫和石膏脫水導致水泥使用時出現瞬凝。C3A含量高的水泥，不適應大體積混凝土工程。水泥中 C3A 礦物水化速率快，水化發熱量大，因混凝土內外溫差大而致膨脹開裂。

水泥中的C3A，水化生成鋁酸鈣水化物，它容易與 SO42-、水介質二次反應，生成水化硫鋁酸鈣晶體物質，導致體積增大膨脹，易使混凝土出現膨脹裂縫。C3A 含量高的水泥，抵抗 SO42-介質-侵蝕差。不適應海洋工程，以及處于水和 SO42-介質環境下的隧道、涵洞等工程。它適應冬季低溫施工需早期強度高的一般工程。C3A 對酸較為敏感，抗腐蝕性能差。

1.4鐵鋁酸四鈣

又稱 C 礦（才利特）。在水泥熟料煅燒操作時，C4AF 易熔，能夠降低熟料液相形成的溫度和粘度，可以降低熟料燒結時的能耗。C4AF水化速度快，但硬化慢，早期強度低，但后期強度高。抗沖耐磨性能好，特別適應道路工程。

2.水泥中氧合物

2.1堿質（R2O）

水泥中堿質（R2O），指堿性氧化物（Na2O、K2O）。水泥中堿含量是由原料帶入，堿質會造成熟料工藝生產中堿循環，煅燒系統容易形成結皮堵塞，使熟料煅燒操作困難。一般控制水泥堿含量≤0.6%。含有微量可溶性堿性氧化物（Na2O、K2O）的水泥，它與混凝土中某些含有活性礦物的骨料在有水的條件下會發生化學反應，其反應較為緩慢，稱為堿骨料反應。其化學反應有堿—硅酸、堿—碳酸等堿骨料反應。反應生成的凝膠體體積增大，會引起已經硬化的混凝土膨脹開裂破壞。因此，在有一定水泥堿質含量、活性骨料和水的條件存在時，會產生堿骨料反應，影響水泥混凝土長期耐久性能。

堿含量高的水泥與商品混凝土外加劑適應性差，其因是使水泥初期水化速度加快，會使新拌混凝土的流動性變差。當裝飾材料使用含有堿含量高的水泥，裝飾材料由于堿晶體析出，會使其表面泛白、起凸，嚴重影響裝飾材料質量效果。

2.2游離氧化鈣（f-CaO）、氧化鎂（MgO）

水泥熟料含有少量游離氧化鈣、氧化鎂（方鎂石）成分。游離氧化鈣是熟料煅燒時間、溫度等工藝操作失控形成的。水泥中摻入的高鈣粉煤灰、鋼渣等混合材都含有一定量游離氧化鈣成分。氧化鎂是水泥原料帶入。一般礦渣帶入氧化鎂呈固熔體結構。控制水泥中氧化鎂含量小于5.0%。

游離氧化鈣（不同于石灰）和氧化鎂它們一般在水泥漿凝固硬化之后，又開始與水發生反應，氧化鎂（非固熔體）比游離氧化鈣水化更慢。它們水化生成物 Ca（OH）2、Mg（OH）2體積增大，從而使硬化的水泥石內部形成局部膨脹，混凝土表面出現龜裂紋狀，嚴重時表面起凸變形開裂。

水泥中含有適量的氧化鎂，也能化害為利。基于水泥水化物具有一定收縮性特征，利用含有適量氧化鎂水泥的微膨脹性能，可以補償混凝土收縮。如在舊混凝土面上澆灌新混凝土，像南水北調丹江大壩加高工程，配制摻與適量的氧化鎂生產延滯性微膨脹水泥（氧化鎂含量在 4.5%左右）。控制好膨脹值或膨脹應力，較好地解決了新、舊混凝土結合界面的膠凝粘結效果。此外，利用適量氧化鎂水泥的微膨脹性能，為使水泥混凝土密實，亦可采用一定量氧化鎂的水泥用于防滲混凝土工程。

2.3 水泥中SO3、Al2O3

水泥中SO3主要是石膏帶入。目前為了節能減排，資源綜合利用，一些水泥廠將化工石膏，諸如煙氣脫硫石膏、磷石膏、氟石膏等，代替天然石膏生產水泥。由于磷石膏、氟石膏中含有一定量超緩凝 PO43-、F-離子，可能會使水泥凝結時間延長（超緩凝），影響水泥早期強度，在生產操作要特別注意。

水泥中 SO3具有緩凝功能，調節水泥水化凝結時間，滿足施工要求。水泥中的 SO3是一種硫酸鹽激發劑，可以提高水泥早期強度。但水泥中 SO3含量偏高，會降低水泥 28d 強度。一般控制水泥中 SO3含量不得大于3.5%。當水泥磨制的較細或水泥中 C3A 含量高，以及夏季氣溫高時，為抑制水泥水化速度，應適量增加水泥中 SO3含量，即適當提高水泥中石膏摻量，滿足施工要求。

水泥中 SO3含量低（欠硫化）或水泥生產操作粉磨溫度高（107～170℃時，會使石膏脫水，石膏晶型轉變），都會使水泥初凝時間加快，造成水泥水化急凝，不能滿足施工要求。會使用商品混凝土流動性能變差。水泥中 SO3和 Al2O3含量高時，首先 Al2O3與水泥中 SiO2水化生成水化鋁酸鈣，而 SO3它會跟水化鋁酸鈣二次反應生成硫鋁鈣晶體。這種晶體含結晶水，晶體體積增大會引起混凝土膨脹開裂破壞。但水泥中適量 SO3和 Al2O3水化反應而引起的可控膨脹值（包括前述氧化鎂），可以抑制混凝土收縮，達到補償混凝土收縮目的。利用控制好水泥膨脹值，用于防滲抗滲、預應力混凝土工程。水泥中 SO3和 Al2O3高，不適宜海工和有硫酸鹽介質的工程。

2.4C1-離子

水泥中C1-離子含量極低，有些水泥中C1-離子是使用助磨劑帶入的。一般控制水泥中C1-離子含量小于0.06%。在鋼筋混凝土中，水泥C1-離子與鋼筋Fe離子形成腐蝕電池，生成鐵銹（Fe（OH）3），導致鋼筋混凝土強度下降。

3結論

（1）把握好水泥熟料的生料配料、化學成分含量和煅燒操作。讓水泥滿足特性混凝土的使用要求。

（2）對于大體積混凝土工程，應控制水泥C3A 、C3S 含量，防范放熱量大，致混凝土膨脹開裂破壞。

（3）用于處于 SO42-、水介質環境條件下的混凝土工程，要控制好水泥中有膨脹因子的堿質、C3A、Al2O3和 SO3含量。以保證混凝土長期耐久性要求。

（4）利用水泥中膨脹因子的特性，適量控制SO3、Al2O3和氧化鎂含量，采取限制膨脹量控制，可以增加混凝土密實度，補償混凝土收縮。

（5）高C2S和低C3A、Al2O3、SO3、堿質含量的水泥，適用水工大壩、海洋、涵洞、隧道和油、氣固井工程。