水泥性能与混凝土耐久性的关系

王明军

河南省科学院质量检测与分析测试研究中心（450002）

1 耐久性的概念

建筑工程一般都规定有使用年限要求，对混凝土而言，就是指其耐久性。水泥是混凝土配比中最重要的组份材料，它的性能必须要符合混凝土耐久性设计的要求。现代工程建设标准高、技术要求高、质量目标高，要实现建筑工程的质量目标，就必须保证混凝土质量的耐久性。特别是混凝土结构的抗碳化腐蚀、抗氯盐锈蚀、抗冻融破坏、抗收缩裂缝、抗碱骨料反应、抗化学侵蚀等能力。

根据混凝土所处的环境不同,其耐久性的含义也有所不同。例如，处于水中潮湿环境下并遭受反复冻融的混凝土，应具有较高的耐水性及抗冻性;处于水下或地下的混凝土应具有一定的抗渗性等。通常混凝土的耐久性应包括：抗冻、抗渗、抗侵蚀、抗碳化等方面的内容。

1）抗冻性是指混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性能。抗冻性的好坏，主要取决于混凝土的孔隙率和孔隙特征（孔径大小、分布、连通孔与密闭孔等）及含水情况。结构密实或具有闭口孔隙的混凝土抗冻性较好。另外选用适当的水泥品种，采用稳定性好、强度高的水泥以及掺入适量矿物掺和料和外加剂，可提高混凝土的抗冻性。

2）抗渗性是指混凝土抵抗压力水渗透的能力。这一性能还直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土渗水的原因是由于内部孔隙形成了连通水道。这些通道主要来源于水泥浆多余水分蒸发而留下的毛细孔、水泥浆泌水所形成的孔道、各种收缩形成的微裂缝以及骨科下部积水形成的水隙。渗水通道及孔隙的多少，主要与水灰比的大小有关，因此，水灰比是影响混凝土抗渗性的一个主要原因。

3）抗侵蚀性是指混凝土抵抗化学侵蚀的能力。抗侵蚀能力大小取决于两个方面的因素：一方面是水泥（胶凝材料）自身抵抗环境中有害离子的化学侵蚀能力,人们常用抗蚀系数来评价水泥耐SO42-侵蚀的能力,至于水泥在其它侵蚀环境下的耐蚀性能，目前还没有一个成熟可靠的方法；另一方面是硬化混凝土结构的密实性,混凝土结构愈密实，环境中的有害离子愈难渗入其内。

4）抗碳化性是指空气中CO2在潮湿的条件下与水泥石中的Ca(OH)2发生化学反应，生成碳酸钙和水的过程。这个过程是由表面向混凝土内部缓慢扩散的腐蚀（化学反应）过程。碳化使水泥石的化学组成及结构组织产生变化，对混凝土的碱度、强度、收缩及开裂度有一定影响。

2 水泥性能与混凝土耐久性的关系

2.1 目前水泥性能上存在的问题

目前水泥质量在满足混凝土耐久性技术要求上大都存在一定的性能与耐久性相背的缺陷,生产企业对水泥质量的认识也不全面，认为水泥的质量目标就是达到标准要求；水泥的品质区别就是水泥的强度等级;水泥增效的途径就是在满足强度最低要求的前提下最大限度的增加廉价混合材料的掺量。在这种指导思想下生产出的水泥存在两种情况：1)追求高强度，造成C3A、C3S含量高、细度过细、使水泥水化速率快、水化胶凝收缩大，后期强度增进率低等；2)乱掺混合材料，造成需水量大、水泥保水性差、泌水大、早期强度低、凝结时间长。这样的水泥性能不能满足混凝土耐久性的要求，同时也给混凝土的施工带来了很多困难。在选择不到适宜水泥的情况下，施工单位为保证混凝土的耐久性，有的自行配制胶凝材料。一般是在硅酸盐水泥或普通水泥中加入矿物掺和料（粉煤灰、矿渣微粉、硅粉等），由于施工单位不知道水泥中硅酸盐矿物的成份及混合材料的品种、掺量和外加剂的使用情况,配出的胶凝材料在性能上存在顾此失彼的现象。要保证水泥性能符合混凝土耐久性的要求，我认为最好还是应由水泥生产企业根据施工要求,科学合理地掺配用户所需的混合材料，并对其进行加工改性、优化组合和质量控制，使水泥质量在性能上全面满足混凝土工作性能、强度和耐久性的需要。

2.2 水泥品种与混凝土耐久性的关系

水泥的品种不同，其性能也有很大差异。它与不同用途的混凝土耐久性是适宜和不适宜的关系。通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为六个品种。

1）硅酸盐水泥，有 P·I和 P·Ⅱ两个类型。 其中 P·I型不掺加任何混合材料，由熟料和适量石膏组成。P·Ⅱ型允许掺加≤5%粒化高炉矿渣或石灰石。特性是：硬化快、强度高、水化热大、耐冻性好，而耐软水侵蚀性差。适宜于有快硬、高强、耐磨要求的混凝土；不适宜于有侵蚀性要求的混凝土。

2）普通硅酸盐水泥（P·O），允许掺加＞5%且≤20%活性混合材料，若掺加非活性混合材料，掺入量应小于水泥质量的8%。特性是：早期强度较高，水化热较大，耐腐蚀及耐软水侵蚀较差。适宜于干燥环境中的混凝土；不适宜于地下或有耐侵蚀要求的混凝土。

3）矿渣硅酸盐水泥，分 P·S·A 和 P·S·B 两个类型。 粒化高炉矿渣 P·S·A 掺量＞30%且≤50%,P·S·B 掺量＞50%且≤70%（注：矿渣硬度比熟料大，与熟料共同粉磨时，易出现熟料过细，水泥需水量增大；矿渣颗粒太粗，活性不能充分发挥的现象。目前大多厂都采用分机粉磨，按熟料强度和矿渣的活性指数确定掺和比例）。特性是：早期强度低、后期强度增长较快，水化热小，耐冻性差，抗侵蚀性较好，耐热，易碳化，干缩大。适宜于高湿度或水中环境,有耐侵蚀要求及大体积混凝土；不适宜快硬及有抗渗性要求的混凝土。

4）火山灰质硅酸盐水泥（P·P），允许掺入火山灰质混合材料＞20%且≤40%。特性是：抗渗性好于其它同矿渣水泥。适宜于有抗渗要求的混凝土，不适宜干燥、寒冷环境，及有快硬、高强（C40以上）及耐磨要求的混凝土。

5）粉煤灰硅酸盐水泥（P·F），允许粉煤灰掺加量＞20%且≤40%。粉煤灰也属于火山灰质材料，但因其需水量较小、抗裂性较好、活性较高，不同于其它火山灰质材料，故单列为一个品种。适宜性与火山灰水泥基本相同。

6）复合水泥（P·C），可加入二种或二种以上的混合材料，总掺量为＞20%且≤40%。复合水泥可发挥不同混合材料材性的互补作用，调节水泥性能。其特性和适宜性根据所掺混合材料的种类、掺量而定。

水泥品种的划分,主要目的是区别水泥的不同性能，方便施工单位根据不同用途选择适宜的水泥。目前水泥品种存在的问题是名不符实。有些生产厂家在经济利益的驱使下不按标准要求掺加混合材料,对新开发的混合材料也没有做验证检验。为了增加混合材掺量，有的还自行加入所谓助磨剂（实际上是增强剂）。使同一品种、同一等级的水泥性能差别很大；不同品种的水泥特性不明显，造成水泥的使用功能下降，给混凝土施工带来很多困难，混凝土质量也难以保证。

2.3 硅酸盐水泥熟料与混凝土耐久性的关系

熟料是由含 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料按适当配比磨细成粉，烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要矿物成份的产物。主要矿物成份有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）等。C3S是水泥早期强度的主要来源，水化速度较快，水化发热量较大；C2S是水泥后期强度的主要来源，水化速度很慢，水化发热量最小。C3A的水化最快，水化放热量最大，水化物的强度最低，干缩大。同一品种和相同强度等级的水泥，由于熟料中C3A和C3S含量、水泥细度、SO3含量、碱含量不同，其与水发生作用后释放的水化热和流变性能以及硬化后的早期强度、后期强度增长率、抗裂性、抗化学腐蚀等性能都会有较大差别。因此，不同厂家生产的水泥产品，甚至同一厂家生产的不同批次产品，性能上可能有很大差异。相同品种和强度等级的水泥，在相同配合比和相同的试验条件下进行抗裂性试验时,所得出的抗裂时间和开裂度，相差一倍的并不少见。熟料矿物成份的不同含量，直接影响水泥的性能。

硅酸盐水泥的抗硫酸盐、抗酸等抗化学侵蚀能力很差。硅酸盐水泥的水化物Ca(OH)2，不论在强度上还是在化学稳定性上都很弱，在硫酸盐腐蚀条件下容易分解，遇软水还会溶解，是混凝土耐久性上的薄弱环节。

在硅酸盐水泥中加入适量的混合材料,对于提高混凝土抵抗盐、酸等化学腐蚀介质的能力有很大作用。以往的观点认为：“Ca(OH)2呈碱性，对防止钢筋锈蚀有利。混凝土中掺入粉煤灰、硅灰等火山灰质混合材后可与Ca(OH)2发生火山灰反应，会消耗Ca(OH)2并降低混凝土中的碱度，因而不利于防锈,所以需对粉煤灰等矿物掺和料的掺量加以严格限制。”但是研究表明,火山灰反应形成的致密水化物改善了混凝土的微观结构，只要水灰比低，通过火山灰反应不但可以提高混凝土的抗水、抗酸、抗盐类侵蚀，而且在防止钢筋锈蚀的能力上也有提高。

2.4 水泥强度与混凝土耐久性的关系

水泥强度反映的是水泥的胶结能力,是水泥最重要的使用功能之一。但水泥的品质质量不能以强度作为唯一的衡量尺度，不能认为强度高的水泥就一定好。发达国家的水泥标准中，对于水泥强度的要求，不仅规定了最低值，而且也规定了最高值，强度超过最高值的也判为不合格品。而我国水泥标准中则没有最高值的限制,客观上起到了误导厂家和用户片面追求过剩强度的作用,尤其是受到经济利益和追求施工进度的驱使,过分追求早期强度而不惜牺牲水泥的其它性能和混凝土耐久性质量。在我国目前生产工艺条件下，提高水泥强度（尤其是早期强度）的主要措施，实际上是增加水泥中的C3A与C3S的含量并提高水泥的比表面积，从而导致了水泥水化速率过快、水化热增大，混凝土收缩大，抗裂性能下降，混凝土的结构不良，抗腐蚀差。据有关资料表明，早期强度很高的水泥在14 d以后的强度几乎不再增长，长期强度甚至还有可能倒缩。水泥中C3A的3 d水化热量约为C3S的3.7倍和C2S的17.2倍，7 d水化热量约为C3S的7倍和C2S的37倍，C3A收缩率大约是C3S和C2S的3倍。而环境中的化学腐蚀介质对混凝土的侵蚀对象主要就是C3A和硅酸盐水泥水化物中的Ca(OH)2。

水泥强度与混凝土耐久性之间并不存在必然联系。比如在硅酸盐水泥中掺入粉煤灰，强度往往有所下降，而混凝土抗氯盐侵入的能力却能成倍增加。再如，在混凝土中加入引气剂后,强度也会受到影响,但其抗冻性却有极大的改善。

长期以来水泥常以早期强度高，28天强度大作为衡量质量的标准。在施工单位中也形成了单纯追求混凝土强度的倾向,以为加大水泥用量或采用早强水泥有利于混凝土质量，实际结果却恰恰相反。对于现代混凝土来说，提高混凝土强度比较容易，而混凝土的耐久性则亟待改善。

2.5 水泥的需水性与混凝土耐久性的关系

水泥的需水性是指达到砂浆或混凝土流动度要求时的加水量。水泥加水的目的有二个：1)保证硅酸盐矿物的水化反应；2)保证砂浆或混凝土具有一定的塑性或流动性。水泥需水量大，在配制混凝土时用的水灰比就要增大。过大的水灰比特别不利于混凝土的强度和耐久性,也特别不利于混合材料的效能发挥。与硅酸盐水泥相比，粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、复合水泥的性能受水灰比的影响很大，尤其是粉煤灰水泥则最为敏感。实践证明只有在低水灰比（如小于0.40）的前提下，混合材料的作用才得以充分发挥。

需水量小的水泥,其优良性能往往受到现行标准试验方法的掩盖而不能体现。因为标准规定的试验方法主要考虑的是水泥质量的可比性，没有考虑混合材料的不同特性。例如，在强度检验中采用了0.50的固定水灰比，这样对掺有混合材料并且需水量较小的水泥就极为不利。需水性小的水泥，胶砂易出现泌水、流浆，混合材料对胶凝的质密作用发挥不出来，试体结构疏松、气孔多、强度低；需水量大的水泥，流动性差，砂浆强度与混凝土强度相比有虚高现象。混合材料掺量大的水泥，水化慢，早期强度发展慢，对环境温度和湿度比较敏感，标准试验温度为20℃±1℃，相对湿度＞90%，而现场施工条件却随气候变化而变化。夏季远远高于试验室温度，冬季远远低于试验室温度；夏季对混合材料掺量大的水泥强度增长有利，冬季就很不利。在室内外温湿度相差不大的春秋季,水化热高的硅酸盐或普通水泥实际强度要高于室内标准养护下的强度，而水化热低的、混合材料掺量大的水泥却正好相反。

2.6 水泥中的碱含量与混凝土耐久性的关系

对水泥中碱含量的控制,以往主要从控制碱—骨料反应的角度提出要求。但工程实践发现，不管是否有活性骨料存在，碱的影响首先表现在增加混凝土的开裂倾向。这是由于水泥的碱含量高引起的收缩所致。为了防止碱促进混凝土的开裂，水泥中的碱含量应不超过0.6%。近年来，为限制水泥和外加剂中的碱含量,在工程实践中又发现水泥中碱含量太低时，会使大坍落度（大于160 mm）混凝土的泌水性增加。当使用较大掺量的矿物掺和料或水泥中的C3A、C3S含量低时，对水泥中的碱含量上限可适当放宽。

2.7 混合材料与混凝土耐久性的关系

水泥中掺入混合材料的目的首先是为了改善水泥性能，提高混凝土耐久性，而不是仅出于压低强度，增大产量降低水泥生产成本。认为高强混凝土就需要增加水泥用量或减少混合材掺量是一种误解。在混凝土配比时要尽可能降低硅酸盐水泥用量的目的是增加混合材料的掺量以减少水泥中C3A和C3S含量过高所带来的负面影响。水泥的早期强度愈高，对混凝土的耐久性愈不利，开裂倾向愈大。

2.7.1粉煤灰

现行粉煤灰分级标准的缺点是，用细度、需水量比、烧失量和28 d抗压强度比作为分级要求，而将烧失量很小，只是需水量比稍小于95或细度稍大于12%的不符合一级标准的粉煤灰降为二级，这样不利于发挥粉煤灰的效用。粉煤灰的品质，首先应考虑烧失量，其次是需水量比和28天抗压强度比，而细度偏粗不必过于苛求。一般说来，粉煤灰的烧失量大，说明含碳量高，而碳含量高就会导致需水量大。用电收尘方法收取的灰越细所含玻璃微珠越多，含碳量低，需水量小，但产量很低。实际中选用粉煤灰时，因条件所限不得不采用烧失量大的粉煤灰时,必须经过需水性和抗压强度比试验，且烧失量要控制在8%以内。发电厂的三、四级粉煤灰的产量最大，但收取的粉煤灰多因团聚颗粒多、碳含量大，需水量大而不能直接使用。不少单位研究用磨细的办法打开团聚颗粒，减少孔隙率,在减小需水性上取得很好的效果。实践证明当粉煤灰细度的比表面积在800 m2/kg~1 000 m2/kg时，性能有很大改善，需水性减小，活性及火山灰质材料的质密性都有很大提高。粉煤灰水泥的最大掺量为40%，以不超过30%为宜。用比表面积来表征粉煤灰的细度时，因它的材质轻，密度和空隙率与标准样相比差别较大，有时并不能检测出粉煤灰的真实细度。所以粉煤灰的细度还可用45 μm筛余表示。

2.7.2矿渣粉

矿渣粉的质量分为S105、S95、S75三个级别,技术指标有密度、比表面积、活性指数、流动度比、含水量、三氧化硫、氯离子、烧失量等。其中比表面积和活性指数最为重要。因为矿渣的材质密实，需水量小，水化速度慢，当粉磨细度达到400 m2/kg~600 m2/kg时，活性可大幅度提高。对于高细度的矿渣微粉，在一定的掺量内，水泥或混凝土的强度随掺量的增加而提高。但是混凝土的温升和化学收缩也随之增加，从减少混凝土收缩、开裂的角度考虑，矿粉细度的比表面积以不超过450 m2/kg为宜。矿渣的活性与火山灰质材料不同，自身具有水硬性,但需要水泥水化物Ca(OH)2和石膏的激发。在矿渣掺量达到一定数量后,由于混凝土中水泥量相应减少,矿渣的水化速度因缺少足够的激发而减慢,相应的水化热和自收缩就会减小，所以当掺量超过75%以后，可采用高细矿渣粉。因为矿渣材质较硬，将其磨至规定细度时，耗时、耗能，有些生产厂为了提高产量，在粉磨矿渣时加入大量的易磨混合材料（如粉煤灰、炉底渣、碱渣、脱硫石膏等），这样做虽然矿渣的细度易达到标准要求,但矿渣的活性及使用性能降低。因此在验收矿粉质量时,矿粉的活性指数是首先考量的指标。

2.7.3其它混合材料

水泥中可掺入的混合材料品种很多，如沸腾炉渣、煤矸石、石灰石、沸石、玄武岩等。但这些混合材料大多因需水性大，活性低而掺量有限。不同的混合材料，材性各不相同，二种或二种以上复合使用时，具有性能互补效应。如活性材料与非活性材料，碱性材料与酸性材料，需水性大的材料与泌水性大的材料等。在水泥中掺入一定量的混合材料，可有效改善水泥的性能，从而提高混凝土的工作性和耐久性。如硅灰对提高混凝土抗化学腐蚀性有显著效果，但掺量多时，因其活性高，需水量大，反而会引起水化热增高，自收缩加大；天然沸石因其特殊的结构作用,抗碱—骨料反应和抗硫酸盐侵蚀能力很强，但因其需水性过大，不易多掺。大体积混凝土掺入混合材料后，可有效减小混凝土体积内的温度、减小体积收缩，提高结构密实度。

3 结语

硅酸盐水泥和普通水泥，因C3A和C3S含量多，水泥早期强度较高；但又因C3A和C3S含量高，则又造成水泥的水化热高，水化胶凝收缩大，稳定性差，抗盐、抗酸、抗软水的化学侵蚀能力很差，对混凝土的耐久性影响很大。掺有各种混合材料的水泥，若混合材掺量不当，级配不合理，也会造成混凝土的和易性差，早期强度低，结构不密实，耐久性差。发挥混合材料的良好作用必须以低水胶比为前提,以优化组合、颗级配、紧密堆积的理论为指导，以提高和改善混凝土的工作性和耐久性为目标，合理的加配各种混合材料，改善硅酸盐水泥中的不稳定因素,水泥的性能才能符合混凝土耐久性的需要。