简述水泥的组成、水化反应及化学腐蚀作用

贾海涛，侯帅，张立泉，张功辉，王辉，黄素哲

（中铁检验认证中心铁道建筑检验站，北京 100016）

简述水泥的组成、水化反应及化学腐蚀作用

贾海涛，侯帅，张立泉，张功辉，王辉，黄素哲

（中铁检验认证中心铁道建筑检验站，北京 100016）

水泥颗粒与水接触后，即开始水化反应。反应从颗粒的表面逐层进行，水化产物主要为：水化硅酸钙凝胶、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和钙矾石。化学腐蚀对水泥石的破坏原理，主要包括 4 种。侵蚀性介质就是随着外界水分从孔道渗入水泥石中的，它们可与氢氧化钙和水化铝酸钙反应，从而对水泥石起到破坏作用。

矿物组成；水化反应；水泥石；化学腐蚀

0 前言

水泥是极其重要的建筑材料，在工程施工中得到广泛应用。保证水泥的生产质量并合理使用，就为工程质量提供了有力的保障。本文简要介绍了水泥的组成及其水化原理，并着重列举了化学腐蚀对水泥结构物的破坏作用，希望对工程中水泥的合理使用、保障水泥结构使用寿命，起到促进作用。

1 水泥的组成

水泥主要由石灰质和粘土质原料按约 3：1 的比例混合烧制而成，原料磨细后的生料粉，入窑煅烧成为熟料，再加入适量石膏研磨，成为水泥，即“两磨一烧”工序［1］。

1.1 矿物组成

制成的水泥是细度为 3～30μm 的粉体，主要由 4 种矿物组成，这些矿物分别由二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）、三氧化二铁（Fe2O3）、氧化钙（CaO）这 4 种化学成分构成。

表1 水泥的矿物组成

1.2 石膏

是为延缓水泥的凝结时间而加入的调凝剂，主要使用生石膏（CaSO4·2H2O），掺量一般为水泥质量的3%～5%，在水泥水化开始后 24 小时内耗尽。由于铝酸三钙的水化速度很快，大量放热，会造成水泥的急速凝结（即闪凝），使水泥无法正常使用。石膏能迅速与水化铝酸钙（铝酸三钙的水化产物）反应，生成水化硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，即钙矾石），其难溶于水，并沉积在水泥颗粒表面，从而放慢了铝酸三钙的水化速度，也就延缓了水泥的凝结。

1.3 混合材料

是为改善水泥性质，而在熟料磨细时加入的人工或天然矿物材料。其中，非活性混合材主要起填充作用，品种有石英砂、石灰石、粘土等；活性混合材可生成水化产物，对水泥起到增强、增密、耐腐蚀等作用，品种有矿渣、粉煤灰、火山灰等（由于这些材料的质量、细度都逊于混凝土掺合料，所以作用也较弱）。

活性混合材的主要成分是二氧化硅和三氧化二铝，它们可与氢氧化钙［Ca(OH)2］反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）和水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·6H2O）：

以上反应被称为火山灰反应，因为这些反应都发生在水泥水化之后，也称二次反应。另外，石膏可与新生成的水化铝酸钙反应，生成钙矾石，其具有强度（反应发生在水泥硬化之前，所以对水泥的强度有益）。活性混合材本身不具有胶凝性，只有在氢氧化钙和石膏存在时，才会生成胶凝产物，并具有强度。因此，氢氧化钙和石膏也叫做活性混合材的激发剂。

“专门用途的水泥，称为专用水泥；某种性能比较突出的水泥，称为特性水泥；建筑工程常用的水泥，称为“通用水泥［2］”。GB175—2007《通用硅酸盐水泥》［3］中，就是根据使用混合材的种类、掺量不同，把通用水泥分为 6 个品种，可依据工程的不同特点选用。

1.4 有害物质

除 4 种主要矿物外，水泥中还含有少量有害物质，即能对水泥硬化产物（水泥石）、水泥结构物中的骨料、钢材造成破坏的物质：游离氧化钙（f-CaO）、游离氧化镁（f-MgO）、三氧化硫（SO3）、碱（包含 K2O、Na2O，统一记为 R2O）及氯离子（Cl），国标及相关标准对有害物质的含量都有明确规定。

游离氧化钙和游离氧化镁在熟料煅烧过程中，结构变得极其致密，所以在水泥硬化后才会缓慢水化：CaO + H2O→Ca(OH)2、MgO + H2O→Mg(OH)2，水化时体积膨胀，不均匀的膨胀会引起水泥石开裂。石膏掺量过高，没能在水泥硬化前耗尽，余下的三氧化硫继续与水化铝酸钙反应，生成的钙矾石体积膨胀很多，从而引起水泥石胀裂。以上都是水泥体积安定性不良的原因，即在水泥硬化后，内部产生不均匀膨胀而造成的水泥石开裂。安定性不良的水泥，不得使用。游离氧化钙引起的安定性不良可用沸煮法检验，游离氧化镁引起的可用压蒸法检验，石膏引起的需长时间在温水中浸泡才能发现。

碱含量超标，则可能与骨料发生碱-骨料反应。需要在湿度足够时、骨料中又含有碱活性矿物，发生反应后的产物可吸水膨胀，导致水泥石与骨料的粘结破裂，最终结构物开裂。

氯离子，会腐蚀结构物中的钢材，即钢筋锈蚀。氧气和水分充足时，锈蚀作用即会发生，铁锈的体积要比原来增大很多，从而使钢材与水泥石剥离，致使结构物破坏。

2 水化反应

水泥颗粒与水接触后，即开始水化反应（温度低于-10℃，反应终止）。反应从颗粒的表面逐层进行，水化产物主要为：水化硅酸钙凝胶（在水化产物中占比 50% 以上）、水化铁酸钙凝胶（CaO·Fe2O3·H2O）、氢氧化钙、水化铝酸钙和钙矾石。反应式如下：

若石膏耗尽时，仍有未水化的铝酸三钙存在，则会和钙矾石反应，生成单硫型水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)：

随着水化产物的不断增加，凝胶体互相搭接，游离水分不断减少，水泥与水搅拌成的浆体逐渐凝结，进而硬化并产生强度，形成水泥石。其实，水泥水化是个漫长的过程，较大的颗粒很难完全水化。但水泥强度在初期发展较快，28d 内已完成大部分的增长，之后速度明显放慢。

3 化学腐蚀

水泥结构物在使用过程中，会受到外界侵蚀性介质的腐蚀，从而降低使用年限甚至完全破坏。侵蚀过程往往是物理和化学作用交互发生，几种腐蚀同时出现。在此，着重介绍化学腐蚀对水泥石的破坏原理，主要包括4种。硬化后的水泥石并不完全密实，还存在很多拌合水消耗后（水化和蒸发）留下的毛细孔道，以及搅拌进入空气留下的气孔。侵蚀性介质就是随着外界水分从孔道渗入水泥石中的，它们可与氢氧化钙和水化铝酸钙反应，从而对水泥石起到破坏作用。

3.1 碳酸水腐蚀

雨水、泉水、地下水中含有一些二氧化碳（CO2），可与氢氧化钙反应，生成碳酸钙（CaCO3）：Ca(OH)2+ CO2+ H2O→CaCO3+ 2H2O。水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物只能在一定碱度下，才能稳定存在。氢氧化钙的耗失，使水泥石碱度下降，导致水化产物随即分解溶蚀，水泥石破坏。在二氧化碳充足时，还可生成碳酸氢钙［Ca(HCO3)2］：CaCO3+ CO2+ H2O→Ca(HCO3)2。碳酸氢钙易溶于水，可导致水泥石破坏（与水泥结构物的碳化类似，碳化是专指在空气中发生的反应）。

3.2 一般酸腐蚀

工业废水、地下水、酸雨中常含有盐酸（HCl）、硝酸（HNO3）、氢氟酸（HF）、醋酸（CH3COOH）等有机酸，这些酸类均可与氢氧化钙反应，生成易溶物。如盐酸与氢氧化钙反应：2HCl + Ca(OH)2→CaCl + 2H2O，氯化钙（CaCl）易溶于水，水泥石受到侵蚀。

3.3 镁盐腐蚀

海水和地下水中常含有氯化镁（MgCl2）等镁盐，它们能与水泥石中的氢氧化钙起置换反应，生成易溶的氯化钙和略有膨胀性的氢氧化镁［Mg(OH)2］：MgCl2+ Ca(OH)2→CaCl + Mg(OH)2，从而破坏水泥石结构。

3.4 硫酸盐腐蚀

海水和盐渍土中含有硫酸盐，主要有硫酸钙（CaSO4）、硫酸镁（MgSO4）和硫酸钠（Na2SO4），它们可与氢氧化钙反应生成石膏，如：Na2SO4+ Ca(OH)2+ 2H2O→CaSO4·2H2O + 2NaOH。石膏本身具有膨胀性，且可与水化铝酸钙反应，生成膨胀性更大的钙矾石，其体积可膨胀到原来的1.5倍，对水泥石具有严重破坏作用。因钙矾石呈针状结晶形态，故也被称为“水泥杆菌”。海水中含有大量硫酸盐和其它盐类，但海水并不像单纯硫酸盐腐蚀严重，这是因为海水中含氯离子，石膏与钙矾石在氯盐溶液里的溶解度比在水中大，所以危害就小。另外，硫酸盐还能直接与单硫型水化硫铝酸钙反应，生成钙矾石［4］：

预防措施。为防止和减轻水泥石的腐蚀，主要有以下 3种措施：1 根据环境条件选用水泥品种，如在硫酸盐腐蚀严重的地区，可选用铝酸三钙含量低于 5% 的抗硫酸盐水泥。2提高水泥石结构的密实度，使侵蚀性介质难以渗入水泥石内部。3 在水泥结构物的外表面加覆盖层，隔绝侵蚀性介质与水泥石的接触。4 添加矿物掺合料，使用混凝土外加剂等。

4 结语

本文从水泥水化角度对水泥概况做了介绍，水泥生产消耗大量能源，并排出大量粉尘和二氧化碳。生产 1 吨水泥，大概要排出 1 吨二氧化碳，可见水泥生产对环境造成的巨大负担。今后若干年，水泥仍是最主要的建筑材料，为了节能减排，工程技术人员应了解水泥的基本知识，使用过程中优化混凝土配合比，尽可能减少水泥用量，提高水泥利用率；根据使用环境，选择不同种类水泥，控制水泥中有害物含量，延长建筑物的使用寿命。

[1] 安文汉．铁路工程试验与检测[M]．山西：山西科学技术出版社，2006．

[2] 祝根立，朱国民．混凝土外加剂实验室检验员培训讲义[M]．北京：2006．

[3] GB175—2007．通用硅酸盐水泥[S]．

[4] 袁润章．胶凝材料学[M]．湖北：武汉理工大学出版社，2005．

［通讯地址］北京市朝阳区酒仙桥北路 1 号，铁科院东郊分院（100016）

图3 预拌现浇泡沫混凝土施工

5 结论

预拌现浇泡沫混凝土可真正实现泡沫混凝土配合比的设计及性能优化，避免了泡沫混凝土匀质性差、易塌陷开裂等传统现浇泡沫混凝土的缺陷，有效的保证了泡沫混凝土的施工质量。生产工艺上，预拌现浇泡沫混凝土采用搅拌站拌制净浆，真正实现泡沫混凝土工业化、绿色化生产，是对传统泡沫混凝土生产工艺的一大突破。

参考文献

[1] Pan Z H，Fujiwara H，Wee T．Preparation of high performance foamed concrete from cement, sand and mineral admixtures[J]．Journal of Wuhan University of Technology；Materials Science Edition，2007, 22(2)；295-298．

[2] 扈士凯，李应权，罗宁，等．泡沫自身参数对泡沫混凝土性能影响的研究[J]．墙材革新与建筑节能，2010(5)：28-31．

[3] 李应权，朱立德．泡沫混凝土配合比设计[J]．徐州工程学院学报（自然科学版），2011, 26(2)： 1-5．

[4] 周明杰，王娜娜，赵晓艳，等．泡沫混凝土的研究和应用最新进展[J]．混凝土， 2009, (4)： 104-107.

[5] 刘阳，王晴，许峰．泡沫混凝土的制备及多功能性[J]．混凝土，2012, (12)： 120-121．

[6] 潘志华，陈国瑞，李东旭，等．现浇泡沫混凝土常见质量问题分析及对策[J]．新型建筑材料，2004, (1)： 4-7．

[7] 杨奉源．泡沫混凝土性能的影响因素研究[D]．绵阳：西南科技大学，2012．

［作者简介］卢佳林（1986-），男，硕士，工程师，主要从事预拌混凝土及混凝土制品的研究。

［单位地址］四川省成都市高新区益州大道中段 555 号星辰国际 1 栋 9 楼（610041）

贾海涛（1983-），男，汉族，籍贯北京，工作单位中铁检验认证中心，本科，工程师。