下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
水泥的基本矿物原材料为石灰石和泥土，其地质成分适合大规模生产，因为在几乎所有地区都有这些矿物的丰富矿藏，尽管它们的组成和形成情况各不相同。这些天然沉积物中含有氧化铁，它可以产生水泥的灰色。石灰石主要由碳酸钙（CaCO 3 ）组成，这是原料混合物中的主要成分。原料的制备对水泥的质量和均匀性至关重要。由于其原料是从天然沉积物中提取的，因此其个别矿物元素的含量各不相同。在提取和混合过程中，必要时会不断检查和调整原材料的成分。该混合物的碳酸钙含量应至少为76%~78%。二氧化硅（SiO 2 ）、氧化铝（Al 2 Ol 3 ）和氧化铁（Fe 2 O 3 ）的比例也必须精确保持。图2.2为水泥的成分简图。
图2.2 水泥的成分简图
制造水泥的时候，原材料被加热到约1400°C，产生硅酸盐水泥熟料。“熟料”这个词是早期制造过程中的传统描述。在这个过程中，从窑炉中取出熟料，像砖块一样坚硬的材料被磨碎。熟料的主要化学成分有硅酸三钙（C 3 S）、硅酸二钙（C 2 S）、铝酸三钙（C 3 A）和铁铝酸四钙（C 4 AF） [12] 。今天的生产通过烧结矿物来产生燃烧过程的最终产物，并通过回转窑输送，形成致密的灰色硬块。硅酸盐水泥是通过研磨熟料和加入约5%的硬石膏（CaSO 4 ）来控制硬化。水泥中可能还含有一些其他的少量成分，如碱金属的氧化物等。表2.1显示的是硅酸盐水泥的主要化学组成及质量分数。
表2.1 普通硅酸盐水泥的主要化学组成及质量分数
水泥的工作原理是基于水化过程，即当加水时，水泥中的某些物质与水发生反应，导致混合物迅速凝固和硬化。水化物生成速度大于水化物向溶液扩散的速度，于是生成的水化产物在水泥颗粒表面堆积，这层水化物称为凝胶膜层，这就构成了最初的凝胶结构。在这过程中发生的水化反应可能有：
部分水化铝酸钙与石膏作用产生如下反应：
水泥中的主要成分C 3 S和C 2 S水化反应后生成的水化硅酸钙凝胶物质，通常用C—S—H表示。需要注意的是，C—S—H没有很确定的化学计量比，其中的C/S比通常在1.5~2.0之间，当水泥完全水化时，C—S—H的化学计量比可以确定，通常写成C 3 S 2 H 3 ，正如反应（2.1）所示。这四种矿物遇水后均能起水化反应，但由于它们本身矿物结构上的差异以及相应水化产物性质的不同，各矿物的水化速率和强度，也有很大的差异。按水化速率可排列成：铝酸三钙＞铁铝酸四钙＞硅酸三钙＞硅酸二钙。按最终强度可排列成：硅酸二钙＞硅酸三钙＞铁铝酸四钙＞铝酸三钙。而水泥的凝结时间、早期强度主要取决于铝酸三钙和硅酸三钙。
硅酸盐水泥的水化反应是典型的放热反应。热量在凝固和初始硬化过程中迅速生成，并逐渐下降，随着水化作用的减缓而最终稳定下来。通常，50%的热量会在水泥硬化反应前3天产生，80%会在前7天产生。此外，在最初几个小时内记录的大量温度变化可能会导致水泥浆体收缩，产生一些裂缝，这在大量混凝土或富含水泥的建筑工程中可以观察到。水泥中几乎所有的成分都参与了这种热量的产生：最显著的是铝酸三钙（207cal/g），石灰（279cal/g），而硅酸二钙的贡献最小，为62cal/g。由于水泥的水化热取决于其成分的比例，因此，水泥中各种成分和添加物的比例的控制就尤为重要，例如在水泥中使用火山灰可以减少水化过程中释放的热量，尽管火山灰-石灰反应也会产生热量。
水化反应后生成的C—S—H具有一定的孔隙结构和比较大的比表面积。同时，该反应的产物还有氢氧化钙，主要以六方晶系的晶体结构呈现，在水泥浆体的体积占比约为20%。氢氧化钙的强度比较弱，但由于其呈现碱性，对混凝土内的钢筋能起到非常重要的保护作用，并且使混凝土内部孔隙存在水分时，溶液呈碱性 [13] 。图2.3为混凝土的扫描电子显微镜照片。
图2.3 混凝土的扫描电子显微镜照片
当水泥浆体的水灰比较高时，水化反应生成六方晶型的羟钙石和针状晶型的钙矾石，但水灰比较低时，水化水泥浆的晶体形态完全不同，不再可能看到六角形羟钙石晶体或细针状的钙矾石；相反，C—S—H看起来像一种非晶态物质，以及少量结晶程度不高的羟钙石簇。当水灰比较高时，会有大量的水和空间，因此，水合物的生长可以不受阻碍地进行，从而形成大而美丽的晶体。相比之下，在低水灰比的时候，水合物的生长会受到阻碍，可用于反应的水也变得有限。一旦水的量和空间减少，可以认为水泥的水化作用是通过拓扑化学反应，而不是严格的溶解-沉淀来进行的。
硅酸盐水泥的水化作用会导致体积收缩，从技术角度来看，这是非常重要的，因为它可能通过自体的快速收缩对混凝土的稳定性产生重大影响。所有的混凝土，都会产生一些自体收缩，因为水化反应发生在封闭系统中是不可避免的结果。一些研究人员正在推广一些控制自体收缩的技术，包括在混合过程中引入少量膨胀的化学物质，这将补偿由于化学收缩而引起的表观体积的收缩。另一种解决方案是使用减少收缩的外加剂 [14] 。
使用水泥的时候，非常重要的注意事项是水灰比的选择。自从水泥被发明，人们就知道硬化后的水泥和混凝土的抗压强度在很大程度上取决于水灰比。关于抗压强度和水灰比的关系，有Feret公式表达 [15] ：
对于一些水泥，采用很低的水灰比生产的混凝土往往会导致流变问题。目前，硅酸盐水泥和混合水泥采用的常见的水/水泥或水/黏合剂（ w / b ）比率为0.485或0.500。当使用的大多数混凝土是正常强度的混凝土或抗压强度低于30MPa的低等级混凝土时，采用这样的水灰比是可以接受的。为了满足这些混凝土使用的条件，可以平衡C 3 S、C 3 A和石膏含量与水泥的比表面积，以满足标准的要求，并为超过0.5的高 w / c 或 w / b 的混合物获得较高的早期强度。随着硅酸盐水泥熟料逐渐与越来越多的补充水泥材料混合，现在倾向于生产C 3 A和C 3 S含量越来越高、比表面积越来越高的熟料，以提高混合水泥的初始强度。然而，这些措施对水泥的流变性、可持续性和耐久性可能会适得其反。第一，增加熟料的C 3 S含量意味着更多的石灰石必须被燃烧分解，更多的二氧化碳将被释放到大气中，这对环境是不利的。第二，增加C 3 A和石膏的含量意味着在水化过程中会形成更多的钙矾石。钙矾石的黏结性能较差，在许多环境中尤其不稳定，这对耐久性不利。另外，细水泥的生产可以降低混凝土的耐久性，因为它增加了塑性收缩和干燥收缩的风险，因此，如果混凝土没有和适当的水反应固化，它有开裂的倾向，这对耐久性也不利。