混凝土胶凝材料杂谈
摘要
水泥熟料、矿渣硅酸盐水泥、无熟料水泥、凝石、土聚物、地聚合物它们都应属于胶凝材料。 混凝土是重要的结构材料，是水泥、石子、砂子、水、外加剂（还有的加混合材料）组成的混合物，是一个有机的整体，混凝土的综合性能是五大材料特性及含量决定的，这五大组成部分互相依托、互为条件、互相作用、互相影响，混凝土的综合性能是五大材料特性的集中体现。 五大材料有自然条件形成的，有人工条件合成的， 各材料矿物成分不同，特性不同，都或多或少地含有一些对混凝土有害的化学成分，影响混凝土的综合性能。所以，制备混凝土必须统筹考虑水泥、石子、砂子、水、外加剂等各材料的矿物成分、矿物成分的特性，各矿物成分之间的关系，各矿物成分特性之间的关系，最终水化产物的矿物组成、性能等诸多因素，只有把五大材料看作是一个有机的整体，使各矿物成分的特性得到充分的发挥和利用， 使水泥、骨料、水、外加剂各矿物成分的特性达到相对的统一，才能使混凝土的综合性能才能达到最佳状态。
目前，混凝土存在碱骨料反应问题、微裂缝问题、耐久性问题、五大材料之间的适应性问题等，对于这些问题还没有实质性的突破。其主要原因是水泥本身存在一些问题，同时，石子、砂子、水、外加剂等各材料也存在一些问题，对于这些问题没有得到有效控制或有些根本就没有办法有效控制，更没有得到有效利用。引发碱骨料反应的因素，主要是水泥、石子、砂子、水、外加剂中，都或多或少的含有非常活跃的钾、钠离子造成的，固化了这些非常活跃的钾、钠离子，也就消除了碱骨料反应问题。微裂缝问题，温度是造成微裂缝的主要因素，在成型过程中因水化热过高造成的，水泥水化热的峰值基本出现在终凝之后，改变水泥的放热时机，就可以消除或大大降低水化热引起的温度裂缝。消除钾、钠离子和水化热的危害，混凝土耐久性将有显著的提高。
水泥是混凝土的主要胶结材料，对混凝土的综合性能起主导作用，在混凝土中起桥梁和纽带的作用。是由多种矿物成分组成的混物，水泥的综合性能是由水泥中所含矿物成分特性及含量决定的，是许多矿物成分特性的集中体现。因此，研究水泥的综合性能就必须
研究各种矿物成分的水化特性、水化产物，各种矿物成分水化特性之间的关系，各种水化产物之间的关系，只有当水泥各种矿物成分所有的特性都达到所需的最佳状态，使水泥中多种矿物成分的水化特性、水化产物的特性，都得到最大限度地发挥和利用，水泥的综合性能才能达到最佳状态。特别注意的是：只研究水泥的综合性能是不够的，必须统筹考虑石子、砂子、水、外加剂这些材料中，能与水泥起反应的化学成分，于水泥的各矿物成分达到相对的统一，使所有的矿物成分都得到最大限度地发挥和利用，并能产生互补叠加效应，这才是最理想的胶凝材料。
水泥熟料、矿渣硅酸盐水泥、无熟料水泥、凝石、土聚物、地聚合物它们都应属于胶凝材料，但它们特性各有优、缺点，它们的生产工艺既有相同或相似之处，又有差异。既有共性规律，又有个性特点。
经过处理的矿渣、粉煤灰、水泥熟料都属于火山灰性材料，在高温的作用下使其结构发生相应的变化，材料在升温过程中吸收的能量并有一部分储存起来，使物料具有一定的内能，而温度下降后，其结构来不及调整，使结构处于亚稳或界稳状态，具有一定的水化活性。因处理的工艺或方法不同，物料中所含钙：铝：硅比例不同，使矿渣、粉煤灰、水泥熟料所具有水化活性大小或水化速度的快慢不同而已。
水泥熟料具有水化活性大或水化速度快，水化产物主要为含高钙的单盐、碱和含高钙的复盐（钙矾石）等。
矿渣、粉煤灰具有水化活性小或水化速度的慢。但矿渣、粉煤灰在激发剂的作用下，水化速度加快（确切地说化学反应速度急剧加快），其产物中主要是含硅铝的复盐，而且是含钾、钠、钙的复盐。反应过程基本存在溶解-单体重构-结构形成的过程。硅铝的复盐硅酸盐水泥相比强度高，化学稳定性好，耐高温性能好。
无熟料水泥、凝石、土聚物、地聚合物，它们生产工艺不同，所用原料不同，其作用机理上述几种情况基本类似。都含有Ca(OH)2、CaSO4、Na2SO4、K2SO4、KOH、NaOH、NaCO3、KCO3和水玻璃、硅酸盐水泥熟料等激发剂，在激发剂的作用下，激发矿渣、粉煤灰物料的活性，使其水化速度加快。
矿渣硅酸盐水泥与无熟料水泥生产工艺和矿物组成比较接近，无熟料水泥明确引入了碱性激发剂这个概念，所用的碱性激发剂或硫酸盐激发剂(如石灰、硅酸盐水泥熟料、石膏)，激发剂的效果不理想。矿渣硅酸盐水泥经过长期的应用，发现对碱骨料反应有抑制作用。
水泥熟料、矿渣硅酸盐水泥、无熟料水泥、凝石、土聚物、地聚合物它们都应属于胶凝材料，其特点：
一是都属于火山灰性材料，结构处于界稳状态，具有一定的水化活性，水泥熟料是根据所需人工条件合成，矿渣、粉煤灰、火山灰都属自然条件形成的或工业副产品。
二是水泥熟料、矿渣硅酸盐水泥、无熟料水泥、凝石、土聚物、地聚合物都含有硅、铝、钙、钾、钠、镁等成分，但硅、铝、钙、钾、钠、镁等成分的含量差异很大。调整成分的含量，胶凝材料的特性将随之改变。
三是钙的含量越高其强度越低。水化产物主要为含高钙的单盐、碱和含高钙的复盐（钙矾石）等。硅、铝的含量越高其强度越高、其产物中主要是含硅铝的复盐，而且是含钾、钠钙的复盐。
四是钙的含量越高，水化活性越高，钙的含量越低，水化活性越低。钙的含量越高，存在碱骨料反应的机率越高。游离的氧化钙的值为零时，将不存在碱骨料反应问题。.
五是除水泥熟料外，都引入了激发剂这个概念，只是激发剂的种类不同，效果不同。
众所周知，水泥熟料是以人工条件合成的，在合成各种矿物成分的过程中，所用的原料（化学成分）不同、各原料的比例不同、煅烧温度不同等，所合成的矿物组成不同，各种矿物成分的含量不同，各种矿物成分的特性（水化特性等）不同。而“两磨一烧”工艺流程采用的是一次性组配生料，一次性煅烧（或带预分解），最后生产出一定矿物组成的熟料。无法使水泥的矿物组成、各矿物成分的含量、各矿物成分的水化特性等因素同时都达到最佳状态。更无法考虑石子、砂子、水、外加剂这些材料中的能与水泥起反应的化学成分的问题。因此, “两磨一烧”工艺流程本身就存在一定的缺陷。“两磨一烧”工艺流程的缺陷如下：
一是“两磨一烧”工艺流程可以合成许多矿物成分，如C3S、C2S、C3S、CA、CA2、C4AF、C2AS等。但无法使水泥熟料的矿物组成达到最佳匹配，各矿物成分的含量更无法任意调整到最佳比例。
二是无法使各矿物成分的水化特性都达到最佳状态（如煅烧温度的高低影响C2S水化速度快慢）。
三是更无法使水泥中各矿物成分的特性产生互补叠加效应，最大限度地发挥各矿物成分的作用。
针对上述问题，在“两磨一烧”工艺流程的基础上，创建了一套新的工艺流程，使水泥的矿物组成、各矿物成分的含量、各矿物成分的水化特性等因素同时都达到最佳状态。采用新的工艺流程生产的水泥，不存在碱骨料反应问题，水化热可根据工程需要进行调节，与外加剂的适应性强，强度、密实性、抗冻融性等综合性能是现有水泥所无法比拟的。
各类型熟料的基本特性和水化产物
一、硅酸三钙矿物成分的水化产物：
2（3CaO·SiO2）+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3CaO·H2O
此类熟料的主要特性：强度高，水化速度快，水化热高，有一定量的氢氧化钙产生（氢氧化钙的强度极低）。
二、硅酸二钙矿物成分为主的水化产物：
2（2CaO·SiO2）+H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+CaO·H2O
此类熟料的主要特性：强度高，但水化速度慢，水化热低，有少量的氢氧化钙产生（氢氧化钙的强度极低）。
三、铝酸一钙矿物成分为主的水化产物：
CaO·Al2O3+10H2O=CaO·Al2O3·10H2O
2（CaO·Al2O3）+11H2O=2CaO·Al2O3·8H2O+ Al2O3·3H2O
CaO·Al2O3·10H2O =3CaO·Al2O3·6H2O+ 2（Al2O3·3H2O）
此类熟料的主要特性：水化速度快，水化热高，凝结硬化快。有一定量的氢氧化铝产生。有表面起沙和后期强度降低现象。有晶型转化。
四、二铝酸一钙成分为主的水化产物：
3（CaO·2Al2O3）+21H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+ 5（Al2O3·3H2O）
此类熟料的主要特性：水化速度慢，水化热低，凝结硬化慢，有一定量的氢氧化铝产生。有表面起沙和后期强度降低现象。有晶型转化。
上述许多矿物成分的特性具有互补效应，如何使水泥中各矿物成分的水化特性、水化产物得到充分的发挥和利用，如何使水化产物能产生多组份协同叠加效应，并达到相互影响、相互作用的良性循环，产生“自身固相、自身密实、自身养护”的奇特效果。使水泥的强度、耐久性与外加剂、石子、砂子、水的适应性等综合性能显著提高。
岩石
由各种不同的地质作用所产生的天然固态矿物集合体。主要由单一的矿物组成的岩石，叫单矿岩，如石灰岩就是由95%以上的方解石组成的单矿岩。两种或两种以上的矿物组成的岩石，叫复矿岩（又称多矿岩），如主要由长石、石英、云母组成的花岗岩，按成因不同，岩石可以分为三大类：火成岩、沉积岩、变质岩。
滑石：MgO 31。9% 、SiO2 63。4%、H2O 4。7%
化学式3MgO·4SiO2·H2O 晶体结构式：Mg3[Si4O10]（OH）2
绿泥石：化学式9MgO·3Al2O3·5SiO2·8H2O
蛇纹石：化学式3MgO·2SiO2·2H2O
钙铝石榴子石：化学式3CaO·Al2O3·3SiO2
方解石：化学式CaCO3
菱镁矿：化学式MgCO3
白云石：化学式CaCO3·MgCO3
透闪石：化学式2CaO·5MgO·8SiO2·H2O 晶体结构式：
硅灰石：CaO 48。25%、SiO2 51。75%。化学式 CaO·SiO2 晶体结构式：Ca（SiO3）
透辉石岩：CaO 25。9%、MgO 18。6% 、SiO2 55。5%。化学式CaO·MgO·2SiO2 晶体结构式： CaMg[Si2O6]
钾长石：K2O 11。8%、Al2O3 18。4%、SiO2 64。7%。化学式K2O·Al2O3·6SiO2 晶体结构式： K[AlSi3O8]
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