水泥组分对混凝土强度的影响

水泥主要有四种矿物组成，分别为：硅酸三钙（C₃S），硅酸二钙（C₂S），铝酸三钙（C₃A），铁铝酸四钙（C₄AF），此外，还含有一部分的碱和硫酸盐。

（一）水泥中四种主要矿物对混凝土强度的影响

如表1所示，为水泥主要组成矿物的性质，而水泥的强度主要取决于这四种单矿物的性质。

表1四种水泥矿物的性质

         水泥中的矿物组成决定了水泥水化后产物的组成，现有的研究已经证明，在水泥水化产物的诸多组分中，氢氧化钙是相对不稳定的，而钙硅比值比较小的水化硅酸钙凝胶化学稳定性较好，C₂S与C₃S相比，生成的氢氧化钙数量相对较少，同时水化生成的水化硅酸钙凝胶的钙硅比也相对较低，因此，在水泥的矿物组成当中，如果C₂S的含量越多，C₃S的含量越少，则越有利于提高水泥混凝土的耐久性能。而且人们早已认识到水泥中的C₃A含量过高时会对混凝土的工作性和耐久性产生不利影响。

C₃A的水化速度非常快，早期水化热很高，凝结速度快，如不掺加石膏等缓凝剂，C₃A可以在数秒内凝结硬化，从而导致水泥的急凝。C₃A的硬化速度也非常快，在3天内即可发挥出大部分强度，只是强度的绝对值不高，并且3天以后强度几乎不再增长，甚至倒缩。C₃A含量高时对水泥和混凝土性能可能产生如下影响：

（1）水泥和混凝土的早期强度高；

（2）在混凝土的水化硬化早期产生较高的水化热，导致混凝土产生温度裂缝的可能性增大；

（3）混凝土的水化硬化过程中干缩变形增大，混凝土产生干缩裂纹的可能性增大；

（4）和某些混凝土外加剂特别是高效减水剂的相容性变差。

（二）水泥中碱含量对混凝土强度的影响

碱是碱集料反应（AAR）发生的必要条件之一，混凝土中碱含量的多少影响反应的速率和反应程度。在混凝土中，碱的主要来源为水泥、掺合料、骨料、外加剂和拌和水等，水泥中的碱是混凝土中碱的主要来源。

水泥中的可溶性碱含量通常是以Na₂O当量表示，即以（Na₂O+0.658K₂O）占水泥质量的百分比来表示。碱虽然是硅酸盐水泥中的次要组分，含量比较少，但是对水泥的水化硬化性能却有非常显著的影响。一般来说，随碱含量的增加，水泥凝结硬化变快，需水量变大，早期强度提高，后期强度增长率下降。如果掌握不当，水泥在工程中使用时的性能会受到损害。一般认为高碱水泥早期强度高于低碱水泥，但是早期水化产物过多，生成过快，导致水化产物间彼此分布不均匀，镶嵌不良，容易造成较多的局部大孔，并且早期生成的较多水化产物将未水化颗粒包裹，妨碍了水泥后期水化所必需的离子迁移和扩散，致使后期水泥的水化进程变缓，这样那些早期水化形成的较多的局部大孔就无法得到足量的后期水化产物的完善和补充，那么后期水化浆体就会形成多孔隙的不良结构，使高碱水泥的后期强度低于低碱水泥。

Shayan和Ivanusec曾经研究过外加NaOH对含活性骨料和非活性骨料的砂浆力学性能的影响。他们的研究结果表明，外加NaOH会导致砂浆强度的下降，并且含活性骨料的砂浆的强度降低趋势和不含活性骨料的砂浆相类似。他们的研究结果还表明，外加的NaOH会与水泥产生明显的化学反应，从而影响所形成的固相产物的性能。

（三）水泥中硫酸盐含量对混凝土强度的影响

硅酸盐水泥中的硫酸盐主要来自熟料和混合材中的硫酸盐，还有水泥生产中外掺石膏等引入的硫酸盐。关于硫酸盐在水泥中的作用，目前普遍观点认为;硫酸盐除了可调节水泥的凝结时间外，还可以生成钙矾石，使水泥具有密实的孔结构而赋予水泥较高的早期强度。硅酸盐水泥中的硫酸盐虽然含量比较低，但对水泥水化硬化的作用非常大。一般认为，适量硫酸盐是硅酸盐水泥水化硬化所必须的，在水泥中具有积极的作用，因此水泥生产过程中需要外加一定量的石膏。但是硫酸盐过量时会存在潜在危害，因此几乎所有国家的标准都对硅酸盐水泥中的硫酸盐含量进行了限定，特别是1997年第十届国际水泥化学会议以来人们普遍担心延迟钙钒石（DEF）和碳硫硅钙石硫酸盐破坏（TSA）可能引起的膨胀或破坏，甚至2002年RILEM专门召开研讨会研究水泥中硫酸盐可能的不利影响，近年来水泥生产与应用也特别关注硫酸盐的不利影响。

ASTM在1904年对硅酸盐水泥SO₃含量规定为1.75%，1917年的限值增加到2%，而1941年高强水泥的限值放宽到2.5%，2009年对于IA和IIA水泥限值为3%，IIIA为3.5%，而IV、V类水泥为2.3%，但ASTM特别规定如通过标准试验方法确认后，SO₃含量可以超过标准。我国GB175-1992/1999均规定硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥中硫含量不能超过3.5%，GB175-2007规定除矿渣硅酸盐水泥含硫量不超过4%外，其它种类水泥含硫量限值仍为3.5%。

硫酸盐特别是易溶性硫酸盐有利于提高Ca(OH)₂火山灰质混合材体系的pH值，因此有利于混合材中活性氧化物溶解和活性激发，可以大幅度提高粉煤灰-硅酸盐水泥系统的强度。Poon等的研究结果显示，对于在65℃下养护6h的粉煤灰-硅酸盐水泥系统，粉煤灰取代水泥55%，石膏掺量达到10%时，强度可以提高70%硫酸盐与水泥水化产物反应生成的AFm和AFt对于水泥早期强度形成有非常大的贡献。

Lerch认为相比于调节凝结时间，石膏对硬化后的性能更为重要，其早在1946年完成的研究结果显示SO₃掺量在3～4%范围内不等（当时美国标准限值为2.5%），强度可增加20-50%，收缩降低30～50%，当然只有当C₃A或者碱含量比较高时，增加石膏掺量才有效果。易溶性硫酸盐（碱金属硫酸盐）有利于提高SO₄^2-浓度，可以与水化产物Ca(OH)₂反应生成AFt，因此也有利于水泥早期强度发展。