1、高性能水泥释义
随着混凝土工程的大型化、工程环境的超复杂化以及应用领域的不断扩大，人们对混凝土材料提出了高性能化的要求。作为混凝土的{dy}组分材料，水泥的性能是制备高性能混凝土（High Performance Conceret，缩写HPC）关键性的因素。笔者将用来制备HPC的水泥称之为高性能水泥。可见高性能水泥是与HPC互相匹配和适应的，并且体现在以这种水泥配制的混凝土具有高工作性、高强度、高耐久性。
高工作性主要表现为高流动性、高抗离析性、高保水性、高保塑性和高兼容性；高强度表现为早期相对强度高，强度{jd1}值高，强度衰减期较长；高耐久性主要表现为高抗渗性、高尺寸稳定性、高抗蚀性和高抗碱集料反应性等。
一种性能优良的水泥应当是上述3个方面的综合体现，而不是由某一方面性能指标（例如强度）的高低来衡量的。因为制备高性能混凝土除了要求水泥强度以外，还取决于水泥对混凝土制备工艺的适应性等因素。
笔者根据国内外资料和生产实践经验对高性能水泥理化性能提出表1所列技术标准 （在本文中暂且称做“标准”）。
2、高性能水泥生产技术途径
按照我国目前的工艺条件和技术水平，不论是回转窑厂还是立窑厂，生产高强度的水泥已经不太困难，但是目前市场上达到高性能水泥技术标准的为数不多。根据笔者的生产实践经验探讨一些改善水泥性能的途径。
2.1 优化熟料的矿物组成
2.1.1 关于C3S
一般认为C3S水化快，在水化过程中产生层状和凝胶状Ca(OH)2，对水泥水化初始形成的纤维状和片状骨架空隙起填充密实作用。它是强度骨干，而且耐磨性好，干缩性小。但从3d到28d，水泥抗折强度的增进率随C3S含量的增加而减小，而抗压强度的增进率却明显增大，这就说明水泥石的脆性增大，抗裂性变差。此外，C3S的水化放热量及放热速率都较大，仅次于C3A
，这对大体积混凝土的施工是不利的。
2.1.2关于C2S
C2S水化速度特别慢，约为C3S的1/20。C2S的{zd0}优点是水化热低，抗水性好，后期强度高，在1年之后可赶上C3S。此外，C2S的干缩性最小，水化28d后的收缩值约为C3S的1/4。也有人认为C2S在水化早期对水泥石抗折强度的贡献大于抗压强度，它是低需水性水泥的主要矿物。
2.1.3 关于C3A
C3A在水泥石4种矿物中水化、凝结速度最快，是水泥石产生早强的主要矿物。但是，C3A强度{jd1}值不高，而且后期产生倒缩现象，C3A水化放热量大且集中，水化后通过层间水的蒸发以及形成的水化产物在转型过程中体积缩小而产生较大的收缩。此外，C3A水化需水量较大，对水泥拌和物的流动性不利；C3A含量高，水泥石的抗硫酸盐侵蚀性能差。
2.1.4 关于C4AF
长久以来认为C4AF主要是耐磨性好。据南京化工大学的试验数据，水泥中每增加1%C4AF，磨损系数减小0.014%～0.033，是每增加1%C4AF， 磨损系数降低值的7～17倍。由此应当肯定C4AF在水泥石耐磨性上所起的作用远较C3S
显著。此外，C4AF与C3A相比，不仅有较高的早期强度，而且后期强度还能有所增长，C4AF对抗折强度的贡献远大于抗压强度，即脆性系数特别低。C4AF的另一个重要作用是生成凝胶状铁酸盐，使水泥石具有较大的变形能力，见表２。但是C4AF过高，对熟料的煅烧和水泥粉磨都会造成很大的困难。
2.1.5 水泥熟料矿物组成的控制
综上所述，高性能水泥熟料应有足够的硅酸盐矿物含量，而熔剂矿物C3A和C4AF的总量不宜过高。一般地，要求C3S与C2S的合量在75%以上，C3A与C4AF的合量在20%左右，对应的硅酸率在2.0～2.5之间。除大体积混凝土工程外，一般混凝土工程要求水泥有较高的早期强度， 因此硅酸盐矿物中C3S的含量应尽可能高一些，早强型硅酸盐水泥熟料中C3S质量分数都在55%以上，高的达65%； 这就要求配料方案中的石灰饱和系数适当高一些，以在0.92～0.96范围为宜。熔剂矿物中C3A含量高对水泥早期强度也是有利的，但过高会导致水泥早期水化热过高而引起混凝土产生热应力开裂和降低抗硫酸盐侵蚀性能等弊端。一般C3A在熟料中其质量分数控制在8%～9%，最多不超过10%，相应的IM为1.4～2.0，立窑取低值，回转窑取高值。
2.2 选择合理的粉磨工艺
水泥的细度和颗粒组成在很大程度上决定着水泥的性能。已有的资料表明，水泥的细粉含量和颗粒级配主要影响混凝土浆的和易性、需水量、硬化混凝土的早期强度、强度增进率、密实性、易开裂性和耐久性。细粉能提高早期强度、密实性及砂浆流动性，但对干缩裂纹不利；颗粒分布过窄需水量高，对和易性不利。任何一个特定的颗粒组成均可用RRB粒度分布曲线中的特征粒径ｘO和均匀性系数n来表述，ｘO值决定细粉含量，n值决定颗粒分布宽度。一般要求n值≯1.0，ｘO值根据工程需要决定。那么在实际生产中如何控制水泥颗粒组成和提高细粉的含量呢？目前看，主要有以下2种途径。
2.2.1 改进粉磨设备和工艺
(1) 对于带高效转子式选粉机的单台球磨机系统，由于过粉磨现象轻微，因此成品颗粒组成比较集中，应在磨机研磨体级配时尽可能将研磨体规格细小化以便增加出磨水泥中细粉含量，同时在操作上采取增大风量和降低转子转速。也可以用１台小型开流球磨机粉磨闭路磨系统中的部分回粉，然后与之混合，以增加成品中细粉含量和拓宽颗粒分布范围。
(2) 对于单台开流长磨，可以改造为筛分磨。即在磨内适当位置装设筛分隔仓板、使用微型研磨体、料位调节装置、活化衬板和磨尾料段分离装置，实现对水泥的高细粉磨。
(3) 采用二级粉磨系统。{dy}级可用大直径的球磨，也可用立式磨或辊压机；第二级用开流长磨。第二级磨的研磨体规格应细小化，并且在细磨仓中加入部分直径为20mm～30mm的钢球，这样有利于提高成品中细粉含量，并使水泥颗粒球形化，降低需水量。
2.2.2 根据物料易磨性选择合适的粉磨方式
根据组成水泥的3种组分（指熟料、混合材、石膏）易磨性的区别，采取分别粉磨或混合粉磨的方式来改善水泥的颗粒组成，并充分发挥每种组分的潜在水硬活性。混合粉磨的优点是工艺流程简单，但它不可能控制各种组分的粒度。根据华南理工大学的研究，在混合粉磨过程中由于各组分易磨性的差异导致组分之间相互作用。一种组分可能对另一种组分的粉磨起促进或阻碍作用，其结果是不可避免地发生选择性磨细现象，使粉磨产物的细颗粒和粗颗粒都增加，粒度分布变宽，均匀系数ｎ值降低。如何恰当地利用这种作用来改善整体粉磨过程，可从以下几个方面考虑。
(1) 以石灰石和火山灰质材料如煤渣、粉煤灰等作混合材时，宜采用混合粉磨方式。这时易磨性较好的石灰石或火山灰质材料在熟料的促磨作用下，其粒度要比熟料细得多。磨细的火山灰质材料或石灰石在硬化的混凝土中起填充作用，从而改善混凝土的密实性。同时火山灰质材料通过磨细提高了活性，参与并促进水泥水化与硬化。相反地，易磨性较好的石灰石或火山灰质材料对熟料粉磨有一定的阻碍作用，使熟料粒度变粗，因此在实际生产中，掺有石灰石或火山灰质混合材的水泥在混合粉磨时应比不掺时磨得更细一些，并辅以筛余值控制生产，否则将使熟料活性不能得到充分发挥。
(2) 以粒化高炉矿渣作混合材时，采用分别粉磨方式能更好地改善水泥的性能。因为矿渣比熟料难磨，如果２组分混合粉磨，往往使矿渣颗粒变粗，而浪费了材料的水硬性潜力。由于互相制约，也达不到各组分颗粒的合理匹配。若把矿渣与熟料分别粉磨，可以把矿渣粉磨得比熟料细一些，从而使其填充于水泥颗粒之间，达到提高混合材掺量和水泥强度的目的。不仅如此，还能改善水泥拌和物的流动性，起到矿物减水作用。
(3) 石膏作为水泥的第３组分，不仅对水泥起调凝作用，而且还对水泥强度特别是早期强度起重要作用。有资料表明，外掺一些细磨好的半水石膏或无水石膏可以调节水泥拌和物的和易性，减少用水量，同时又可减少单硫型水化硫铝酸钙的形成机会，避免单硫型水化硫铝酸盐向三硫型水化硫铝酸盐转化而发生体积膨胀。
2.3 采用非熟料的其他组分对水泥进行改性
常规方法生产的硅酸盐水泥很难同时满足高性能水泥在工作性、强度、耐久性三方面的要求，即使采用新的粉磨技术将水泥磨得很细，满足了强度密实性和砂浆流动性要求，但对干缩性和水化热却非常不利。用混合材（又称第2组分），配合外加剂（又称第4组分）往往能使水泥性能达到比较理想的状态。
水泥熟料虽然具有很高的水化活性，但其成本性效应，例如，在水泥中掺磨细的矿渣和粉煤灰，由于粉煤灰具有球形粒子的外形特征，它与超细矿渣一起在水泥拌和物中起“润滑”作用，从而改善水泥拌和物的流动性，降低需水量。由于粉煤灰和矿渣的掺入取代了部分水泥熟料，降低了胶凝材料的水化热，提高了水泥混凝土的尺寸稳定性。此外，磨细粉煤灰和矿渣微细粉还起微集料作用，提高了水泥石的密实度。辅助胶凝材料的活性效应是在物理作用和化学作用下实现的。所谓物理作用，就是将辅助胶凝材料充分磨细，使其活性成分在水泥水化系统内的溶解量和溶解速度提高，从而生成新的水化产物；所谓化学作用，是指没有溶解的活性组分 （通常为玻璃体和结晶体结构）在水泥水化相中碱的作用下，结构解体，产生等离子和离子团，它们进入溶液形成新的水化产物。但是，随着辅助胶凝材料的掺量增加，熟料含量减少，水化生成的Ca(OH)2相应减少，水化溶液中的碱度降低，则难以分解玻璃体网络，辅助胶凝材料的活性得不到充分发挥，这时可在水泥中引入化学外加剂来解决。化学外加剂分为2类，一类是无机碱性物质，它仍然是依靠提高溶液的碱浓度来破坏玻璃体结构，但这类外加剂加入后，水泥中总体碱含量提高将可能导致水泥混凝土中碱集料反应而影响混凝土的耐久性。因此，国家标准限制在水泥中使用此类化学外加剂。另一类是有机化合物，它除了能分解玻璃体网络结构，激发混合材的潜在活性外，还兼有助磨和减水等功效。目前已有部分产品得到应用。
3 结论
(1) 水泥对混凝土而言只是一种半成品，符合标准的水泥也会出现水泥的物理性能与用其配制的混凝土的建筑性能不一致的现象。因此，评价某种水泥质量的优劣，应当是在符合国家标准的前提下，考核其满足建筑工程所需要的各种技术要求的能力。
(2) 水泥对混凝土的适应性可以从水泥熟料的矿物组成、水泥的粉磨工艺和掺加非熟料的其他组分材料来改善。
