1 水泥化学与普通化学的符号代表的概念差别

一个学员问我：“水泥水化怎么还会有氢的参与”？我说没有啊，怎么会有呢？他给我展示了一个化学式，硅酸三钙的水化：

C₃S + nH = C-S-H + (3-x)CH

原来如此！我解释说与普通化学不同，这是水泥化学反应的一个简写，水泥中的主要矿物成分：CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃，简写为C、S、A、F，H₂O简写为H，同样，硅酸三钙（ 3CaO.SiO₂ 简写式C₃S） 、硅酸二钙（ 2CaO.SiO₂ 简写式C2_S） 、铝酸三钙（ 3CaO. Al₂O₃ 简写式C₃A） 、铁铝酸四钙（ 4CaO. Al₂O₃. Fe₂O₃ 简写式C₄AF）等，这是水泥化学里的基本规定，如果这些含混不清，直接影响后面继续学习的进程和效果，我在独研究生时候，我的导师就反复告诉我一定把最基本概念搞清，这是科研的基础！

2 砂率是什么？

水泥混凝土中，有些概念确实有必要厘清一下。砂率概念：SP= 砂的用量S/(砂的用量S+石子用量G)×100%，是混凝土中砂的质量占砂、石总质量的百分率。事实上，这个定义是有问题的！！！混凝土本身是一个嵌套结构，大料空隙嵌小料，小料空隙嵌砂、砂的空隙嵌粉料，粉料空隙嵌水，这是一个理想化的模型，完全嵌套。从这里可以看出，砂率应该是空间概念，也就是砂的体积占总砂石体积的分量，所以形成了现在这个定义或是大家的理解，前提是常用的砂与石料的密度相差不大，这样体积比与质量比看作一致，计算起来很方便。

但如果砂、石两者密度差异比较大，必须要用体积比！！！有次，有个搅拌站咨询我配比调整问题，混凝土离析了，怎么调？我说加大砂率试一下，他说不能再加了，因为砂率已经到50%了，已经很高了，我看看配比，初步也觉得砂率太高了，再一问，砂用的是尾矿砂，密度大，我告诉他测下尾矿砂密度，按40%左右的体积比再折到质量比试下，结果继续加大了质量砂率，问题解决了！这也是一个基本概念不清引发的问题！

对搅拌站而言，每批的砂子细度模数、含泥量等往往都不相同，配比一定要进行微调。我在项目上培训时，问很多实验室主任，如果砂子变粗了，砂率应该怎么调？为什么？能答上来的寥寥无几。很多概念，如果不了解其本质，一旦原材料发生变化就抓耳挠腮，调整配比只得蒙，蒙对了就对了，蒙不对继续蒙！在混凝土中，最重要的性能是工作性，工作性靠什么？砂浆量起主要作用，砂浆一部分填充与石子的空隙，一部分起到提供流动作用，另外石子表面还要包裹一层砂浆。这样就不难理解，砂子一旦粗了，表面这一层砂浆会变厚，砂子用量会提高，砂子粗了也会拨开石子间距，石子间的空隙变大，砂率自然也要变大，反之亦然，这是很基本的概念，一定要多深入理解基本概念！！！

这里又引申出一个常见的问题，亏方与涨方！常有搅拌站问我亏方与涨方的问题，这其实不应该是问题，绝大部分搅拌站都是用假定容重法进行的配合比设计——先不管什么材料，更不管密度高底，上来就假定2450Kg/m³的容重，材料又经常变化，假定的容重不变，体积忽高忽低，再加上管理不严、计量不准，都会造成这个问题。

3 关于掺和料

掺和料替代水泥的替代量，我给企业做培训，依然发现不少实验室主任这一层面的概念不清楚，掺和料的替代量指的是掺和料占包含掺和料在内的总胶凝材料的质量比，而不是掺和料与水泥的质量比！掺和料的作用是什么？

活性混合材料都含有大量的活性氧化硅和活性氧化铝，它们只有在氢氧化钙饱和溶液中，才会发生明显的水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，反应方程式是：

xCa(OH)₂+SiO₂+m₁H₂O=xCaO•SiO₂•n₁H₂O

yCa(OH)₂+Al₂O₃+m₁H₂O=yCaO•Al₂O₃•n₁H₂O

也就是说，没有强度的石灰，与掺和料中的Al₂O₃和SiO₂生成了强度很高的水泥石，这也是掺了掺和料的混凝土强度一直增长的原因之一，也是高性能混凝土掺加掺和料的出发点之一。

4 碱-集料反应

混凝土碱-集料反应分为3种：碱—硅反应，碱—碳酸盐反应和碱—硅酸盐反应。其中碱—硅反应最为常见。碱集料反应产生的碱—硅酸盐等凝胶遇水膨胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。混凝土集料在混凝土中呈均匀分布，故裂缝首先在混凝土表面无序、大量产生，随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速降低。引起碱-集料反应的三个条件中有两个来自混凝土内部，一是混凝土中掺入了一定数量的碱性物质，或者混凝土处于有利于碱渗入的环境；二是集料中有一定数量的碱活性骨料（如含SiO₂的骨料）;三是潮湿环境，可以提供反应物吸水膨胀所需要的水分。

实际上，这里的碱并不是氢氧化钙，而是碱金属离子，主要是钾离子、钠离子，氢氧化钙只是提供了氢氧根——碱性环境，下面的反应式可以看出这一点。

2ROH + nSiO₂ → R₂O·nSiO₂·H₂O

式中R为K或Na。

为控制碱-集料反应，1941年美国提出水泥含量低于0.6%（即Na2O+0.658K2O）为预防发生碱骨料反应的安全界限，K₂O前面0.658的系数怎买来的？在回答这个问题之前，先了解下，碱集料反应是一种膨胀反应，体积的变化。在元素周期表中，钾和钠属于一个序列，同族，化学性质相似，Na₂O和K₂O的空间结构相似，都属于反萤石结构。

萤石结构可以理解为：Ca²⁺做立方最紧密堆积，F^-充填在其中全部的四面体孔隙中。N个球最紧密堆积有2N个四面体空隙，所以Ca:F= 1:2，故得其分子式为CaF₂。萤石(CaF₂)、氯化锶(SrCl₂)、氯化钡(BaCl₂)、氟化铅(PbF₂)都如此。

         萤石结构                      反萤石结构

氧化钾(K₂O)、氧化钠(Na₂O)、氧化锂(Li₂O)为反萤石结构，阴离子按立方紧密方式堆积，阳离子则填充了其中所有的四面体空隙。假设一个氧化钾分子所占的体积与氧化钠相同，那么就出现了当量的概念，氧化钾分子量94.2，氧化钠分子量为61.98，61.98/94.2=0.658，这个假设的前提是两者分子所占体量一样，但胡明玉、唐明述通过对试验数据进行聚类分析和作图分析,提出当前普遍使用的当量碱计算公式Na₂Oeq=Na₂O+0.658K₂O中K₂O的系数偏大,并初步得出该系数应为0.4～0.5。