| 1 前言
水泥基材料是用量最大的人造材料，在今后数十年甚至上百年内仍然无可替代[1]。新中国成立后，特别是近几年，我国的水泥工业取得了持续、快速的发展，无论在水泥的产量、品种和质量等方面都有了很大的提高。如：目前我国常用的水泥品种有7个（分别是：Ⅰ型硅酸盐水泥、Ⅱ型硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥），年产量已超过10亿t[1]。然而，就在水泥的生产和使用给人类带来极大的方便和财富的同时，也遇到了全球性的资源、能源、生态环境等方面的严重挑战。每生产1t水泥大约需消耗石灰石2t、标准煤0.4t，同时排放1t的CO2，另外还有NOx、SOx及大量的粉尘和烟尘排出[2]。此外，社会发展还对水泥性能提出了更高的要求：施工性能更好、水化热更低、强度更高、体积更稳定、耐腐蚀性和耐久性更好。但在我国，水泥和混凝土分属于两个行业，行业的利益分割造成了很难把水泥和混凝土统一起来管理。工程建设要求水泥产品不仅要满足符合国家有关规范，而且要更加关注水泥应用于配制混凝土时的使用性能。水泥企业也常收到用户在使用水泥过程中的投诉，如水泥与混凝土外加剂适应性不好，混凝土用水量偏高、凝结时间异常以及容易出现裂缝等，但水泥检测结果却是符合国家标准的。也就是说，同样符合国家标准的水泥在配制混凝土时，在水泥用量、与外加剂适应性、混凝土工作性能及控制裂缝等方面存在较大的差异。在生产环节上，水泥企业既要考虑降低成本，又要满足客户（主要是施工企业）的喜好，还要考虑节能减排。同样，混凝土生产企业为降低成本希望减少水泥用量和提高水泥的早期强度，但实际上最应该引起双方关注的应该是成型后，特别是投入使用后的建筑物或者构筑物质量，只有大家统一在这一前提下才能使这两个行业和谐发展。
2 现代混凝土的特点及对水泥基材料的要求
2.1现代混凝土的特点
（1）工厂化的集中生产。区别于传统上分散在工地现场拌制和吊斗浇筑的塑性混凝土，现代混凝土首先在工艺上是在工厂集中预拌，输送至现场泵送浇筑，因此需要很好的施工性能，目前的预拌混凝土的坍落度普遍较大。
（2）使用外加剂。不依靠水泥的自身品种而用外加剂进行改性已越来越普遍，例如对需水性、凝结时间、强度发展、变形性质、含气量等。特别是高效减水剂改变了水泥本身的流变性能。
（3）较低的水胶比。由于矿物掺和料对混凝土强度的贡献显著依赖于水胶比，则当混凝土水胶比≥0.5时，掺和料的作用不能得以发挥。因此除了不考虑耐久性的结构，常用的C3O、C4O混凝土水胶比一般都低于0.5。较低水胶比和较大坍落度造成混凝土较大的水泥（胶凝材料）用量。
（4）掺用矿物掺和料。为了降低现代高强度水泥及其较大用量造成的混凝土内部较高温升，也由于可持续发展战略的需要，矿物掺和料已逐渐成为现代混凝土必需的组分，而且有加大掺量的趋势，尤其是用于混凝土结构耐久性的设计，矿物掺和料是必需的组分，而且掺量要大于20%。加拿大已将大掺量矿物掺和料（粉煤灰和矿渣）列入2004年12月颁布的混凝土规范，其中粉煤灰和矿渣单掺时最低掺量分别为30%和35%，没有上限。
2.2现代混凝土对水泥基材料的要求
当前，混凝土耐久性的研究已成为混凝土科学最前沿和最重要的课题。混凝土抗冻、抗渗和抗碳化性能的高低都直接影响混凝土的耐久性。但近些年来，混凝土裂缝问题也日趋严重，混凝土裂缝对混凝土的抗冻、抗渗、抗碳化及结构受力的安全性都带来了致命影响，成为降低混凝土耐久性的最直接的原因。对其产生的原因，许多专家学者经大量的研究后认为：与设计、施工工艺、混凝土配合比、钢筋品种、原材料、气候环境等有关，更与水泥有关。水泥中的C3S、C3A含量，水泥细度、品种、标号等因素都直接影响了混凝土裂缝的产生。因此，现代混凝土对水泥基材料提出了以下要求：
（1）控制水泥细度。我国1999年强度检验方法和国际接轨后，进一步提高了水泥细度。以42.5级水泥为例：比表面积由过去的300～350m2/kg提高到350～380m2/kg，个别厂甚至达到了400m2/kg以上。比表面积的增大，大大提高了水泥的28d强度，尤其是3d强度提高幅度最大。水泥强度的提高，使混凝土强度也得到提高，强度的增长速度进一步加快。这给施工企业提前拆模、缩短工期都带来了便利，也给混凝土界配制更高标号的混凝土创造了条件。但同时也带来了不利因素，混凝土凝结速度的加快，使混凝土收缩速度加快，混凝土早期开裂的可能性大大提高。近几年来，混凝土的普遍开裂应该说与水泥颗粒越来越细有直接关系。还有一个水泥中的粗颗粒问题，水泥界许多专家认为：水泥中＞45μm的熟料颗粒对28d强度基本没有作用，所以这种颗粒可有可无或可以尽量降低。而混凝土界许多专家研究后认为：增加水泥中未水化的熟料颗粒可以大大减少混凝土的收缩。而现在水泥细度的增加，使水泥中的粗颗粒大大减少，使混凝土的收缩量增大，产生裂缝的可能性变大。
（2）控制水泥中C3S的含量。自水泥发明以来，水泥中的最有效的成分C3S的含量一直呈上升趋势。仍以42.5级水泥为例，我国水泥目前的C3S含量已达52%～60%左右。C3S含量的提高，同样对提前拆模、缩短工期、配制高标号混凝土带来便利，但含量过高并非全是好事。C3S含量的增加，水泥水化时放热量加大，强度和温度上升速度相应过快，使混凝土产生收缩裂缝的机会变大。
（3）控制水泥中的C3A含量。水泥中的C3A含量对混凝土的初凝和终凝都产生很大的影响。C3A含量高的水泥，使混凝土凝结时间缩短、失水加快。特别是对混凝土前3d产生收缩裂缝影响很大。有研究表明：C3A含量超过8%的水泥，凝结时间较快，与减水剂的适应性很差，经常使混凝土产生假凝现象，更容易使混凝土在强度增长初期产生较大的裂缝。
（4）水泥品种的要求。我国的复合水泥、矿渣水泥等品种中，活性或非活性混合材掺量较大。为了达到更高的强度，一般水泥厂都采用进一步磨细的方法。这种水泥比其它品种的水泥更容易使混凝土产生收缩裂缝。因此，现代混凝土对所使用水泥的品种也根据工程项目的不同提出了相应的要求。
（5）水泥标号的要求。水泥要达到更高的标号，一般的水泥厂都通过增加C3S含量、增加细度等措施。这些措施使混凝土产生裂缝的机会增加。总之，在同等条件下，使用高标号水泥比使用低标号水泥更容易使混凝土产生裂缝。以上分析可以看出：随着水泥产业的科技进步，水泥各方面性能指标得到了很大的提高，但对混凝土裂缝的产生及耐久性也带来了不利影响。特别是“高细度、高C3S含量、高标号”所谓的“三高”水泥对混凝土产生裂缝的不利影响应该说是越来越大了。有许多的工程实例可以证明这一点，如我国某省近些年修建的混凝土高速公路，3年内不坏的极少。类似的例子还有，用一些高标号的所谓“好水泥”做的房屋散水，经一个冬天，就出现了掉皮裂缝问题，而用低标号所谓“差水泥”做的散水，却一直保持完好。同样在美国，从上世纪30年代开始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把细度由允许大于75μm颗粒含量为22%，改为基本为零。7O年后的今天，经调查发现，1930年前修建的桥梁有67%基本保持完好，而1930年后修建的桥梁只有27%基本保持完好。日本近几年类似的例子也很多。以上问题虽然不能肯定说是由于水泥的原因引起，但应引起我们全方位的辩证思考，以便能从混凝土的角度发展水泥基材料。
3 我国目前水泥品质及使用现状
以杭州地区为例：该地区的水泥标准稠度用水量过大，多数厂的水泥在27%以上，个别达29.5%；其次是出厂水泥温度过高，90℃以上的不在少数。由于标准稠度用水量和出厂水泥温度控制指标在水泥标准中并没有明确的要求，但标准稠度用水量过大和出厂水泥温度过高对混凝土所产生的影响却是很大的，比较直观的是配制混凝土时与外加剂适应性差、混凝土单方用水量提高、强度降低。另外，在施工现场，施工人员不能正确选择和使用水泥的现象也相当普遍。这也是混凝土耐久性变差的一个重要原因。对于相当多的混凝土工程技术人员来说，水泥是他们的知识盲区。在施工现场，他们一般都认为高标号水泥优于低标号水泥，R型水泥优于普通型的水泥，硅酸盐水泥优于普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥又优于其它品种的水泥等等。在水泥行业一个简单的技术问题，在混凝土行业就有可能变得概念模糊，甚至可能演变成重大技术难题克服不了。如：由于水泥厂在生产水泥时使用了半水石膏，在工地现场无规律地不断出现混凝土假凝现象。又如：在施工工地经常可以看到这些现象，一方面在使用缓凝剂，另一方面却在使用着R型水泥。特别是在许多房建施工工地，比表面积高、终凝时间短、3d强度高的水泥受到了广泛的欢迎，但对这种水泥引起的混凝土水化热集中、收缩大、裂缝比较严重等问题则束手无策。类似这样的问题固然有因为我国水泥和混凝土施工分属不同的行业，互相之间接触交流缺乏的原因所致。但这些问题在混凝土施工工地得不到解决，将直接导致混凝土的耐久性问题无法很好解决。
4 水泥基材料的研究方向及建议
4.1从标准源头对水泥性能提出要求
混凝土企业主要使用普通硅酸盐水泥与硅酸盐水泥。混凝土技术向高性能发展，需要水泥具有适应混凝土高性能要求的品质特征，以减少混凝土的单位用水量。建议普通硅酸盐水泥与硅酸盐水泥标准中增加以下指标以适应混凝土企业使用要求:
（1）水泥标准稠度用水量指标（建议≤26.0%）。考虑水泥熟料在比表面积350m2/kg时，标准稠度用水量在24%～25%，即使普通硅酸盐水泥允许有不超过15%的混合材掺入，也必须严格控制水泥的标准稠度用水量≤26.0%。
（2）提出水泥和外加剂相容性要求。根据目前情况，可对水泥厂提出，按推荐掺量掺减水剂后水泥净浆流动度≥180mm，以满足使用要求。
（3）提出出厂水泥温度控制指标（建议≤65℃）。
（4）控制某些水泥品种中混合材的掺量。混合材料种类及掺量对水泥的标准稠度用水量、水泥与外加剂的相容性及配制混凝土时的需水量影响很大，也直接决定了配制混凝土的施工性能和耐久性能。但有些水泥生产企业并没有引起足够重视，如:国标规定，普通硅酸盐水泥中混合材料掺量不得超过15%，但实际上较多的水泥厂家和粉磨站，其混合材料的种类和掺量远远超过国家标准规定，甚至有些粉磨站将从不同水泥厂采购的熟料混储，致使同一厂家、同一等级的水泥矿物组分差异很大，对烧制质量差的熟料也往往以提高粉磨细度来满足早期强度要求，造成28d强度增长率低；在混合材料上，不仅将不同电厂排放的粉煤灰混储，也未按国标要求按批进行粉煤灰的质量控制，一些烧失量高的粉煤灰照用不误，还有其他五花八门的不正确掺加混合材料方法。
4.2水泥颗粒应该和混凝土中的细颗粒级配连续起来，以利混凝土的密实性目前，我国混凝土中集料的最小颗粒为75μm，而我国水泥中的粗颗粒，大于60μm颗粒含量极少。这就造成了混凝土内60～75μm区段内颗粒短缺，给混凝土的密实性带来不利影响，因此必须将水泥颗粒和混凝土中的细颗粒级配连续起来。
4.3水泥自身颗粒应有合理的级配，以利自身的密实性
许多水泥厂为了提高早期和28d强度，尽量减少水泥中60μm以上颗粒含量。这就人为地造成了窄颗粒分布，对混凝土密实性有不利影响。
4.4有适当的早期强度、较低的水化热和收缩性，以利混凝土的耐久性
因为早期强度较高、水化热较大和收缩较大的水泥都增大了混凝土裂缝的可能性，对耐久性不利，因此必须加以控制。
4.5加强水泥与混凝土两大行业间的技术交流和沟通
目前，大多数水泥生产厂家对混凝土技术的发展和对水泥的高性能化认识还不全面，这主要是水泥、混凝土分属两个行业。因此混凝土技术人员在水泥应用中注重的技术关键，水泥行业的技术人员即不了解也不理解，往往认为生产的水泥只要符合国家标准就行了。水泥的一些品质特征也因国标的局限，未引起水泥技术人员的重视和关注。
5结束语
（1）作为建筑材料，水泥只是一种半成品，它最终必须制成混凝土，以混凝土乃至钢筋混凝土的形式出现在建筑物或构筑物中，因此水泥的生产及其标准制定也应从混凝土角度加以考虑。如：我国资深水泥专家乔龄山先生指出了水泥颗粒的最佳颗粒分布曲线—Fuller曲线，并指出调配水泥最佳堆积密度的理论和工艺在欧美一些发达国家日趋普及，在桥梁、隧道以及高性能混凝土和耐磨、耐腐蚀混凝土等工程中都有应用，并取得了很好效果；清华大学阎培渝教授指出，为防止混凝土开裂，必须控制我国水泥出厂强度富裕系数，降低水泥中C3A含量，降低水泥细度等；也有人研究了水泥颗粒表面特性，研究了球形水泥颗粒对混凝土性能的良好影响等。由于不同工程、甚至同一个工程的不同部位，对水泥这个“支系统”的要求是不一样的。所以，提倡多品种、少批量、多生产针对某一个具体环境下具体工程的专用水泥，应该作为我们的发展方向。我国水泥厂实现定制化生产应该正是我们追求的目标和发展的方向，即：施工现场根据工程每个部位结构的不同、施工方法和环境气候条件的不同，向水泥厂提出不同的要求。水泥厂根据这些要求，对水泥的主要成分C3S、C2S、C3A、C4AF及MgO、SO3和其细度，进行自由调节，生产出完全满足现场要求、对混凝土的耐久性最有利的水泥。
（2）水泥使用者也应加强学习，掌握基本的知识，如：R型水泥除了可以使混凝土早强、早拆模外，对混凝土的其它性能不会有明显的好处。相反，由于它3d强度高、水化热和收缩集中，可能会对混凝土裂缝的产生带来不利的影响。所以，如果工程对混凝土早强没有特别的要求，就最好不要使用它；比表面积在400m2/kg以上的高标号水泥，由于其颗粒较细，凝结较快，水化热集中，对混凝土的体积稳定性有不利影响，更使混凝土产生裂缝的可能性增加，所以使用时应慎重考虑；C3A含量大的水泥（特别是C3A含量大于8%的水泥），与混凝土外加剂的适应性变差，容易使混凝土出现假凝和塑性裂缝，使用时应提前做与外加剂的适应性试验等。 | 
