其他品種水泥

為了滿足各種工程的不同需要，在硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的基礎上，已生產了許多品種的水泥。——按水泥的用途及性能可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類。本章主要介紹與工程建設密切相關的某些特性水泥和專用水泥。

第一節快硬高強水泥隨著現代工程的日益發展，在很多情況下，常要求水泥具有相應的快凝、快硬性能。如軍事搶修工程、路面、機場修補等。近20年來，水泥在快硬和高強方面，都有重大突破。在快硬方面，已發展了超早強水泥，能在5～20min硬化，硬化1h的抗壓強度可達10～30MPa。在類型上，除了硫鋁酸鈣型和氟鋁酸鈣型快硬水泥外，還發明了超快硬外加劑。在高強方面水泥標號已可以超過100MPa以上。一、快硬水泥目前，快硬水泥主要有快硬硅酸鹽水泥，以及前章論述的硫鋁酸鹽型快硬水泥和氟鋁酸鹽型快硬水泥。此外也可用超快硬外加劑提高通用水泥的早期強度。（一）快硬硅酸鹽水泥定義：凡以適當成分的生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，磨細制成具有早期強度增進率較高的水硬性膠凝材料，稱為快硬硅酸鹽水泥（簡稱快硬水泥）。快硬水泥的標號以3天抗壓強度來表示，分為325、375、425三個標號。為了提高水泥的早期強度，一般熟料礦物中C3S含量達50%～60%，C3A含量為8%～14%。快硬水泥的強度要求見表8-1水泥的比表面積對其強度，特別是早期強度的影響很大，見下表。水泥標號抗壓強度（MPa）抗折強度（MPa）1d3d1d3d32537542514.716.718.632.537.542.53.43.94.45.45.96.3水泥比表面積（cm2/g）抗壓強度（MPa）1d3d7d28d29804540630010.525.326.127.943.744.038.647.852.643.653.361.2快硬水泥的水化熱較高，早期干縮率大。在儲存運輸過程中易風化，一般儲存期不應超過一個月。快硬水泥的水泥石比較致密，其不透水性和抗凍性常優于普通水泥。

快硬硅酸鹽水泥主要用于搶修工程、軍事工程以及預應力鋼筋混凝土構件。（二）快硬劑采用快硬劑使水泥獲得超快硬特性，是水泥工業的一項新進展。日本的QT快硬劑、我國的SH快硬劑和NX快硬劑為常用水泥應用于特殊工程開辟了廣闊前景。QT快硬劑的生產：主要原料為燒礬土和生石灰，按適當配比在電爐中于1500℃熔融，經淬冷后烘干磨細，加入適量磨細無水石膏和激發劑，即成QT快硬劑。下表為某QT的化學成分（%）。不溶物CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3其他0.842.62.223.90.70.228.31.3QT的主要礦物組成為C12A7和CaSO4，和硅酸鹽水泥混合加水水化后，其主要的水化產物為水化硫鋁酸鈣AFt和水化硅酸鈣C-S-H以及氫氧化鈣。12h前的強度，主要依靠鈣礬石的生成；12h后，阿利特水化形成的C-S-H凝膠才能對強度發揮作用。下表為25%QT與75%硅酸鹽水泥混合后的砂漿強度（水灰比為0.45）。齡期1h2h3h抗壓強度（MPa）9.815.218.6NX促硬劑可使水泥的小時強度達10MPa以上。見表8-5。由NX配制的超快硬水泥在低溫下可以正常硬化，如下表所示。

而52.5強度等級的硅酸鹽水泥在5℃下硬化，24h尚難凝結，3d才能脫模。摻有NX的超快硬水泥實際上在-10℃左右也能正常硬化。摻有促硬劑的超快硬水泥可以用于快速施工工程、緊急搶修工程、冬季施工工程，抗滲堵漏工程及地下工程等。

二、高強水泥（一）高標號硅酸鹽水泥生產高標號硅酸鹽水泥的主要工藝措施是燒制高強度的硅酸鹽水泥熟料，提高水泥的粉磨細度以及適當增加石膏摻量。表8-7為高標號水泥的強度齡期8h12h16h1d3d7d28d90d抗折強度（MPa）6.88.59.210.611.014.114.815.1抗壓強度（MPa）28.342.453.469.298.4103.9116.5128.8

（二）特種高強水泥目前的特種高強水泥的理論基礎均基于T.C.Powers的膠孔材料理論：水泥石的強度主要決定于水泥的水化程度和水灰比（孔隙率）。1、熱壓高強水泥美國D.M.Roy采用大幅度地降低成型時的水灰比和總孔隙率的途徑，使水泥石的孔隙率僅為1.78%，水泥石強度高達652MPa。

2、宏觀無缺陷水泥（MDF水泥）由英國帝國化學公司和牛津大學的Birchall推出的一種新型高強水泥。MDF是將某些聚合物按一定比例加入到水泥與水的系統中進行混合，隨后進行高效剪切攪拌而獲得塑性較高的混合物。該混合物可通過擠壓或其他成型技術制成制品。MDF的生產工藝過程中，采用低的水/固比，選用適宜的水泥品種，控制水泥的顆粒分布，施加適當的成型壓力和選擇合適的養護溫度等都會對MDF材料的最終性能產生一定影響。MDF水泥具有優異的工程應用性能，除了力學性能大幅度改善外，在電學、磁學、聲學、低溫使用性能上都具有廣闊的開發前景。如孔隙率為1%、密度為2.5g/cm3的MDF水泥的抗壓強度可達300MPa，抗折強度達150-240MPa，彈性模量為5×104MPa，熱膨脹為9.7μm/（m·k)。在MDF水泥材料制造過程中，由于有機聚合物的加入，增加了水泥漿體的和易性，因此可以大大減少水膠比，并在強力剪切攪拌、擠壓下排出材料中的氣孔。由于孔隙率和孔徑的減少，材料的強度，尤其是抗折強度得以提高。聚合物在材料中主要起減水、增塑、填充孔隙等作用。關于MDF水泥的高強機理，以及聚合物與水泥間是否存在化學反應，不同學者基于自己的研究提出了各自的觀點。——Birchall等采用SEM方法研究了MDF水泥漿體的微觀結構，并將其與普通水泥漿體進行比較，觀察到兩者的主要差別在于宏觀缺陷上，MDF水泥基本上消除了宏觀缺陷（大的孔隙）。兩種水泥漿體在低水灰比的情況下，其結構是相似的。用SEM檢查樣品的斷裂表面、殘余熟料顆粒的形貌、內部水化產物以及氫氧化鈣晶體等，所以這些都是相似的。——唐明述教授等認為：水泥和聚合物的抗折強度均小于100MPa，而MDF水泥的抗折強度卻大大高于此值。說明必然存在聚合物與水泥兩相的復合增強作用，他們研究了聚丙烯酸衍生物與Ca,Al,Fe,Si離子的紅外反應活性，得到了化學反應的信息，并通過X射線分析認為，在所研究的體積內形成了Ca和Al的聚羧酸鹽。研究結果表明，在這類MDF水泥中，存在著包括界面化學反應在內的較為復雜的復合增強作用。3、高密超細勻質水泥（DSP水泥）

繼Birchall之后，美、蘇、日等都相應開展研究，并推出了與此相似的DSP水泥，（含有超細顆粒均勻分布的致密材料）。即在硅酸鹽水泥中摻入20%～25%的硅灰，同時采用高效減水劑將水灰比降到0.12～0.15，可使水泥石的抗壓強度達到200～270MPa。另外，還有纖維增強水泥，水泥-聚合物-纖維三元復合材料等。水泥基材料在高強方面已有了突破性進展，其強度和韌性可與鋼材相近，但其質量比鋼材輕，耐腐蝕性能比鋼材好。

第二節抗硫酸鹽硅酸鹽水泥定義：凡以適當成分的生料，燒至部分熔融，所得的以硅酸鈣為主的特定礦物組成的熟料，加入適量石膏，磨細制成的具有一定抗硫酸鹽侵蝕性能的水硬性膠凝材料，稱為抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，簡稱抗硫酸鹽水泥。水泥石中引起硫酸鹽腐蝕的兩大因素：——氫氧化鈣和水化鋁酸鈣。因此，水泥的抗硫酸鹽性在很大程度上決定于水泥熟料的礦物組成及其相對含量。下圖為不同熟料礦物組成配制的砂漿，在硫酸鎂溶液中的膨脹情況。

試驗表明，C3S或C2S中摻有C3A后，其膨脹率迅速增加。所以，從礦物組成方面提高水泥抗硫酸鹽侵蝕的措施：（一）降低C3A含量，相應提高C4AF的含量。（二）降低C3S的含量，相應增加C2S的含量。所以，抗硫酸鹽水泥熟料中C3A和C3S的含量必須加以限制。GB748規定，C3S和C3A的計算礦物含量分別不應超過50%和5%。C3A+C4AF的含量應小于22%。--------------這樣生產出的熟料礦物組成一般為：C3S=40%～45%、C3S+C2S=77%～80%、C3A=2%～4%、C4AF=15%～18%、f-CaO＜0.5%。

抗硫酸鹽水泥的標號分為325和425兩個標號。見下表水泥標號抗折強度（MPa）抗壓強度（MPa）3d7d28d3d7d28d3252.53.65.411.818.632.54253.34.56.315.724.542.5抗硫酸鹽水泥適用于一般受硫酸鹽侵蝕的海港、水利、地下、隧涵、引水、道路和橋梁基礎等工程。在我國，抗硫酸鹽水泥已廣泛應用于有硫酸鹽侵蝕的工程，如成昆鐵路的隧道工程、青海鹽湖筑路工程、新疆公路工程以及一些海港工程等等。抗硫酸鹽水泥一般可抵抗SO42-離子濃度不超過2500mg/L的純硫酸鹽的腐蝕。如果環境侵蝕水中SO42-離子濃度過高，則要用高抗硫酸鹽水泥。高抗硫酸鹽水泥熟料中鋁酸三鈣含量不大于2%，硅酸三鈣含量不大于35%。高抗硫酸鹽水泥可抗SO42-離子濃度為（1～2）×104mg/L，但這種水泥的早期強度較低，具有后期強度增進率高的特點。抗硫酸鹽水泥具有較低的水化熱，其他性能如脹縮、抗滲、彈性模量、抗凍等與硅酸鹽水泥相似。

第三節膨脹水泥普通硅酸鹽水泥在空氣中硬化，通常都將產生收縮。一般收縮率平均在0.02%～0.03%，180天的收縮率平均在0.04～0.06%因此，水泥混凝土成型后，由于收縮內部會產生微裂縫而使其一系列性能下降。當用膨脹水泥配制混凝土時，在硬化過程中產生一定數值的膨脹，就可以克服或改善上述缺點。根據膨脹值和用途的不同，膨脹水泥可分為：收縮補償水泥和自應力水泥兩類。——收縮補償水泥：膨脹值較低，限制膨脹時所產生的壓應力，大致能抵消干縮所引起的拉應力，主要用以減少或防止混凝土的干縮裂縫。——自應力水泥：膨脹值較高，足以使干縮后的混凝土仍有較大的自應力，用以配制各種自應力混凝土。習慣上通常將補償收縮的水泥稱為膨脹水泥，用以配制自應力混凝土的膨脹水泥則稱為自應力水泥。

一、制取膨脹水泥的工藝原理主要有三種方法：1、在水泥中摻入一定量的在特定溫度下煅燒制得的氧化鈣（生石灰），氧化鈣水化時產生體積膨脹。2、在水泥中摻入一定量的在特定溫度下煅燒制得的氧化鎂（菱苦土），氧化鎂水化時產生體積膨脹。3、在水泥漿體水化硬化過程的某一適當時機形成鈣礬石，產生體積膨脹。由于氧化鈣和氧化鎂的水化膨脹性能不夠穩定，較難控制。所以，在實際上得到廣泛應用的是以鈣礬石作為膨脹源的各種膨脹水泥。關于鈣礬石產生膨脹的機理，存在著不同的假說，尚處在不斷探索之中。——拉福姆理論：在高濃度的Ca(OH)2溶液中，鈣礬石是通過固相反應形成，大量水進入結構中從而引起膨脹。但近代的研究表明，在低濃度的Ca(OH)2溶液中形成的鈣礬石也會膨脹。（鈣礬石的分布狀態不同）——梅塔（P.K.Mehta)的理論：只有凝膠狀的鈣礬石粒子才是產生膨脹的根源。帶負電荷的鈣礬石粒子吸引周圍的極性水分子，從而引起顆粒間的斥力，造成體系的膨脹。——我國國家建筑材料科學研究院的研究認為：只要溶液內有適當濃度的鈣離子、鋁酸鹽和硫酸鹽離子，能形成一定數量的鈣礬石，就能產生膨脹。無論是分散狀的鈣礬石還是輻射狀的都具有使漿體膨脹的能力。只不過前者分散填充在原來充水的空間，而后者以原始固相為依托，彼此交叉搭接，具有更為顯著的膨脹能力。在一般情況下，鋁酸鹽離子由C3A、CA、C12A7、CA2等鋁酸鈣提供，二水石膏或無水石膏提供硫酸鹽離子，硅酸鈣水化提供鈣離子。而無水硫鋁酸鈣則可同時提供上述各種離子。以鈣礬石作為膨脹源的膨脹水泥可以分為三類：1、以硅酸鹽水泥熟料為基材2、以高鋁水泥熟料為基材3、以硫鋁酸鹽熟料為基材每一類別又可包括若干品種，見下表。

二、幾個主要品種膨脹水泥的制造方法及性能

1、硅酸鹽膨脹水泥和自應力水泥以適當比例的普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥和天然二水石膏磨制而得的膨脹性的水硬性膠凝材料。普通硅酸鹽水泥為強度組分，高鋁水泥和二水石膏為膨脹組分。強度組分與膨脹組分必須協調。若水泥的強度發展過快，則膨脹值變小（自應力值變小）；若膨脹過大，則強度下降，甚至破壞。

硅酸鹽膨脹水泥一般的配比為：普通硅酸鹽水泥77～81%；高鋁水泥12～14%；二水石膏7～9%（SO3<5%）.硅酸鹽自應力水泥一般的配比為：普通硅酸鹽水泥67～73%；高鋁水泥12～15%；二水石膏15～18%。硅酸鹽自應力水泥主要用于制造自應力混凝土壓力管，采用離心成型工藝，成型后在80～90℃下蒸汽養護1.5～2h。70%的石膏已化合，剩余SO3為1.5～2.1%，強度達10～20MPa，然后水養護10天。剩余石膏與水化鋁酸鈣化合成鈣礬石，產生自應力，每1%SO3可產生自應力值1.5～2.5MPa,10d后，要求剩余SO3在0.6%以下。硅酸鹽自應力水泥其基本組成和性能相當于國外的M型膨脹水泥。2、澆注水泥（無收縮快硬水泥）是一種改性硅酸鹽水泥，它是由優質硅酸鹽水泥熟料、二水石膏和膨脹劑組成。澆注水泥的膨脹劑是采用經特定溫度下煅燒所得并粉磨至特定細度的磨細生石灰或其他類型的膨脹劑。澆注水泥具有硬化快、早期強度高、后期強度繼續增長等特點，還有微膨脹和不收縮性能。廣泛應用于建筑工程中，現澆混凝土工程的接縫，機械設備安裝的灌漿及一般的搶修、補強工程等。

第四節白色和彩色水泥白色和彩色水泥主要用于建筑裝飾工程，可配制成彩色混凝土。具有價格低廉、耐久性好，能使裝飾工程機械化等優點。一、白色硅酸鹽水泥——是由氧化鐵含量少的硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏磨細制成。（表8-15為白水泥熟料的組成）一般將Fe2O3的含量控制在0.5%以下，熟料即呈白色。

白色水泥的生產工藝與普通硅酸鹽水泥相似，但原材料的選擇以及磨機、輸送設備的使用需仔細。為了提高水泥的白度，要采用立即噴水冷卻。另外可將熟料在特殊的設備內進行漂白處理，將含Fe2O3的礦物還原為顏色較淺的含Fe3O4或FeO的礦物。還可在生料中加入適量的NaCl、CaCl2等氯化物。但此法只在濕法生產時有效。為了保護水泥的白度，粉磨熟料時加入的石膏應含雜質較少，同時水泥磨得越細，則白度越高。二、彩色水泥彩色水泥的制造方法有兩種：一種是混合法，將著色劑以干式混合的方式混入白色水泥中，或在粉磨白色水泥和硅酸鹽水泥時摻入著色劑。另一種是直接燒制法，是在水泥生料中摻入適量著色物質，煅燒成彩色熟料，然后磨制成彩色硅酸鹽水泥。混合法常用的著色劑有氧化鐵、二氧化錳、氧化鉻等，要求對光和大氣的耐久性好，不溶于水，分散性好，并能耐堿，對水泥石不起破壞作用。

第五節砌筑水泥在建筑施工中常用的砂漿標號一般為5.0MPa和2.5MPa。根據國標規定：凡由活性混合材加入適量的硅酸鹽水泥熟料和石膏，經磨細制成的水硬性膠凝材料，總稱為砌筑水泥。——以礦渣為主要組分的砌筑水泥，稱為礦渣砌筑水泥，其礦渣摻入量不得少于70%；——以火山灰質混合材為主要組分的砌筑水泥，稱為火山灰質砌筑水泥，其混合材的摻入量不得少于50%；——以粉煤灰為主要組分的砌筑水泥，稱為粉煤灰砌筑水泥，其混合材的摻入量不得少于40%。三種混合材允許相互代替。砌筑水泥分為三個標號，即125、175、225號。砌筑水泥適用于工業與民用建筑的砌筑砂漿，內墻抹面砂漿及基礎墊層等。

第六節

油井水泥定義：專用于油井、氣井等固井工程的水泥，又稱堵塞水泥。油井隨著井深的增加，井底的溫度和壓力相應地不斷提高。有的油井，井深達到7000米以上，井底溫度可達200℃，井底壓力高達125MPa。因此，高溫高壓對水泥各種性質的影響，是油井水泥生產和使用時的最主要的問題。