項目三水泥任務一硅酸鹽水泥任務二摻混合材料的硅酸鹽水泥任務三專用水泥與特性水泥任務四水泥的選用、驗收、儲存及保管

教學要求

了解：水泥的生產原料、生產過程及它們對水泥性能的影響，水泥的凝結硬化過程及機理。

掌握：水泥的種類，硅酸鹽水泥熟料的礦物組成、特點、技術性質及標準要求。會根據工程特點正確選用水泥。掌握常用水泥的檢驗、驗收和儲存要求。

重點：不同工程對水泥的選用。

難點：水灰比對水泥性能的影響。

【走進歷史】

水?泥?的?發?明

18世紀中葉，世界上第一個工業國——英國在迅速崛起，海上交通也格外繁忙。1774年，工程師斯密頓奉命在英吉利海峽筑起一座燈塔，為過往這里的船只導航引路。

這可難住了斯密頓。在水下用石灰砂漿砌磚？灰漿一見水就成了稀湯。用石頭沉入海中？哪能經得起海浪的沖擊？經過無數次的試驗，最后，他用石灰石、黏土、砂子和鐵渣等經過煅燒、粉碎并用水調和后，注入水中，這種混合料在水中不但沒有被沖稀，反而越來越牢固。這樣，他終于在英吉利海峽筑起了第一個航標燈塔。后來，英國一位叫亞斯普丁的石匠，又摸索出石灰石、黏土、鐵渣等原料的最合適比例，進一步完善了生產這種混合料的方法。1824年，亞斯普丁的這一項發明取得了專利。由于這種膠質材料硬化后的顏色和強度，同波特蘭地方出產的石材十分相近，故他取名為“波特蘭水泥”。從此，這種人造的、奇特的石頭的名稱—“水泥”便沿用下來。

水泥是一種粉末狀無機膠凝材料，加水拌和成塑性漿體后經物理化學作用可變成堅硬的石狀體，并能將砂、石等材料膠結為整體，水泥屬于水硬性膠凝材料，是建筑工程中最為重要的建筑材料之一，工程中主要用于配制混凝土、砂漿和灌漿材料。

水泥的品種非常多，按其組成成分，可分為硅酸鹽系列、鋁酸鹽系列、硫酸鹽系列、鐵鋁酸鹽系列、氟鋁酸鹽系列等；按其用途和特性，又可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥。任務一硅?酸?鹽?水?泥通用水泥是指土木工程中大量使用的一般用途的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥；專用水泥是指有專門用途的水泥，如砌筑水泥、油井水泥、大壩水泥、道路水泥等；特性水泥是指某種特性比較突出的水泥，多用于有特殊要求的工程，主要品種有快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽水泥、快凝硅酸鹽水泥、膨脹水泥、白色硅酸鹽水泥等。

水泥品種雖然很多，但硅酸鹽系列水泥是產量最大、應用范圍最廣的，占我國水泥產量的90%左右，因此，本章對硅酸鹽系列水泥作重點介紹，對其他水泥只作一般性介紹。3.1.1硅酸鹽水泥的生產及礦物組成

1.硅酸鹽水泥的定義

按國家標準GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》規定，凡由硅酸鹽水泥熟料、0～5%石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥(即國外通稱的波特蘭水泥)。根據是否摻入混合材料，可將硅酸鹽水泥分兩種類型：不摻加混合材料的水泥稱為Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號P.Ⅰ；在硅酸鹽水泥粉磨時摻加不超過水泥質量5%石灰石或粒化高爐礦渣混合材料的稱Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號P.Ⅱ。硅酸鹽水泥是硅酸鹽水泥系列的基本品種，其他品種的硅酸鹽水泥都是在硅酸鹽水泥熟料的基礎上，摻入一定量的混合材料制得的，因此要掌握硅酸鹽系列水泥的性能，首先要了解和掌握硅酸鹽水泥的特性。

2.硅酸鹽水泥的原料及生產工藝

生產硅酸鹽水泥的原料主要有石灰質原料、黏土質原料兩大類，此外再配以輔助的鐵質和硅質校正原料。其中石灰質原料主要提供CaO，它可采用石灰石、石灰質凝灰巖等；黏土質原料主要提供SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3，它可采用黏土、黏土質頁巖、黃土等；鐵質校正原料主要補充Fe2O3，可采用鐵礦粉、黃鐵礦渣等；硅質校正原料主要補充SiO2，它可采用砂巖、粉砂巖等。

硅酸鹽水泥生產過程是將原料按一定比例混合磨細，先制得具有適當化學成分的生料，再將生料在水泥窯(回轉窯或立窯)中經過1400℃～1450℃的高溫煅燒至部分熔融，冷卻后而得硅酸鹽水泥熟料，最后再加適量石膏(不超過水泥質量5%的石灰石或粒化礦渣)共同磨細至一定細度即得P.Ⅰ(P.Ⅱ)型硅酸鹽水泥。水泥的生產過程可概括為“兩磨一燒”，其生產工藝流程如圖3-1和圖3-2所示。

圖3-1硅酸鹽水泥生產工藝流程硅酸鹽水泥的生產有三大主要環節，即生料制備、熟料燒成和水泥制成，這三大環節的主要設備是生料粉磨機、水泥熟料煅燒窯和水泥粉磨機，水泥生產工藝按生料制備時加水制成料漿的稱為濕法生產，干磨成粉料的稱為干法生產；由于生料煅燒成熟料是水泥生產的關鍵環節，因此，水泥的生產工藝也常以煅燒窯的類型來劃分。生料在煅燒過程中要經過干燥、預熱、分解、燒成和冷卻五個環節，通過一系列物理、化學變化，生成水泥礦物，形成水泥熟料，為使生料能充分反應，窯內燒成溫度要達到1450℃。

圖3-2硅酸鹽水泥生產過程目前，我國水泥熟料的煅燒主要有以懸浮預熱和窯外分解技術為核心的新型干法生成工藝、回轉窯生產工藝和立窯生產工藝等幾種。由于新型干法生產工藝具有規模大、質量好、消耗低、效率高的特點，已經成為發展方向和主流，而傳統的回轉窯和立窯生產工藝由于技術落后、消耗高、效率低正逐漸被淘汰。

硅酸鹽水泥生產中，須加入適量石膏和混合材料。加入石膏的作用是調節水泥的凝結時間，以滿足使用的要求；加入混合材料則是為了改善其品種和性能，擴大其使用范圍。

3.硅酸鹽水泥熟料礦物組成及特性

由水泥原料經配比后煅燒得到的塊狀料即為水泥熟料，是水泥的主要組成部分。水泥熟料的組成成分可分為化學成分和礦物成分兩類。

生料開始加熱時，自由水分逐漸蒸發而干燥，當溫度上升到500℃～800℃時，首先是有機物被燒盡，其次是黏土分解形成無定型的SiO2及Al2O3，當溫度到達800℃～1000℃時，石灰石進行分解形成CaO，并開始與黏土中的SiO2、Al2O3及Fe2O3發生固相反應，隨溫度的升高，固相反應加速，并逐漸生成2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3及4CaO·Al2O3·Fe2O3。當溫度達到1300℃時，固相反應結束。這時在物料中仍剩余一部分CaO未與其他氧化物化合。當溫度從1300℃升至1450℃再降到1300℃，這是燒成階段，這時的3CaO·Al2O3及4CaO·Al2O3·Fe2O3燒至部分熔融狀態，出現液相，把剩余的CaO及部分2CaO·SiO2溶解于其中，在此液相中，2CaO·SiO2吸收CaO形成3CaO·SiO2。此燒成階段至關重要，需達到較高的溫度并要保持一定的時間，否則，水泥熟料中3CaO·SiO2含量低，游離CaO含量高，對水泥的性能有較大的影響。硅酸鹽水泥熟料礦物成分及含量如下：

硅酸三鈣3CaO·SiO2，簡寫C3S，含量37%～60%；

硅酸二鈣2CaO·SiO2，簡寫C2S，含量15%～37%；

鋁酸三鈣3CaO·Al2O3，簡寫C3A，含量7%～15%；

鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡寫C4AF，含量10%～18%。

在以上的礦物組成中，硅酸三鈣和硅酸二鈣的總含量大約占75%以上，而鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的總含量僅占25%左右，硅酸鹽占絕大部分，故名硅酸鹽水泥。除上述主要熟料礦物成分外，水泥中還有少量的游離氧化鈣、游離氧化鎂，其含量過高，會引起水泥體積安定性不良。水泥中還含有少量的堿(Na2O、K2O)，堿含量高的水泥如果遇到活性骨料，易產生堿—骨料膨脹反應。所以水泥中游離氧化鈣、游離氧化鎂和堿的含量應加以限制。

水泥具有許多優良的建筑技術性能，這些性能取決于水泥熟料的礦物成分及其含量。各種礦物單獨與水作用時，表現出不同的性能，詳見表3-1。

表3-1硅酸鹽水泥熟料礦物特性各熟料礦物的強度增長情況如圖3-3所示。水化熱的釋放情況如圖3-4所示。

由表3-1及圖3-3、圖3-4可知，不同熟料礦物單獨與水作用的特性是不同的。

(1)硅酸三鈣的水化速度較快，早期強度高，其28天的強度可達一年強度的70%～80%；水化熱較大，且主要是早期放出，其含量也最高，是決定水泥性質的主要礦物。

(2)硅酸二鈣的水化速度最慢，水化熱最小，且主要是后期放出，是保證水泥后期強度的主要礦物，且耐化學侵蝕性好。

(3)鋁酸三鈣的凝結硬化速度最快(故需摻入適量石膏作緩凝劑)，也是水化熱最大的礦物；其強度值最低，但形成最快，3天的強度幾乎接近最終強度，但其耐化學侵蝕性最差，且硬化時體積收縮最大。

(4)鐵鋁酸四鈣的水化速度也較快，僅次于鋁酸三鈣，其水化熱中等，且有利于提高水泥抗拉(折)強度。

圖3-3不同熟料礦物的強度增長曲線圖水泥是幾種熟料礦物的混合物，當改變礦物成分間的比例時，水泥性質即發生相應的變化，于是可制成不同性能的水泥。如增加C3S含量，可制成高強、早強水泥(我國水泥標準規定的R型水泥)。若增加C2S含量而減少C3S含量，水泥的強度發展慢，早期強度低，但后期強度高，其更大的優勢是水化熱降低。若提高C4AF的含量，可制得抗折強度較高的道路水泥。

圖3-4不同熟料礦物的水化熱釋放曲線圖3.1.2硅酸鹽水泥的凝結硬化

水泥加水拌和后，最初形成具有可塑性的水泥漿體，隨著水化反應的進行，水泥漿體逐漸變稠失去可塑性，但尚不具有強度，這一過程稱為水泥的“凝結”。隨后凝結了的水泥漿體開始產生強度，并逐漸發展成為堅硬的水泥石，這一過程稱為水泥的“硬化”。凝結和硬化是人為劃分的。實際上它是一個連續、復雜的物理化學變化過程。凝結過程較短，一般幾個小時即可完成，硬化過程是一個長期的過程，在一定溫度和濕度下，可持續幾年。在幾十年齡期的水泥制品中，仍有未水化的水泥顆粒。

1.水泥的水化反應

水泥加水后，其熟料礦物很快與水發生水化反應，生成水化產物，并放出一定的熱量，其反應式如下：

2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

硅酸三鈣水化硅酸鈣(凝膠體)氫氧化鈣(晶體)

2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

硅酸二鈣水化硅酸鈣(凝膠體)氫氧化鈣(晶體)

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

鋁酸三鈣水化鋁酸鈣(晶體)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

鐵鋁酸四鈣水化鋁酸鈣(晶體)水化鐵酸鈣(凝膠體)在四種熟料礦物中，C3A的水化速度最快，若不加以抑制，水泥會因凝結過快而影響正常使用。為了調節水泥凝結時間，在水泥中加入適量石膏并共同粉磨。石膏起緩凝作用，其機理：熟料與石膏一起迅速溶解于水，并開始水化，形成石膏、石灰飽和溶液，而熟料中水化最快的C3A的水化產物3CaO·Al2O3·6H2O在石膏、石灰的飽和溶液中生成高硫型水化硫鋁酸鈣，又稱鈣礬石，其反應式如下：

3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

水化鋁酸鈣石膏水化硫鋁酸鈣(鈣礬石晶體)

鈣礬石是一種針狀晶體，不溶于水，且形成時體積膨脹1.5倍。鈣礬石在水泥熟料顆粒表面形成一層較致密的保護膜，以封閉熟料組分的表面，阻滯水分子及離子的擴散，從而延緩了熟料顆粒，特別是C3A的水化速度。加入適量的石膏不僅能調節凝結時間達到標準所規定的要求，而且適量石膏能在水泥水化過程中與C3A生成一定數量的水化硫鋁酸鈣晶體，交錯地填充于水泥石的空隙中，從而增加水泥石的致密性，有利于提高水泥強度，尤其是早期強度的發揮。但如果石膏摻量過多，會引起水泥體積安定性不良。硅酸鹽水泥主要水化產物有：水化硅酸鈣凝膠體、水化鐵酸鈣凝膠體，氫氧化鈣晶體、水化鋁酸鈣晶體和水化硫鋁酸鈣晶體。在完全水化的水泥石中，水化硅酸鈣約占50%，氫氧化鈣約占25%。

2.硅酸鹽水泥的凝結與硬化過程

水泥的凝結硬化是個非常復雜的物理化學過程，如圖3-5所示，它可分為以下幾個階段。

圖3-5水泥的凝結硬化過程示意圖

(a)分散在水中未水化的水泥顆粒；(b)在水泥顆粒表面形成水化層；(c)膜層長大并互相連接(凝結)；(d)水化物進一步發展，填充毛細孔(硬化)水泥加水后，首先是最表層的水泥與水發生水化反應，生成水化產物，組成水泥—水—水化產物混合體系。反應初期，水化速度很快，不斷形成新的水化產物擴散到水中，使混合體系很快成為水化產物的飽和溶液。此后，水泥繼續水化所生成的產物不再溶解，而是以分散狀態的顆粒析出，附在水泥粒子表面，形成凝膠膜包裹層，使水泥在一段時間內反應緩慢，水泥漿的可塑性基本上保持不變。

由于水化產物不斷增加，凝膠膜逐漸增厚而破裂并繼續擴展，水泥粒子又在一段時間內加速水化，這一過程可重復多次。由水化產物組成的水泥凝膠在水泥顆粒之間形成了網狀結構。水泥漿逐漸變稠，并失去塑性而出現凝結現象。此后，由于水泥水化反應的繼續進行，水泥凝膠不斷擴展而填充顆粒之間的孔隙，使毛細孔愈來愈少，水泥石就具有愈來愈高的強度和膠結能力。

綜上所述，水泥的凝結硬化是一個由表及里、由快到慢的過程。較粗顆粒的內部很難完全水化。因此，硬化后的水泥石是由水泥水化產物凝膠體(內含凝膠孔)及結晶體、未完全水化的水泥顆粒、毛細孔(含毛細孔水)等組成的不勻質結構體。

3.影響硅酸鹽水泥凝結、硬化的主要因素

水泥的凝結硬化過程也就是水泥強度發展的過程，受到許多因素的影響，硬化過程有內部的和外界的，其主要影響因素分析如下：

(1)熟料礦物組成的影響。礦物組成是影響水泥凝結硬化的主要內因，如前所述，不同的熟料礦物成分單獨與水作用時，水化反應的速度、強度發展的規律、水化放熱是不同的，因此改變水泥的礦物組成，其凝結硬化將產生明顯的變化。

(2)石膏摻入量的影響。石膏摻入水泥中的目的是為了延緩水泥的凝結、硬化速度，調節水泥的凝結時間。需要注意石膏的摻入量，摻入量過少，不足以抑制C3A的水化速度；過多，其本身會生成一種促凝物質，反而使水泥發生快凝；如果石膏摻入量超過規定的限量，會在水泥硬化過程中仍有一部分石膏與C3A及C4AF的水化產物3CaO·Al2O3·6H2O繼續反應生成水化硫鋁酸鈣針狀晶體，體積膨脹，使水泥石強度降低，嚴重時還會導致水泥體積安定性不良。適宜的石膏摻入量主要取決于水泥中C3A的含量和石膏的品種及質量，同時與水泥細度及熟料中SO3的含量有關，一般生產水泥時石膏摻入量占水泥質量的3%～5%，具體摻入量應通過試驗確定。

(3)水泥細度的影響。水泥顆粒的粗細程度直接影響水泥的水化、凝結硬化、強度、干縮及水化熱等。水泥的顆粒粒徑一般在7μm～200μm之間，顆粒越細，與水接觸的比表面積越大，水化速度較快且較充分，水泥的早期強度和后期強度都很高。但水泥顆粒過細，在生產過程中消耗的能量則會越多，機械損耗也越大，生產成本增加，且由于水泥顆粒越細，需水性越大，在硬化時收縮也增大，因而水泥的細度應適中。

(4)水灰比的影響。拌和水泥漿時，水與水泥的質量比稱為水灰比。從理論上講，水泥完全水化所需的水灰比約為0.22。但拌含水泥漿時，為使漿體具有一定的塑性和流動性，所加入的水量通常要大大超過水泥充分水化時所需用水量，多余的水在硬化的水泥石內形成毛細孔。因此拌和水越多，硬化水泥石中的毛細孔就越多，當水灰比為0.4時，完全水化后水泥石的總孔隙率為29.6%，而水灰比為0.7時，水泥石的孔隙率高達50.3%。水泥石的強度隨其孔隙的增加而降低。因此，在不影響施工的條件下，水灰比小，則水泥漿稠，易于形成膠體網狀結構，水泥的凝結硬化速度快，同時水泥石整體結構內毛細孔少，強度也高。

(5)環境溫度、濕度的影響。溫度對水泥的水化、凝結和硬化影響很大，提高溫度，可加速水泥的水化速度，有利于水泥早期強度的形成。就硅酸鹽水泥而言，提高溫度可加速其水化，使早期強度能較快發展，但對后期強度可能會產生一定的影響(因而，硅酸鹽水泥不適宜用于蒸汽養護、壓蒸養護的混凝土工程)。而在較低溫度下進行水化，雖然凝結硬化慢，但水化產物較致密，可獲得較高的最終強度。但當溫度低于0℃時，水化反應基本停止，因此冬期施工時，需采用保溫措施，以保證水泥正常凝結和強度正常發展。溫度低于0℃時，強度不但不增長，而且還會因水的結冰而導致水泥石被凍壞。

濕度是保證水泥水化的一個必備條件，水泥的凝結硬化實質是水泥的水化過程。因此，在干燥環境中，水化漿體中的水分蒸發，導致水泥不能充分水化，同時硬化也將停止，并會因干縮而產生裂縫。在工程中，保持環境的溫、濕度，使水泥石強度不斷增長的措施稱為養護，水泥混凝土在澆筑后的一段時間里應十分注意控制溫、濕度的養護。

(6)養護齡期的影響。齡期指水泥在正常養護條件下所經歷的時間。水泥的凝結、硬化是隨著養護齡期的增長而漸進的過程，在適宜的溫、濕度環境中，隨著水泥顆粒內各熟料礦物水化程度的提高，凝膠體不斷增加，毛細孔相應減少，水泥的強度增長可持續幾年，甚至幾十年。在水泥水化作用的最初幾天內強度增長最為迅速，如水化7天的強度可達到28天強度的70%左右，28天以后的強度增長明顯減緩，如圖3-6所示。硅酸鹽水泥的強度發展規律：3～7天發展比較快，28天以后顯著變慢。

(7)外加劑的影響。由于硅酸鹽水泥的水化、凝結硬化在很大程度上受到C3S、C3A的制約，因此凡對C3S、C3A的水化能產生影響的外加劑，都能改變硅酸鹽水泥的水化、凝結硬化性能，如水泥漿中摻入緩凝劑(木鈣或糖類)，則會延緩水泥的水化硬化，影響水泥早期強度的發展。水泥漿中摻入早強劑，則會促進水泥的凝結硬化而提高早期強度。

圖3-6硅酸鹽水泥強度發展與齡期的關系

(8)儲存條件的影響。受潮的水泥因部分水化而結塊，從而失去膠結能力，硬化后其強度嚴重降低。儲存過久的水泥，因過多地吸收了空氣中的水分和二氧化碳，會發生緩慢的水化和碳化現象，從而影響水泥的凝結硬化過程，致使強度下降。通常，儲存三個月的水泥，其強度下降10%～20%；儲存六個月的水泥，其強度下降15%～30%；儲存一年后，其強度下降25%～40%。所以，水泥的有效儲存期一般規定不超過三個月。3.1.3硅酸鹽系列水泥的主要技術性質

根據國家標準《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)對硅酸鹽水泥的品質要求，現對其主要技術性質作以下介紹。

1.密度、堆積密度及水泥中各成分含量

硅酸鹽水泥的密度、堆積密度以及各成分含量具體規定見表3-2。表3-2硅酸鹽水泥的密度、堆積密度以及各成分含量規定2.細度

細度是指水泥顆粒的粗細程度。水泥顆粒的粗細直接影響著水泥的水化速度、活性和強度。一般情況下，水泥顆粒越細小，其表面積越大，與水的接觸面積就越大，水化作用就越迅速充分，這使得水泥凝結硬化速率加快，早期強度也越高。水泥細度可采用篩分析法和比表面積法進行評定。篩分析法是用80μm的方孔篩對水泥試樣進行篩分析試驗，用篩余百分數表示；比表面積法是指單位質量的水泥粉末所具有的總表面積，以m2/kg表示，水泥顆粒越細，比表面積越大，可用勃氏比表面積儀測定。據國家標準GB175—2007規定，硅酸鹽水泥比表面積應大于300m2/kg。凡細度不符合規定者為不合格品。

3.標準稠度用水量

在測定水泥的凝結時間、體積安定性等時，為了使所測得的結果有可比性，要求必須采用標準稠度的水泥凈漿來測定。水泥凈漿達到標準稠度所需用水量即為標準稠度用水量，以水占水泥質量的百分數表示，用標準維卡儀測定。對于不同的水泥品種，水泥的標準稠度用水量各不相同，一般在24%～33%之間。

水泥的標準稠度用水量主要取決于熟料礦物組成、混合材料的種類及水泥細度。

4.凝結時間

凝結時間分初凝和終凝。初凝為水泥加水拌和開始至水泥標準稠度的凈漿開始失去可塑性所需的時間，終凝為水泥加水拌和開始至標準稠度的凈漿完全失去可塑性所需的時間。

據GB175—2007規定，硅酸鹽水泥的初凝時間不得早于45min，終凝時間不得遲于6.5h。水泥的凝結時間是采用標準稠度的水泥凈漿在規定溫度及濕度的環境下，用水泥凈漿時間測定儀測定的。凝結時間的規定對工程有著重要的意義，為使混凝土、砂漿有足夠的時間進行攪拌、運輸、澆筑、砌筑，順利完成混凝土和砂漿的制備，并確保制備的質量，初凝不能過短，否則在施工中因已失去流動性和可塑性而無法使用；當澆筑完畢，為了使混凝土盡快凝結、硬化，產生強度，順利地進入下一道工序，規定終凝時間不能太長，否則將減緩施工進度，降低模板周轉率。標準中規定，凡初凝時間不符合規定者為廢品；終凝時間不符合規定者為不合格品。

5.體積安定性

水泥的體積安定性是指水泥漿體在凝結硬化過程中體積變化的穩定性。當水泥漿體硬化過程發生不均勻變化時，會導致膨脹開裂、翹曲等現象，稱為體積安定性不良。安定性不良的水泥會使混凝土構件產生膨脹性裂縫，從而降低建筑物質量，引起嚴重事故。因此，國家標準規定水泥體積安定性必須合格，否則水泥作為廢品處理，嚴禁用于工程中。引起水泥體積安定性不良的主要原因是：

(1)水泥中含有過多的游離氧化鈣和游離氧化鎂。當水泥原料比例不當、煅燒工藝不正常或原料質量差(MgCO3含量高)時，會產生較多游離狀態的氧化鈣和氧化鎂(f-CaO，f-MgO)，它們與熟料一起經歷了1450℃的高溫煅燒，屬嚴重過火的氧化鈣、氧化鎂，水化極慢，在水泥凝結硬化后很長時間才進行熟化。生成的Ca(OH)2和Mg(OH)2在已經硬化的水泥石中膨脹，使水泥石出現開裂、翹曲、疏松和崩潰等現象，甚至完全破壞。

(2)石膏摻量過多。當石膏摻量過多時，在水泥硬化后，殘余石膏與固態水化鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣，體積增大約1.5倍，從而導致水泥石開裂。

GB1346—2001中規定，硅酸鹽水泥的體積安定性經沸煮法(分標準法和代用法)檢驗必須合格。

用沸煮法只能檢測出f-CaO造成的體積安定性不良。f-MgO產生的危害與f-CaO相似，但由于氧化鎂的水化作用更緩慢，其含量過多造成的體積安定性不良，必須用壓蒸法才能檢驗出來。石膏造成的體積安定性不良則需長時間在溫水中浸泡才能發現。由于后兩種原因造成的體積安定性不良都不易檢驗，因此國家標準規定：熟料中MgO含量不宜超過5%，經壓蒸試驗合格后，允許放寬到6%，SO3含量不得超過3.5%。

[工程實例分析3-1]

現象某工地對剛從水泥廠拉來的水泥進行體積安定性檢驗時，發現安定性不合格，經過多次與廠家的交涉，半個月后，廠家派人來重新進行檢驗，卻發現水泥的體積安定性合格了，為什么？

原因分析剛出廠的水泥安定性不合格的可能是由于水泥中游離的氧化鈣含量偏高造成，在空氣中放置半個月后，水泥中的部分游離氧化鈣會吸收空氣中的水蒸氣而水化(或消解)，使游離氧化鈣的膨脹作用被減少或消除，因而此時檢驗水泥體積的安定性變為合格。這樣的水泥在重新檢驗并確認體積安定性合格后可以使用。

思考

既然體積安定性不合格的水泥放置一段時間后變為合格，那么把安定性不合格的水泥都放置一段時間后再使用可以嗎？為什么？

6.強度及強度等級

水泥的強度是評定其質量的一項重要指標，是劃分強度等級的依據。根據國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法》規定，將水泥、標準砂和水按規定比例(水泥∶標準砂∶水=1∶3.0∶0.5)用規定方法制成的規格為40mm

×

40mm

×

160mm的標準試件，在標準養護的條件下養護(1d在溫度為(20±1)℃、

相對濕度在90%以上的空氣中帶模養護，

1d以后拆模，放入(20±1)℃的水中養護)，分別測定其3d、28d的抗壓強度和抗折強度。按照3d、28d的抗壓強度和抗折強度，將硅酸鹽水泥分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個強度等級。為提高水泥的早期強度，現行標準將水泥分為普通型和早強型(用R表示)。各等級、各齡期的強度值不得低于國家標準《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)規定(見表3-3)。水泥的強度包括抗壓強度與抗折強度，必須同時滿足標準要求，缺一不可。如有一項指標低于表中數值，則應降低強度等級，直至四個數值都滿足表中規定為止。

表3-3硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥各等級、各齡期的強度值(GB175—2007)因為水泥的強度隨著放置時間的延長而降低，所以為了保證水泥在工程中的使用質量，生產廠家在控制出廠水泥28d強度時，均留有一定的富余強度。通常富余系數為1.06～1.18。

7.水化熱

水泥在水化過程中放出的熱量稱為水化熱，通常用J/kg表示。水化熱的大小主要與水泥的細度及礦物組成有關。顆粒愈細，水化熱愈大；礦物中C3A、C3S含量愈多，水化放熱愈高。大部分的水化熱集中在早期放出，3d～7d以后逐步減少。

水化熱在混凝土工程中，既有有利的影響，也有不利的影響。高水化熱的水泥在大體積混凝土工程中是非常不利的(如大壩、大型基礎、橋墩等)。這是由于水泥水化釋放的熱量積聚在了混凝土內部，散發得非常緩慢，使混凝土內部溫度升高，而溫度升高又加速了水泥的水化，使混凝土表面與內部因形成過大的溫差而產生溫差應力，致使混凝土受拉而開裂破壞。因此在大體積混凝土工程中，應選擇低熱水泥。但在混凝土冬季施工時，水化熱卻有利于水泥的凝結、硬化和防止混凝土受凍。

8.堿

水泥中堿含量按Na2O+0.658K2O計算的質量百分率來表示。若使用活性骨料，當要求提供低堿水泥時，水泥中堿含量不得大于0.60%或由供需雙方商定。

當混凝土骨料中含有活性二氧化硅時，會與水泥中的堿相互作用形成堿的硅酸鹽凝膠，由于后者體積膨脹可引起混凝土開裂，會造成結構的破壞，將這種現象稱為“堿—骨料反應”。它是影響混凝土耐久性的一個重要因素。堿—骨料反應與混凝土中的總堿量、骨料及使用環境等有關。

根據國家標準規定：凡氧化鎂、三氧化硫、安定性、初凝時間中有任一項不符合標準規定時，均為廢品。凡細度、終凝時間、不溶物和燒失量中任一項不符合標準規定，或混合材料摻量超過最大限量，或強度低于規定指標時，稱為不合格品。廢品水泥在工程中嚴禁使用。若水泥的強度低于規定指標時，可以降級使用。3.1.4水泥石的腐蝕與防護

1.水泥石的防護

在正常環境條件下，硅酸鹽水泥硬化后，水泥石的強度會不斷增長，具有較好的耐久性。然而某些環境因素(如某些侵蝕性液體或氣體)卻能引起水泥石強度的降低，甚至破壞，這種現象稱為水泥石的腐蝕。水泥石的腐蝕主要有以下四種類型。

1)軟水侵蝕(溶出性侵蝕)

不含或僅含少量重碳酸鹽(含HCO3-的鹽)的水稱為軟水，如雨水、蒸餾水、冷凝水及部分江水、湖水等。當水泥石長期與軟水相接觸時，水化產物將按其穩定存在所必需的平衡氫氧化鈣(鈣離子)濃度的大小，依次逐漸溶解或分解，從而造成水泥石的破壞，這就是溶出性侵蝕。

在各種水化產物中，Ca(OH)2的溶解最大(25℃約1.3gCaO/l)，因此首先溶出，這樣不僅增加了水泥石的孔隙率，使水更容易滲入，而且由于Ca(OH)2濃度降低，還會使水化產物依次發生分解，如高堿性的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等分解成為低堿性的水化產物，并最終變成硅酸凝膠、氫氧化鋁等無膠凝能力的物質。在靜水及無壓力水的情況下，由于周圍的軟水易為溶出的氫氧化鈣所飽和，使溶出作用停止，所以對水泥石的影響不大；但在流水及壓力水的作用下，水化產物的溶出將會不斷地進行下去，水泥石結構的破壞將由表及里地不斷進行下去。當水泥石與環境中的硬水接觸時，水泥石中的氫氧化鈣與重碳酸鹽發生反應，生成幾乎不溶于水的碳酸鈣積聚在水泥石的孔隙內，形成致密的保護層，可阻止外界水的繼續侵入，從而可阻止水化產物的溶出。

2)鹽類侵蝕

在水中通常溶有大量的鹽類，某些溶解于水的鹽會與水泥石相互作用產生置換反應，生成一些易溶或無膠結能力或產生膨脹的物質，從而使水泥石結構破壞。最常見的鹽類侵蝕是硫酸鹽侵蝕與鎂鹽侵蝕。

硫酸鹽侵蝕是由于水中溶有一些易溶的硫酸鹽，它們與水泥石中的氫氧化鈣反應生成硫酸鈣，硫酸鈣再與水泥石中的固態水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石，體積急劇膨脹(約1.5倍)，使水泥石結構破壞，其反應式為

3(CaSO4·2H2O)

+

3CaO·Al2O3·6H2O+19H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O鈣礬石呈針狀晶體，常稱其為“水泥桿菌”。若硫酸鈣濃度過高，則直接在孔隙中生成二水石膏結晶，產生體積膨脹而導致水泥石結構破壞。

鎂鹽侵蝕主要是氯化鎂和硫酸鎂與水泥石中的氫氧化鈣起復分解反應，生成無膠結能力的氫氧化鎂及易溶于水的氯化鎂或生成石膏導致水泥石結構破壞，其反應式為

MgCl2

+

Ca(OH)2→Mg(OH)2

+

CaCl2

MgSO4

+

Ca(OH)2

+

2H2O→Mg(OH)2

+

CaSO4·2H2O

可見，硫酸鎂對水泥石起鎂鹽與硫酸鹽雙重侵蝕作用。

在海水、湖水、鹽沼水、地下水、某些工業污水及流經高爐礦渣或煤渣的水中常含鉀、鈉、銨等硫酸鹽；在海水及地下水中常含有大量的鎂鹽，主要是硫酸鎂和氯化鎂。

3)酸類侵蝕

(1)碳酸侵蝕。在某些工業污水和地下水中常溶解有較多的二氧化碳，這種水分對水泥石的侵蝕作用稱為碳酸侵蝕。首先，水泥石中的Ca(OH)2與溶有CO2的水反應，生成不溶于水的碳酸鈣；接著碳酸鈣又再與碳酸水反應生成易溶于水的碳酸氫鈣。反應式為

Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O

CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2↓

當水中含有較多的碳酸，上述反應向右進行，從而導致水泥石中的Ca(OH)2不斷地轉變為易溶的Ca(HCO3)2而流失，進一步導致其他水化產物的分解，使水泥石結構遭到破壞。

(2)一般酸侵蝕。水泥的水化產物呈堿性，因此酸類對水泥石一般都會有不同程度的侵蝕作用，其中侵蝕作用最強的是無機酸中的鹽酸、氫氟酸、硝酸、硫酸及有機酸中的醋酸、蟻酸和乳酸等，它們與水泥石中的Ca(OH)2反應后的生成物，或者易溶于水，或者體積膨脹，都會對水泥石結構產生破壞作用。例如鹽酸和硫酸分別與水泥石中的Ca(OH)2作用，其反應式為

Ca(OH)2+2HCl=CaCl2+2H2O

Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4+2H2O

反應生成的氯化鈣易溶于水，生成的石膏繼而又產生硫酸鹽侵蝕作用。

4)強堿侵蝕

水泥石本身具有相當高的堿度，因此弱堿溶液一般不會侵蝕水泥石，但當鋁酸鹽含量較高的水泥石遇到強堿(如氫氧化鈉)作用后出會被腐蝕破壞。氫氧化鈉與水泥熟料中未水化的鋁酸三鈣作用，生成易溶的鋁酸鈉。當水泥石被氫氧化鈉浸潤后又在空氣中干燥，與空氣中的二氧化碳作用生成碳酸鈉，它在水泥石毛細孔中結晶沉積，會使水泥石脹裂。

除了上述四種典型的侵蝕類型外，糖、氨、鹽、動物脂肪、純酒精、含環烷酸的石油產品等對水泥石也有一定的侵蝕作用。在實際工程中，水泥石的腐蝕常常是幾種侵蝕介質同時存在、共同作用所產生的；但干的固體化合物不會對水泥石產生侵蝕，侵蝕性介質必須呈溶液狀且濃度大于某一臨界值。

水泥的耐蝕性可用耐蝕系數定量表示。耐蝕系數是以同一齡期下，水泥試體在侵蝕性溶液中養護的強度與在淡水中養護的強度之比，比值越大，耐蝕性越好。

2.水泥石的防護

從以上對侵蝕作用的分析可以看出，水泥石被腐蝕的內因：一是水泥石中存在有易被腐蝕的組分，如Ca(OH)2與水化鋁酸鈣；二是水泥石本身不致密，有很多毛細孔通道，侵蝕性介質易于進入其內部。因此，針對具體情況可采取下列措施防止水泥石的腐蝕。

1)根據侵蝕環境特點合理選擇水泥品種

如采用水化產物中氫氧化鈣含量少的水泥，可提高對淡水等侵蝕的抵抗能力；采用含水化鋁酸鈣低的水泥，可提高對硫酸鹽腐蝕的抵抗能力；選擇混合材料摻入量較大的水泥可提高抗各類腐蝕(除抗碳化外)的能力。

2)提高水泥的密實度，降低孔隙率

硅酸鹽水泥水化理論水灰比約為0.22，而實際施工中水灰比為0.40～0.70，多余的水分在水泥石內部形成連通的孔隙，腐蝕介質就易滲入水泥石內部，從而加速了水泥石的腐蝕。在實際工程中，可通過降低水灰比、仔細選擇骨料、摻外加劑、改善施工方法等措施，提高水泥石的密實度，從而提高水泥石的抗腐蝕性能。

3)在水泥石表面加保護層

當侵蝕作用較強且上述措施不能奏效時，可用耐腐蝕的材料，如石料、陶瓷、塑料、瀝青等覆蓋于水泥石的表面，從而防止侵蝕性介質與水泥石直接接觸，達到抗侵蝕的目的。3.1.5硅酸鹽水泥的性質、應用及存放

1.硅酸鹽水泥的性質

(1)快凝、快硬、高強。與硅酸鹽系列的其他品種水泥相比，硅酸鹽水泥凝結(終凝)快、早期強度(3d)高、強度等級高(低為42.5、高為62.5)。

(2)抗凍性好。由于硅酸鹽水泥未摻或摻雜很少量的混合材料，故其抗凍性好。

(3)抗腐蝕性差。硅酸鹽水泥水化產物中有較多的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣，耐軟水及耐化學腐蝕能力差。

(4)堿度高，抗碳化能力強。碳化是指水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣的過程。碳化對水泥石(或混凝土)本身是有利的，但碳化會使水泥石(混凝土)內部堿度降低，從而失去對鋼筋的保護作用。

(5)水化熱大。硅酸鹽水泥中含有大量的C3A、C3S，在水泥水化時，放熱速度快且放熱量大。

(6)耐熱性差。硅酸鹽水泥中的一些重要成分在250℃溫度時會發生脫水或分解，使水泥石強度下降，當受熱700℃以上時，將遭受破壞。

(7)耐磨性好。硅酸鹽水泥強度高，耐磨性好。

2.硅酸鹽水泥的應用

(1)適用于早期強度要求高的工程及冬季施工的工程。

(2)適用于重要結構的高強混凝土和預應力混凝土工程。

(3)適用于嚴寒地區，遭受反復凍融的工程及干濕交替的部位。

(4)不能用于大體積混凝土工程。

(5)不能用于高溫環境的工程。

(6)不能用于海水和有侵蝕性介質存在的工程。

(7)不適宜蒸汽或蒸壓養護的混凝土工程。

3.硅酸鹽水泥的儲存與運輸

水泥在運輸和存放的過程中假若受潮或雨淋，它會與空氣中的水分發生水化反應，形成具有可塑性的漿體，隨著水化反應的進行，水泥漿體逐漸凝結，最后凝結的水泥漿體逐漸硬化開始產生強度。受潮或被雨淋后的水泥制成水泥石后失去了原本具有的強度、結構和使用性能，故無法達到預期的使用效果。

儲存水泥時應注意以下事項：

(1)按不同的生產廠、不同品種、強度等級和出產日期分別存放，嚴禁混雜；

(2)注意防潮和防止空氣流動，先存先用，不可儲存過久。

水泥在正常儲存條件下，若儲存3個月，其強度會降低約10%～20%；若儲存6個月，其強度降低約15%～30%。因此規定，常用水泥儲存期為3個月，鋁酸鹽水泥為2個月，雙快水泥不宜超過1個月，過期水泥在使用時應重新檢測，按實際強度使用。水泥受潮變質的快慢及受潮程度與保管條件、保管期限及水泥質量有關。

凡在硅酸鹽水泥熟料中，摻入一定量的混合材料和適量石膏共同磨細制成的水泥，均屬于摻混合材料的硅酸鹽水泥。摻混合材料的目的是為了調整水泥強度等級，改善水泥的某些性能，增加水泥的品種，擴大使用范圍，降低水泥成本和提高產量，并且充分利用工業廢料。按摻入混合材料的品種和數量，摻混合材料的硅酸鹽水泥分為普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥及復合硅酸鹽水泥。任務二摻混合材料的硅酸鹽水泥3.2.1混合材料

磨細水泥時摻入人工的或天然的礦物材料稱為混合材料，用于水泥中的混合材料分為活性混合材料和非活性混合材料。為確保工程質量，凡國家標準中沒有規定的混合材料品種嚴禁使用。

1.活性混合材料

活性混合材料是指在常溫下，加水拌和后能與水泥、石灰或石膏發生化學反應，生成具有一定水硬性的膠凝產物的混合材料。硅酸鹽水泥熟料水化后會產生大量的氫氧化鈣，并且水泥中需摻入適量的石膏，因此在硅酸鹽水泥中具備了使活性混合材料發揮潛在活性的條件。通常將氫氧化鈣、石膏稱為活性混合材料的“激發劑”，分別稱為堿性激發劑和硫酸鹽激發劑，但硫酸鹽激發劑必須在有堿性激發劑條件下才能發揮作用。

水泥中常用的活性混合材料有粒化高爐礦渣、火山灰質混合材料及粉煤灰等。

1)粒化高爐礦渣

將煉鐵高爐中的熔融礦渣經水淬等急冷方式處理而成的松軟顆粒稱為粒化高爐礦渣，又稱水淬礦渣，其主要的化學成分是CaO、SiO2和Al2O3，約占90%以上。急速冷卻的礦渣結構為不穩定的玻璃體，儲有較高的潛在活性。如果熔融狀態的礦渣緩慢冷卻，其中的SiO2等形成晶體，活性極小，稱為慢冷礦渣，則不具有活性。

2)火山灰質混合材料

凡是天然的或人工的以活性氧化硅SiO2和活性氧化鋁Al2O3為主要成分，其含量一般可達65%～95%，具有火山灰活性的礦物質材料，都稱為火山灰質混合材料，按其成因分為天然的和人工的。天然火山灰主要是火山噴發時隨同熔巖一起噴發的大量碎屑沉積在地面或水中的松軟物質，包括浮石、火山灰、凝灰巖等。人工火山灰是將一些天然材料或工業廢料經加工處理而成的，如硅藻土、沸石、燒黏土、煤矸石、煤渣等。

3)粉煤灰

粉煤灰是發電廠燃煤鍋爐排出的細顆粒廢渣，其顆粒直徑一般為0.001mm～0.050mm，呈玻璃態實心或空心的球狀顆粒，表面比較致密，粉煤灰的成分主要是活性氧化硅SiO2、活性氧化鋁Al2O3和活性Fe2O3，及一定量的CaO，根據CaO的含量可分為低鈣粉煤灰(CaO含量低于10%)和高鈣粉煤灰。高鈣粉煤灰通常活性較高，因為所含的鈣絕大多數是以活性結晶化合物存在的，如C3A、CS，此外，其所含的鈣離子量使鋁硅玻璃體的活性得到增強。

2.非活性混合材料

非活性混合材料是指在常溫下，加水拌和后不能與水泥、石灰或石膏發生化學反應的混合材料。非活性混合材料又稱填充性混合材料，將它們摻入水泥中的目的，主要是為了提高水泥產量、調節水泥強度等級。實際上非活性混合材料在水泥中僅起填充和分散作用，所以又稱為填充性混合材料、惰性混合材料。磨細的石英砂、石灰石、黏土、慢冷礦渣及各種廢渣等都屬于非活性材料。另外，凡不符合技術要求的粒化高爐礦渣、火山灰質混合材料及粉煤灰均可作為非活性混合材料使用。3.2.2普通硅酸鹽水泥

1.定義

凡由硅酸鹽水泥熟料、6%～20%混合材料、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為普通硅酸鹽水泥(簡稱普通水泥)，代號P·

O。摻活性混合材料時，最大摻量不得超過20%，其中允許用不超過水泥質量5%的窯灰或不超過水泥質量8%的非活性材料來代替。摻非活性混合材料時，最大摻量不得超過水泥質量的8%。

2.技術要求

國家標準(GB175—2007)對普通硅酸鹽水泥的技術要求如下：

(1)細度。80μm方孔篩篩余百分數不得超過10%或45μm方孔篩篩余不大于30%。

(2)凝結時間。初凝不得早于45min，終凝不得遲于10h。

(3)強度和強度等級。根據3d和28d齡期的抗折和抗壓強度，將普通硅酸鹽水泥劃分為42.5、42.5R、52.5、52.5R共4個強度等級。各強度等級水泥的各齡期強度不得低于國家標準規定的數值(如表3-2所示)。普通水泥的體積安定性、氧化鎂含量、二氧化碳含量等其他技術要求與硅酸鹽水泥相同。

3.普通硅酸鹽水泥的主要性能及應用

普通水泥中絕大部分仍為硅酸鹽水泥熟料、適量石膏及較少的混合材料(與以上所介紹的三種水泥相比)，故其性質介于硅酸鹽水泥與以上三種水泥之間，更接近與硅酸鹽水泥。具體表現：早期強度略低；水化熱略低；耐腐蝕性略有提高；耐熱性稍好；抗凍性、耐磨性、抗碳化性略有降低。

在應用范圍方面，普通水泥與硅酸鹽水泥基本相同，甚至在一些不能用硅酸鹽水泥的地方也可采用普通水泥，使得普通水泥成為建筑行業應用面最廣，使用量最大的水泥品種。3.2.3礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥

1.定義

凡由硅酸鹽水泥熟料和粒化高爐礦渣、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料稱為礦渣硅酸鹽水泥(簡稱礦渣水泥)，當粒化高爐礦渣摻加量大于20%、小于等于50%時稱為P·

S·

A，當粒化高爐礦渣摻加量大于50%、小于等于70%時稱為P·S·B。

凡由硅酸鹽水泥熟料和火山灰質混合材料、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料稱為火山灰質硅酸鹽水泥(簡稱火山灰水泥)，代號為P·P。其中，火山灰質混合材料的摻入量大于20%、小于等于40%。凡由硅酸鹽水泥熟料和粉煤灰、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料稱為粉煤灰硅酸鹽水泥(簡稱粉煤灰水泥)，代號P·F。其中，粉煤灰的摻入量大于20%、小于等于40%。

2.技術要求

(1)細度、凝結時間、體積安定性。GB175—2007中規定，這三種水泥的細度、凝結時間、體積安定性同普通水泥要求。

(2)氧化鎂、三氧化硫含量。熟料中氧化鎂的含量礦渣水泥P·S·A要求不宜超過6%，P·S·B不作要求。其余三種水泥要求小于等于6%。

礦渣水泥中三氧化硫的含量不得超過4.0%；火山灰水泥和粉煤灰水泥中SO3的含量不得超過3.5%。

(3)強度等級。這三種水泥的強度等級按3d、28d的抗壓強度和抗折強度來劃分，各強度等級水泥的各齡期強度不得低于表3-4數值。

表3-4礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥各等級、各齡期強度值3.性質與應用

礦渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥都是在硅酸鹽水泥熟料的基礎上加入大量活性混合材料及適量石膏磨細而制成的，所加活性混合材料在化學組成與化學活性上基本相同，因而存在很多共性，但這三種活性混合材料自身又有性質與特征的差異。

1)三種水泥的共性

(1)凝結硬化慢，早期強度低，后期強度發展較快。這三種水泥的水化反應分兩步進行。首先是熟料礦物的水化，生成水化硅酸鈣、氫氧化鈣等水化產物；其次是生成的氫氧化鈣和摻入的石膏分別作為“激發劑”與活性混合材料中的活性SiO2和活性Al2O3發生二次水化反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等新的水化產物。

由于三種水泥中熟料含量少，二次水化反應又比較慢，因此早期強度低，但后期由于二次水化反應的不斷進行及熟料的繼續水化，水化產物不斷增多，使得水泥強度發展較快，后期強度可趕上甚至超過同強度等級的普通硅酸鹽水泥。

(2)抗軟水、抗腐蝕能力強。由于水泥中熟料少，因而水化生成的氫氧化鈣及水化鋁酸三鈣含量少，加之二次水化反應還要消耗一部分氫氧化鈣，因此水泥中造成腐蝕的因素大大削弱，使得水泥抵抗軟水、海水及硫酸鹽腐蝕的能力增強，適宜用于水工、海港工程及受侵蝕性作用的工程。

(3)水化熱低。由于水泥中熟料少，即水化放熱量高的C3A、C3S含量相對減小，且“二次水化反應”的速度慢、水化熱較低，使水化放熱量少且慢，因此適用于大體積混凝土工程。

(4)濕熱敏感性強，適宜高溫養護。這三種水泥在低溫下水化明顯減慢，強度較低，采用高溫養護可加速熟料的水化，并大大加快活性混合材料的水化速度，大幅度地提高早期強度，且不影響后期強度的發展。與此相比，普通水泥、硅酸鹽水泥在高溫下養護，雖然早期強度可提高，但后期強度發展受到影響，比一直在常溫下養護的強度低。主要原因是硅酸鹽水泥、普通水泥的熟料含量高，熟料在高溫下水化速度較快，短時間內生成大量的水化產物，這些水化產物對未水化的水泥顆粒的后期水化起阻礙作用，因此硅酸鹽水泥、普通水泥不適合于高溫養護。

(5)抗碳化能力差。由于這三種水泥的水化產物中氫氧化鈣含量少，堿度較低，抗碳化的緩沖能力差，其中尤以礦渣水泥最為明顯。

(6)抗凍性差、耐磨性差。由于加入較多的混合材料，使水泥的需水量增加，水分蒸發后易形成毛細管通路或粗大孔隙，水泥石的孔隙率較大，導致抗凍性差和耐磨性差。

2)三種水泥的特性

(1)礦渣水泥。

①耐熱性強。礦渣水泥中礦渣含量較大，硬化后氫氧化鈣含量少，且礦渣本身又是高溫形成的耐火材料，故礦渣水泥的耐熱性好，適用于高溫車間、高爐基礎及熱氣體通道等耐熱工程。

②保水性差、泌水性大、干縮性大。粒化高爐礦渣難以磨得很細，加上礦渣玻璃體親水性差，在拌制混凝土時泌水性大，容易形成毛細管通道和粗大孔隙，在空氣中硬化時易產生較大干縮。

(2)火山灰水泥。

①抗滲性好。火山灰混合材料含有大量的微細孔隙，使其具有良好的保水性，并且在水化過程中形成大量的水化硅酸鈣凝膠，使火山灰水泥的水泥石結構密實，從而具有較高的抗滲性。

②干縮大、干燥環境中表面易“起毛”。火山灰水泥水化產物中含有大量膠體，長期處于干燥環境時，膠體會脫水產生嚴重的收縮，導致干縮裂縫。因此，使用時特別注意加強養護，使較長時間保持潮濕狀態，以避免產生干縮裂縫。對于處在干熱環境中施工的工程，不宜使用火山灰水泥。

(3)粉煤灰水泥。

①干縮性小、抗裂性高。粉煤灰呈球形顆粒，比表面積小，吸附水的能力小，因而這種水泥的干縮性小，抗裂性高，但致密的球形顆粒，保水性差，易泌水。

②早期強度低、水化熱低。粉煤灰因為內比表面積小，不易水化，所以活性主要在后期發揮。因此，粉煤灰水泥早期強度、水化熱比礦渣水泥和火山灰水泥還要低，因此特別適用于大體積混凝土工程。3.2.4復合硅酸鹽水泥

GB175—2007規定，凡由硅酸鹽水泥熟料，兩種或兩種以上規定的混合材料，適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料稱為復合硅酸鹽水泥(簡稱復合水泥)代號P·C，水泥中混合材料總摻加量按質量百分比計大于20%但不超過50%。

水泥中允許用不超過8%的窯灰代替部分混合材料；摻礦渣時混合材料摻量不得與礦渣硅酸鹽水泥重復。

根據GB175—2007《復合硅酸鹽水泥》對復合硅酸鹽水泥的規定，其氧化鎂含量、三氧化硫含量、細度、凝結時間、安定性等指標同《礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥》(GB175—2007)。強度等級為32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R共6個強度等級。各強度等級水泥的各齡期強度值不得低于表3-5中的數值。

表3-5復合水泥各強度等級、各齡期強度最低值復合水泥與礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰相比，摻混合材料種類不是一種而是兩種或兩種以上，多種混合材料互摻，可彌補一種混合材料性能的不足，明顯改善水泥的性能，適用范圍更廣。

以上所介紹的硅酸鹽系列六大品種水泥其組成、性質及適用范圍見表3-6。

表3-6六種常用水泥的成分、特性和適用范圍

[工程實例分析3-2]

現象某復合硅酸鹽水泥各齡期強度的實驗結果如下：3d抗壓強度22.3MPa，3d抗折強度4.6MPa，28d抗壓強度46.9MPa，28d抗折強度6.7MPa，則該水泥的強度等級是()

A.32.5 B.42.5R C.42.5 D.52.5

原因分析確定強度等級的方法是根據表3-4的要求，選取4個數據都滿足最大等級作為該水泥的強度等級。通過對比可知，正確答案是B。

思考強度等級中帶“”與不帶“”有何性能區別，使用中應如何選用？

專用水泥是指具有專門用途的水泥，其用途較單一。特性水泥是指某方面性能比較突出的水泥，一般用于某些特殊環境。任務三專用水泥與特性水泥3.3.1砌筑水泥

GB/T3183—2003《砌筑水泥》規定：凡由一種或一種以上的水泥混合材料，加入適量硅酸鹽水泥熟料和石膏，經磨細制成的工作性較好的水硬性膠凝材料，稱為砌筑水泥。

砌筑水泥用混合材料可采用礦渣、粉煤灰、煤矸石、沸騰爐渣和沸石等，摻加量應大于50%，允許摻入適量石灰石或窯灰。凝結時間要求初凝不早于60min，終凝不遲于12h；按砂漿吸水后保留的水分計，保水率應不低于80%。砌筑水泥適用于砌筑砂漿、內墻抹面砂漿及基礎墊層；允許用于生產砌塊及瓦等制品。砌筑水泥一般不能用于配制混凝土，通過試驗，允許用于低強度等級混凝土，但不得用于鋼筋混凝土等承重結構。

在我國住宅建筑中，磚混結構占有相當大的比例，其中所用的砌筑砂漿在施工配制時，如采用通用硅酸鹽水泥，由于水泥強度相比砂漿強度過大，同時為了滿足砂漿和易性的要求，水泥用量又不能過少，結果造成砌筑砂漿強度等級超高，造成較大的浪費。因此，產生專為砌筑用的低強度水泥非常必要。砌筑水泥在生產中，可大量利用工業廢渣，不僅保護環境，還降低了生產成本，也提高了經濟效益。3.3.2道路水泥

道路水泥是專用于水泥混凝土路面工程的專用特種水泥。道路水泥由道路硅酸鹽水泥熟料，適量石膏，加入《道路硅酸鹽水泥》(GB13693—2005)規定的混合材料，磨細制成的水硬性凝膠材料，稱為道路硅酸鹽水泥(簡稱道路水泥)，代號P·R。水泥熟料主要礦物有硅酸鈣和鐵鋁酸鈣；鐵鋁酸四鈣高，C4AF的含量大于等于16.0%。性能特點：初凝時間較長，大于1h；抗折強度高；耐磨性好，磨損率小于等于3.60kg/m2；抗裂性好，28d干縮率小于等于0.10%。道路水泥是一種強度高(尤其是抗折強度高)、干縮性小、耐磨性、抗凍性、抗沖擊性和抗硫酸鹽性均較好的水泥，所以道路水泥可以較好地承受高速車輛的車輪摩擦、循環負荷、沖擊和振動、貨物裝卸時產生的驟然負荷，較好地抵抗路面與路基的溫差和干濕度差產生的膨脹應力，抵抗冬季的凍融循環。道路水泥適用于修筑各種道路路面、機場跑道路面、城市廣場等要求耐磨、耐用、裂縫和磨耗少的工程，也可用于其他建筑工程，且能取得優于通用硅酸鹽水泥的使用效果。道路水泥混凝土的組成材料基本上與普通混凝土相同，也是由膠凝材料、集料和外加劑等材料組成的，但是由于道路混凝土的特殊性，某些對普通混凝土影響不大的原材料，對道路混凝土也有著顯著的影響，因此，道路混凝土對混凝土原材料質量有著特殊的要求。水泥作為混凝土的膠結材料，其質量的好壞在很大程度上決定了混凝土性能的優劣。為提高道路利用率、增強混凝土的耐久性，應選用早期強度高、耐磨性強、抗凍性好的水泥。特重、重交通路面宜采用旋窯生產的道路硅酸鹽水泥，也可采用旋窯生產的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥；中、輕交通的路面可采用礦渣硅酸鹽水泥；低溫天氣施工或有快通要求的路段可采用R型水泥，此外宜采用普通型水泥。3.3.3快硬硅酸鹽水泥

凡以硅酸鹽水泥熟料和適量石膏磨細制成的，以3d抗壓強度表示強度等級的水硬性膠凝材料，稱為快硬硅酸鹽水泥，簡稱快硬水泥。

快硬水泥的制造過程與硅酸鹽水泥的基本相同，只是適當增加了熟料中硬化快的礦物，如硅酸三鈣為50%～60%、鋁酸三鈣為8%～14%、鋁酸三鈣和硅酸三鈣的總量應不少于60%～65%，同時適當增加石膏的摻量(達8%)及提高水泥細度。通常，快硬水泥的比表面積可達450m2/kg。國家標準規定：細度要求為快硬水泥的細度用篩余百分數來表示，其值不得超過10%；初凝時間不得早于45min，終凝時間不得遲于10h；體積安定性必須合格；快硬水泥以3d強度定等級，分為32.5、37.5、42.5三種，各齡期強度不得低于表3-7中的數值。

表3-7快硬水泥各齡期強度值快硬硅酸鹽水泥的凝結硬化快，干縮性較大；早期強度及后期強度均高，抗凍性好；水化熱大，耐腐蝕性差。快硬水泥主要用于緊急搶修工程、軍事工程、冬季施工和混凝土預制構件。但不能用于大體積混凝土工程及經常與腐蝕介質接觸的混凝土工程。此外，由于快硬水泥細度大、易受潮變質，故在運輸和儲存中應注意防潮，一般儲期不宜超過一個月，已風化的水泥必須對其性能重新檢驗，合格后方可使用。3.3.4明礬石膨脹水泥

一般硅酸鹽水泥在空氣中凝結硬化時，通常都表現為收縮，收縮值的大小與水泥品種、礦物組成、細度、石膏摻量及水灰比大小等因素有關。收縮將使混凝土內部產生微裂縫，影響混凝土的強度及耐久性。

膨脹水泥在硬化過程中能產生一定體積的膨脹，由于這一過程發生在漿體完全硬化之前，因此能使水泥石結構密實而不致破壞。膨脹水泥根據膨脹率大小和用途不同，可分為膨脹水泥(自應力小于2.0MPa)和自應力水泥(自應力大于等于2.0MPa)。膨脹水泥用于補償一般硅酸鹽水泥在硬化過程中產生的體積收縮或有微小膨脹；自應力水泥實質上是一種依靠水泥本身膨脹而產生預應力的水泥。在鋼筋混凝土中，鋼筋約束了水泥膨脹而使水泥混凝土承受了預壓應力，這種壓應力能免于產生內部微裂縫，當其值較大時，還能抵消一部分因外界因素所產生的拉應力，從而有效地改善混凝土抗拉強度低的缺陷。

明礬石膨脹水泥是以硅酸鹽水泥熟料(58%～63%)、天然明礬石(12%～15%)、無水石膏(9%～12%)和粒化高爐礦渣(15%～20%)共同磨細制成的具有膨脹性能的水硬性膠凝材料，稱為明礬石膨脹水泥。明礬石膨脹水泥加水后，其硅酸鹽水泥熟料中的礦物水化生成的Ca(OH)2和C3AH6，分別同明礬石[K2SO·Al2(SO4)3·4Al(OH)3]、石膏作用生成大量體積膨脹性的鈣礬石[CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O]，填充于水泥石中的毛細孔中，并與水化硅酸鈣相互交織在一起，使水泥石結構密實，這就是明礬石水泥具有強度高和抗滲性好的主要原因。明礬石膨脹水泥的膨脹源均來自于生成鈣礬石的多少。調整各種組成的配合比，控制生成鈣礬石數量，可以制得不同膨脹值的膨脹水泥。明礬石膨脹水泥主要用于可補償收縮混凝土工程、防滲抹面及防滲混凝土(如各種地下建筑物、地下鐵道、儲水池、道路路面等)，構件的接縫，梁、柱和管道接頭，固定機器底座和地腳螺栓等。3.3.5白色硅酸鹽水泥

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、氧化鐵含量很少的白硅酸鹽水泥熟料，再加入適量石膏，共同磨細制成的水硬性膠凝材料稱為白色硅酸鹽水泥。

硅酸鹽系列水泥的顏色通常呈灰色，主要是因為含有較多的氧化鐵及其他雜質所致。白水泥的生產工藝與常用水泥基本相同，關鍵是嚴格控制水泥原料的鐵含量，嚴防在生產過程中混入鐵質(以及錳、鉻等氧化物)。

國家標準(GB/T2015—2005)規定：白水泥的細度要求為80μm方孔篩篩余不得大于10%；凝結時間；初凝時間不得早于45min，終凝時間不得遲于10h；體積安定性必須合格；按3d、28d的強度值將白水泥劃分為32.5

MPa、42.5MPa和52.5MPa三個強度等級，各等級、各齡期的水泥強度不得低于表3-8中的數值。

表3-8白色硅酸鹽水泥的強度要求(GB2015—2005)白度是白水泥的一項重要的技術性能指標。白水泥按白度分為特級、一級、二級和三級四個等級，各等級白度不得低于表3-9中的數值。

表3-9白水泥各等級白度白水泥具有強度高、色澤潔白等特點，在建筑裝飾工程中常用來配制彩色水泥漿，用于建筑物內、外墻的粉刷及天棚、柱子的粉刷，還可用于貼面裝飾材料的勾縫處理；配制各種彩色砂漿用于裝飾抹灰，如常用的水刷石、斬假石等，模仿天然石材的色彩、質感，具有較好的裝飾效果；配制彩色混凝土，制作彩色水磨石等。

[工程實例分析3-3]

現象某工地建筑材料倉庫內有三袋白色膠凝材料，它們是生石灰粉、建筑石膏和白水泥，后因保管不善使得標識辯認不清，問用什么簡易方法可以辨別？

原因分析通過加水進行辨認。放出大量的熱、體積膨脹的為生石灰粉，凝結硬化快的為建筑石膏，剩下的為白色水泥。3.3.6中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥

以適當成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，經磨細制成的具有中等水化熱的水硬性膠凝材料，稱中熱硅酸鹽水泥，簡稱中熱水泥，代號P·MH。

以適當成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，經磨細制成的具有低水化熱的水硬性膠凝材料，稱低熱硅酸鹽水泥，簡稱低熱水泥，代號P·LH。

以適當成分的硅酸鹽水泥熟料，加入礦渣、適量石膏，經磨細制成的具有低水化熱的水硬性膠凝材料，稱低熱礦渣硅酸鹽水泥，簡稱低熱礦渣水泥，代號P·SLH。水泥中礦渣摻量按水泥質量百分比計為20%～60%，允許用不超過混合材料總量50%的磷渣或粉煤灰代替部分礦渣。

低熱礦渣水泥和中熱水泥主要是通過限制水化熱較高的C3A和C3S含量得以實現的。根據現行規范《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥及低熱礦渣硅酸鹽水泥》(GB200—2003)，其具體技術要求如下：

(1)熟料中C3A、C3S的含量，熟料中的C3A含量：中熱水泥和低熱水泥不得超過6%；對于低熱礦渣水泥不得超過8%。熟料中的C3S含量：中熱水泥不得超過55%；低熱水泥不得超過40%。

(2)游離CaO、MgO及SO3含量：游離CaO對于中熱水泥和低熱水泥不得超過1.0%，低熱礦渣水泥不得超過1.2%；MgO含量不宜超過5%，如水泥經壓蒸安定性試驗合格，允許放寬到6%；SO3含量不得超過3.5%；細度、凝結時間：細度的測定按GB1345進行，凝結時間的測定按GB1346進行。

(3)細度要求，比表面積不低于250m2/kg；初凝時間不早于60min，終凝時間不得遲于10h。

(4)強度：中熱水泥和低熱水泥為42.5強度等級；低熱礦渣水泥為32.5強度等級。各齡期強度值詳見表3-10。

(5)水化熱：低熱礦渣水泥和中熱水泥要求水化熱不得超過表3-11的規定。

表3-10中、低熱水泥及低熱礦渣水泥各齡期強度值表3-11中、低熱水泥各齡期水化熱值中熱水泥主要適用于大壩溢流面或大體積建筑物的面層和水位變化區等部位，要求低水化熱和較高耐磨性、抗凍性的工程；低熱水泥和低熱礦渣水泥主要適用于大壩或大體積混凝土內部及水下等要求低水化熱的工程。3.3.7鋁酸鹽水泥

鋁酸鹽水泥是鋁酸鹽系水泥的主要品種，凡以鋁酸鈣為主的鋁酸鹽水泥熟料，磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為鋁酸鹽水泥，代號為CA。鋁酸鹽水泥的主要礦物成分是鋁酸一鈣(CaO·Al2O3，CA)此外，還有少量硅酸二鈣和其他鋁酸鹽。

在較低溫度下，鋁酸鹽水泥水化后密實度大，強度高。經(5～7)d后，水化物的數量就很少增加。因此，鋁酸鹽水泥的早期強度增長很快，24h即可達到極限強度的80%左右，后期強度增長不顯著。在溫度大于30℃時，水化生成物為C3AH6，密實度較小，強度則大為降低。

值得注意的是，低溫下形成的水化產物CAH10和C2AH8都是亞穩定體，在溫度高于30℃的潮濕環境中，會逐漸轉變為穩定的C3AH6。高溫、高濕條件下，上述轉變極為迅速，晶體轉變過程中釋放出大量的結晶水，使水泥中固相體積減小50%以上，強度大大降低。可見鋁酸鹽水泥正常使用時，雖然硬化快，早期強度很高，但后期強度會大幅度下降，在濕熱環境下尤為嚴重。

GB201—2000《鋁酸鹽水泥》中規定：細度，比表面積不小于300m2/kg或0.045mm篩余不大于20%；凝結時間，凝結時間要求如表3-12；強度試驗按國家標準規定的方法進行，但水灰比應按GB201—2000規定調整，各類型、各齡期強度值不得低于表3-13規定的數值。

表3-12鋁酸鹽水泥的凝結時間

1．快硬早強，后期強度下降

鋁酸鹽水