《建筑材料》課件-第5章

第5章水泥5.1硅酸鹽水泥5.2摻混合材料的硅酸鹽水泥5.3其他品種水泥5.4水泥的驗(yàn)收與保管 5.1硅酸鹽水泥

5.1.1硅酸鹽水泥生產(chǎn)及其礦物組成

硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝過程概括起來，可謂“兩磨一燒”，即：（1）生料的配制和磨細(xì)；（2）生料經(jīng)煅燒使之部分熔融而形成熟料；（3）將熟料、0~5%的石灰石或?；郀t礦渣（通稱混合材料）與適量石膏共同磨細(xì)，即成為硅酸鹽水泥。水泥生產(chǎn)的主要工藝流程如圖5.1所示。圖5.1硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過程

水泥生料的配合比例直接影響硅酸鹽水泥熟料的礦物成分比例和主要建筑技術(shù)性能，水泥生料在窯內(nèi)的煅燒過程是保證水泥熟料質(zhì)量的關(guān)鍵。在達(dá)到1000℃時(shí)水泥生料中的各種原料完全分解出水泥中的有用成分，主要有氧化鈣(CaO)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二鋁(A12O3)和三氧化二鐵(Fe2O3)。其中在800℃左右少量分解出的氧化物已開始發(fā)生固相反應(yīng)，生成鋁酸一鈣、少量的鐵酸二鈣及硅酸二鈣。在（900~1100）℃時(shí)開始形成鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，在（1100~1200）℃時(shí)形成大量鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，硅酸二鈣生成量最大。在（1300~1450）℃時(shí)鋁酸二鈣和鐵鋁酸四鈣呈熔融狀態(tài)，產(chǎn)生的液相把氧化鈣及部分硅酸二鈣溶解于其中，在此液相中，硅酸二鈣吸收氧化鈣化合成硅酸三鈣。這是煅燒水泥的最關(guān)鍵一步，必須停留足夠的時(shí)間，使原料中游離的氧化鈣被吸收掉，以保證水泥熟料的質(zhì)量。表5－1硅酸鹽水泥熟料的礦物組成表5－2水泥熟料礦物的特性5.1.2硅酸鹽水泥的凝結(jié)與硬化

水泥加水拌后，最初形成具有可塑性的漿體，然后逐漸變稠失去可塑性，這一過程稱為凝結(jié)。此后，強(qiáng)度逐漸提高，并變成堅(jiān)硬的石狀物體——水泥石，這一過程稱為硬化。水泥的凝結(jié)和硬化過程是人為劃分的，實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，這些變化決定了水泥的一系列的技術(shù)性能，因此了解水泥的凝結(jié)和硬化過程，對(duì)于了解水泥的性能和使用是很重要的。硅酸鹽水泥遇水后，各熟料礦物與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成水化物，并放出一定熱量，其反應(yīng)式如下：

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

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

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O4

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O上述反應(yīng)中，硅酸三鈣水化反應(yīng)很快，水化放熱大，生成的水化硅酸鈣幾乎不溶于水，而以膠體微粒析出，并逐漸凝聚成為凝膠。經(jīng)電子顯微鏡觀察，水化硅酸鈣僅是顆粒尺寸與膠體相同，而實(shí)際上呈結(jié)晶較差的箔片狀或纖維狀顆粒。生成的氫氧化鈣較快地溶解于水中，當(dāng)溶液中的濃度達(dá)到過飽和后，便呈六方晶體析出。

硅酸二鈣水化反應(yīng)的產(chǎn)物與硅酸三鈣基本相同，但它水化反應(yīng)極慢，水化放熱小。鋁酸三鈣水化反應(yīng)極快，水化放熱甚大，且放熱速度也很快，生成的水化鋁酸鈣為立方晶體。鐵鋁酸四鈣水化反應(yīng)快，水化放熱中等，生成的水化產(chǎn)物為水化鋁酸三鈣和水化鐵酸一鈣。水化鋁酸三鈣和水化鐵酸一鈣是不穩(wěn)定的產(chǎn)物，它們?cè)跉溲趸}飽和溶液中能與氫氧化鈣進(jìn)一步反應(yīng)，生成六方晶體的水化鋁酸四鈣和水化鐵酸四鈣。純熟料磨細(xì)后，凝結(jié)時(shí)間很短，不便使用。為了調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時(shí)間，熟料磨細(xì)時(shí)，摻入適量(3%左右)石膏，這些石膏與部分水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成難溶的水化硫鋁酸鈣的針狀晶體，其反應(yīng)式如下。由于水化硫鋁酸鈣的存在，延緩了水泥的凝結(jié)時(shí)間。

3CaO·Al2O3+6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O

=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

水泥漿在空氣中硬化時(shí)，表面形成的氫氧化鈣還能與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣。綜上所述，硅酸鹽水泥水化反應(yīng)后，生成的主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和水化硫鋁酸鈣等。

以上所述的是水泥水化時(shí)所發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)。在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，水泥水化又發(fā)生著一系列的物理變化，使水泥凝結(jié)并硬化。水泥凝結(jié)和硬化過程的機(jī)理比較復(fù)雜。一般解釋是：當(dāng)水泥加水拌和后(見圖5.2（a）)，在水泥顆粒表面即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物聚集在顆粒表面形成凝膠薄膜(見圖5.2（b）)，使水泥反應(yīng)減慢。圖5.2水泥凝結(jié)硬化過程示意圖

表面形成的凝膠薄膜使水泥漿體具有可塑性。由于生成的膠體狀水化產(chǎn)物在某些點(diǎn)接觸，構(gòu)成疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使?jié){體失去流動(dòng)性和部分可塑性，這時(shí)為初凝。之后，由于薄膜的破裂，使水泥與水又迅速而廣泛地接觸，反應(yīng)又加速，生成較多量的水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣晶體等水化產(chǎn)物，它們相互接觸連生(見圖5.2（c）)，到一定程度，漿體完全失去可塑性，建立起充滿全部間隙的緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部不斷充實(shí)水化產(chǎn)物，使水泥具有一定的強(qiáng)度，這時(shí)為終凝。當(dāng)水泥顆粒表面重新為水化產(chǎn)物所包裹，水化產(chǎn)物層的厚度和致密程度不斷增加，水泥漿體趨于硬化，形成具有較高強(qiáng)度的水泥石(見圖5.2（d）)。硬化水泥石是由凝膠、晶體、毛細(xì)孔和未水化的水泥熟料顆粒所組成。由此可見，水泥的水化和硬化過程是一個(gè)連續(xù)的過程。水化是水泥產(chǎn)生凝結(jié)硬化的前提，而凝結(jié)硬化是水泥水化的結(jié)果。凝結(jié)和硬化又是同一過程的不同階段，凝結(jié)標(biāo)志著水泥漿失去流動(dòng)性而具有一定的塑性強(qiáng)度，硬化則表示水泥漿固化后所建立的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。水泥的凝結(jié)和硬化，除了與水泥的礦物組成成分有關(guān)外，還與水泥的細(xì)度、拌和水量、硬化環(huán)境(溫度、濕度)和硬化時(shí)間有關(guān)。水泥顆粒細(xì)，水化快，凝結(jié)與硬化也快；拌和水量多，水化后形成的膠體稀，水泥的凝結(jié)和硬化就慢。溫度對(duì)水泥的水化以及凝結(jié)和硬化的影響很大，當(dāng)溫度高時(shí)，水泥的水化作用加速，從而凝結(jié)和硬化的速度也就加快，所以用蒸汽養(yǎng)護(hù)是加速凝結(jié)和硬化的方法之一；當(dāng)溫度低時(shí)，凝結(jié)和硬化的速度減慢，當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，水化基本停止，因此，冬期施工時(shí)，需采用保溫措施，以保證水泥正常凝結(jié)和強(qiáng)度的正常發(fā)展。水泥石的強(qiáng)度只有在潮濕的環(huán)境中才能不斷增長，若處于干燥環(huán)境中，當(dāng)水分蒸發(fā)完畢后，水化作用將無法繼續(xù)進(jìn)行，硬化即停止，強(qiáng)度也不再增長，所以混凝土工程在澆筑后2~3周的時(shí)間內(nèi)，必須注意灑水養(yǎng)護(hù)。水泥石的強(qiáng)度隨著硬化時(shí)間的增加而增長，一般在（3~7）d內(nèi)強(qiáng)度增長最快，在28d以內(nèi)增長較快，以后漸慢，但持續(xù)時(shí)間很長。5.1.3硅酸鹽水泥的技術(shù)性能

1.密度和表觀密度

硅酸鹽水泥的密度，主要決定于熟料的礦物組成，是測定水泥細(xì)度指標(biāo)比表面積的重要參數(shù)，一般在(3.1~3.2)g/cm3之間。因儲(chǔ)存過久而受潮的水泥，密度稍有降低。

硅酸鹽水泥在松散狀態(tài)時(shí)的表觀密度，一般在(900~1300)kg/m3之間，緊密狀態(tài)時(shí)可達(dá)(1400~1700)kg/m3。表觀密度除與密度有關(guān)外，還與粉磨細(xì)度有關(guān)，一般來說，水泥愈細(xì)，表觀密度愈小。

2．細(xì)度

細(xì)度是影響水泥性能的重要物理指標(biāo)。顆粒愈細(xì)，與水起反應(yīng)的表面積愈大，因而水化作用既迅速又完全，凝結(jié)硬化的速度也加快，早期強(qiáng)度也就愈高，但硬化收縮較大，水泥易于受潮。水泥愈細(xì)，粉磨過程能耗愈大，使水泥成本提高。

水泥細(xì)度可用比表面積或80μm方孔篩的篩余量表示。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定硅酸鹽水泥細(xì)度用比表面積表示，比表面積大于300m2/kg。

3．標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量指按一定方法將水泥調(diào)制成具有標(biāo)準(zhǔn)稠度的凈漿所需的用水量。標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是作為測定水泥的凝結(jié)時(shí)間和安定性所用凈漿的拌和水量的依據(jù)，也是水泥基本性能指標(biāo)之一。硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量一般在23%~31%之間。

4．凝結(jié)時(shí)間

水泥凝結(jié)時(shí)間分為初凝和終凝。初凝時(shí)間為從水泥加水拌和起至水泥漿開始失去可塑性所需的時(shí)間；終凝時(shí)間則為從水泥加水拌和起至水泥漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所需的時(shí)間。

水泥的凝結(jié)時(shí)間對(duì)水泥的使用具有重要的意義。水泥的初凝不宜過早，以便在施工時(shí)有足夠的時(shí)間完成混凝土和砂漿的攪拌、運(yùn)輸、澆筑和砌筑等操作；水泥的終凝不宜過遲，以使混凝土在澆搗、施工完畢后，盡快地硬化，達(dá)到一定的強(qiáng)度，以利于下一步施工工藝的進(jìn)行。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：硅酸鹽水泥的初凝時(shí)間不得早于45min；終凝時(shí)間不得遲于390min（6.5h）。

5．體積安定性

體積安定性是指水泥在硬化過程中體積均勻變化的性能。

體積安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含游離氧化鈣或游離氧化鎂或摻入石膏量過多所致。熟料中所含游離氧化鈣或游離氧化鎂都是過燒的，水化很慢，往往在水泥硬化后才開始水化，這些氧化物在水化時(shí)體積劇烈膨脹，使水泥石開裂。當(dāng)石膏摻量過多時(shí)，在水泥硬化后，石膏與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成三硫型水化硫鋁酸鈣，體積膨脹，也會(huì)引起水泥石開裂。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水泥體積安定性用沸煮法檢驗(yàn)必須合格。該法只能檢驗(yàn)由游離氧化鈣所引起的水泥體積安定性不良。游離氧化鎂需在壓蒸條件下才能加速水化。而石膏的危害需長時(shí)間在常溫水中才能發(fā)現(xiàn)，兩者均不便于快速檢驗(yàn)，所以國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水泥熟料中游離氧化鎂含量不得超過5.0%，三氧化硫含量不得超過3.5%。以控制水泥的體積安定性。

體積安定性不良的水泥不能用于工程中。安定性不合格的試餅如圖5.3所示。圖5.3安定性不合格試餅

（a）崩潰；（b）龜裂；（c）彎曲

6．強(qiáng)度

水泥的強(qiáng)度是水泥性能的重要指標(biāo)，也是評(píng)定水泥強(qiáng)度等級(jí)的依據(jù)。將水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂按1∶3的比例混合，加入規(guī)定數(shù)量的水，按規(guī)定方法制成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)3d和28d齡期的強(qiáng)度，硅酸鹽水泥分為42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R和72.5R六種等級(jí)，普通硅酸鹽水泥分為32.5、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R七種等級(jí)。各等級(jí)水泥在各齡期的強(qiáng)度值不得低于表5－3的數(shù)值。表5－3硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度

7．水化熱

水泥的水化是放熱反應(yīng)，水泥在凝結(jié)硬化過程中放出的熱量，稱為水泥的水化熱。水泥的水化放熱量和放熱速度主要決定于水泥的礦物組成和細(xì)度。水化放熱對(duì)大體積混凝土構(gòu)筑物是有害的，對(duì)一般建筑的冬期施工則是有利的。5.1.4硅酸鹽水泥的腐蝕及防止方法

1．軟水腐蝕（溶出性腐蝕）

蒸餾水、冷凝水、雨水、雪水以及含重碳酸鹽甚少的河水及湖水均屬軟水。水泥石中氫氧化鈣易溶解于軟水，氫氧化鈣的溶出會(huì)促使水泥石中其他水化物分解，從而引起水泥石結(jié)構(gòu)的破壞，強(qiáng)度降低。硬化水泥石受到軟水溶析時(shí)，各種水化物中，氫氧化鈣的溶解度最大而首先被溶出。當(dāng)在靜止及無水壓的情況下，由于周圍的水迅速被溶出的氫氧化鈣所飽和，使溶解作用中止，氫氧化鈣的溶出僅限于表面，影響不大。但當(dāng)水泥石在流動(dòng)水及壓力水作用下，氫氧化鈣會(huì)不斷溶解流失，使水泥石結(jié)構(gòu)的密實(shí)度降低，影響其性能。由于氫氧化鈣不斷溶出，水泥石中氧化鈣濃度降低，當(dāng)?shù)陀谄渌锬芊€(wěn)定存在的極限濃度時(shí)，就會(huì)引起這些水化物的分解，例如當(dāng)溶液中的氧化鈣濃度低于0.08g/L時(shí)，水化硅酸鈣將分解成沒有水硬性的SiO2·nH2o和Ca(OH)2。水化鋁酸鈣和水化鐵酸鈣也如此。于是水泥石結(jié)構(gòu)遭到破壞，強(qiáng)度不斷降低，導(dǎo)致建筑物嚴(yán)重毀壞。

2．一般酸性水腐蝕

某些地下水或工業(yè)廢水中常含有游離的酸性物質(zhì)，這種酸性物質(zhì)能與水泥石中的氫氧化鈣作用生成相應(yīng)的鈣鹽，所生成的鈣鹽或易溶于水，或在水泥石孔隙內(nèi)形成結(jié)晶導(dǎo)致水泥石體積膨脹，產(chǎn)生破壞作用，這種破壞作用，稱為一般酸性水腐蝕。

例如，鹽酸與水泥中的氫氧化鈣作用生成極易溶于水的氯化鈣：Ca(OH)2+2HCl=CaCl2+2H2O硫酸與水泥石中的氫氧化鈣作用生成二水石膏：Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4·2H2O

3．碳酸腐蝕

在工業(yè)污水和地下水中常溶解有較多的二氧化碳，與水泥石中的氫氧化鈣作用生成易溶于水的化合物而引起水泥石的破壞，稱為碳酸腐蝕。

水泥石中的氫氧化鈣與二氧化碳作用生成碳酸鈣，而碳酸鈣又與二氧化碳反應(yīng)生成易溶于水的碳酸氫鈣：Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2OCaCO3+CO2+H2O

Ca(HCO3)2

后者為可逆反應(yīng)，若當(dāng)水中含有的碳酸量只能滿足平衡生成的Ca（HCO3）2，且水又為靜止?fàn)顟B(tài)，則這部分碳酸不會(huì)引起水泥石的腐蝕。只有當(dāng)水中的碳酸量超過上述平衡所需的碳酸量，且水又為流動(dòng)水，所生成易溶的碳酸氫鈣溶于水后被沖走，上述化學(xué)平衡遭到破壞，反應(yīng)向右繼續(xù)進(jìn)行，這樣氫氧化鈣將連續(xù)地起化學(xué)反應(yīng)，不斷流失，促使水泥石結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

4．硫酸鹽腐蝕

在海水、地下水及鹽沼水中，常含有大量硫酸鹽，與水泥石中某些化合物反應(yīng)，生成能產(chǎn)生膨脹的結(jié)晶體，使水泥石結(jié)構(gòu)破壞，稱為硫酸鹽腐蝕。

常見的硫酸鹽為硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸銨及硫酸鈣等。它們中有的與水泥石中的氫氧化鈣置換反應(yīng)生成二水石膏：Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O=CaSO4·2H2O+2NaOH二水石膏與水泥石中的水化鋁酸三鈣反應(yīng)，生成三硫型水化硫鋁酸鈣：3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O生成的三硫型水化硫鋁酸鈣比原來的3CaO·Al2O3·6H2O固相所占的體積約增大1.5倍，產(chǎn)生局部膨脹應(yīng)力，使水泥石結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。三硫型水化硫鋁酸鈣是呈針狀晶體，常稱為“水泥桿菌”。

當(dāng)水中硫酸鹽濃度較高或存在硫酸鈣時(shí)，硫酸鹽將在孔隙中直接結(jié)晶成二水石膏，體積膨脹，也導(dǎo)致水泥石破壞。

除了上述四種主要的腐蝕作用外，還有一些其他物質(zhì)，如糖類、脂肪及強(qiáng)堿等對(duì)水泥也有腐蝕作用。一般來說，堿的溶液對(duì)水泥無害，因水泥水化物中的氫氧化鈣本身就是堿性化合物。只有當(dāng)堿溶液的濃度較高時(shí)，對(duì)硬化水泥石能發(fā)生緩慢腐蝕，溫度升高會(huì)使腐蝕作用加速。綜上所述，使硅酸鹽水泥遭受腐蝕的根本原因，在于水泥石本身成分中存在有引起腐蝕的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣；另外也由于水泥石本身不夠密實(shí)，從而使侵蝕性介質(zhì)易于進(jìn)入內(nèi)部。根據(jù)產(chǎn)生腐蝕的原因，可采取下列防腐蝕措施：

（1）根據(jù)侵蝕環(huán)境特點(diǎn)，選擇適當(dāng)品種的水泥。

（2）盡量提高水泥石的密實(shí)度，減少滲透作用，如降低水灰比，摻加外加劑和混合材料等。

（3）當(dāng)侵蝕作用較強(qiáng)時(shí)，可在混凝土或砂漿表面設(shè)置耐腐蝕性強(qiáng)且不透水的防護(hù)層，如采用耐酸石材、耐酸陶瓷、瀝青及塑料等材料。5.1.5硅酸鹽水泥的應(yīng)用

（1）在常用的水泥品種中，硅酸鹽水泥使用較多，常用于重要結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程。

（2）硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化較快，抗凍性好，適用于要求凝結(jié)快、早期強(qiáng)度高、冬期施工及嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融的工程。

（3）硅酸鹽水泥的水泥石中含有較多的氫氧化鈣，抗軟水侵蝕和抗化學(xué)侵蝕性差，所以不宜用于受流動(dòng)的軟水和有水壓作用的工程，也不宜用于受海水和礦物水作用的工程。

（4）硅酸鹽水泥在水化過程中放出大量的熱，故不宜用于大體積混凝土工程。5.1.6普通硅酸鹽水泥

普通硅酸鹽水泥與硅酸鹽水泥的差別，僅在于其中含有少量混合材料，而絕大部仍是硅酸鹽水泥熟料，故其基本性能與硅酸鹽水泥相同。但由于摻加少量混合材料，某些性能與硅酸鹽水泥相比，又稍有差異。與同等級(jí)的硅酸鹽水泥相比，普通硅酸鹽水泥早期硬化速度稍慢，其3d、7d的抗壓強(qiáng)度較硅酸鹽水泥稍低,抗凍、耐磨等性能也較硅酸鹽水泥稍差。普通硅酸鹽水泥等級(jí)范圍較寬，便于合理選用。

普通硅酸鹽水泥對(duì)細(xì)度的要求為80μm方孔篩篩余量不得超過10%；初凝時(shí)間要求與硅酸鹽水泥相同45min，終凝時(shí)間不得遲于10h；體積安定性要求同硅酸鹽水泥。

5.2摻混合材料的硅酸鹽水泥

5.2.1混合材料

在水泥磨細(xì)時(shí)，所摻入的天然或人工的礦物材料，稱為混合材料。

混合材料按其性能可分為活性混合材料（水硬性混合材料）和非活性混合材料（填充性混合材料）。

非活性混合材料磨成細(xì)粉與石灰加水拌和后，不能或很少生成具有膠凝性的水化物，在水泥中僅起填充作用。例如石英砂、黏土、石灰?guī)r及自然冷卻的礦渣等，摻入硅酸鹽水泥熟料中僅起提高水泥產(chǎn)量、降低水泥等級(jí)以及減少水化熱等作用。活性混合材料磨成細(xì)粉加水后本身并不硬化，與石灰加水拌和后，在常溫下能生成具有膠凝性的水化物，既能在空氣中硬化，又能在水中繼續(xù)硬化。這類混合材料常用的有?；郀t礦渣和火山灰質(zhì)混合材料?；鹕交屹|(zhì)混合材料包括火山灰、硅藻土、沸石、凝灰?guī)r、燒黏土、煅燒煤矸石、煤渣與粉煤灰等。

活性混合材料的主要成分是活性氧化硅和活性氧化鋁，它們?cè)跉溲趸}溶液中發(fā)生水化反應(yīng)：

xCa(OH)2+SiO2+(m-x)H2O=xCaO·SiO2·mH2O

yCa(OH)2+AlO2+(n-y)H2O=yCaO·AlO2·nH2O當(dāng)液相中有石膏存在時(shí)，還能與水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣，這些水化物能在空氣中凝結(jié)硬化，還能在水中繼續(xù)硬化，具有一定的強(qiáng)度。

硅酸鹽水泥熟料摻加適量活性混合材料，不僅能提高水泥產(chǎn)量、降低水泥成本，而且可以改善水泥的某些性能、調(diào)節(jié)水泥等級(jí)、擴(kuò)大使用范圍，還能充分利用工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)。

窯灰是從水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾廢氣中收集下的粉塵。作為一種混合材料，窯灰的性能介于非活性混合材料和活性混合材料之間。5.2.2摻混合材料的硅酸鹽水泥

1.礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥

我國目前生產(chǎn)的摻混合材料的硅酸鹽水泥主要有礦渣硅酸鹽水泥(簡稱礦渣水泥)、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥(簡稱火山灰水泥)和粉煤灰硅酸鹽水泥(簡稱粉煤灰水泥)三種。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)《礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥及粉煤灰硅酸鹽水泥》(GB1344—92)規(guī)定：

凡由硅酸鹽水泥熟料和?；郀t礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料稱為礦渣硅酸鹽水泥，代號(hào)P·S。水泥中?；郀t礦渣摻加量按重量百分比計(jì)為20%~70%。允許用石灰石、窯灰、粉煤灰和火山灰質(zhì)混合材料中的任一種材料代替礦渣，代替重量不得超過水泥重量的8%，替代后水泥中粒化高爐礦渣不得少于20%。凡由硅酸鹽水泥熟料和火山灰質(zhì)混合材料、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，代號(hào)P·P。水泥中火山灰質(zhì)混合材料摻加量按重量百分比計(jì)為20%~50%。

凡由硅酸鹽水泥熟料和粉煤灰、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料稱為粉煤灰硅酸鹽水泥，代號(hào)P·F。水泥中粉煤灰摻加量按重量百分比計(jì)為20%~40%。

礦渣硅酸鹽水泥，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥有27.5、32.5、42.5、42.5R、52.5、52.5R和62.5R七個(gè)等級(jí)。目前生產(chǎn)較多的為32.5和42.5。由于該類水泥早期強(qiáng)度較低，確定較低等級(jí)水泥的齡期規(guī)定為7d和28d。三種水泥各等級(jí)在各齡期的強(qiáng)度值不得低于表5－4的規(guī)定。表5－4礦渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥的強(qiáng)度(GB1344—92)上述三種水泥的細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間及體積安定性的要求與普通硅酸鹽水泥相同。

這三種水泥與硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥相比，它們的共同特性是：凝結(jié)硬化速度較慢，早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度增長較多，甚至超過同等級(jí)的普通硅酸鹽水泥(見圖5.4)；水化放熱速度慢，放熱量也低；對(duì)溫度的敏感性較高，溫度較低時(shí)，硬化很慢，溫度較高時(shí)(60℃~70℃以上)，硬化速度大大加快，往往超過硅酸鹽水泥的硬化速度；由于引起腐蝕的成分氫氧化鈣減少，因此抵抗軟水及硫酸鹽介質(zhì)的侵蝕能力較硅酸鹽水泥高；這三種水泥的抗凍性和抗碳化性能較差。圖5.4水泥的強(qiáng)度發(fā)展曲線1—普通硅酸鹽水泥；2—火山灰、粉煤灰和礦渣硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥的干縮性大，而粉煤灰硅酸鹽水泥的干縮性小。火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥的抗?jié)B性較高，礦渣硅酸鹽水泥的耐熱性較好。

這三種水泥除了能用于地上工程外，特別適用于地下和長期處于水中的一般混凝土和大體積混凝土結(jié)構(gòu)以及需要蒸汽養(yǎng)護(hù)的混凝土構(gòu)件，也適用于有一般硫酸鹽侵蝕的混凝土工程。

2.復(fù)合硅酸鹽水泥

我國國家標(biāo)準(zhǔn)《復(fù)合硅酸鹽水泥》(GB12958—91)規(guī)定：凡由硅酸鹽水泥熟料、兩種或兩種以上規(guī)定的混合材料、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為復(fù)合硅酸鹽水泥(簡稱復(fù)合水泥)。水泥中混合材料總摻量按重量百分比應(yīng)大于15%，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(shí)混合材料的摻量不得與礦渣硅酸鹽水泥重復(fù)。

復(fù)合硅酸鹽水泥有32.5、42.5、42.5R、52.5與52.5R五個(gè)等級(jí)，各等級(jí)水泥的各齡期強(qiáng)度不低于表5－5的規(guī)定。細(xì)度、初凝時(shí)間與安定性的要求同普通硅酸鹽水泥，終凝時(shí)間不得遲于12h。表5－5復(fù)合硅酸鹽水泥的強(qiáng)度(GB12958—91)表5－6常用水泥的選用 5.3其他品種水泥

5.3.1快硬硅酸鹽水泥

快硬硅酸鹽水泥簡稱快硬水泥，是以硅酸鹽水泥熟料為基礎(chǔ)，和適量石膏磨細(xì)而成的，以3d抗壓強(qiáng)度表示其強(qiáng)度等級(jí)的水硬性膠凝材料。它具有快硬，即早期強(qiáng)度增進(jìn)較快的特性。

在硅酸鹽水泥熟料礦物中，鋁酸三鈣和硅酸三鈣硬化最快，硅酸三鈣強(qiáng)度最高。因此，快硬硅酸鹽水泥熟料中硅酸三鈣和鋁酸三鈣的含量較高。通常硅酸三鈣為50%~60%，鋁酸三鈣為8%~14%，兩者的總量不少于60%~65%。為加快硬化速度，可適當(dāng)增加石膏的摻量(達(dá)8%)，并提高水泥的粉磨細(xì)度。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《快硬硅酸鹽水泥》(GB199—90)規(guī)定，細(xì)度為0.080mm方孔篩篩余不得超過10%，強(qiáng)度等級(jí)以3d抗壓強(qiáng)度為準(zhǔn)，分為32.5、37.5、42.5三個(gè)等級(jí)。各等級(jí)快硬水泥在各齡期的強(qiáng)度不得低于表5－7所示數(shù)值。表5－7快硬水泥的強(qiáng)度(GB199—90)5.3.2白色及彩色硅酸鹽水泥

白色硅酸鹽水泥簡稱白水泥，與硅酸鹽水泥的主要區(qū)別在于氧化鐵含量少，因而色白。一般硅酸鹽水泥熟料呈暗灰色，主要由于水泥中存在氧化鐵(Fe2O3)等成分。當(dāng)氧化鐵含量在3%~4%時(shí)，熟料呈暗灰色；在0.45%~0.7%時(shí)，帶淡綠色；而降低到0.35%~0.4%后，即略帶淡綠，接近白色，因此白色硅酸鹽水泥的特點(diǎn)主要是降低氧化鐵的含量。此外，對(duì)于其他著色氧化物（氧化錳、氧化鉻和氧化鈦等）的含量也要加以限制。通常采用較純凈的高嶺土、純石英砂、石灰?guī)r或白堊等作原料；在較高溫度（1500℃~1600℃）下煅燒成熟料，生料的制備、熟料的粉磨、煅燒和運(yùn)輸，均應(yīng)在沒有著色物沾污的條件下進(jìn)行。例如，磨機(jī)襯板用花崗巖、陶瓷或優(yōu)質(zhì)耐磨鋼制成，研磨體采用硅質(zhì)卵石、瓷球等材料，燃料最好用無灰分的氣體（天然氣）或液體燃料（重油），鐵質(zhì)輸送設(shè)備必須涂敷耐磨油漆。根據(jù)國標(biāo)《白色硅酸鹽水泥》（GB2015—91），白色硅酸鹽水泥的等級(jí)分為32.5、42.5、52.5及62.5四種，各等級(jí)水泥在各齡期所要求的強(qiáng)度不低于表5－8所示的數(shù)值。細(xì)度、初凝時(shí)間與安定性的要求同普通硅酸鹽水泥，終凝時(shí)間不得遲于12h。此外，白水泥還有白度要求，白水泥的白度通常用純凈氧化鎂標(biāo)準(zhǔn)板的反射率的比值（%）來表示，白度指標(biāo)要求在75％以上。我國白水泥的白度分為四個(gè)等級(jí)，各等級(jí)白度不得低于表5－9所示數(shù)值。表5－8白色硅酸鹽水泥的強(qiáng)度(GB2015—91)表5－9白色硅酸鹽水泥的白度表5－10白色硅酸鹽水泥產(chǎn)品等級(jí)(GB2015—91)彩色硅酸鹽水泥簡稱彩色水泥，按生產(chǎn)方法可分為兩大類。

一類為白水泥熟料、適量石膏和堿性顏料共同磨細(xì)而成。所用顏料要求不溶于水，且分散性好，耐堿性強(qiáng)，抗大氣穩(wěn)定性好，摻入水泥中不能顯著降低其強(qiáng)度。常用以氧化鐵為基礎(chǔ)的各色顏料。例如紅色顏料為三氧化二鐵(Fe2O3），俗稱鐵紅；黃色顏料為含水三氧化二鐵(Fe2O3·xH2O)，俗稱鐵黃；紫色顏料為Fe2O3的高溫燃燒物，俗稱鐵紫；棕色顏料為三氧化二鐵和四氧化三鐵的機(jī)械混合物，俗稱鐵棕；黑色顏料為四氧化三鐵(Fe3O4)，俗稱鐵黑。至于藍(lán)色顏料，常用的為群青和鉆藍(lán)；綠色顏料為氧化鉻(Cr2O3)或由群青和鐵黃配制。此外，用鐵紅和群青也能配制成紫色顏料；用鐵黃與鐵紅可配成桔紅色顏料。黑色顏料也可用炭黑。另一類彩色水泥是在白水泥的生料中加入少量金屬氧化物直接燒成彩色水泥熟料，然后加入適量石膏磨細(xì)而成。例如加入Cr2O3可得綠色；加CoO在還原氣氛中燒成淺藍(lán)色，在氧化氣氛中燒成玫瑰紅色；加Mn2O3在還原氣氛中燒得淡黃色，在氧化氣氛中即得淺紫色等。

白色和彩色水泥主要用在建筑物內(nèi)外表面的修飾，制作具有一定藝術(shù)效果的各種水磨石、水刷石、人造大理石，彩色混凝土和砂漿等各種裝飾部件及制品。5.3.3鋁酸鹽水泥

鋁酸鹽水泥又稱高鋁水泥或礬土水泥，是以鋁礬土和石灰石為主要原料，適當(dāng)配合后，經(jīng)煅燒(至燒結(jié)或熔融狀態(tài))、磨細(xì)而成的一種水泥。

鋁酸鹽水泥熟料的主要礦物組成為鋁酸鹽，其中以鋁酸一鈣(CaO·A12O3)為主，也有少量硅酸二鈣。

鋁酸鹽水泥中的鋁酸一鈣水化反應(yīng)很快，水化產(chǎn)物則隨溫度而不同。主要化學(xué)反應(yīng)為：

當(dāng)溫度小于20℃~22℃時(shí)，

CaO·A12O3+10H2O＝CaO·A12O3·10H2O當(dāng)溫度大于20℃~22℃時(shí)，

2(CaO·A12O3)+11H2O＝2CaO·A12O3·8H2O+A12O3·3H2O

當(dāng)溫度大于30℃時(shí)，

3(CaO·A12O3)+12H2O＝3CaO·A12O3·6H2O+2(A12O3·3H2O)鋁酸鹽水泥的正常使用溫度應(yīng)在30℃以下，這時(shí)，鋁酸鹽水泥水化反應(yīng)后的水化產(chǎn)物，以水化鋁酸二鈣為主。水化鋁酸二鈣和水化鋁酸一鈣是具有針狀和片狀的晶體，它們互相交錯(cuò)攀附，重疊結(jié)合，形成堅(jiān)強(qiáng)的晶體骨架，使水泥獲得較高的強(qiáng)度。氫氧化鋁凝膠填充于晶體骨架的空隙，能形成較致密的結(jié)構(gòu)。這種水泥水化(5~7)d后，水化產(chǎn)物就很少增加，因此硬化初期強(qiáng)度增長很快，此后則不顯著。值得注意的是，水化鋁酸一鈣和水化鋁酸二鈣是不穩(wěn)定的晶體，在常溫下，能很緩慢地轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的水化鋁酸三鈣。當(dāng)溫度提高時(shí)，轉(zhuǎn)化大為加速。在轉(zhuǎn)化過程中不僅品形發(fā)生變化，而且析出較多游離水，強(qiáng)度降低。根據(jù)國標(biāo)《高鋁水泥》(GB201—81)規(guī)定，鋁酸鹽水泥的細(xì)度要求0.080mm方孔篩篩余不得超過10%；凝結(jié)時(shí)間要求初凝不得早于40min，終凝不得遲于10h；強(qiáng)度等級(jí)按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法測得的3d抗壓強(qiáng)度表示，分為42.5、52.5、62.5和72.5四個(gè)等級(jí)。各齡期強(qiáng)度不得低于表5－11的數(shù)值。表5－11鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度鋁酸鹽水泥水化放熱量基本上與高等級(jí)硅酸鹽水泥相同，但放熱速度極快，如用于體積較大的混凝土構(gòu)件，硬化初期的溫度可大大超過30℃，促使水化物的晶形加速轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此，用鋁酸鹽水泥澆筑混凝土構(gòu)件時(shí)，體積不能太大。施工時(shí)要特別注意控制混凝土的溫度。鋁酸鹽水泥不得采用濕熱處理方法，硬化過程中環(huán)境溫度也不得超過30℃,最適宜的硬化溫度為15℃。

鋁酸鹽水泥具有較高的抵抗礦物水和硫酸鹽的侵蝕性，也具有較高的耐熱性。

鋁酸鹽水泥主要用于緊急搶修工程、需要早期強(qiáng)度的特殊工程、冬期施工、處于海水或其他侵蝕介質(zhì)作用的重要工程、耐熱混凝土等。5.3.4膨脹水泥

膨脹水泥是一種在水化過程中體積產(chǎn)生微量膨脹的水泥，通常由膠凝材料和膨脹劑混合制成。膨脹劑使水泥在水化過程中形成膨脹性物質(zhì)(如水化硫鋁酸鈣)，導(dǎo)致體積稍有膨脹。由于這一過程是在未硬化漿體中進(jìn)行，所以不致引起破壞和有害的應(yīng)力。

按水泥主要組成可分為硅酸鹽型、鋁酸鹽型和硫鋁酸鹽型膨脹水泥。根據(jù)水泥的膨脹值及其用途，又可分為收縮補(bǔ)償水泥和自應(yīng)力水泥兩大類。硅酸鹽膨脹水泥和硅酸鹽自應(yīng)力水泥屬于硅酸鹽型膨脹水泥，是以適當(dāng)成分的硅酸鹽水泥熟料、膨脹劑按一定比例混合磨細(xì)而成。常用的膨脹劑由鋁酸鹽水泥和石膏組成。膨脹值的大小主要決定于石膏含量，石膏含量越高，膨脹越大，但強(qiáng)度有所降低。硅酸鹽膨脹水泥的膨脹值小，自由膨脹率在1%以下，屬收縮補(bǔ)償類水泥。硅酸鹽自應(yīng)力水泥膨脹值較大，自由膨脹率1%~3%，自應(yīng)力值可達(dá)3MPa左右，能使鋼筋產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。

明礬石膨脹水泥屬于硅酸鹽型膨脹水泥，以硅酸鹽水泥熟料、明礬石、石膏和粉煤灰(或粒化高爐礦渣)按適當(dāng)比例混合磨細(xì)而成。膨脹劑由明礬石代替鋁酸鹽水泥和部分石膏，生產(chǎn)工藝較簡單，成本較低。石膏礬土膨脹水泥屬鋁酸鹽型膨脹水泥，以適當(dāng)成分的鋁酸鹽水泥熟料，加入適量的二水石膏，共同磨細(xì)制成。

膨脹水泥硬化后形成較致密的水泥石，抗?jié)B性較高，適用于制作防水層和防水混凝土；此外也可用作填灌預(yù)留孔洞、預(yù)制構(gòu)件的接縫及管道接頭，用于結(jié)構(gòu)的加固與修補(bǔ)，制造自應(yīng)力混凝土構(gòu)件及自應(yīng)力壓力水管和輸氣管等。5.3.5快硬硫鋁酸鹽水泥

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，不僅要求水泥具有快凝、快硬、早強(qiáng)的性能，而且要求能迅速達(dá)到最終要求的強(qiáng)度，還要求具有無收縮性及可調(diào)整的膨脹性。以無水硫鋁酸鈣為基礎(chǔ)的快硬水泥(亦稱超早強(qiáng)水泥)是滿足上述要求的一種水泥。

這種水泥以石灰?guī)r、礬土和石膏為原料，按一定比例配合磨細(xì)制成生料，經(jīng)煅燒(1300℃左右)成為熟料，再摻適量石膏磨細(xì)而制成。這種水泥的主要礦物組成為無水硫鋁酸鈣(3CaO·A12O3·CaSO4)和硅酸二鈣，這兩種礦物的含量應(yīng)大于85％。無水硫鋁酸鈣在水泥中起早強(qiáng)和膨脹作用，硅酸二鈣則保證水泥的后期強(qiáng)度。外摻石膏的數(shù)量以控制形成水化硫鋁酸鈣的組成、速度和數(shù)量，從而獲得早強(qiáng)或膨脹的性能。膨脹性則隨石膏摻量的提高而增大。

快硬硫鋁酸鹽水泥硬化快，早期強(qiáng)度高。12h抗壓強(qiáng)度一般在30MPa以上，24h達(dá)到(35~50)MPa，后期強(qiáng)度仍有發(fā)展。這種水泥的抗拉強(qiáng)度較高，具有良好的抗?jié)B性、抗凍性和耐腐蝕性，但耐熱性差，也不利于防止鋼筋生銹?？煊擦蜾X酸鹽水泥的等級(jí)以3d抗壓強(qiáng)度表示，分為42.5、52.5和62.5三個(gè)等級(jí)。根據(jù)《快硬硫鋁酸鹽水泥》(ZB11005—87)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各等級(jí)水泥各齡期的強(qiáng)度不得低于表5－12的數(shù)值。

該水泥細(xì)度指標(biāo)為比表面積不得低于380m2/kg，初凝時(shí)間不得早于25min，終凝時(shí)間不得遲于3h。表5－12快硬硫鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度