第3章道路建筑材料

2、生产过程：可概括为两磨一烧，即
生料的配制与磨细 将生料煅烧使之熔融、分解、 化合而形成熟料 将熟料与适量石膏（需要时加入一 定量的混合材）共同磨细成为硅酸盐水泥或普通硅酸盐 水泥。
3、矿物组成：经高温煅烧生成的硅酸盐水泥熟料主
要有以下矿物：
硅酸三钙 3CaO SiO2 , 可简化为C3S 硅酸二钙 2CaO SiO2 , 可简化为C2S
Ca(OH)2 H Ca H 2 O
Ca (OH)2 转变成盐使其他水化产物稳定存在的平衡浓度
被打破，水化硅酸钙及水化铝酸钙等水化产物的分解导致水 泥石破坏。
b.碳酸侵蚀 2 某些工业污水和地下水中常溶解有较多的 CO3- ，这 种水对水泥石的侵蚀作用称为碳酸侵蚀。反应式：
Ca(OH)2 CO 2 H 2 O CaCO3 2H 2 O CaCO3 CO 2 H 2 O Ca(HCO3 ) 2
（４）强碱腐蚀 水泥石本身具有相当高的碱度，因此弱碱溶液一般 不会侵蚀水泥石，但是，当铝酸盐含量较高的水泥石 遇到强碱作用后也会被腐蚀破坏。 如氢氧化钠与水泥熟料中未水化的铝酸三钙作用， 生成易溶的铝酸钠。 另外，水泥石被氢氧化钠浸润后又在空气中干燥， 与空气中二氧化碳作用生成碳酸钠，它在水泥石毛细 孔中结沉淀，会使水泥石胀裂。 以上前三种腐蚀都与 Ca(OH)2有关。 在实际工程中，水泥石的腐蚀常常是几种介质同 时存在、共同作用所产生的；一般干的固体化合物对 水泥石的侵蚀作用较小。
C3 S (3 x n) Cx SH n (3 x)CH
C2 S (2 x n) Cx SH n (2 x)CH
硅酸三钙是水泥熟料中最主要的矿物组成，其水 化反应速度快，水化放热高，强度（特别是早期强度） 高。 硅酸二钙也是水泥熟料中的主要矿物组成，其早 期强度发展较慢，水化放热低，但后期强度能较大幅 度地增长。 ２、铝酸三钙 C 3 A 在没有石膏掺入时首先生成六方片状 C4 AH13和C2 AH8 ；随着温度的升高，六方片状水化铝 酸钙向立方状晶体 C3 AH 6 转化；在有石膏掺入时则 会产生钙矾石（ AFt ）；当石膏被消耗、硫酸盐浓度 降到一定的临界值以下，钙矾石转变为单硫型水化硫 铝酸钙（ AFm）

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硅酸盐水泥各熟料矿物具有不同水化活性、水化 产物，表现出不同的技术特征，对水泥的性能产生不 同的影响。图3-1、图3-2及表3-2总结了各熟料矿物 的水化及技术特征。
硅酸盐水泥熟料矿物的技术特征
矿物名称
水化反应速度 水化放热量 对强度的 作用 干缩性 早期 后期
表3-2
铝酸三钙 铁铝酸四钙
快 大 低 低 差 大 中 中 中 中 好 小
随着水化产物向充水空间的扩散并且产生稳定相的成核， 水泥颗粒表面的保护层被消耗，水化反应重新加速进行，水化 放热速率加快，生成的水化产物在空间开始形成相互交织的网 状结构，这一阶段称为加速期。浆体开始初凝和终凝。
4、后加速期 水泥矿物的水化由以前的化学控制转为由扩散控 制，放热速率降低。在有水供给时水化在较长的时间 持续，因而水泥浆自身强度及在混凝土中队集料的黏 结强度会持续增加，水泥石及混凝土的强度也随着水 泥水化的进行逐渐形成并增长。 综上可见，水化是水泥产生凝结硬化的前提，而 凝结硬化则是水泥水化的必然结果。水泥的水化过程 也就是水泥浆凝结硬化的过程。凝结硬化后的水泥浆 称为水泥石，其内部结构包括水化产物、毛细孔，还 可能存在未水化水泥颗粒。
四、水泥石的腐蚀与防腐
１、腐蚀的类型
（１）软水侵蚀

不含或仅含少量重碳酸盐（含 HCO3 的盐）的水称为软水， 如雨水、蒸馏水、江湖水等。

当水泥石长期与大量的或流动的软水接触时，水化产物将按 其稳定存在所必需的平衡氢氧化钙（钙离子）浓度的大小，依次 逐渐溶解或分解，从而造成水泥石的破坏，这就是软水侵蚀，也 称溶出性侵蚀、溶出性侵蚀或淡水侵蚀。 静水、无压力水及硬水对水泥石的影响不大。
Ca(OH)2 转变为易溶物 Ca(HCO3 ) 2 被溶解带走导致其他水 化产物的分解，从而导致水泥石的腐蚀破坏。 （３）结晶膨胀型腐蚀 SO2 时，将 最典型的是硫酸盐腐蚀。当介质中存在 4 发生下列反应：
Ca(OH ) 2 SO42 CaSO4 2 H 2O 3CaO Al2O3 6 H 2O 3(CaSO4 2 H 2O) 20H 2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 32H 2O
水硬性胶凝材料：既能在空气中凝结硬化又能在 水中凝结硬化的胶凝材料，如水泥。
第一节

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥
硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、0~5%石灰石或 粒化高炉矿渣、适量石膏共同磨细而成的水硬性胶凝 材料。不掺混合材的硅酸盐水泥为Ⅰ型硅酸盐水泥， 代号P. Ⅰ；掺入水泥质量5%以内的石灰石或粒化高炉 矿渣的硅酸盐水泥为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P. Ⅱ。 普通硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、6%~15% 混合材、适量石膏共同磨细而成的水硬性胶凝材料， 代号为P.O。活性混合材料的最大掺量不得超过15%， 非活性混合材料的最大掺量不得超过水泥质量的10%。
２、水泥石的防腐 从以上对侵蚀介质作用的分析可以看出，水泥石被 腐蚀的基本内因为： 1）水泥石中存在有易被腐蚀的组分，如 Ca (OH)2 、水化 铝酸钙； 2）水泥石本身不密实，存在毛细孔通道，侵蚀性介质易 于进入其内部。 ● 针对具体情况可采取下列措施防止水泥石的腐蚀 （1）根据侵蚀介质的类型 ，合理选用水泥品种。 （2）提高水泥石的密实度。 （3）设置隔离层或保护层。
第二节 混合材及掺混合材的硅酸盐水泥
一、混合材
为了有效地改善水泥水化产物组成以适应混凝土抗 腐蚀要求，以及降低水泥的水化放热量和放热速度以适 应大体积混凝土施工的要求等，在水泥磨制工程中掺入 的人工或天然矿物材料称为混合材料。 混合材的作用: 1）可以改善水泥的性能 2）可以提高水泥产量，降低成本，还有利于固体废料的 综合利用。

水化产物数量的不断增加及游离水相对含量的不断 减少最终导致可塑性浆体向黏弹性骨架固体转变以及
固体结构的继续发展，也即水泥浆的硬化。
根据水泥浆凝结硬化过程中的物态变化及水化放 热率的变化，水泥的凝结硬化过程通常分为四个阶段： 初始反应期、诱导期、加速期（凝结期）、后加速期 （硬化期），各阶段的主要化学过程、物理过程特点
生成的钙矾石体积为水化铝酸钙体积的2.5倍以上， 且反应在固相中进行，当生成的钙矾石较多时将导致水 泥石结构的结晶膨胀破坏。另外，介质中的 SO2 浓度 4 较高时，也会在毛细孔隙中产生石膏的结晶，引起水泥 石结晶膨胀破坏。 当介质为 MgSO 4时，镁离子和硫酸根离子的双重 作用将加剧水泥石的破坏。
如下：
1、初始期
当水泥与水接触后即迅速产生一系列的水化反应。由于水 泥的比表面积较大，在最初的极短时间内迅速生成水化产物， 并出现一个放热峰，这一阶段称为初始期。 2、诱导期 短时间生成的水化产物在水泥颗表面形成覆盖层，阻碍了 水与水泥颗粒的接触，使得水泥矿物颗粒的溶解速度变缓，表 现为较低的水化放热，这一阶段称为诱导期。一般诱导期越长 则初凝时间越长。 3、加速期
第三章 无机胶凝材料
胶凝材料是指在施工的过程中具有黏聚性、可塑 性，施工结束后在一定的条件下能凝结硬化并具有强 度和其他技术性能的材料。 胶凝材料按化学性质分为有机胶凝材料和无机胶 凝材料。 无机胶凝材料按其凝结硬化的条件分为气硬性胶 凝材料和水硬性胶凝材料。
气硬性胶凝材料：只能在空气中凝结硬化的胶凝 材料，如石灰、石膏、镁质胶凝材料等。
铝酸三钙 3CaO Al2O3 , 可简写为C3 A 铁相固溶体 通常以铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 作为其代表式，可简写为 C4 AF 在硅酸盐熟料中还有少量的游离氧化钙 （ f CaO ）、方镁石（ f MgO）、含碱矿矿物及玻璃 体等。 表3-1是硅酸盐水泥熟料的化学成分和矿物组成的 大致范围。
硅酸盐水泥熟料的化学成分和矿物组成的大致范围（%）
化学成分和 矿物组成
表3-1
SiO2
Al2O3 Fe2O3 CaO MgO
5~7 3~5
64~68
C3 S
44~62
AFt
18~30
C3 A C4 AF
5~12 10~18
范围（%） 21~23
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二、硅酸盐水泥熟料矿物的水化及技术特征
硅酸盐水泥矿物与水发生的化学反应称为水化反应， 水化反应过程中放出的热量称为水化热。 1、硅酸三钙与硅酸二钙 硅酸三钙与硅酸二钙的水化产物基本相同，为水化 硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙（CH），即
三、硅酸盐水泥的凝结、硬化

水泥与水拌和均匀即成为水泥浆（也称为水泥净 浆），最初形成的水泥浆体具有可塑性，可以接受塑
性加工。当水与水泥接触后，水泥浆中的水有三种存
在形式，即化学结合水、吸附水和游离水。

水泥与水拌和后产生的一系列同时和相继的化学 反应，可使水泥水系统中自由状态的游离水逐渐向化 学结合水转化，游离水相对数量的减少导致水泥浆可 塑性逐渐、甚至完全失去，也即产生凝结。

Hale Waihona Puke 混合材料按其是否参与水化反应，分为活性混合材料和 非活性混合材料。 1、活性混合材 常温下与石灰、石膏或硅酸盐水泥一起，加水拌合后能 发生水化反应，生成水硬性水化产物的混合材料称为活性混 合材料。常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混 合材料及粉煤灰。 （1）粒化高炉矿渣（水淬高炉矿渣） 粒化高炉矿渣是将炼铁高炉中的熔融炉渣经急速冷却后 形成的质地疏松的颗粒材料。 （2）火山灰质混合材料 火山灰质混合材料是指具有火山灰火性的天然或人工的 矿物材料，主要成份是 Al 2 O3和活性SiO2 。
一、硅酸盐水泥熟料的生产及矿物组成
1、原材料：主要包括石灰质原料和黏土质原料。 石灰质原料可用石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等， 主要提供CaO 。 黏土质原料可采用黏土、黏土质叶岩、黄土等，主 要提供SiO 、Al O 极少量Fe O 。