水概泥述

第四章水泥第一节概述水泥是水硬性胶凝材料，它在水利、房屋、道桥、海洋开发等各种建筑工程中应用极广，常用来制备混凝土、砂浆及水泥混凝土制品。

水泥的种类繁多，按其矿物组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥及少熟料水泥或无熟料水泥等。

按其用途又可分为：通用水泥、专用水泥及特性水泥三大类。

通用水泥主要用于一般土木建筑工程，它包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥以及复合硅酸盐水泥。

专用水泥是指具有专门用途的水泥，如砌筑水泥、道路水泥、油井水泥等。

特性水泥是某种性能比较突出的水泥，如快硬水泥、白色水泥、抗硫酸盐水泥、中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥及膨胀水泥等。

在每一品种的水泥中，又根据其胶结强度的大小，分为若干强度等级。

当水泥的品种及强度等级不同时，其性能也有较大差异。

因此在使用水泥时，必须注意区分水泥的品种及强度等级，掌握其性能特点和使用方法，根据工程的具体情况合理选择与使用水泥，这样既可提高工程质量又能节约水泥。

水泥在生产过程中，要消耗大量能源并产生大量CO2及粉尘，而对环境造成影响。

因此，当前一方面应淘汰耗能大、污染严重的小立窑水泥，同时工程中大力节约水泥，对于保护环境、促进国民经济健康发展，都具有重要意义。

本章主要介绍硅酸盐系列水泥，并在此基础上介绍其它品种水泥。

第二节硅酸盐水泥硅酸盐水泥（又称波特兰水泥），自1824年诞生至今，由于其具有丰富的原料资源、相对较低的生产成本和良好的胶凝性能，已成为最重要的建筑材料之一。

一、硅酸盐水泥生产及其矿物组成根据现行国家标准GB175—1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的规定，凡由硅酸盐水泥熟料、0％～5％的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（即波特兰水泥）。

硅酸盐水泥分为两种类型：不掺混合材料的称为Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P·I；在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5％的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。

熟料，对硅酸盐水泥而言，是以适当成分的生料，煅烧至部分熔融而得到的以硅酸钙以主要成分的物料。

（一）硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料（如石灰石、白垩等）和粘土质原料（如粘土、黄土和页岩等）两类，一般常配以辅助原料（如铁矿石、砂岩等）。

石灰质原料主要提供CaO，粘土质原料主要提供SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3，辅助原料常用以校正Fe2O3或SiO2的不足。

硅酸盐水泥的生产过程分为制备生料、煅烧熟料，粉磨水泥三个主要阶段，该生产工艺过程可概括为“两磨一烧”如图4—1所示。

图4—1 硅酸盐水泥的生产过程制备生料时配料须准确，粉磨细度应符合要求，并且使各种原料充分均化，以便煅烧时各成分间的化学反应能充分进行。

生料在煅烧过程中形成水泥熟料的物理化学过程十分复杂，大体可分为下述几个步骤：①生料的干燥与脱水；②碳酸钙分解；③固相反应；④烧成阶段；⑤熟料的冷却。

其主要反应简述为：生料进入窑中后，即开始被加热，水分逐渐蒸发而干燥。

当温度上升到500℃～800℃时，首先有机物质被烧尽, 其次是粘土中的高岭石脱水并分解为无定形的SiO2和Al2O3。

当温度达到800℃～1000℃时，碳酸钙进行分解，分解出的CaO即开始与粘土分解产物SiO2、Al2O3及Fe2O3发生固相反应。

随着温度的继续升高，固相反应加速进行，逐步形成2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3及4CaO·Al2O3·Fe2O3。

当温度达1300℃时，固相反应基本完成，这时物料中仍剩余一部分未反应的CaO。

当温度从1300℃升到1450℃再降到1300℃时为烧成阶段，这时3CaO·Al2O3及4CaO·Al2O3·Fe2O3烧至熔融状态，出现液相，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。

这一过程是煅烧水泥的关键，必须达到足够的温度及停留适当长的时间，使生成3CaO·SiO2的反应更为充分。

否则，熟料中仍有残余的游离CaO，影响水泥的质量。

煅烧完成后，经迅速冷却，即得到熟料。

将熟料加入2％～5％的天然石膏①共同磨细，即为水泥。

（二）硅酸盐水泥熟料及水泥的矿物成分①磨细水泥时，加入石膏的目的，是调节水泥的凝结时间，使水泥不致发生急凝现象。

硅酸盐水泥熟料的主要矿物有以下四种，其名称及含量范围如下：硅酸三钙 3CaO ·SiO 2（简写为） 37％～60％ S C 3硅酸二钙 2CaO ·SiO 2（简写为）15％～37％ S C 2铝酸三钙 3CaO ·Al 2O 3（简写为） 7％～15％ A C 3铁铝酸四钙 4CaO ·Al 2O 3·Fe 2O 3（简写为） 10％～18％ AF C 4前两种矿物称为硅酸盐矿物，一般占总量的75％～82％；后两种称为熔剂矿物，一般占总量的18％～25％。

这四种矿物成分的主要特征如下：S C 3的水化速率较快，水化热较大，且主要在水化反应早期释放。

强度最高，且能不断得到增长，是决定水泥强度等级高低的最主要矿物。

要在后期释放。

早期强度不高，但后期强的水化速率极快，水化热最大，且主要在早期，仅次于。

水化热中等物小物的抗压强度随时间的增长情况如图4—2所示。

熟料中的相对含量改变时，水泥，在硅酸盐水泥中尚有少量其它成分，对其性能影响比是一种有害成分，含量多时会使水泥安定性②不良。

国家标准 S C 2的水化速率最慢，水化热最小，且主度增长率较高，是保证水泥后期强度增长的主要矿物。

C3A 释放，硬化时体积减缩也最大。

早期强度增长率很快，但强度不高，而且以后几乎不再增长，甚至降低，A C 3是影响水泥凝结时间的主要矿物之一。

AF C 4的水化速率较快A C 3，强度较低①。

脆性较其它矿，当含量增多时，有助于水泥抗拉强度的提高。

各矿图4—2水泥熟料矿物的强度增长曲线由上述可知，几种矿物成分的性能表现各不相同，它们在的技术性质也随之改变。

例如，要使水泥具有快硬高强的性能，应适当提高熟料中S C 3及A C 3的相对含量；若要求水泥的发热量较低，可适当提高S C 2及AF C 4的含量制A C 3的含量。

因此，掌握硅酸盐水泥熟料中各矿物成分的含量及特性，就可以大致了解该水泥的性能特点。

除以上四种主要熟料矿物成分外而控S C 3及较大的有以下几种。

（1）氧化镁（MgO ）：它规定：硅酸盐水泥中MgO 的含量一般不得超过5％；若经试验论证其含量允许放宽①也有的资料认为C 4AF 的强度较高。

②参阅硅酸盐水泥的体积安定性部分。

料时掺入石膏带来的。

当石膏掺量合适时，既可aO ）：它是在煅烧过程中未能反应结合而残存下来的过烧并呈游、Na 2O ）可以增加pH 值到13.5，对保护钢筋有利。

然而，太高的碱含2=S ，Al 2O 3=A ，Fe 2O 3=F ，Ca(OH)2=CH ，H 2O=H ，SO 3=S 。

是非常复杂的，为了能较好地了解其水化过程假定 （反应较快） （2）的水化：CH +氢氧化钙水化硅酸钙 （反应较慢） （3）的水化：到6％。

MgO 含量不符合规定者，为废品。

（2）三氧化硫（SO 3）：它主要是粉磨熟以调节水泥的凝结时间，又可以提高水泥的性能；但当石膏掺入量超过一定值时，会使水泥的性能变差。

国家标准规定：硅酸盐水泥中SO 3的含量不得超过 3.5％。

SO 3含量不符合规定者，为废品。

（3）游离氧化钙（f —C 离态的CaO 。

如果f —CaO 的含量较高，则由于其滞后的水化，产生结晶膨胀而导致水泥石开裂，甚至破坏，即造成水泥安定性不良。

通常熟料中f —CaO 含量应严格控制在1％～2％以下。

此外，碱分（K 2O 量会产生碱骨料反应①和引起浆体的收缩变形，因此熟料中碱含量应加以限制。

二、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化（一）缩写CaO=C ，SiO （二）硅酸盐水泥熟料矿物的水化硅酸盐水泥在水化时产生的化学反应水泥水化时各矿物的水化反应是相对独立的。

其水化反应如下：（1）S C 3的水化：32C S →324C S +7H 水硅酸三钙H 3CH +氢氧化钙水化硅酸钙2C S 22C S →32C S H 5H +水硅酸二钙43C A 332C A SH 26H 6323C C AS H ++⎯⎯→水铝酸三钙钙矾石(反应极快) （4）的水化：水铁铝酸四钙+CFH 水化铁酸钙水化铝酸钙(反应较快) 两种硅酸钙的水化反应非常相似，不同的是氢氧化钙（）的生成量、水化热、水化（ 4C AF 4C AF →3C AH 7H +6CH 反应速率存在差别，它们的主要产物是324C S H 或C-S-H 非化学计量表示）——即水化硅酸钙。

324C S H 只是一种近似的表征，具有无定形结构，C-S-H 凝胶一般占水泥石结构的50％尽管C-S-H 凝胶的尺寸非常小，但却是水泥石强度最重要的贡以上，①参阅混凝土的耐久性部分献者。

另一水化产物CH 是一种针状或片状的晶体，大概占水泥石结构的25％。

CH 导致水泥浆体的pH 超过12，因此可以起到很好的保护钢筋的作用。

三硫型3632C AS H 一般被称为钙矾石（即AFt ），由于AFt 可在3C A 周围形成包覆层而的水化，AFt 钙阻止3C 因此可避免3C A 的“闪凝”。

这一包覆层会因转化为单硫型水化硫铝酸A 311C ASH （即AFm ）坏，并使3C A 再次加速反应。

因此，为了控制水泥的“闪凝”适当石膏。

AFt 是针棒状的晶体，并可产生很大的体积膨胀，其作用可表现为两个方面：其一，如果AFt 是在3C S 完全硬化之后形成，则将产生结晶体积膨胀；其二，如果AFt 是在3C S 水化之前或者浆体获得强度之前形成，则将对水泥浆体早期强度发展做出贡献，而膨胀效应不占主导地位。

综上所述，如果忽略一些次要和微量成分，则硅酸盐而破，可加入水泥与水作用后，生成的主要水化 凝结硬化理论的研究至今仍在继续。

下面介绍的是硅酸盐水泥凝结硬化的一般纯水立即变为含有多种离物不能再溶解，而以细分散状的凝胶粒子凝膜不断增厚而破裂，使水泥颗粒重新露出新表面与水反应水泥浆逐渐硬化，随着水化硅酸钙凝胶不断增多，并填充了硬化水酸钙（度，而强度的发展主要源于硅酸钙的水化。

实际上，较产物有：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。

（三）关于水泥凝结硬化过程[如教材图4—3]所示。

当水泥颗粒分散于水中后，在水泥颗粒表面即发生水化反应，子的溶液。