建筑工程广泛使用的五种水泥及其代号

建筑工程广泛使用的五种水泥及其代号
硅酸盐水泥代号P·Ⅰ，P·Ⅱ
普通硅酸盐水泥、代号P·O
矿渣硅酸盐水泥、代号P·S
火山灰质硅酸盐水泥、代号P·P
粉煤灰硅酸盐水泥、代号P·F
硅酸盐水泥和普通硅酸盐硅酸盐水水泥
在硅酸盐系水泥品种中，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的组成相差较小，性能较为接近。

一、硅酸盐水泥的定义
按《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）规定：凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%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（即国外通称的波特兰水泥）。

硅酸盐水泥分两种类型，不掺加石灰石和粒化高炉矿渣的称I 型硅酸盐水泥，代号P·I；在粉磨时掺加不超过水泥重量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II型硅酸盐水泥，代号P·II。

二、硅酸盐水泥的水化和凝结硬化
水泥加水拌合后，最初形成具有可塑性的浆体（称为水泥净浆），随着水泥水化反应的进行逐渐变稠失去塑性，这一过程称为凝结。

此后，随着水化反应的继续，浆体逐渐变为具有一定强度的坚硬的固体水泥石，这一过程称为硬化。

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。

（一）硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥与水拌合后，其熟料颗粒表面的四种矿物立即与水发生水化反应，生成水化产物。

各矿物的水化反应如下：
2（3CaOSiO2）+6H2O=3CaO2SiO23H2O（水化硅酸钙凝胶）+3Ca（OH）2（氢氧化钙
晶体）
2（2CaOSiO2）+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca（OH）2
3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAl2O36H2O （水化铝酸钙晶体）
4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O （水化铁酸钙凝胶）上述反应中，硅酸三钙的水化反应速度快，水化放热量大，生成的水化硅酸钙（简写成C-S-H）几乎不溶于水，而以胶体微粒析出，并逐渐凝聚成为凝胶。

经电子显微镜观察，水化硅酸钙的颗粒尺寸与胶体相当，实际呈结晶度较差的箔片状和纤维颗粒，由这些颗粒构成的网状结构具有很高的强度。

反应生成的氢氧化钙很快在溶液中达到饱和，呈六方板状晶体析出。

硅酸三钙早期与后期强度均高。

硅酸二钙水化反应的产物与硅酸三钙的相同，只是数量上有所不同，而它水化反应慢，水化放热小。

由于水化反应速度慢，因此早期强度低，但后期强度增进率大，一年后可赶上甚至超过硅酸三钙的强度。

铁铝酸四钙水化反应快，水化放热中等，生成的水化产物为水化铝酸三钙立方晶体与水化铁酸一钙凝胶，强度较低。

铝酸三钙的水化反应速度极快，水化放热量最大，其部分水化产物——水化铝酸三钙晶体在氢氧化钙的饱和溶液中能与氢氧化钙进一步反应，生成水化铝酸钙晶体，二者的强度均较低。

上述熟料矿物水化与凝结硬化特性见表3-2与图3-2。

表3-2 硅酸盐水泥主要矿物组成及其特性3CaOSiO2
（C3S）2CaOSiO2
（C2S）3CaOAl2O3
（C3A）4CaOAl2O3Fe2O3
（C4AF）密度（g/cm3）3.253.283.043.77水化反应速率快慢最快快水化放热量大小最大中强度早期高低低低后期高收缩中中大小抗硫酸盐侵蚀性中最好差好图3-2 熟料矿
物的水化和凝结硬化特性
由上所述可知，正常煅烧的硅酸盐水泥熟料经磨细后与水拌和时，由于铝酸三钙的剧烈水化，会使浆体迅速产生凝结，这在使用时便无法正常施工；因此，在水泥生产时
必须加入适量的石膏调凝剂，使水泥的凝结时间满足工程施工的要求。

水泥中适量的石膏与水化铝酸三钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石或AFt，其反应式如下：（高硫型水化硫铝酸钙晶体）
石膏完全消耗后，一部分钙矾石将转变为单硫型水化硫铝酸钙（简式AFm）晶体，即：（低硫型水化硫酸铝钙晶体）
水化硫铝酸钙是难溶于水的针状晶体，它沉淀在熟料颗粒的周围，阻碍了水分的进入，因此起到了延缓水泥凝结的作用。

水泥的水化实际上是复杂的化学反应，上述反应是几个典型的水化反应式，若忽略一些次要的或少量的成分以及混合材料的作用，硅酸盐水泥与水反应后，生成的主要水化产物有：水化硅酸钙凝胶、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体、水化硫铝酸钙晶体。

在完全水化的水泥中，水化硅酸钙约占70%，氢氧化钙约占20%，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7%。

（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程
迄今为止，尚没有一种统一的理论来阐述水泥的凝结硬化具体过程，现有的理论还存在着许多问题有待于进一步的研究。

一般按水化反应速率和水泥浆体的结构特征，硅酸盐水泥的凝结硬化过程可分为：初始反应期、潜伏期、凝结期、硬化期4个阶段。

1．初始反应期。

水泥与水接触后立即发生水化反应，在初始的5～10min内，放热速率剧增，可达此阶段的最大值，然后又降至很低。

这个阶段称为初始反应期。

在此阶段硅酸三钙开始水化，生成水化硅酸钙凝胶，同时释放出氢氧化钙，氢氧化钙立即溶于水中，钙离子浓度急剧增大，当达到过饱和时，则呈结晶析出。

同时，暴露于水泥熟料颗粒表面的铝酸三钙也溶于水，并与已溶解的石膏反应，生成钙矾石结晶析出，附着在颗粒表面，在这个阶段中，水化的水泥只是极少的一部分。

2．潜伏期。

在初始反应期后，有相当长一段时间（约1～2h），水泥浆的放热速率很低，这说明水泥水化十分缓慢。

这主要是由于水泥颗粒表面覆盖了一层以水化硅酸钙凝胶为主的渗透膜层，阻碍了水泥颗粒与水的接触。

在此期间，由于水泥水化产物数量
不多，水泥颗粒仍呈分散状态，所以水泥浆基本保持塑性。

许多研究者将上述二个阶段合并称为诱导期。

3．凝结、硬化期。

在潜伏期后由于渗透压的作用，水泥颗粒表面的膜层破裂，水泥继续水化，放热速率又开始增大，6h内可增至最大值，然后又缓慢下降。

在此阶段，水化产物不断增加并填充水泥颗粒之间的空间，随着接触点的增多，形成了由分子力结合的凝聚结构，使水泥浆体逐渐失去塑性，这一过程称为水泥的凝结。

此阶段结束约有15%的水泥水化。

在凝结期后，放热速率缓慢下降，至水泥水化24h后，放热速率已降到一个很低值，约4.0J/gh以下，此时，水泥水化仍在继续进行，水化铁铝酸钙形成；由于石膏的耗尽，高硫型水化硫铝酸钙转变为低硫型水化硫铝酸钙，水化硅酸钙凝胶形成纤维状。

在这一过程中，水化产物越来越多，它们更进一步地填充孔隙且彼此间的结合亦更加紧密，使得水泥浆体产生强度，这一过程称为水泥的硬化。

硬化期是一个相当长的时间过程，在适当的养护条件下，水泥硬化可以持续很长时间，几个月、几年、甚至几十年后强度还会继续增长。

水泥石强度发展的一般规律是：3～7天内强度增长最快，28天内强度增长较快，超过28天后强度将继续发展但增长较慢。

需要注意的是：水泥凝结硬化过程的各个阶段不是彼此截然分开，而是交错进行的。

（三）水泥石的结构
在常温下硬化的水泥石，通常是由水化产物、未水化的水泥颗粒内核、孔隙等组成的多相（固、液、气）的多孔体系。

在水泥石中，水化硅酸钙凝胶对水泥石的强度及其他主要性质起支配作用。

水泥石具有强度的实质，包括范德华键、氢键、原子价健等的作用力以及凝胶体的巨大内表面积的表面效应所产生的粘结力。

（四）影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素
从硅酸盐水泥熟料的单矿物水化及凝结硬化特性不难看出，熟料的矿物组成直接影响着水泥水化与凝结硬化，除此以外，水泥的凝结硬化还与下列因素有关：
1．水泥细度。

水泥颗粒越细，与水起反应的表面积愈大，水化作用的发展就越迅速而充分，使凝结硬化的速度加快，早期强度大。

但颗粒过细的水泥硬化时产生的收缩亦越大，而且磨制水泥能耗多成本高，一般认为，水泥颗粒小于40m才具有较高的活性，大于100m活性就很小了。

2．石膏掺量。

石膏的掺入可延缓水泥的凝结硬化速率，有试验表明，当水泥中石膏掺入量（以SO3%计）小于1.3%时，并不能阻止水泥快凝，但在掺量（以SO3%计）大于2.5%以后，水泥凝结时间的增长很少。

3．水泥浆的水灰比。

拌合水泥浆时，水与水泥的质量比称为水灰比（W/C）。

为使水泥浆体具有一定塑性和流动性，所以加入的水量通常要大大超过水泥充分水化时所需的水量，多余的水在硬化的水泥石内形成毛细孔隙，W/C越大，硬化水泥石的毛细孔隙率越大，水泥石的强度随其增加而呈直线下降。

4．温度与湿度。

温度升高，水泥的水化反应加速，从而使其凝结硬化速率加快，早期强度提高，但对后期强度反而可能有所下降；相反，在较低温度下，水泥的凝结硬化速度慢，早期强度低，但因生成的水化产物较致密而可以获得较高的最终强度；负温下水结成冰时，水泥的水化将停止。

水是水泥水化硬化的必要条件，在干燥环境中，水分蒸发快，易使水泥浆失水而使水化不能正常进行，影响水泥石强度的正常增长，因此用水泥拌制的砂浆和混凝土，在浇筑后应注意保水养护。

5．养护龄期。

水泥的水化硬化是一个较长时期不断进行的过程，随着时间的增加，水泥的水化程度提高，凝胶体不断增多，毛细孔减少，水泥石强度不断增加。