水泥的化学成分与水化原理

二. 水泥的化学成分与水化原理

2.1 硅酸盐水泥的定义：

把适当成分的“生料”如：石灰石、白玺、粘土等，在窑里煅烧至部分熔融，得以硅酸盐为主要成分的水泥“熟料”；再掺入一定比例的石膏与矿渣或火山灰、粉煤灰等混合料一起磨成细粉，即成硅酸盐水泥。随着原料种类的不同和各成分比例不同及混合料的不同种类掺入，就形成不同品种的硅酸盐水泥。在国外就叫“波特蓝”水泥。

2.2硅酸盐水泥熟料的化学成分与性能：

2.2.1 硅酸盐水泥熟料中的几种主要化学成分：

硅酸盐水泥熟料的典型化学成分含量见如下附表《1》：%

CaO(一氧化钙) SiO

2(二氧化硅) AI

2

O

3

(三氧化二

铝)

Fe

2O

3

(三氧化二铁) MgO(氧化镁) SO

3

（氧化硫）

Na

2O（氧化钠） K

2

O（氧化钾）TiO

2

（氧化钛）

Mn

2O

3

（氧化锰） P

2

O

5

（氧化磷）

另外也可能含有极少量的其他杂质。水泥熟料中各氧化物的含量对水泥的性质有很大影响：

2.2.1.1 CaO(一氧化钙)：是水泥熟料中最主要的成分。在水泥熟料煅烧过程

中与其他酸性氧化物(如：SiO

2、AI

2

O

3

、Fe

2

O

3

等)化合反应生成C

3

S、C

2

S、C

3

A、C

4

AF(见

下面第2.3条)等矿物复盐活性化合物。经煅烧未被化合的CaO称为“游离钙”。

在水泥中单独存在的“游离钙”,其水化反应不能在水泥硬化过程中完成，而是在水泥硬化后才能与水化合生成Ca(HO)

2

并在水化过程中发生体积膨胀，降低混凝土的内应力甚至破坏混凝土结构。其含量多、少是影响水泥安定性的重要原因之一。因此国家标准中要求水泥熟料内CaO含量不得超过1%。

2.2.1.2 SiO

2(二氧化硅)：也是水泥熟料所含主要成分之一。SiO

2

经过煅烧可

与CaO进行化合反应，生成C

3S和C

2

S矿物，是影响水泥强度的主要成分之一。

如果SiO

2含量低，水泥熟料中硅酸盐矿物成分少，水泥强度就低；但SiO

2

含量

高时，虽然水泥后期强度有显著提高并使其抗硫酸盐侵蚀性能增强，但水泥凝结速度和早期强度增进率都会变慢。SiO

2

含量不仅影响水泥性能，同时对水泥熟料的煅烧也有影响。其含量少时，熟料煅烧会结大块，影响操作；但其含量大时，会使熟料烧成困难，易于“粉化”。

2.2.1.3 AI

2O

3

(三氧化二铝)：在水泥熟料的煅烧过程中，它与CaO和Fe

2

O

3

可

化合生成C

3A或C

4

FA。当其含量高时可使水泥的凝结及硬化速度变快，但后期强

度增长缓慢，并使水泥的抗硫酸盐性能降低。原因是C

3

A与硫酸盐化合反应生成

硫铝酸盐(钟乳石)，易溶于水而造成水泥石的破坏。同时C

3

A含量高的水泥水化热高，放热速度也快，不适用于大体积混凝土和抗硫酸盐混凝土。

2.2.1.4 Fe

2O

3

(三氧化二铁)：经煅烧可与CaO和AI

2

O

3

化合生成C

4

AF。在水泥

生料中增加氧化铁含量，能降低水泥熟料的煅烧温度。但含量高时会使水泥的凝结过程和硬化过程变慢(缓凝)，后期强度仍能长期增长，并能增强水泥的抗硫酸盐侵蚀性能。

2.2.1.5 MgO(氧化镁)：是水泥原料中的不良杂质(后述)。

2.2.1.6 SO

3(硫酐)：水泥中的SO

3

仅少部分来自水泥熟料，大部分是在水泥熟

料磨细时掺入的石膏(CaSO

4

)。适量的石膏，可有利于调节水泥凝结时间；但含量过多时，会破坏水泥的体积安定性。

2.2.1.7 K

2O、Na

2

O (碱分)：即氧化钾、氧化钠，在水泥中是有害成分，能

导致水泥凝结时间变换不定；也能引起水泥石的表面风化(起霜)。若混凝土骨料内含有碱分时，混凝土将出现“碱骨料反应”。若水泥中含有碱分，即使骨料内不含碱分，水泥中的碱分也会与骨料中的酸性物质反应，在混凝土内部引起膨胀(碱集料反应)。

2.2.1.8 TiO

2(氧化钛)：一般含量很少，不超过0.3%。少量TiO

2

可促进熟料

的很好结晶。

2.2.1.9 Mn

2O

3

(氧化锰)：一般含量很少，也未发现其对水泥有何不良影响。

2.2.1.10 P

2O

5

(磷酐)：在水泥中含量极微小，若含量能达到1～2%时，能起到

显著的缓凝作用。

2.3 水泥熟料中的矿物成分：

在水泥熟料中，上述氧化物多数不是单独存在的，而是在煅烧时，随着窑温的升高过程反应生成多种矿物。所以水泥熟料是一种多矿物集合体。其本身是一种多矿物组成的结晶细小的人造岩石。水泥熟料矿物主要有以下四种：

3CaO·SiO

2简写为：C

3

S 通常称：硅酸三钙

2CaO·SiO

2简写为：C

2

S 通常称：硅酸二钙

3CaO·AI

2O

3

简写为：C

3

A 通常称：铝酸三钙

4CaO·AI

2O

3

·Fe

2

O

3

简写为：C

4

AF 通常称：铁铝四钙

水泥熟料中，以上四种矿物可占95%以上。其组成决定硅酸盐水泥的主性质：

2.3.1 硅酸三钙(C

3

A)，也叫“阿利特”，通常称“A”矿。纯的C3S为洁白色。

但在熟料中C

3

S总是与少量其他氧化物一起形成固溶体。这种固溶体通常称为“A”矿或“阿利特”,是硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分,其含量一般都在50%～60%。即使在铝酸盐水泥或硫铝酸盐水泥熟料中的含量也在40%左右。

“A”矿随着煅烧时窑温的升、降变化，有三个晶系的七种变型：即温度在1070C0以上时的三方晶系“R”型、1070C0～990C0时的单斜晶系“M”型和980C0～620C0

时的三斜晶系的“T”型。其中“M”型中又有M

m 、M

n

、M

I

三种变型；“T”型中

又有T

m 、T

n

、T

I

三种变型。

纯的硅酸三钙在常温下,通常只能保留三斜晶系(T型),但如含有少量的Mgo、

Al

2O

3

、Fe

2

O

3

、R

2

O(氧化稀有金属)等氧化物形成固溶体时，硅酸三钙便可保留M

型或R型。实际上水泥熟料中硅酸三钙内总含有上述几种氧化物稳定剂。所以“A”矿通常都为M型或R型。

由于C

3

S中所含氧化物种类不同，A矿还会有不同颜色。如；当熟料中含少量氧

化铬(Cr

2O

3

)呈绿色；含氧化钴(Co

2

O

3

)时，随着钴的价数不同，可呈浅兰色或玫瑰

红色。

C

3

S加水调和后，凝结时间正常，它水化较快，早期强度较高且强度增进率较大；但其水化热较高，抗水性较差。

2.3.2 硅酸二钙(C

2

S)，亦称“贝利特”，通常称“B”矿。是水泥熟料中另一

个重要矿物成分。在熟料中的含量一般在20%左右。但C

2

S在水泥熟料中并不是

以纯的形式存在，而是与MgO、AI

2O

3

、Fe

2

O

3

、R

2

O等氧化物形成的固溶体矿物。