特性水泥-土木工程材料，快凝快硬、抗硫酸盐、膨胀、低水化热

特性水泥是指其某种性能比较突出的水泥，如快凝快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀水泥、低水化热水泥等。

1.快凝快硬硅酸盐水泥

以硅酸三钙、氟铝酸钙为主的水泥熟料，加入适量的硬石膏、粒化高炉矿渣、无水硫酸钠，经磨细制成的一种凝结快、强度增长快的水硬性胶凝材料，称为快凝快硬硅酸盐水泥（简称双快水泥）。

快凝快硬硅酸盐水泥与硅酸盐水泥的主要区别，在于提高了水泥熟料中硅酸三钙和铝酸三钙的含量，并适当增加了石膏的掺量，同时还提高了水泥的细度。

国家标准《快凝快硬硅酸盐水泥》[JC 314—82（1996）]规定：快凝快硬硅酸盐水泥熟料中氧化镁含量不得超过 5.0%，三氧化硫含量不得超过 9.5%，水泥比表面积不得低于450 m2/kg，初凝时间不得早于10 min，终凝时间不得迟于60 min；体积安定性用沸煮法检验时必须合格。根据 4 h 的抗压强度和抗折强度大小，快凝快硬硅酸盐水泥分为双快-150 和双快-200两个强度等级。各强度等级水泥在各龄期的强度值不得低于表3.5中的数值。

表3.5　快凝快硬硅酸盐水泥各龄期的强度要求[JC 314—82（1996）]

快凝快硬硅酸盐水泥具有凝结硬化快、早期强度增长快的特点，其 1 h 后抗压强度可达到相应的强度等级，后期强度仍有一定增长，适用于早期强度要求高的混凝土工程、军事工程、低温条件下施工和桥梁、隧道、涵洞等紧急抢修工程。由于快凝快硬硅酸盐水泥水化热大、放热集中迅速、耐腐蚀性能较差，因此，不宜用于大体积混凝土工程和有耐腐蚀性要求的混凝土工程。快凝快硬硅酸盐水泥在存放时易受潮变质，所以在运输和储存时，必须注意防潮，并应及时使用，不宜久存。出厂时间超过3个月后，应重新检验，合格后方可使用。快凝快硬硅酸盐水泥也不得与其他品种的水泥混合使用。

2.低水化热水泥

低水化热水泥包括低热硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥。

以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热硅酸盐水泥（简称低热水泥），代号为P·LH。

以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料，称为中热硅酸盐水泥（简称中热水泥），代号为P·MH。

以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入粒化高炉矿渣、适量石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热矿渣硅酸盐水泥（简称低热矿渣水泥），代号为P·SLH。水泥中矿渣掺量按质量百分比计为 20%～60%，允许用不超过混合材料总量50% 的磷渣或粉煤灰代替部分矿渣。

从熟料的矿物成分来看，铝酸三钙和硅酸三钙水化热较大，同时游离的氧化钙也会增加水泥的水化热，降低水泥的抗拉强度，所以对其含量应加以限制。水泥熟料中铝酸三钙含量对于低热硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥不得超过6%，对于低热矿渣硅酸盐水泥不得超过8%；水泥熟料中硅酸三钙含量对于中热硅酸盐水泥不得超过55%；水泥熟料中游离氧化钙含量对于低热硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥不得超过1.0%；对于低热矿渣硅酸盐水泥不得超过1.2%。

国家标准《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》（GB 200—2017）规定：中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥中氧化镁含量不大于 5.0%；三氧化硫含量不大于 3.5%；细度用比表面积法测定时，不小于 250 m2/kg；初凝时间不小于60 min，终凝时间不大于720 min；体积安定性用沸煮法检验必须合格。

按照规定龄期的抗压强度和抗折强度大小，中热硅酸盐水泥的强度等级为 42.5，低热酸盐水泥的强度等级为32.5和42.5。各强度等级水泥在各龄期的强度值应符合表3.6中的规定。

表3.6　中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥各龄期的强度指标（GB 200—2017）

低热硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥水化热较低，抗冻性与耐磨性较高，抗硫酸盐侵蚀性能好，适用于水利大坝、大体积水工建筑物，以及其他要求低水化热、高抗冻性、高耐磨、有抗硫酸盐侵蚀要求的混凝土工程。

3.硫酸盐硅酸盐水泥

根据抵抗硫酸盐侵蚀的程度不同，抗硫酸盐硅酸盐水泥分中抗硫酸盐硅酸盐水泥和高抗硫酸盐硅酸盐水泥两种。

凡以特定矿物组成的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有抵抗中等浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为中抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称中抗硫酸盐水泥），代号为P·MSR。

凡以特定矿物组成的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为高抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称高抗硫酸盐水泥），代号为P·HSR。

硅酸盐水泥熟料中最容易被硫酸盐腐蚀的成分是铝酸三钙。因此，抗硫酸盐硅酸盐水泥熟料中铝酸三钙的含量比较低。由于在水泥熟料的烧制过程中，铝酸三钙数量与硅酸三钙数量之间存在一定的相关性，如果水泥熟料中铝酸三钙含量较低，则硅酸三钙的含量相应的也较低。但是在抗硫酸盐硅酸盐水泥熟料中硅酸三钙的含量不宜太低，否则不利于水泥强度的增长。硅酸三钙和铝酸三钙含量的限制见表3.7。

表3.7　抗硫酸盐硅酸盐水泥熟料中硅酸三钙和铝酸三钙含量限制

抗硫酸盐硅酸盐水泥的抗侵蚀能力以抗硫酸盐腐蚀系数 F 来评定。它是指水泥试件在人工配制的硫酸根离子浓度分别为2 500 mg/L（对中抗硫酸盐水泥）和8 000 mg/L（对高抗硫酸盐水泥）的硫酸钠溶液中，浸泡6个月后的强度与同时浸泡在饮用水中试件的强度之比。抗硫酸盐硅酸盐水泥的抗硫酸盐腐蚀系数不得小于0.8。

国家标准《抗硫酸盐硅酸盐水泥》（GB 748—2005）规定：抗硫酸盐硅酸盐水泥熟料中氧化镁含量不得超过 5.0%，三氧化硫含量不得超过 2.5%，水泥中不溶物不得超过 1.5%，烧失量不得超过 3.0%；水泥的比表面积不小于280 m2/kg；初凝时间不得早于 45 min，终凝时间不得迟于10 h；体积安定性用沸煮法检验必须合格。

根据3 d、28 d的抗压强度和抗折强度大小，抗硫酸盐硅酸盐水泥分32.5和42.5两个强度等级，各强度等级水泥在各龄期的强度值不得低于表3.8中的数值。

表3.8　抗硫酸盐硅酸盐水泥各龄期的强度要求（GB 748—2005）

抗硫酸盐硅酸盐水泥具有较高的抗硫酸盐侵蚀能力，水化热较低，主要用于受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下隧道、引水、道路与桥梁基础等工程。(www.xing528.com)

4.铝酸盐水泥

凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥，代号为CA。

（1）铝酸盐水泥的矿物组成。铝酸盐水泥的矿物成分主要为铝酸一钙（CaO·A12O3，简写为CA），其含量约占铝酸盐水泥质量的 70%，此外还有少量的硅酸二钙（2CaO·SiO2）与其他铝酸盐，如七铝酸十二钙（12CaO·7A12O3，简写为C12A7）、二铝酸一钙（CaO·2A12O3，简写为CA2）和硅铝酸二钙（2CaO·A12O3·SiO2，简写为C2AS）等。

（2）铝酸盐水泥的水化和硬化。铝酸盐水泥的水化和硬化主要是铝酸一钙的水化及其水化产物的结晶。其水化产物会随外界温度的不同而异。当温度低于 20°C 时，水化产物为水化铝酸一钙（CaO·A12O3·10H2O，简写为CAH10），其水化反应式为

当温度为20°C～30°C时，水化产物为水化铝酸二钙（2CaO·A12O3·8H2O，简写为C2AH8）和氢氧化铝（A12O3·3H2O，简写为AH3），其水化反应式为

当温度高于30°C时，水化产物为水化铝酸钙（3CaO·A12O3·6H2O，简写为C3AH6）和氢氧化铝，其水化反应式为

水化产物水化铝酸一钙和水化铝酸二钙为针状或板状晶体，能相互交织成坚固的结晶共生体，析出的氢氧化铝难溶于水，填充于晶体骨架的空隙中，形成比较致密的结构，使水泥石具有很高的强度。水化反应集中在早期，5～7 d后水化产物的数量很少增加。所以，铝酸盐水泥早期强度增长很快。

随硬化时间的延长，不稳定的水化铝酸一钙和水化铝酸二钙会逐渐转化为比较稳定的水化铝酸钙，转化过程会随着外界温度的升高而加快。转化结果使水泥石内部析出游离水，增大了孔隙体积，同时水化铝酸钙晶体本身缺陷较多，强度较低，因而水泥石后期强度明显降低。

（3）铝酸盐水泥的技术要求。铝酸盐水泥呈黄、褐或灰色，其密度和堆积密度与硅酸盐水泥接近，密度为3.0～3.2 g/cm3，堆积密度为1 000～1 300 kg/m3。

国家标准《铝酸盐水泥》（GB 201—2015）规定：铝酸盐水泥按A12O3含量百分数分为CA50（CA50-Ⅰ、CA50-Ⅱ、CA50-Ⅲ、CA50-Ⅳ）、CA60（CA60-Ⅰ、CA60-Ⅱ）、CA70、CA80四种类型；水泥细度用比表面积法测定时不小于300 m2/kg，或者45 μm筛余不大于20%；对于CA50、CA60-Ⅰ、CA70、CA80水泥初凝时间不小于30 min，终凝时间不大于6 h；对于CA60-Ⅱ水泥初凝时间不小于60 min，终凝时间不大于18 h；体积安定性检验必须合格。

各类型水泥在各龄期的强度指标应符合表3.9中的规定。

表3.9　铝酸盐水泥的A12O3含量和各龄期的强度指标（GB 201—2015）

（4）铝酸盐水泥的特点与应用。

① 凝结硬化快，早期强度增长快，适用于紧急抢修工程和早期强度要求高的混凝土工程。

② 硬化后的水泥石在高温下（900°C 以上）仍能保持较高的强度，具有较高的耐热性能。如采用耐火的粗、细集料（如铬铁矿等），可制成使用温度达1 300～1 400°C的耐热混凝土，也可作为高炉炉衬材料。

③ 具有较好的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀能力。这是因为铝酸盐水泥的水化产物主要为低钙铝酸盐，游离的氧化钙含量极少，硬化后的水泥石中没有氢氧化钙，并且水泥石结构比较致密。因此，铝酸盐水泥具有较高的抗渗性、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力，适用于有抗渗、抗硫酸盐侵蚀要求的混凝土工程，但铝酸盐水泥不耐碱，不能用于与碱溶液接触的工程。

④ 水化热大而且集中在早期释放。铝酸盐水泥的 1 d 放热量大约相当于硅酸盐水泥的7 d放热量。因此，适用于混凝土的冬季施工，但不宜用于大体积混凝土工程中。

铝酸盐水泥在使用时应注意以下几点：

① 由于铝酸盐水泥水化产物晶体易发生转换，导致铝酸盐水泥的后期强度会有所降低，尤其是在高于30°C的湿热环境下，强度下降会更加明显，甚至会引起结构的破坏。因此，铝酸盐水泥不宜用于长期承受荷载作用的结构工程。

② 铝酸盐水泥最适宜的硬化温度为15°C左右。一般施工时环境温度不宜超过30°C，否则，会产生晶体转换，使水泥石强度降低。所以，用铝酸盐水泥拌制的混凝土构件不能进行蒸汽养护。

③ 使用铝酸盐水泥时，严禁与硅酸盐水泥或石灰相混，也不得与尚未硬化的硅酸盐水泥接触，否则将产生瞬凝现象，以致无法施工，且强度很低。

5.膨胀水泥和自应力水泥

一般硅酸盐水泥在空气中硬化时，体积会发生收缩。收缩会使水泥石的结构产生微裂缝或裂缝，降低水泥石结构的密实性，影响结构的抗渗、抗冻、耐腐蚀性和耐久性。膨胀水泥在硬化过程中体积不但不发生收缩，而且还略有不同程度的膨胀。当这种膨胀受到水泥混凝土中钢筋的约束而膨胀率又较大时，钢筋和混凝土会一起发生变形，钢筋受到拉力，混凝土受到压力，这种压力是由水泥水化产生的体积变化所引起的，所以叫自应力。自应力值大于2 MPa的水泥称为自应力水泥。由于这一过程发生在水泥浆体完全硬化之前，所以，能够使水泥石的结构更加密实而不致引起破坏。

（1）膨胀作用机理。在水泥生产过程中加入石膏、膨胀剂（如明矾石、铝酸盐水泥等），使水泥浆体中产生大量的水化硫铝酸钙晶体，进而使水泥石体积产生膨胀。

（2）膨胀水泥的种类。按水泥的主要矿物成分，膨胀水泥可分为硅酸盐型膨胀水泥、铝酸盐型膨胀水泥和硫铝酸盐型膨胀水泥三类。根据水泥的膨胀值及其用途又可分为收缩补偿水泥和自应力水泥两类。硅酸盐膨胀水泥是以硅酸盐水泥为主要组分，外加铝酸盐水泥和石膏配制而成的一种水硬性胶凝材料。这种水泥膨胀值的大小可通过改变铝酸盐水泥和石膏的含量来调节。例如，用85%～88%的硅酸盐水泥熟料、6%～7.5% 的铝酸盐水泥、6%～7.5%的石膏可配制成收缩补偿水泥，用这种水泥配制的混凝土可做屋面刚性防水层、锚固地脚螺栓或修补等用。如适当提高其膨胀组分即可增加膨胀量，可配制成自应力水泥。自应力硅酸盐水泥常用于制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件。

铝酸盐膨胀水泥是以一定量的铝酸盐水泥熟料和二水石膏为组成材料，经磨细而成的大膨胀率水硬性胶凝材料。该水泥具有自应力值高，抗渗性、气密性好，质量比较稳定等优点，但水泥生产成本较高，膨胀稳定期较长。可用于制作大口径或较高压力的压力管。

硫铝酸盐膨胀水泥是以无水硫铝酸钙熟料为主要组成材料，加入较多的石膏，经磨细制成的强膨胀性水硬性胶凝材料。可制作大口径或较高压力的压力管，石膏掺量较少时，可用做收缩补偿混凝土。

（3）膨胀水泥的特点与应用。膨胀水泥在约束变形条件下所形成的水泥石结构致密，具有良好的抗渗性和抗冻性，可用于配制防水砂浆与防水混凝土、浇灌构件的接缝及管道的接头、结构的加固与修补、浇注机器底座与固结地脚螺丝等。自应力水泥主要用于自应力钢筋混凝土结构工程和制造自应力压力管道等。