掺混材料的硅酸盐水泥-建筑材料

1.混合材料

在磨制水泥时掺入的矿物质材料叫做混合材料，掺量通常不低于20％。混合材料分活性和非活性两类。活性混合材料其主要成分是活性SiO2、Al2O3，单独与水拌合不具备水硬性，但是磨细后与石灰、石膏或硅酸盐水泥等一起加水拌合，具有化学活性，能生成胶凝性物质，且具有水硬性。非活性混合材料也叫做填充性混合材料，无化学活性，只起填充作用。

（1）常用的活性混合材料。

1）粒化高炉矿渣。炼铁高炉的废渣在高温熔融状态下冲入水池，经急冷形成的质地疏松的颗粒状物料叫做粒化高炉矿渣，粒径为0.5～5mm，又叫水淬高炉矿渣。图4-6所示为炼铁厂的矿渣水淬池。粒化高炉矿渣的主要化学成分是活性CaO、SiO2和Al2O3。由于在短时间内温度急剧下降，粒化高炉矿渣的内部结构形成玻璃体，含量在80％以上，储有大量的化学潜能。

2）火山灰质混合材料。以活性SiO2和活性Al2O3为主要成分的矿物质材料叫做火山灰质混合材料。主要有天然的硅藻土、硅藻石、蛋白石、火山灰、凝灰岩、烧粘土，以及工业废渣中的煅烧煤矸石、粉煤灰、煤渣、沸腾炉渣和钢渣等。

3）粉煤灰。火力发电厂以煤粉为燃料，燃烧后排出的废渣叫做粉煤灰，属于火山灰质混合材料的一种。主要化学成分是活性SiO2和活性Al2O3，不仅具有化学活性，而且颗粒形貌大多为球形，如图4-7所示，掺入水泥中具有改善和易性，提高水泥石密实度的作用。

图4-6　高炉矿渣水淬池

图4-7　粉煤灰的微观形态

（2）活性混合材料的作用机理。活性混合材料单独与水拌合，不具有水硬性或硬化极 为缓慢，强度很低。但是在有碱性物质（Ca（OH）2）存在的条件下，将产生如式（4-29）、式 （4-3 0）的反应，生成具有水硬性的胶凝物质。

此外，当体系中有石膏存在时，生成的水化铝酸钙还会与石膏进一步反应，生成水化 硫铝酸钙。这些水化产物与硅酸盐水泥的水化产物类似，具有一定的强度和较高的水硬性。

由上述反应机理可以看出，Ca（OH）2和石膏的存在使活性混合材料的潜在活性得以发挥，即Ca（OH）2和石膏对混合材料的潜在活性起激发水化、促进凝结硬化的作用，所以称之为激发剂。硅酸盐水泥水化之后大约生成20％～25％的氢氧化钙，为活性混合材料提供了激发其活性的物质，所以硅酸盐水泥相当于活性混合材料的碱性激发剂。

活性混合材料一定要在水泥水化生成一定量的氢氧化钙之后才能发挥其活性，发生水化硬化反应。如果将水泥的水化作为一次水化，则活性混合材料的水化反应可以作为二次水化，尽管活性混合材料的掺入使水泥熟料中硅酸三钙、硅酸二钙等强度组分相对减少，但是二次水化可以在一定程度上弥补水化硅酸钙、水化铝酸钙的量，使水泥的强度不至于明显降低。同时，根据二次水化反应原理，活性混合材料将水泥凝胶体中的氢氧化钙作用，转变为硅酸盐凝胶物质，有利于水泥石抗腐蚀性和结构密实性。

（3）混合材料的作用及用途。混合材料掺入水泥中具有以下作用。

1）代替部分水泥熟料，增加水泥产量，降低成本。生产水泥熟料需要经过生料磨细、高温煅烧等工艺过程，消耗大量能量，并排放大致与水泥熟料相等的二氧化碳气体。而混合材料大部分是工业废渣，不需要煅烧，只需要与熟料一起磨细即可，既可以减少熟料的生产量，又消费了工业废料，具有明显的经济效益和社会环保效益。

2）调节水泥强度，避免不必要的强度浪费。水泥的强度等级以28d抗压强度为基准划分，且每相差lOMPa划分一个强度等级。完全使用熟料有时将造成活性的浪费，合理掺入混合材料可达到既降低成本，又满足强度要求的目的。

3）改善水泥性能。掺入适量的混合材料，相对减少水泥中熟料的比例，能明显降低水泥的水化放热量；由于二次水化作用，使水泥石中的氢氧化钙含量减少，增加了水化硅酸盐凝胶体的含量，因此能够提高水泥石的抗软水侵蚀和抗硫酸盐侵蚀能力；如果采用粉煤灰作混合材料，由于其球形颗粒的作用，能够改善水泥浆体的和易性，减少水泥的需水量，从而提高水泥硬化体的密度。

4）降低早期强度。掺入混合材料之后，早期水泥的水化产物数量将相对减少，所以水泥石或混凝土的早期强度将有所降低。对于早期强度要求较高的工程不宜掺入过多的混合材料。如果掺入活性混合材料，由于二次水化作用，其后期强度与不掺混合材料的水泥相比不会相差太多。

混合材料除了用做水泥的混合材料之外，还可作为矿物掺合料直接掺入混凝土中。活性混合材料和适量的石灰、石膏共同混合磨细可制成无熟料水泥，生产工艺简单，成本低，可用于调制砂浆或低强度等级的混凝土，用于一些小型、次要工程。例如石灰矿渣水泥、沸腾炉渣水泥以及煤矸石水泥、钢渣水泥等。

此外，活性混合材料还是生产硅酸盐制品的主要原材料之一。将活性混合材料、适量石灰、石膏及细骨料合理配合，作成板材或块状坯体后，在高温、高压下进行压蒸或湿热养护，使活性混合材料中的活性氧化硅、氧化铝与氧化钙、硫酸钙等成分直接反应生成硅酸钙盐类，成为具有一定强度的硅酸盐制品。

2.矿渣硅酸盐水泥

（1）定义。凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥），代号P·S。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分数计为20％～70％。允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过水泥质量的8％，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20％。

（2）矿渣水泥的特点及应用。

1）早期强度低，后期强度增长速率大

粒化高炉矿渣中虽然含有较多的活性SiO2和活性Al2O3，但是这些活性物质一方面需要水泥水化生成Ca（OH）2后才能进行二次水化反应，同时常温下二次水化反应速度较慢，所以矿渣水泥早期强度较低。但是由于矿渣中大量活性物质的存在，后期强度发展速率较快，28d强度与硅酸盐水泥和普通水泥基本相同，如图4-8所示，而且28d以后矿渣水泥的强度可能高于硅酸盐水泥。

图4-8　水泥强度发展曲线

2）抗侵蚀能力强。采用硅酸盐水泥制作的混凝土抗溶出性侵蚀较差，环境水的硬度不能低于6度，否则将受到较严重的溶出性侵蚀；而矿渣水泥混凝土的环境水硬度可达到3度（每升水中重盐酸盐含量以CaO计10mg为1度）。其原理就是矿渣中活性组分的二次水化作用使大部分Ca（OH）2转变为稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙，水泥石中游离Ca（OH）2的量降低，所以抗溶出性侵蚀能力提高。

矿渣水泥抗硫酸盐侵蚀的能力也高于硅酸盐水泥，其主要原因是掺入大量矿渣后，水泥中熟料的成分大大减少，相应地C3A含量降低，因此水化产物中水化铝酸钙减少，抵抗硫酸盐腐蚀能力增强。

基于上述特点，矿渣水泥适用于易受侵蚀的水工建筑、海港工程及地下结构物。

3）水化热低。由于熟料含量减少，水泥中水化放热量高、早期放热量大的组分C3S、C3A的含量相对减少。因此水化热低。适用于大体积混凝土，如水库大坝、大型结构物基础等。(www.xing528.com)

4）环境温度、湿度对凝结硬化的影响较大。由于矿渣水泥早期水化速度慢、水化热低等特性，施工时尤其要注意早期养护温度，低温下凝结硬化更加缓慢，所以矿渣水泥不适于冬季施工和早期强度要求较高的工程；高温高湿的养护条件有利于矿渣水泥的强度发展，适用于制作蒸汽养护混凝土构件。

5）保水性差，泌水量大。所谓保水性，即水泥浆体在施工及凝结硬化过程中能够将水分保存在浆体中的能力。水泥的保水能力与其细度和表面吸附水的能力有关。如果水泥的保水能力较低或拌合水量超出保水能力时，一部分水从浆体中析出来，这种现象叫做泌水。泌水的结果在混凝土内形成毛细孔通道，降低混凝土的密实性，同时在大颗粒骨料的下方形成水囊，蒸发后在骨料与水泥硬化体之间留下缝隙，降低界面强度。泌水量过多还会在表面形成较稀的水泥浆层，干燥后表层起粉，影响混凝土的表层质量。

粒化矿渣颗粒比较坚硬，和水泥熟料一起粉磨难以将其磨得很细，且矿渣本身亲水性差，吸收水分和涵养水分的能力较低，所以矿渣水泥的保水性差，容易产生大量泌水，不适用于抗渗性、耐磨性要求较高的工程。

6）干缩性较大。水泥浆体在硬化过程中，由于水分蒸发引起的体积收缩叫做干缩。干缩的结果易使混凝土表面形成很多微细裂缝，降低混凝土的力学性能和耐久性。矿渣水泥由于保水性差，容易泌水，内部水分更容易蒸发，所以干缩性大。使用时要特别注意早期保湿、保潮养护。

7）抗碳化能力差。水泥水化产物中的Ca（OH）2与空气中CO2在有水存在的条件下生成CaCO3的反应叫做碳化。由于矿渣水泥水化产物中Ca（OH）2含量较少，碱度低，同时由于矿渣水泥保水性差、干缩性大等原因，硬化后的水泥石毛细孔通道和微裂缝较多，密实性较差，空气中CO2向内部的扩散更加容易，所以抵抗碳化作用能力差。

未被碳化的水泥石中含有较多的Ca（OH）2，使水泥石呈强碱性，这种碱性环境对混凝土中的钢筋起保护作用。碳化反应使Ca（OH）2变成了CaCO3，水泥石的碱性大幅度降低，破坏了保护钢筋的环境，使钢筋容易生锈。钢筋生锈后体积膨胀大约是原来体积的2～3倍，其危害是破坏钢筋与混凝土之间的粘结，保护层被涨裂，导致结构物被破坏。

8）耐热性较强。高炉水淬矿渣本身耐火性、耐热性强，矿渣水泥水化产物中Ca（OH）2含量又低，所以矿渣水泥硬化体耐火性能良好，在300～400°C高温下可保持强度不明显降低。因此，矿渣水泥适用于高温车间、高炉基础、热气通道等耐热结构物。

9）抗冻性和耐磨性较差。水泥中的矿渣颗粒较粗，保水性差，硬化过程中会产生较多泌水，所以水泥石中毛细孔隙量大，抗冻性差。不宜用于严寒地区及水位变化部位，也不适于受高速夹砂水流冲刷部位。例如混凝土重力坝体积庞大，考虑水化热低的要求适合采用矿渣水泥，但迎水面表层、溢洪面等经常经受冲刷、有冻融循环作用的部位则不适合使用矿渣水泥，所以同一个工程也需要根据不同部位、不同性能要求合理选择不同品种的水泥品种。

3.火山灰质硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号P·P。水泥中火山灰质混合材料掺量按质量百分数计为20％～50％。

火山灰质混合材料也属于常用的活性混合材料，掺入水泥中所起的作用及其机理与粒化高炉矿渣基本相同。因此，火山灰水泥的特点大部分与矿渣水泥相同。但是与粒化高炉矿渣相比，火山灰质材料质地比较柔软易磨，颗粒较细，且内部多孔，与水的亲和性也比矿渣好。因此火山灰水泥保水性好，泌水量低，硬化后的水泥石结构比较密实，抗渗性能好，适用于抗渗性能要求较高的部位。

4.粉煤灰硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥），代号P·F。水泥中粉煤灰掺量按质量百分数计为20％～40％。

粉煤灰属于火山灰质混合材料的一种，由于粉煤灰是火力发电厂排放的工业废渣，排放量较大，粉煤灰的有效利用对解决工业废渣的处理、环境保护等均具有重要意义，所以从50年代开始我国就对粉煤灰在建设工程中的应用进行了许多研究，并制定了评价性能、划分等级的国家标准。开发了许多利用粉煤灰的途径，作为水泥混合材料仅仅是应用途径之一。

粉煤灰水泥的特性与火山灰水泥基本相同。由于粉煤灰颗粒大多数呈球形，所以掺入水泥中后能够降低水泥的标准稠度需水量，即达到相同的稠度所需水量少于其他几种主要水泥。因此用粉煤灰水泥，或在拌制混凝土时直接掺入粉煤灰可改善混凝土的流动性、和易性，水泥石内部结构比较密实，抗渗性能良好。粉煤灰的颗粒较细，与水泥基本相同，一级灰甚至比水泥还细，且粒形好，可以不再磨细，直接用于水泥或混凝土，具有良好的经济和社会效益。

5.复合硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P·C。水泥中混合材料总掺加量按质量百分数计应大于15％，但不超过50％。水泥中允许用不超过8％的窑灰代替部分混合材料；掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣水泥重复。

复合水泥的强度发展趋势、水化热低等特点与矿渣水泥、粉煤灰水泥等掺混合材料的水泥大致相同。可根据当地混合材料的资源和水泥性能的要求掺入两种或更多种混合材料，可克服掺单一种类混合材料时水泥性能在某一方面明显的不足。例如，矿渣水泥保水性明显较差，泌水量大，与粉煤灰混合掺入可弥补这方面的不足，也可发挥矿渣耐磨、耐热等优势，获得性能更理想的水泥。

6.掺混合材料的硅酸盐水泥的强度等级

表4-10　所示为矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥及复合水泥的强度等级，以及各龄期所要求的强度值。强度试验方法与硅酸盐水泥相同。

表4-10　其他硅酸盐类水泥各龄期的强度值　单位：MPa

7.硅酸盐类水泥技术性质比较及适用范围

上述六个品种的硅酸盐类水泥均以硅酸盐水泥熟料为基本原料，在矿物组成、水化机理、凝结硬化过程、细度、凝结时间、安定性、强度等级划分等方面有许多相近之处。但由于掺入混合材料的数量、品种有较大差别，所以各种水泥的特性及其适用范围有较大差别。表4-11归纳总结了这些水泥的组成、技术性质、适用范围和不适用范围。

表4-11　硅酸盐类水泥的技术性质比较及适用范围

续表

8.水泥在工程中使用时的性质检验

水泥出厂时可以袋装或散装，袋装水泥每袋净含量50kg，水泥袋上应清楚地注明产品名称、代号、净含量、强度等级、生产许可证编号、生产者名称和地址及出厂编号、执行标准号、包装年月日等项目。掺火山灰质混合材料的水泥还要在包装袋上标上“掺火山灰”字样。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥采用红色印刷，矿渣水泥采用绿色印刷，火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥采用黑色印刷。散装水泥运输时应提交与袋装水泥标志相同内容的卡片。

建设工程中使用水泥之前，要对同一生产厂家、同期出厂的同品种、同强度等级的水泥，以一次进场的、同一出厂编号的水泥为一批，按照规定的抽样方法抽取样品，对水泥性能进行检验。袋装水泥以200t为一批，不足200t的按1t计算；散装水泥以500t为一批，不足500t的按一批计算。重点检验水泥的凝结时间、安定性和强度等级，合格后方可投入使用。存放期超过3个月的水泥，使用前必须重新进行复验，并按复验结果使用。