水泥混合材料及其活性特性

在水泥生产过程中，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。

加入混合材料，可以在水泥生产过程中增加产量、节约能源、综合利用工业废料、降低成本，同时能够改善水泥的某些性能。

混合材料按其性能可分为非活性混合材料和活性混合材料两大类。

1）非活性混合材料

常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。非活性混合材料在水泥中主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥标号、降低水化热等作用。属于这类的混合材料有磨细石英砂、石灰石、黏土、慢冷矿渣及其他与水泥矿物成分不起反应的工业废渣等。

2）活性混合材料

常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等。

（1）粒化高炉矿渣

高炉炼铁时，浮在铁水表面的熔融矿渣，经过水淬急冷成粒后即为粒化高炉矿渣。淬冷的目的在于阻止结晶，形成化学不稳定的玻璃体，具有潜在化学能，即潜在活性。如果熔融的矿渣自然缓慢冷却，凝固后成为完全结晶的块状矿渣，活性很低，属于非活性混合材料。

粒化高炉矿渣主要化学成分为CaO（38%～46%）、SiO2（26%～42%）和Al2O3（7%～20%），另外还有少量的MgO、FeO、MnO、TiO2等。矿渣中的CaO在高温冷却过程中能与SiO2和Al2O3结合成具有水硬性的硅酸二钙和铝酸钙，对矿渣活性有利。但含量太高，熔体黏度低，则不利于玻璃体的形成，矿渣活性反而降低。SiO2属于活性成分，但含量较高时在冷却过程中形成低碱性的硅酸钙，使得矿渣活性降低。Al2O3在矿渣中一般形成铝酸钙或铝硅酸钙，对矿渣活性有利。

一般认为，矿渣中主要的活性组分为玻璃体质的SiO2和Al2O3以及弱水硬性的硅酸二钙等。

（2）火山灰质混合材料

火山喷发时，随同熔岩一起喷发的大量的碎屑沉积在地面或水中的松软物质，称为火山灰。由于火山喷出物在空气中急冷，火山灰含有一定量的玻璃体，它的主要成分为SiO2和Al2O3。火山灰质的混合材料是泛指以活性SiO2和活性Al2O3为主要成分的活性混合材料。它的应用是从火山灰开始的，故而得名，其实并不仅限于火山灰。火山灰质混合材料按照其成因，分为天然的和人工的两大类。天然的有火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土、硅藻石和蛋白石等；人工的有烧页岩、烧黏土、煤渣、煤矸石、硅灰等。(www.xing528.com)

火山灰质混合材料结构上的特点是疏松多孔、内比表面积大、易吸水，但由于品种多，其活性也有较大的差别。

（3）粉煤灰

粉煤灰是从燃煤火力发电厂的烟道气体中收集的粉尘，又称为飞灰。主要成分为SiO2（40%～65%）和Al2O3（15%～40%）。从火山灰质混合材料泛指的定义讲，粉煤灰属于火山灰质混合材，但粉煤灰一般为呈玻璃态的实心或空心的球状颗粒，表面结构致密，性质与其他的火山灰质混合材有所不同，它是一种产量很大的工业废料，所以单独列出。

粉煤灰的颗粒大小与形状对其活性有很大的影响，颗粒越细，密实球体形玻璃体含量越高，活性越高，标准稠度需水量越低。

3）活性混合材料的水化

粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰属于活性混合材料，它们与水拌和后，不发生水化及凝结硬化（仅粒化高炉矿渣有微弱的水化反应）。但在氢氧化钙饱和溶液中，常温下却发生显著的水化反应：

生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙是具有水硬性的水化物。式中x、y值取决于混合材料的种类，石灰和活性SiO2及活性Al2O3之间的比例，环境温度以及作用的时间等。对于掺常用混合材料的硅酸盐水泥，x、y值一般为1或稍大于1，即生成的水化物的碱度降低（与硅酸盐水泥水化物相比），为低碱性的水化物。

活性SiO2和Ca（OH）2相互作用形成无定型水化硅酸钙，再经过较长一段时间后，逐渐转变为凝胶或微晶体。

活性Al2O3与Ca（OH）2作用形成水化铝酸钙。当液相中有石膏存在时，水化铝酸钙与石膏反应生成水化硫铝酸钙。

可以看出，氢氧化钙和石膏的存在使活性混合材料的潜在活性得以发挥。它们起着激发水化、促进凝结硬化的作用，故称为活性混合材料的激发剂。常用的激发剂有碱性激发剂（如石灰）和硫酸盐激发剂（如石膏）两类。

掺活性混合材料的水泥与水拌和后，首先是水泥熟料水化，然后是水泥熟料的水化物Ca（OH）2与活性混合材料中的SiO2及Al2O3进行水化反应（一般称为二次水化反应）。因此，掺混合材料的硅酸盐水泥水化速度减慢，水化热降低，早期强度降低。