现代建筑材料：5水泥的学习指导及主要工艺流程

5　水 泥

学习指导

本章是重点章，共4节。本章的学习目标是：

(1)掌握通用硅酸盐水泥的基本概念和分类、组分与组成材料以及技术要求。

(2)理解通用硅酸盐水泥的凝结硬化机理。

(3)掌握通用硅酸盐水泥的腐蚀机理、特性及应用。

本章的难点是硅酸盐水泥熟料的矿物组成及性能特点，重点是几种通用硅酸盐水泥的性能特点和选用原则。

水泥品种繁多，建议学习中以硅酸盐水泥为点，搞清楚此点后拓展至其他通用硅酸盐水泥，再拓展至其他特性水泥和专用水泥，采用点面结合、对比的学习方法。

水泥是水硬性胶凝材料的通称。凡细磨材料与水混合后成为塑性浆体，经一系列物理、化学作用形成坚硬的石状体，并能将砂石等散粒状材料胶结成为整体的水硬性胶凝材料，统称为水泥。

水泥是建筑工程中最重要的建筑材料之一。随着我国现代化建设的高速发展，水泥的应用越来越广泛。不仅大量应用于工业与民用建筑，而且广泛应用于公路、铁路、水利电力、海港和国防等工程中。

水泥品种繁多。按主要水硬性物质，水泥可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥等系列，其中以硅酸盐系列水泥的应用最广。硅酸盐系列水泥按用途和性能，又可将其划分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。

通用水泥是指用于一般土木工程的水泥，主要包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥六大品种。专用水泥是指具有专门用途的水泥，如道路水泥、大坝水泥、砌筑水泥等。特性水泥是指在某方面具有突出性能的水泥，如膨胀硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和抗硫酸盐硅酸盐水泥等。

5.1　通用硅酸盐水泥概述

通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。

5.1.1　通用硅酸盐水泥生产

通用硅酸盐水泥的生产原料主要是石灰质原料和黏土质原料。石灰质原料主要提供CaO，它可以采用石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等。黏土质原料主要提供SiO2、Al2O3及少量Fe2O3，它可以采用黏土、黄土、页岩、泥岩及河泥等。为了弥补黏土中Fe2O3含量之不足，需加入铁矿粉、黄铁矿渣等。

通用硅酸盐水泥生产工艺可概括为“两磨一烧”。即：原材料按比例混合磨细而得到生料；生料煅烧成为熟料；熟料加石膏、混合材料经磨细即生产成为通用硅酸盐水泥。见图5-1。

图5-1　硅酸盐水泥生产的主要工艺流程

5.1.2　通用硅酸盐水泥的组分与组成材料

1)组分

通用硅酸盐水泥的组分应符合表5-1的规定。

表5-1　通用硅酸盐水泥的组分(%)

2)组成材料

通用硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料、石膏和混合材料等组成。

(1)硅酸盐水泥熟料

硅酸盐水泥熟料是由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉成为生料，生料经煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。其中硅酸钙矿物含量不小于66%，氧化钙和氧化硅质量比不小于2.0。

生料在煅烧过程中，首先是石灰石和黏土分别分解出CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，然后在800～1 200℃的温度范围内相互反应，经过一系列的中间反应过程后，生成硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)，在1 400～1 450℃的温度范围内，硅酸二钙又与CaO在熔融状态下发生反应生成硅酸三钙(3CaO·SiO2)。这些经过反应形成的化合物——硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙，统称为硅酸盐水泥熟料的矿物组成。

硅酸盐水泥熟料四种矿物组成的名称、分子式、简写代号和含量范围如下：

硅酸三钙　3CaO·SiO2，简写为C3S，含量37%～60%；

硅酸二钙　2CaO·SiO2，简写为C2S，含量15%～37%；

铝酸三钙　3CaO·Al2O3，简写为C3A，含量7%～15%；

铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF，含量10%～18%。

以上主要四种熟料矿物单独与水作用时的特性见表5-2。

表5-2　硅酸盐水泥熟料矿物与水作用的特性

水泥中各熟料矿物的含量，决定着水泥某一方面的性能。改变熟料矿物组成之间的比例，水泥的性质就会发生相应的变化。如提高硅酸三钙的相对含量，就可以制得高强水泥和早强水泥；提高硅酸二钙的相对含量，同时适当降低硅酸三钙与铝酸三钙的相对含量，即可制得低热水泥或中热水泥。

(2)石膏

石膏在通用硅酸盐水泥中起调节凝结时间的作用，如天然石膏、工业副产石膏。

天然石膏应符合GB/T 5483—2008中规定的G类或M类二级(含)以上的石膏或混合石膏。

工业副产石膏是以硫酸钙为主要成分的工业副产物，采用前应经过试验证明其对水泥性能是无害的。

(3)混合材料

在生产水泥时，为改善水泥性能，调节强度等级，提高产量，降低生产成本，扩大其应用范围，而加到水泥中去的人工的或天然的矿物材料，称为水泥混合材料。水泥混合材料按其性能可分为活性混合材料和非活性混合材料两大类。

① 活性混合材料

活性混合材料是指具有火山灰特性或潜在水硬性的矿物材料。常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性水化产物，并能逐渐凝结硬化产生强度的混合材料。

在水泥生产中，常用的这类材料主要有符合GB/T 203—2008、GB/T 18046—2008、GB/T 1596—2005、GB/T 2847—2005标准要求的粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料。它们与水调和后，本身不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。但在氢氧化钙溶液中，就会发生显著的水化，而且在饱和氢氧化钙溶液中水化更快。

A.粒化高炉矿渣　炼铁高炉的熔融矿渣，经急速冷却而成的松软颗粒即为粒化高炉矿渣。急冷一般采用水淬的方法进行，故又称为水淬高炉矿渣。颗粒直径一般为0.5～5 mm。粒化高炉矿渣中的活性成分主要为CaO、Al2O3、SiO2，通常约占总量的90%以上，另外还有少量的MgO、FeO和一些硫化物等，本身具有弱水硬性。

B.火山灰质混合材料　主要成分为活性SiO2、Al2O3，一般是以玻璃体形式存在，当遇到石灰质材料(CaO)时，会与之发生化学反应生成水硬性凝胶。具有这种特性的材料除火山灰外，还有其他天然的矿物材料(如凝灰岩、浮石、硅藻土等)和人工的矿物材料(如烧黏土、煤矸石灰渣、粉煤灰及硅灰等)。

C.粉煤灰　从主要的化学活性成分来看，粉煤灰属于火山灰质混合材料。粉煤灰是火力发电厂的废料。煤粉燃烧以后形成质量很轻的煤灰，如果煤灰随着尾气被排放到空气中，会造成严重污染，因此尾气在排放之前须经过一个水洗的过程，洗下来的煤灰就称为粉煤灰。粉煤灰经骤然冷却而成，它的颗粒直径一般为0.001～0.05 mm，呈玻璃态实心或空心的球状颗粒。粉煤灰的主要化学成分是活性SiO2、Al2O3。

② 非活性混合材料

磨细的石英砂、石灰石、黏土、慢冷矿渣及各种废渣等属于非活性混合材料。它们与水泥成分不起化学作用或化学作用很小，非活性混合材料掺入硅酸盐水泥中仅起提高水泥产量和降低水泥强度、减少水化热等作用。当采用高强度等级水泥拌制强度较低的砂浆或混凝土时，可掺入非活性混合材料以代替部分水泥，起到降低成本及改善砂浆或混凝土和易性的作用。

5.1.3　技术要求

1)化学指标

(1)化学组成。化学指标应符合表5-3规定。

表5-3　通用硅酸盐水泥的化学指标(%)

表5-3

注：① 如果水泥压蒸试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽至6.0%。
② 如果水泥中氧化镁的含量大于6.0%，需进行水泥压蒸安定性试验并合格。
③ 当有更低要求时，该指标由买卖双方协商确定。

(2)碱含量(选择性指标)。水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。

2)物理指标

(1)凝结时间

水泥从加水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间称为凝结时间。凝结时间又分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是指从水泥加水拌和起到水泥浆开始失去塑性所需的时间；终凝时间是从水泥加水拌和时起到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。

水泥的凝结时间在施工中有重要意义。初凝时间不宜过早是为了有足够的时间对混凝土进行搅拌、运输、浇注和振捣；终凝时间不宜过长是为了使混凝土尽快硬化，产生强度，以便尽快拆去模板，提高模板周转率。

(2)体积安定性

水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。一般来说，硅酸盐水泥在凝结硬化过程中体积略有收缩，这些收缩绝大部分是在硬化之前完成的，因此水泥石(包括混凝土和砂浆)的体积变化比较均匀适当，即体积安定性良好。如果水泥中某些成分的化学反应不能在硬化前完成而在硬化后进行，并伴随体积不均匀的变化便会在已硬化的水泥石内部产生内应力，达到一定程度时会使水泥石开裂，从而引起工程质量事故，即体积安定性不良。

引起水泥安定性不良的原因有很多，主要有以下三种：熟料中所含的游离氧化钙过多、熟料中所含的游离氧化镁过多或掺入的石膏过多。

熟料中所含的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的，熟化很慢，在水泥硬化后才进行熟化，这是一个体积膨胀的化学反应，固相体积分别增大到1.98倍和2.48倍，引起不均匀的体积变化，使水泥石开裂。

Ca(OH)2

Mg(OH)2

当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还会继续与固态的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，体积约增大2.22倍，也会引起水泥石开裂。

国家标准规定：由游离CaO过多引起的水泥体积安定性不良可用沸煮法(雷氏法和试饼法)检验，在有争议时以雷氏法为准。由于游离MgO的水化作用比游离CaO更加缓慢，所以必须用压蒸法才能检验出它的危害作用。石膏的危害则需长期浸在常温水中才能发现。

(3)强度

水泥作为胶凝材料，强度是它最重要的性质之一，也是划分强度等级的依据。水泥强度一般是指水泥胶砂试件单位面积上所能承受的最大外力，根据外力作用方式的不同，把水泥强度分为抗压强度、抗折强度、抗拉强度等，这些强度之间既有内在的联系又有很大的区别。水泥的抗压强度最高，一般是抗拉强度的10～20倍，实际建筑结构中主要是利用水泥的抗压强度较高的特点。

硅酸盐水泥的强度主要取决于四种熟料矿物的比例和水泥细度，此外还和试验方法、试验条件、养护龄期有关。

国家标准规定：将水泥、标准砂和水按规定比例(水泥∶标准砂∶水=1∶3∶0.5)，用规定方法制成规格为40 mm×40 mm×160 mm的标准试件，在标准条件(1 d内为20±1℃、相对湿度90%以上的养护箱中，1 d后放入20℃±1℃的水中)下养护，测定其3 d和28 d龄期时的抗折强度和抗压强度。根据3 d和28 d时的抗折强度和抗压强度划分硅酸盐水泥的强度等级，并按照3 d强度的大小分为普通型和早强型(用R表示)。

(4)细度(选择性指标)

水泥细度是指水泥颗粒粗细的程度。

水泥与水的反应从水泥颗粒表面开始，逐渐深入到颗粒内部。水泥颗粒越细，其比表面积越大，与水的接触面积越多，水化反应进行得越快和越充分。一般认为，粒径小于40 μm的水泥颗粒才具有较高的活性，大于90 μm的颗粒则几乎接近惰性。因此，水泥的细度对水泥的性质有很大影响。通常水泥越细，凝结硬化越快，强度(特别是早期强度)越高，收缩也增大。但水泥越细，越易吸收空气中水分而受潮形成絮凝团，反而会使水泥活性降低。此外，提高水泥的细度要增加粉磨时的能耗，降低粉磨设备的生产率，增加成本。

国家标准规定：硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度采用比表面积测定仪(勃氏法)，矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度采用80 μm方孔筛或45 μm方孔筛的筛余表示。

(5)水化热

水泥在水化过程中放出的热称为水化热。水化放热量和放热速度不仅取决于水泥的矿物组成，而且还与水泥细度、水泥中掺混合材料及外加剂的品种、数量等有关。硅酸盐水泥水化放热量大部分在早期放出，以后逐渐减少。

大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土构筑物，由于水化热聚集在内部不易散热，内部温度常上升到50～60℃以上，内外温度差引起的应力，可使混凝土产生裂缝，因此水化热对大体积混凝土是有害因素。在大体积混凝土工程中，不宜采用硅酸盐水泥这类水化热较高的水泥品种。

5.1.4　水泥的储运与验收

1)质量评定

通用硅酸盐水泥性能中，凡化学指标中任一项及凝结时间、强度、体积安定性中的任一项不符合标准规定的指标时都为不合格品。

2)储运与包装

水泥储运方式主要有散装和袋装。散装水泥从出厂、运输、储存到使用，直接通过专用工具进行，发展散装水泥具有较好的经济效益和社会效益。袋装水泥一般采用50 kg包装袋的形式。国家标准规定：袋装水泥每袋净含量50 kg，且不得少于标志质量的98%，随机抽取20袋总净质量不得少于1 000 kg。水泥的包装和标志在国家标准中都作了明确的规定：水泥袋上应清楚标明产品名称，代号，净含量，强度等级，生产许可证编号，生产者名称和地址，出厂编号，执行标准号，包装年、月、日等。外包装上印刷体的颜色也作了具体规定，如硅酸盐水泥和普通水泥的印刷采用红色，矿渣水泥采用绿色，火山灰和粉煤灰水泥采用黑色。

水泥进场后的保管应注意以下问题：

(1)不同生产厂家、不同品种、强度等级和不同出厂日期的水泥应分开堆放，不得混存混放，更不能混合使用。

(2)水泥的吸湿性大，在储存和保管时必须注意防潮防水。临时存放的水泥要做好上盖下垫：必要时盖上塑料薄膜或防雨布，要垫高存放，离地面或墙面至少200 mm以上。

(3)存放袋装水泥，堆垛不宜太高，一般以10袋为宜。太高会使底层水泥过重而造成袋包装破裂，使水泥受潮结块。如果储存期较短或场地太狭窄，堆垛可以适当加高，但最多不宜超过15袋。

(4)水泥储存时要合理安排库内出入通道和堆垛位置，以使水泥能够实行先进先出的发放原则。避免部分水泥因长期积压在不易运出的角落里，造成受潮而变质。

(5)水泥储存期不宜过长，以免受潮变质或引起强度降低。储存期按出厂日期起算，一般水泥为三个月，铝酸盐水泥为两个月，快硬水泥和快凝快硬水泥为一个月。水泥超过储存期必须重新检验，根据检验的结果决定是否继续使用或降低强度等级使用。

水泥在储存过程中易吸收空气中的水分而受潮，水泥受潮以后多出现结块现象，而且烧失量增加，强度降低。对水泥受潮程度的鉴别和处理方法见表5-4。

表5-4　受潮水泥的简易鉴别和处理方法

【工程案例分析5-1】

挡墙开裂与水泥的选用

现象：某大体积的混凝土工程，浇筑两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂纹。该工程使用某立窑水泥厂生产的42.5Ⅱ型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：

原因分析：由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇筑混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。

5.2　硅酸盐水泥

按国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)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)。硅酸盐水泥分为两种类型，不掺混合材料的称为Ⅰ型硅酸盐水泥，代号为P·Ⅰ。在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号为P·Ⅱ。

5.2.1　硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化

1)硅酸盐水泥的水化

水泥加水拌和后，水泥颗粒分散于水中并与水发生水化反应，生成水化产物并放出热量。其反应式如下：

3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(水化硅酸钙凝胶)　(氢氧化钙晶体)

3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

3CaO·Al2O3·6H2O

(水化铝酸钙晶体)

3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

(水化铁酸钙凝胶)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

(高硫型水化硫铝酸钙晶体)

硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化物有：水化硅酸钙凝胶(分子式简写为C—S—H)、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和高硫型水化硫铝酸钙晶体。在充分水化的水泥石中，C—S—H凝胶约占70%，Ca(OH)2约占20%，钙矾石(AFt)和单硫型水化硫铝酸钙(AFm)约占7%。

图5-2　水泥凝结硬化过程示意图

2)硅酸盐水泥的凝结与硬化

水和水泥接触后，水泥颗粒表面的水泥熟料先溶解于水，然后与水反应，或水泥熟料在固态直接与水反应，生成相应的水化产物，水化产物先溶解于水。在水化初期，水化产物不多，水泥颗粒之间还是分离着的，水泥浆具有可塑性。随着时间的推移，水泥颗粒不断水化，新生水化产物不断增多，使水泥颗粒间的空隙逐渐缩小，并逐渐接近，以至相互接触，形成凝聚结构。凝聚结构的形成，使水泥浆开始失去可塑性，这就是水泥的“初凝”。

随着以上过程的不断进行，固态的水化产物不断增多，颗粒间的接触点数目增加，结晶体和凝胶体互相贯穿形成的凝聚-结晶网状结构不断加强。而固相颗粒之间的空隙(毛细孔)不断减小，结构逐渐紧密，使水泥浆体完全失去可塑性，水泥表现为“终凝”。之后水泥石进入硬化阶段。进入硬化阶段后，水泥的水化速度逐渐减慢，水化产物随时间的增长而逐渐增加，扩展到毛细孔中，使结构更趋致密，强度逐渐提高。

硬化后的水泥浆体称为水泥石，主要由凝胶体、晶体、未水化的水泥熟料颗粒、毛细孔及游离水分等组成。

3)凝结过程中的快凝现象

水泥在使用中，有时会发生不正常的快凝现象，有假凝和瞬凝两种。假凝是指水泥与水拌和几分钟后就发生的、没有明显放热的凝固现象。而瞬凝是指水泥与水拌和后立刻出现的、有明显放热现象的快凝现象。

假凝出现后可不再加水，而是将已凝固的水泥浆继续搅拌，便可恢复塑性，对强度无明显影响，水泥可继续使用。而瞬凝出现后，水泥浆体在大量放热的情况下很快凝结成为一种很粗糙且和易性差的拌合物，严重降低水泥的强度，影响水泥的正常使用。

产生快凝现象的原因主要是水泥中的石膏在磨细过程中脱水造成假凝，或者水泥中未掺石膏或石膏掺量不足导致水泥产生瞬凝。

4)影响水泥凝结硬化的因素

(1)矿物组成。熟料各矿物的水化特性是不同的，它们相对含量的变化，将导致不同的凝结硬化特性。比如当水泥中C3A含量高时，水化速度快，但强度不高；而C2S含量高时，水化速率慢，早期强度低，后期强度高。

(2)细度。水泥颗粒细，比表面积增加，与水反应的机会增多，水化加快，从而加速水泥的凝结、硬化，提高早期强度。

(3)拌和水量。水泥水化反应理论用水量约占水泥质量的23%。加水太少，水化反应不能充分进行；加水太多，难以形成网状构造的凝胶体，延缓甚至不能使水泥浆硬化。

(4)养护温度和湿度。保持合适的环境温度和湿度，使水泥水化反应不断进行的措施，称为养护。水泥的水化反应随温度升高，反应加快。负温条件下，水化反应停止，甚至水泥石结构有冻坏的可能。水泥水化反应必须在潮湿的环境中才能进行，潮湿的环境能保证水泥浆体中的水分不蒸发，水化反应得以维持。

(5)龄期。从水泥加水拌和之日起至实测性能之日止，所经历的养护时间称为龄期。硅酸盐水泥早期强度增长较快，后期逐渐减慢。水泥加水后，起初3～7 d强度发展快，28 d后显著减慢。但是，只要维持适当的温度和湿度，水泥强度在几个月、几年，甚至几十年后还会持续增长。

5.2.2　水泥石的腐蚀与防止

硅酸盐水泥硬化后，在通常使用条件下具有较好的耐久性。但在某些腐蚀性液体或气体介质中，会逐渐受到腐蚀而导致破坏，强度下降以致全部崩溃，这种现象就称为水泥石的腐蚀。

1)水泥石的腐蚀

(1)软水侵蚀(溶出性侵蚀)

当水泥石长期处于软水中，最先溶出的是氢氧化钙。在静水及无水压的情况下，由于周围的水易被溶出的氢氧化钙所饱和，使溶解作用中止，所以溶出仅限于表层，影响不大。但在流水及压力水作用下，氢氧化钙会不断溶解流失，而且，由于氢氧化钙浓度的继续降低，还会引起其他水化产物的分解溶蚀，使水泥石结构遭受进一步的破坏。

(2)盐类腐蚀

① 硫酸盐及氯盐腐蚀(膨胀型腐蚀)。硫酸盐腐蚀为膨胀性化学腐蚀。在海水、湖水、沼泽水、地下水、某些工业污水中常含钠、钾、铵等硫酸盐，它们与水泥石中的氢氧化钙起化学反应生成硫酸钙，硫酸钙又继续与水泥石中的水化铝酸钙作用，生成比原来体积增加2.22倍的高硫型水化硫铝酸钙(即钙矾石)，而产生较大体积膨胀，对水泥石起极大的破坏作用。

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

高硫型水化硫铝酸钙呈针状晶体，通常称为“水泥杆菌”。

氯盐会对水泥石尤其是钢筋产生严重锈蚀。这里主要介绍氯盐对水泥石的影响。氯盐进入水泥石主要有两种途径：一是施工过程中掺加氯盐外加剂如氯化钙等或在拌合水中含有氯盐成分而混入；另一种是由于环境中所含氯盐渗透到水泥石中，如工业中的氯及氯化钙污染地区、沿海地区、盐湖地带等。氯盐腐蚀机理是由于NaCl和CaCl2等氯盐同水泥中的水化铝酸钙作用生成膨胀型复盐，使已硬化的水泥石破坏，其反应式如下：

3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O

② 镁盐腐蚀(双重腐蚀)。在海水及地下水中，常含大量的镁盐，主要是硫酸镁和氯化镁，它们与水泥石中的氢氧化钙发生化学反应：

CaSO4·2H2O+Mg(OH)2

CaCl2+Mg(OH)2

生成的氢氧化镁松软而且无胶凝能力，氯化钙易溶于水，二水石膏则引起硫酸盐的破坏作用。因此，镁盐腐蚀属于双重腐蚀，腐蚀特别严重。

(3)酸类腐蚀(溶解性腐蚀)

① 碳酸腐蚀。在工业污水、地下水中常溶解有较多的二氧化碳，对水泥石会产生腐蚀作用，二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用生成碳酸钙：

CaCO3↓+2H2O

碳酸钙再与含碳酸的水作用转变成重碳酸钙而易溶于水：

Ca(HCO3)2

该水化反应是可逆反应。当水中含有较多的碳酸，并超过平衡浓度，则反应向正反应方向进行。因此水泥石中的Ca(OH)2通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失，从而使水泥石结构破坏。同时，Ca(OH)2浓度的降低又会导致其他水化产物的分解，进一步加剧腐蚀破坏作用。

② 一般酸性腐蚀。在工业废水、地下水、沼泽水中常含无机酸和有机酸，工业窑炉中的烟气常含有氧化硫，遇水后即生成亚硫酸。各种酸类对水泥石都有不同程度的腐蚀作用。它们与水泥石中的氢氧化钙作用后生成的化合物，或者易溶于水，或者体积膨胀，导致水泥石破坏。腐蚀作用最快的是无机酸中的盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸和有机酸中的醋酸、蚁酸和乳酸。其反应式如下：

CaCl2+2H2O

CaSO4·2H2O

酸性水对水泥石的腐蚀的强弱取决于水中氢离子浓度，pH值越小，氢离子浓度越高，腐蚀就越强烈。

(4)强碱腐蚀

碱类溶液如浓度不大时一般对水泥石是无害的。但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱(如氢氧化钠)作用后也会破坏。氢氧化钠与水泥熟料中未水化的铝酸盐作用，生成易溶于水的铝酸钠，其反应式如下：

3Na2O·Al2O3+3Ca(OH)2

当水泥石被氢氧化钠浸透后又在空气中干燥，与空气中的二氧化碳作用而生成碳酸钠，碳酸钠在水泥石毛细孔中结晶沉积，而使水泥石胀裂。

除上述腐蚀类型外，对水泥石有腐蚀作用的还有一些其他物质，如糖、氨盐、动物脂肪、含环烷酸的石油产品等。

综上所述，引起水泥石腐蚀的原因主要有两方面：一是外因，即有腐蚀性介质存在的外界环境因素；二是内因，即水泥石中存在的易腐蚀物质，如氢氧化钙、水化铝酸钙等。水泥石本身不密实，存在毛细孔通道，侵蚀性介质会进入其内部，从而产生破坏。

2)防止水泥石腐蚀的措施

根据以上对腐蚀原因的分析，在工程中要防止水泥石的腐蚀，可采用下列措施：

(1)根据所处环境的侵蚀性介质的特点，合理选用水泥品种。对处于软水中的建筑部位，应选用水化产物中氢氧化钙含量较少的水泥，这样可提高其对软水等侵蚀作用的抵抗能力；而对处于有硫酸盐腐蚀的建筑部位，则应选用铝酸三钙含量低于5%的抗硫酸盐水泥。水泥中掺入活性混合材料，可大大提高其对多种腐蚀性介质的抵抗作用。

(2)提高水泥石的密实程度。提高水泥石的密实程度，可大大减少侵蚀性介质渗入内部。在实际工程中，提高混凝土或砂浆密实度有各种措施，如合理设计混凝土配合比，降低水灰比，选择质量符合要求的集料或掺入外加剂，以及改善施工方法等。另外，在混凝土或砂浆表面进行碳化或氟硅酸处理，生成难溶的碳酸钙外壳，或氟化钙及硅胶薄膜，也可以起到减少腐蚀性介质渗入，提高水泥石抵抗腐蚀的能力。

(3)加做保护层。当侵蚀作用较强时，可在混凝土及砂浆表面加做耐腐蚀性高且不透水的保护层，一般可用耐酸石料、耐酸陶瓷、玻璃、塑料、沥青等材料，以避免腐蚀性介质与水泥石直接接触。

5.2.3　硅酸盐水泥的技术要求

(1)不溶物和烧失量。硅酸盐水泥的不溶物和烧失量指标见表5-3化学成分要求。

(2)碱含量。硅酸盐水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。

(3)细度。硅酸盐水泥的细度用比表面积表示，其比表面积应不小于300 m2/kg。

(4)凝结时间。硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于390 min。

(5)体积安定性。硅酸盐水泥由于CaO引起的体积安定性不良采用沸煮法(雷氏法和试饼法)检验，在有争议时以雷氏法为准。由于MgO的危害作用引起的体积安定性不良，要求MgO的含量不得超过5.0%，如经压蒸安定性检验合格，允许放宽到6.0%；由于石膏的危害作用引起的体积安定性不良，要求SO3的含量不得超过3.5%。

(6)强度。硅酸盐水泥按3 d和28 d抗压、抗折强度的值划分为42.5(R)、52.5(R)、62.5(R)三个强度等级，各强度等级、各龄期强度值不得低于表5-5要求。

表5-5　硅酸盐水泥各强度等级、各龄期强度值

5.2.4　硅酸盐水泥的特性及应用

(1)凝结硬化快、强度高。硅酸盐水泥凝结硬化快、强度高，尤其是早期强度增长率大，特别适合早期强度要求高的工程，高强混凝土和预应力混凝土工程。

(2)水化热高。硅酸盐水泥C3S、C3A含量高，早期放热量大，放热速度快，利于冬季施工，但不宜用于大体积混凝土工程。

(3)抗冻性好。硅酸盐水泥强度高，且拌合物不易发生泌水现象，硬化后的水泥石密实度大，所以抗冻性较好，适用于严寒地区受反复冻融的混凝土工程。

(4)碱度高，抗碳化能力强。硅酸盐水泥硬化后的水泥石含有较高的Ca(OH)2，显示出强碱性，钢筋在碱性环境中表面生成钝化膜，可保护钢筋免受锈蚀，可保持几十年不生锈。由于空气中的CO2与水泥石中的Ca(OH)2会发生碳化反应生成CaCO3，使水泥石逐渐由碱性转变为中性，当这种转变达到钢筋附近时，钢筋失去碱性保护作用而发生锈蚀，表面疏松膨胀，造成钢筋混凝土构件破坏。因此，钢筋混凝土构件的使用寿命一般取决于水泥的抗碳化能力。硅酸盐水泥碱性强且密实度高，抗碳化能力强，所以特别适用于重要的钢筋混凝土结构和预应力混凝土工程。

(5)干缩小。硅酸盐水泥在硬化时形成大量的水化硅酸钙凝胶体，使水泥石结构密实，游离水分少，不易产生干缩裂纹，可用于干燥环境的混凝土工程。

(6)耐磨性好。硅酸盐水泥强度高，耐磨性好，且干缩小，适用于路面和地面工程。

(7)耐侵蚀性差。硅酸盐水泥中Ca(OH)2、3CaO·Al2O3·6H2O含量高，易于受软水、酸类和盐类侵蚀，不宜用于流动水、压力水、酸类、盐类侵蚀工程。

(8)耐热性差。水泥石结构在温度为250℃时开始脱水，强度下降，700℃以上完全破坏，不宜用于耐热混凝土工程。

(9)湿热养护效果差。硅酸盐水泥在常规养护条件下硬化快、强度高。但在蒸汽养护条件下，其抗压强度往往低于未经蒸养的28d抗压强度。

【工程案例分析5-2】

水泥的假凝现象

现象：某工地使用某厂生产的硅酸盐水泥，加水拌和后，水泥浆体在短时间内迅速凝结。后经剧烈搅拌，水泥浆体又恢复塑性，随后过3 h才凝结。

原因分析：此为水泥的假凝现象。假凝是指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象。假凝与快凝不同，前者放热量甚微，且经剧烈搅拌后浆体可恢复塑性，并达到正常凝结，对强度无不利影响。 假凝现象与很多因素有关，一般认为主要是由于水泥粉磨细时磨的温度较高，使二水石膏脱水成半水石膏的缘故。当水泥拌水后，半水石膏迅速水化为二水石膏，形成针状结晶网状结构，从而引起浆体固化。另外，某些含碱较高的水泥，硫酸钾与二水石膏生成钾石膏迅速长大，也会造成假凝。

5.3　掺混合材料的硅酸盐水泥

凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和石膏，共同细磨制成的水硬性胶凝材料，均属掺混合材料的硅酸盐水泥。掺混合材料的硅酸盐水泥品种很多，主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。

5.3.1　活性混合材料的作用

磨细的活性混合材料，它们与水调和后，本身不会硬化或硬化极为缓慢。但在氢氧化钙溶液中会发生显著水化。其水化反应式为：(www.xing528.com)

xCaO·SiO2·nH2O

yCa(OH)2·Al2O3·nH2O

生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙是具有水硬性的水化物，当有石膏存在时，水化铝酸钙还可以和石膏进一步反应生成水硬性产物水化硫铝酸钙。式中x、y值决定于混合材料的种类、石灰和活性氧化硅及活性氧化铝的比例、环境温度以及作用所持续的时间等，一般为1或稍大；n值一般为1～2.5。

当活性混合材料掺入硅酸盐水泥中与水拌和后，首先的反应是硅酸盐水泥熟料水化，生成氢氧化钙。然后，它与掺入的石膏作为活性混合材料的激发剂，产生前述的反应(称二次反应)。二次反应的速度较慢，受温度影响敏感。温度高，水化加快，强度增长迅速；反之，水化减慢，强度增长缓慢。

可以看出，活性混合材料的活性是在氢氧化钙和石膏作用下才激发出来的，故称它们为活性混合材料的激发剂，前者称为碱性激发剂，后者称为硫酸盐激发剂。

5.3.2　普通硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、6%～15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥)，代号P·O。掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性混合材料来代替；掺非活性混合材料时，最大掺量不得超过水泥质量的10%。

1)普通硅酸盐水泥的技术要求

普通硅酸盐水泥按照国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的规定：

(1)不溶物、烧失量及碱含量。不溶物不作要求，烧失量≤5%，碱含量≤0.6%。

(2)细度：与硅酸盐水泥要求相同，比表面积应不小于300 m2/kg。

(3)凝结时间：初凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于600 min。

(4)体积安定性：与硅酸盐水泥要求相同。

(5)强度与强度等级：普通水泥按规定龄期的抗压强度和抗折强度划分为42.5(R)、52.5(R)两个强度等级，各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表5-6中的数值。

表5-6　普通硅酸盐水泥各龄期的强度要求

2)普通硅酸盐水泥的特性及应用

普通硅酸盐水泥的组成与硅酸盐水泥非常相似，因此其性能也与硅酸盐水泥相近。但由于掺入的混合材料量相对较多，与硅酸盐水泥相比，其早期硬化速度稍慢，3 d的抗压强度稍低，抗冻性与耐磨性能也稍差。在应用范围方面，与硅酸盐水泥也相同，广泛用于各种混凝土或钢筋混凝土工程，是我国主要水泥品种之一。

5.3.3　矿渣、粉煤灰、火山灰、复合硅酸盐水泥

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比计为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%。

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加量按质量百分比计为20%～50%。

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。水泥中粉煤灰掺加量按质量百分比计为20%～ 40%。

凡由硅酸盐水泥、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比应大于15%，不超过50%。允许用不超过8%的窑灰。

1)矿渣、粉煤灰、火山灰、复合硅酸盐水泥的技术要求

矿渣、粉煤灰、火山灰、复合水泥按照国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的规定：

(1)不溶物、烧失量及碱含量：不溶物、烧失量不做要求，碱含量≤0.6%。

(2)细度：矿渣、粉煤灰、火山灰、复合硅酸盐水泥的细度以筛余百分率表示，80 μm方孔筛筛余百分率≤10%或45 μm方孔筛筛余百分率≤30%。

(3)凝结时间：初凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于600 min。

(4)体积安定性：与普通硅酸盐水泥要求相同，其中矿渣硅酸盐水泥的SO3含量要求不大于4.0%。

(5)强度与强度等级：普通水泥按规定龄期的抗压强度和抗折强度划分为32.5(R)、42.5(R)、52.5(R)三个强度等级，各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表5-7中的数值。

表5-7　矿渣、火山灰、粉煤灰及复合水泥的强度要求

2)矿渣、粉煤灰、火山灰、复合硅酸盐水泥的特性及应用

与普通硅酸盐水泥相比，矿渣、粉煤灰、火山灰、复合硅酸盐水泥的共同特性和各自特性如下：

(1)共性

① 密度较小。硅酸盐水泥、普通水泥的密度范围一般在3.05～3.20 g/cm3之间，掺较多活性混合材料的硅酸盐水泥，由于活性混合材料的密度较小，密度一般为2.7～3.1 g/cm3 。

② 早期强度比较低，后期强度增长较快。掺较多活性混合材料的硅酸盐水泥中水泥熟料含量相对较少，加水拌和后，首先是熟料矿物的水化，熟料水化以后析出的氢氧化钙作为碱性激发剂激发活性混合材料水化，生成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙等水化产物。早期熟料少，水化产物少，后期二次水化产物多，因此早期强度较低。后期由于二次水化的不断进行，水化产物不断增多，使得后期强度发展较快。

③ 适合蒸汽养护。掺较多活性混合材料的硅酸盐水泥水化温度降低时水化速度明显减弱，强度发展慢。提高养护温度可以促进活性混合材料的水化，提高早期强度，且对后期强度影响不大。而硅酸盐水泥或普通水泥，蒸汽养护可提高早期强度，但后期强度要受到影响，通常28 d强度要比标准养护条件下的低。这是因为在高温下这两种水泥水化速度过快，短期内生成大量的水化产物，对后期水泥熟料颗粒的水化起了一定的阻碍作用。

④ 水化热低。由于这几种水泥掺入了大量混合材料，水泥熟料含量相对较少，放热量大的C3A、C3S相对较少。因此水化热小且放热缓慢，适合于大体积混凝土施工。

⑤ 耐腐蚀性好。由于熟料少，水化以后生成的Ca(OH)2晶体少，且混合材料二次水化还与Ca(OH)2发生反应，进一步降低Ca(OH)2含量，因此，抵抗海水、软水及硫酸盐腐蚀性介质的作用增强。

⑥ 抗冻性、耐磨性差。抗冻性、耐磨性不如硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。

(2)个性

① 矿渣水泥：保水性、抗渗性、抗冻性差，耐热性好，适合于耐热工程。

② 火山灰水泥：易吸水，易反应，结构致密，抗渗性、耐水性好。

③ 粉煤灰水泥：需水量少，抗裂性好，适合于大体积混凝土和地下工程。

④ 复合水泥：多种掺合料取长补短，应注明复合材质。

通用硅酸盐水泥六大品种是建筑工程中的常用水泥，它们的主要性能与应用列于表5-8、表5-9。

表5-8　通用硅酸盐水泥的成分与特性

表5-9　通用硅酸盐水泥的应用范围

续表5-9

注：蒸汽养护时用的水泥品种，宜根据具体条件通过试验确定。

【工程案例分析5-3】

水泥凝结时间前后变化

现象：某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙含量较高，加水拌和后初凝时间仅40 min，本属于废品。但放置1个月后，凝结时间又恢复正常，而强度下降。

原因分析：该立窑水泥厂的普通硅酸盐水泥游离氧化钙含量较高，该氧化钙大部分的煅烧温度较低。加水拌和后，水与氧化钙迅速反应生成氢氧化钙，并放出水化热，使浆体的温度升高，加速了其他熟料矿物的水化速度，从而产生了较多的水化产物，形成了凝聚-结晶网结构，所以短时间凝结。

水泥放置一段时间后，吸收了空气中的水汽，大部分氧化钙生成氢氧化钙，或进一步与空气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙。故此时加入拌合水后，不会再出现原来的水泥浆体温度升高、水化速度过快、凝结时间过短的现象。但其他水泥熟料矿物也会和空气中的水汽反应，部分产生结团、结块，使强度下降。

5.4　专用水泥和特性水泥

随着现代化建设工程项目的增多，通用水泥的性能已不能完全满足各类工程的需要，因此，一些具有特殊性能(如快硬性、膨胀性、装饰性等)的水泥应运而生。本节主要介绍铝酸盐水泥、快硬水泥、明矾石膨胀水泥、道路硅酸盐水泥、砌筑水泥和白色硅酸盐水泥。

5.4.1　铝酸盐水泥

铝酸盐水泥是以石灰石和矾土为主要原料，配制成适当成分的生料，烧至全部或部分熔融所得以铝酸钙为主要矿物的熟料，经磨细制成的水硬性胶凝材料，代号CA。由于熟料中氧化铝含量大于50%，因此又称高铝水泥。它是一种快硬、高强、耐腐蚀、耐热的水泥。

1)铝酸盐水泥的组成

(1)化学组成

铝酸盐水泥熟料的主要化学成分为氧化钙、氧化铝、氧化硅，还有少量的氧化铁及氧化镁、氧化钛等。铝酸盐水泥按Al2O3含量分为四类，如表5-10所示。

表5-10　铝酸盐水泥的分类(%)

氧化铝和氧化钙是保证熟料中形成铝酸钙的基本成分。若氧化铝过低，熟料中会出现高碱性铝酸钙使水泥速凝，强度下降。氧化硅可以使生料均匀烧结，加速矿物生成，但含量过多，会使早强性能下降。氧化铁含量过多将使熟料水化凝结加快而强度降低。

(2)铝酸盐水泥的矿物组成

铝酸盐水泥的矿物组成主要有铝酸一钙、二铝酸一钙、硅铝酸二钙、七铝酸十二钙，还有少量的硅酸二钙，其各自与水作用时的特点见表5-11。质量优良的铝酸盐水泥，其矿物组成一般是以铝酸一钙和二铝酸一钙为主。

表5-11　铝酸盐水泥矿物水化反应特点

2)铝酸盐水泥的技术要求

(1)细度:比表面积不小于300 m2/kg或45 μm筛筛余量不大于20%，由供需双方商定，在无约定的情况下发生争议时以比表面积为准。

(2)凝结时间:要求见表5-12。

表5-12　铝酸盐水泥凝结时间

(3)强度等级:各类型铝酸盐水泥的不同龄期强度值不得低于表5-13的规定。

表5-13　铝酸盐水泥的强度要求

3)铝酸盐水泥的性质及应用

(1)快硬早强、高温下后期强度下降。由于铝酸盐水泥硬化快、早期强度高，适用于紧急抢修工程及有早强要求的特殊工程。但是铝酸盐水泥硬化后产生的密实度较大的CAH10和C2AH8在较高温度下(大于25℃)晶形会转变，形成水化铝酸三钙C3AH6，碱度很高，孔隙很多，在湿热条件下更为剧烈，使强度降低，甚至引起结构破坏。因此，铝酸盐水泥不宜在高温、高湿环境及长期承载的结构工程中使用。

(2)水化热高，放热快。铝酸盐水泥1 d可放出水化热总量的70%～80%，而硅酸盐水泥放出同样热量则需要7 d，如此集中的水化放热作用使铝酸盐水泥适合低温季节，特别是寒冷地区的冬季施工混凝土工程，但不适于大体积混凝土工程。

(3)耐热性强。从铝酸盐水泥的水化特性上看，铝酸盐水泥不宜在温度高于30℃的环境下施工和长期使用，但高于900℃的环境下可用于配制耐热混凝土。这是由于温度在700℃时，铝酸盐水泥与骨料之间便发生固相反应，烧结结合代替了水化结合，即瓷性胶结代替了水硬胶结，这种烧结结合作用随温度的升高而更加明显。因此，铝酸盐水泥可作为耐热混凝土的胶结材料，配制1 200～1 400℃的耐热混凝土和砂浆，用于窑炉衬砖等。

(4)耐腐蚀性强。铝酸盐水泥水化时不生成Ca(OH)2，而水泥石结构又很致密，因此适用于耐酸和抗硫酸盐腐蚀要求的工程。

值得注意的是，在施工过程中，铝酸盐水泥不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出Ca(OH)2的胶凝材料混合使用，否则会引起瞬凝现象，使施工无法进行，强度大大降低。铝酸盐水泥也不得与未硬化的硅酸盐水泥混凝土接触使用。

5.4.2　快硬水泥

1)快硬硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3 d抗压强度表示强度等级的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥，简称快硬水泥。

快硬水泥的生产过程与硅酸盐水泥基本相同，快硬的特性主要依靠合理设计矿物组成及控制生产工艺条件。组成上，熟料矿物中硅酸三钙和铝酸三钙含量较高。通常前者的含量为50%～60%，后者为8%～14%，两者总量不小于60%～65%。石膏的掺量也适当增加(可达8%)。快硬水泥从工艺上提高了水泥的粉磨细度，一般控制在330～450 m2/kg。

快硬水泥的初凝不得早于45 min，终凝时间不迟于10 h；安定性(沸煮法检验)必须合格；强度等级以3 d抗压强度表示，分为325、375和425三个等级，各强度等级水泥各龄期强度不得低于表5-14的规定。

表5-14　快硬水泥的强度要求

快硬水泥具有硬化快、早期强度高、水化热高、抗冻性好、耐腐蚀性差的特性，因此适用于紧急抢修工程、早期强度要求高的工程及冬季施工工程，但不适合大体积混凝土工程和有腐蚀介质的混凝土工程。

2)快硬硫铝酸盐水泥

快硬硫铝酸盐水泥是硫铝酸盐水泥的一种，是以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的硫铝酸盐水泥熟料，加入适量石膏和少量的石灰石，磨细制成的具有早期强度高的水硬性胶凝材料。

快硬硫铝酸盐水泥的技术要求：细度为比表面积不小于350 m2/kg；初凝时间不大于25 min，终凝时间不小于180 min；以3 d抗压强度分为42.5、52.5、62.5、72.5四个强度等级，各强度等级水泥各龄期的强度不得低于表5-15的规定。

表5-15　快硬硫铝酸盐水泥强度要求

快硬硫铝酸盐水泥具有早期强度高、抗硫酸盐腐蚀能力强、抗渗性好、水化热大、耐热性差的特点，因此适用于冬季施工、抢修、修补及有硫酸盐腐蚀的工程。

5.4.3　明矾石膨胀水泥

以硅酸盐水泥熟料为主，铝质熟料、石膏和粒化高炉矿渣(或粉煤灰)，按适当比例磨细制成的，具有膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为明矾石膨胀水泥。

明矾石膨胀水泥主要用于补偿收缩混凝土结构工程，防渗抗裂混凝土工程，补强和防渗抹面工程，大口径混凝土排水管以及接缝、梁柱和管道接头，固接机器底座和地脚螺栓等。

5.4.4　道路硅酸盐水泥

国家标准《道路硅酸盐水泥》(GB 13693—2005)规定，由道路硅酸盐水泥熟料，适量石膏，或加入规范规定的混合材料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥(简称道路水泥)，代号P·R。

1)道路硅酸盐水泥熟料的要求

道路硅酸盐水泥熟料要求铝酸三钙(3CaO·A1203)的含量不超过5.0%；铁铝酸四钙(4CaO·A1203·Fe203)的含量不低于16.0%；游离氧化钙(CaO)的含量，旋窑生产应不大于1.0%，立窑生产应不大于1.8%。

2)技术要求

水泥的比表面积一般控制在300～450 cm2/kg；初凝时间不得早于1.5 h，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；28 d干缩率不得大于0.10%；磨损量不得大于3.00 kg/m2。强度分为32.5、42.5和52.5三个强度等级，各强度等级水泥各龄期的强度不得低于表5-16规定的数值。

表5-16　道路水泥各龄期强度值

3)性质与应用

道路水泥是一种早期强度高(尤其是抗折强度高)、耐磨性好、干缩性小、抗冲击性好、抗冻性和抗硫酸性比较好的专用水泥，它适用于道路路面、机场道面、城市广场等工程。

5.4.5　砌筑水泥

凡由一种或一种以上的水泥混合材料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，经磨细制成的和易性较好的水硬性胶凝材料，称为砌筑水泥，代号M。

水泥中混合材料掺加量按质量百分比计大于50%，允许掺入适量的石灰石或窑灰。

1)技术要求

按照《砌筑水泥》(GB/T 3183—2003)规定，砌筑水泥的细度为80 μm方孔筛筛余不大于10%；初凝时间不早于60 min，终凝时间不得迟于12 h；沸煮法检验安定性必须合格；保水率应不低于80%；砌筑水泥分为12.5、22.5两个强度等级，各强度等级水泥各龄期的强度不得低于表5-17规定的数值。

表5-17　砌筑水泥强度要求

2)性质与应用

砌筑水泥是低强度水泥，硬化慢，但和易性好，特别适合配制砂浆，也可用于基础垫层混凝土或蒸养混凝土砌块等，不能应用于结构混凝土。

5.4.6　白色及彩色硅酸盐水泥

1)白色硅酸盐水泥

由氧化铁含量很少的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥(简称白水泥)，代号P·W。磨细时可加入5%以内的石灰石或窑灰。

(1)白水泥生产原理

白水泥与通用硅酸盐水泥的主要区别在于着色的铁含量少，因而色白。通用硅酸盐水泥熟料呈灰色，其主要原因是由于氧化铁含量相对较高，达到3%～4%，而白水泥熟料中氧化铁含量仅0.35%～0.4%。白水泥系采用含极少量着色物质的原料，如纯净的高岭土、纯石英砂、纯石灰石或白垩等，在较高温度(1 500～1 600℃)烧成以硅酸盐为主要成分的熟料。为了保持其白度，在煅烧、粉磨和运输时均应防止着色物质混入，常采用天然气、煤气或重油作燃料，在球磨机中用硅质石材或坚硬的白色陶瓷作为衬板及研磨体。

(2)白水泥的技术要求

白水泥的很多技术性质与普通水泥相同，按照国家标准《白色硅酸盐水泥》(GB/T 2015—2005)规定：①三氧化硫含量不大于3.5%；②细度为80 μm方孔筛筛余百分率不大于10%；③初 凝时间不得早于45 min，终凝时间不得迟于10 h；④体积安定性用沸煮法检验必须合格；⑤白水泥的白度值不低于87；⑥白水泥按规定龄期的抗压强度和抗折强度划分为32.5、42.5、52.5三个强度等级，各龄期的强度值不得低于表5-18中的要求。

表5-18　白水泥各强度等级、各龄期的强度值

2)彩色硅酸盐水泥

彩色硅酸盐水泥，简称彩色水泥。按其生产方法可分为两类：一类是在白水泥的生料中加入少量金属氧化物，直接烧成彩色水泥熟料，然后再加入适量石膏磨细制成；另一类是采用白色硅酸盐水泥熟料、适量石膏和耐碱矿物颜料共同磨细而制成。

耐碱矿物颜料对水泥不起有害作用，常用的有氧化铁(红、黄、褐、黑色)、氧化锰(褐、黑色)、氧化铬(绿色)、赭石(赭色)、群青(蓝色)以及普鲁士红等。

还有一种配制简单的彩色水泥，可将颜料直接与水泥粉混合而成。但这种彩色水泥颜料用量大，且色泽也不易均匀。

白色和彩色硅酸盐水泥，主要用于建筑物内外的表面装饰工程中，如地面、楼面、楼梯、墙、柱及台阶等。可做成水泥拉毛、彩色砂浆、水磨石、水刷石、斩假石等饰面，也可用于雕塑及装饰部件或制品。使用白色或彩色硅酸盐水泥时，应以彩色大理石、石灰石、白云石等彩色石子或石屑和石英砂作粗细骨料。制作方法可以在工地现场浇制，也可以在工厂预制。

【工程案例分析5-4】

膨胀水泥与膨胀剂的应用

硅酸盐水泥水化收缩，会产生裂缝。为此，引入膨胀组分如明矾石、石灰等以补偿收缩，或产生自应力。因为大批量生产的膨胀水泥调节不同需求的膨胀量较困难，为适应不同工程的需求，又发展为膨胀剂，如我国较著名的U型膨胀剂(UEA)。

我国驻孟加拉国大使馆1991年2月正式开工，1992年6月竣工，被评为使馆建设“优质样板”工程。孟加拉国是世界暴风雨灾害中心区，年降雨量2 000～3 000 mm，雨期长达6个月，使馆区地势低洼，暴雨后地面积水深达500 mm。在该使馆工程，楼板、公寓、地下室、室外游泳池、观赏池的混凝土中采用UEA膨胀剂防水混凝土，抗渗标号S8。用内渗法，UEA的用量为水泥用量的12%，经长时间使用未发现混凝土收缩裂缝，使用效果好。膨胀剂的应用除需正确选用品种、配比外，还需采取合理养护等一系列技术措施。

【现代建筑材料知识拓展】新型无机胶凝材料——土聚水泥

土聚水泥(Geopolymaric Cement)是近年发展起来的新型无机胶凝材料。它以含高岭石的黏土为原料，经较低温度煅烧，转变为无定形结构的变高岭石，而具有较高的火山灰活性。经碱性激活剂及促进剂的作用，硅铝氧化物经历了一个由解聚到再聚合的过程，形成类似地壳中一些天然矿物的铝硅酸盐网络状结构。一般条件下，土聚水泥聚合反应后生成无定形的硅铝酸盐化合物；在较高温度下，可生成类沸石型的微晶体结构，如方钠石、方沸石等，形成独特的笼形结构。

土聚水泥主要力学性能指标优于玻璃和水泥，可与陶瓷、钢等金属材料媲美，且具有较强的耐磨性能和良好的耐久性。其耐火耐热性能优于传统水泥，隔热效果好。且与集料界面结合紧密，不会出现硅酸盐水泥与集料之间高含Ca(OH)2等粗大结晶的过渡区，体积稳定性好，化学收缩小，水化热低，生成能耗低。特别是土聚水泥能有效固定几乎所有有毒离子，有利于处理和利用各种工业废弃物。

课后思考题

一、填空题

1.硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为__________、__________、__________和铁铝酸四钙。

2.水泥的凝结时间包括__________时间和__________时间。

3.普通硅酸盐水泥的初凝时间为__________，终凝时间为__________。

4.常用的活性混合材料的种类有__________、__________、__________。

5.水泥石的腐蚀主要有__________、__________、__________和__________的侵蚀。

6.在硅酸盐水泥中掺入适量的石膏，其目的是对水泥起__________作用。

7.矿渣水泥与硅酸盐水泥相比，其早期强度__________， 水化热__________，抗蚀性__________，抗冻性__________。

二、单项选择题

1.水泥颗粒愈细，凝结硬化速度越(　　)，早期强度越(　　)。

A.快、低　B.慢、高　C.快、高　D.慢、低

2.硅酸盐水泥的主要强度组成是(　　)。

A.硅酸三钙、硅酸二钙　B.硅酸三钙、铝酸三钙

C.硅酸二钙、铝酸三钙　D.铝酸三钙、铁铝酸四钙

3.规范规定，普通硅酸盐水泥的终凝时间不得大于(　　)。

A.6.0 h　B.6.5 h　C.10 h　D.12 h

4.提高水泥熟料中(　　)的含量，可制得高强度等级的硅酸盐水泥。

A.C2S　B.C3S　C.C3A　D.C4AF

5.道路硅酸盐水泥的特点是(　　)。

A.抗压强度高　B.抗折强度高　C.抗压强度低　D.抗折强度低

6.水泥胶砂强度试验时测得28d抗压破坏荷载分别为61 kN、63 kN、57 kN、58 kN、61 kN、51 kN，则该水泥28d的胶砂强度为(　　)。

A.36.6 MPa　B.36.5 MPa　C.37.0 MPa　D.37.5 MPa

7.大体积混凝土施工应选用(　　)。

A.硅酸盐水泥　B.矿渣水泥

C.铝酸盐水泥　D.快硬硅酸盐水泥

8.最适宜在低温环境下施工的水泥是(　　)。

A.硅酸盐水泥　B.复合水泥　C.火山灰水泥　D.矿渣水泥

三、名词解释

1.水泥的凝结时间　2.水泥的细度　3.硅酸盐水泥

4.水泥体积安定性　5.水泥石的腐蚀。

四、简答题

1.硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成有哪些？它们加水后各表现出什么性质?

2.硅酸盐水泥的水化产物有哪些?它们的性质各是什么?

3.制造硅酸盐水泥时，为什么必须掺入适量石膏?石膏掺量太少或太多时将产生什么情况?

4.有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物组成如下：

若用上述两厂熟料分别制成硅酸盐水泥，试分析比较它们的强度增长情况和水化热等性质有何差异，并简述理由。

5.为什么要规定水泥的凝结时间?什么是初凝时间和终凝时间?

6.什么是水泥的体积安定性?产生安定性不良的原因是什么？

7.为什么生产硅酸盐水泥时掺入适量石膏对水泥无腐蚀作用，而水泥石处在硫酸盐的环境介质中则易受腐蚀？

8.什么是活性混合材料和非活性混合材料?它们掺入硅酸盐水泥中各起什么作用?活性混合材料产生水硬性的条件是什么?

9.某工地仓库存有白色粉末状材料，可能为磨细生石灰，也可能是建筑石膏或白色水泥，可用什么简易办法来辨认?

10.在下列混凝土工程中，试分别选用合适的水泥品种，并说明选用的理由。

(1)低温季节施工的，中等强度的现浇楼板、梁、柱。

(2)采用蒸汽养护的混凝土预制构件。

(3)紧急抢修工程。

(4)大体积混凝土工程。

(5)有硫酸盐腐蚀的地下工程。

(6)热工窑炉基础工程。

(7)大跨度预应力混凝土工程。

(8)有抗渗要求的混凝土工程。