第2章水泥及摻合料

第2章水泥2.1通用硅酸鹽水泥的組成及技術要求2.2硅酸鹽水泥的水化硬化2.3特種水泥及專用水泥基礎知識2.1.1通用硅酸鹽水泥的定義及生產概況

2.1.2通用硅酸鹽水泥的組成材料2.1通用硅酸鹽水泥的組成與技術要求

2.1.3通用硅酸鹽水泥的技術要求

2.1.1

通用硅酸鹽水泥的定義及生產概況

1.通用硅酸鹽水泥的定義

2.通用硅酸鹽水泥的生產概述通用硅酸鹽水泥（CommonPortlandCement）是以硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏、或/和混合材料制成的水硬性膠凝材料。通用硅酸鹽水泥按混合材料的品種和摻量分為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥。通用硅酸鹽水泥的組成見表。名稱代號組分熟料礦渣火山灰質混合材料粉煤灰石灰石硅酸鹽水泥P.I100————P.Ⅱ≥95≤5——————≤5普通水泥P.O≥80且＜

95＞5且≤20a—礦渣水泥P.S≥30且＜80＞20且≤50b———火山灰水泥P.P≥60且＜80—＞20且≤40c——粉煤灰水泥P.F≥60且＜

80——＞20且≤40d—復合水泥P.C≥50且＜80＞20且≤50e

通用硅酸鹽水泥的組成

/%a、b、c、d、e見說明

幾點說明：a.本組分材料為符合本標準的活性混合材料，其中允許用不超過水泥質量8%且符合標準的非活性混合材料或不超過水泥質量5%且符合標準的窯灰代替。b.本組分材料為符合GB/T203或GB/T18046的活性混合材料，其中允許用不超過水泥質量8%且符合標準的活性混合材料或非活性混合材料或窯灰中的任一種材料代替。c.本組分材料為符合GB/T2847的活性混合材料。d.本組分材料為符合GB/T1596的活性混合材料。e.本組分材料為由兩種（含）以上符合標準的活性混合材料或/和符合標準的非活性混合材料組成，其中允許用不超過水泥質量8%且符合標準的窯灰代替。摻礦渣時混合材料摻量不得與礦渣硅酸鹽水泥重復。

2.1.2通用硅酸鹽水泥的組成材料

1.硅酸鹽水泥熟料2.石膏3.水泥混合材料1.硅酸鹽水泥熟料硅酸鹽水泥熟料的主要礦物組成、含量及特性如下：硅酸三鈣，礦物成分為3CaO?SiO2，簡稱為C3S，含量為37%～60%，其水化速度較快，硅酸鹽水泥強度的主要來源，水化熱較高，干縮較小。硅酸二鈣，礦物成分為2CaO·SiO2，簡稱為C2S，含量為15%～37%；其水化速度慢，早期強度低，后期強度增進率較高，水化熱低，干縮較小。鋁酸三鈣，礦物成分為3CaO?Al2O3，簡稱為C3A，含量為7%～15%，水化速度快，早期強度高，后期強度較低，水化熱高，干縮大。鐵鋁酸四鈣，礦物成分為4CaO?Al2O3?Fe2O3，簡稱為C4AF，含量為10%～18%，水化速度較快，早期強度較高，水化熱較低，干縮小。其他組分包括少量的游離氧化鈣、硫酸鹽等。

(1)天然石膏：符合GB/T5483中規(guī)定的G類或M類二級（含）以上的石膏或混合石膏。

(2)工業(yè)副產石膏：以硫酸鈣為主要成分的工業(yè)副產物。采用前應經(jīng)過試驗證明對水泥性能無害。2.石膏3.水泥混合材料

在生產水泥時，為改善水泥性能，調節(jié)水泥強度等級而加到水泥中去的人工的和天然的礦物材料，稱為水泥混合材料。水泥混合材料包括三類：活性混合材料：符合標準要求的?；郀t礦渣、?；郀t礦渣粉、粉煤灰、火山灰質混合材料?；钚曰旌喜氖蔷哂谢鹕交倚曰驖撛谒残?，以及兼有火山灰性和水硬性的礦物質材料。

非活性混合材料：活性指標低于標準要求的?；郀t礦渣、?；郀t礦渣粉、粉煤灰、火山灰質混合材料；石灰石和砂巖，其中石灰石中的三氧化二鋁含量應不超過2.5%。窯灰：從水泥回轉窯窯尾廢氣中收集的粉塵。2.1.3幾種通用硅酸鹽水泥的技術要求

1.化學要求2.物理要求(1)凝結時間包括：不溶物、燒失量、三氧化硫、氧化鎂、氯離子、堿含量等。水泥凝結時間測定水泥標準稠度用水量測定(2)安定性水泥安定性實驗(3)強度化學要求不溶物：P.I硅酸鹽水泥不大于0.75﹪；P.Ⅱ硅酸鹽水泥不大于1.50﹪。燒失量：P.I硅酸鹽水泥不大于3.0﹪；P.Ⅱ硅酸鹽水泥不大于3.5﹪；普通硅酸鹽水泥不大于5.0﹪。三氧化硫：硅酸鹽水泥、普通水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥和復合水泥不大于3.5﹪；礦渣水泥不大于4.0﹪。氧化鎂：硅酸鹽水泥和普通水泥不大于5.０﹪。a.如果水泥壓蒸試驗合格，則放寬至6.0%。其它通用硅酸鹽水泥不大于6.０﹪，若水泥中氧化鎂的含量大于6.0%時，需進行水泥壓蒸安定性試驗并合格。氯離子：通用硅酸鹽水泥不大于0.06﹪。堿含量：水泥中堿含量按Na2O+0.658K2O計算值表示。用戶要求提供低堿水泥時，水泥中的堿含量不大于0.60﹪或由供需雙方商定。2.物理要求(1)凝結時間硅酸鹽水泥初凝不小于45min，終凝不大于6.5h；普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥初凝不小于45min，終凝不大于10h。初凝為水泥加水拌和時起至標準稠度凈漿開始失去可塑性所需的時間；終凝為水泥加水拌和時起至標準稠度凈漿完全失去可塑性并開始產生強度所需的時間。為使水泥混凝土和砂漿有充分的時間進行攪拌、運輸、澆搗和砌筑，水泥初凝時間不能過短。當施工完成，則要求盡快硬化，具有強度，故終凝時間不能太長。2.物理要求(2)安定性沸煮法合格。安定性是指水泥在凝結硬化過程中體積變化的均勻性。當水泥漿體硬化過程發(fā)生了不均勻的體積變化，會導致水泥石膨脹開裂、翹曲，即安定性不良。安定性不良的水泥會降低建筑物質量，甚至引起嚴重事故。水泥安定性實驗—雷氏法

水泥標準稠度用水量測定

水泥凝結時間測定

(3)強度品種強度等級抗壓強度/MPa抗折強度/MPa3d28d3d28d硅酸鹽水泥42.517.0≥42.53.56.542.5R22.04.06.552.523.0≥52.54.07.052.5R27.05.07.062.528.0≥62.55.08.062.5R32.05.58.0普通水泥42.516.0≥42.53.56.542.5R21.04.06.552.522.0≥52.54.07.052.5R26.05.07.0礦渣水泥，火山灰水泥，粉煤灰水泥，復合水泥32.510.0≥32.52.55.532.5R15.03.55.542.515.0≥42.53.56.542.5R19.04.06.552.521.0≥52.54.07.052.5R23.04.57.0觀察與討論假凝現(xiàn)象2.1通用硅酸鹽水泥的組成與技術要求

某工地使用某廠生產的硅酸鹽水泥，加水拌和后，水泥漿體在短時間內迅速凝結。后經(jīng)劇烈攪拌，水泥漿體又恢復塑性，隨后過3h才凝結。請討論形成這種現(xiàn)象的原因。討論討論

此為水泥假凝現(xiàn)象。假凝是指水泥的一種不正常的早期固化或過早變硬現(xiàn)象。假凝與快凝不同，前者放熱量甚微，且經(jīng)劇烈攪拌后漿體可恢復塑性，并達到正常凝結，對強度無不利影響。

假凝現(xiàn)象與很多因素有關，一般認為主要是由于水泥粉磨時磨內溫度較高，使二水石膏脫水成半水石膏的緣故。當水泥拌水后，半水石膏迅速水化為二水石膏，形成針狀結晶網(wǎng)狀結構，從而引起漿體固化。另外，某些含堿較高的水泥，硫酸鉀與二水石膏生成鉀石膏迅速長大，也會造成假凝。假凝現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析水泥凝結時間前后變化

某立窯水泥廠生產的普通水泥游離氧化鈣含量較高，加水拌和后初凝時間僅40min，本屬于廢品。但后來放置1個月，凝結時間又恢復正常，而強度下降。2.1通用硅酸鹽水泥的組成與技術要求

工程實例分析原因分析

①該立窯水泥廠的普通硅酸鹽水泥游離氧化鈣含量較高，該氧化鈣相當部分的煅燒溫度較低。加水拌和后，水與氧化鈣迅速反應生成氫氧化鈣，并放出水化熱，使?jié){體的溫度升高，加速了其他熟料礦物的水化速度，從而產生了較多的水化產物，形成了凝聚結晶網(wǎng)結構，凝結時間較短。

②水泥放置一段時間后，吸收了空氣中的水汽，大部分氧化鈣生成氫氧化鈣，或進一步與空氣中的二氧化碳反應，生成碳酸鈣。故此時加入拌和水后，不會再出現(xiàn)原來的水泥漿體溫度升高、水化速度過快、凝結時間過短的現(xiàn)象。但其他水泥熟料礦物也會和空氣中的水汽反應，部分產生結團、結塊，使強度下降。水泥凝結時間前后變化基礎知識2.2.2通用硅酸鹽水泥的性能特點及應用2.2.1硅酸鹽水泥的水化硬化

2.2通用硅酸鹽水泥的水化硬化與性能2.2.3通用硅酸鹽水泥石的腐蝕與預防2.2.1

硅酸鹽水泥的水化硬化1.

硅酸鹽水泥熟料礦物的水化2.

硅酸鹽水泥的凝結硬化(1)硅酸三鈣的水化

(2)硅酸二鈣的水化

(3)鋁酸三鈣的水化

(4)鐵相固溶體的水化

硅酸鹽水泥水化初期，水化產物的數(shù)量較少，水泥漿還具有良好的可塑性。隨后水化產物的數(shù)量不斷增加，自由水分不斷減少，水化產物顆粒間逐漸接近，部分顆粒粘結在一起形成了一定的網(wǎng)狀結構，水泥漿體失去可塑性，產生凝結。石膏對硅酸鹽水泥水化起緩凝劑作用。(1)硅酸三鈣水化

硅酸三鈣在常溫下的水化反應如下：3CaO·SiO2＋nH2O＝xCaO·SiO2·yH2O＋(3－x)Ca(OH)2

硅酸三鈣的反應速度較快，生成了水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)膠體，并以凝膠的形態(tài)析出，構成具有很高強度的空間網(wǎng)狀結構，生成的氫氧化鈣以晶體的形態(tài)析出。(2)硅酸二鈣的水化

β-C2S的水化與C3S相似，只不過水化速度較慢而已。

2CaO·SiO2＋nH2O＝xCaO·SiO2·yH2O＋(2－x)Ca(OH)2

所形成的水化硅酸鈣在C/S和形貌方面與C3S水化生成物無大的區(qū)別，故也稱為C-S-H凝膠。但Ca(OH)2生成量比C3S的少，結晶卻粗大些。(3)鋁酸三鈣的水化

鋁酸三鈣的水化迅速，放熱快，其水化產物組成和結構受液相CaO濃度和溫度的影響很大，先生成介穩(wěn)狀態(tài)的水化鋁酸鈣，最終轉化為水石榴石（C3AH6）。在有石膏的情況下，C3A水化的最終產物與起石膏摻入量有關。最初形成的三硫型水化硫鋁酸鈣，簡稱鈣礬石，常用AFt表示。若石膏在C3A完全水化前耗盡，則鈣礬石與C3A作用轉化為單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)。水泥中摻入適量石膏，與C3A起反應，調節(jié)凝結時間，如不摻入石膏或石膏摻量不足時，水泥會發(fā)生瞬凝現(xiàn)象。(4)鐵相固溶體的水化

水泥熟料中鐵相固溶體可用C4AF作為代表。它的水化速率比C3A略慢，水化熱較低，即使單獨水化也不會引起快凝。其水化反應及其產物與C3A很相似。鐵相固溶體的水化產物的強度問題較復雜，組成的變化對其強度的影響較大，純的C4AF強度較低，但固溶了其它組分后則可有較大幅度的提高。2.2.2

通用硅酸鹽水泥的性能特點及應用1.硅酸鹽水泥和普通水泥早期強度高，水化熱較大，抗凍性較好，耐蝕性差，干縮較小。適用于一般土建工程混凝土、高強混凝土、預應力鋼筋混凝土，以及受反復冰凍作用的結構。2.礦渣水泥早期強度較低，后期強度增長較快，水化熱較低，耐熱性好，耐蝕性較強，抗凍性差，干縮性較大，泌水較多。適用于高溫車間和有耐熱耐火要求的混凝土結構，大體積混凝土結構，蒸汽養(yǎng)護的構件，有抗硫酸鹽侵蝕要求的工程。3.火山灰水泥和粉煤灰水泥早期強度較低，后期強度增長較快，水化熱較低，耐蝕性較強，抗?jié)B性好，抗凍性差?；鹕交宜喔煽s性大。粉煤灰水泥干縮性較小，抗裂性較高。它們適用于大體積混凝土結構和有抗?jié)B要求的混凝土結構，蒸汽養(yǎng)護的構件和有杭硫酸鹽侵蝕要求的工程。火山灰水泥不適用處在干燥環(huán)境中的混凝土工程。2.2.3通用硅酸鹽水泥石的腐蝕與預防1.通用硅酸鹽水泥石的腐蝕2.通用硅酸鹽水泥石腐蝕的預防1.通用硅酸鹽水泥石的腐蝕引起水泥石腐蝕的原因很多，作用機理也很復雜，但主要是下面幾種典型的腐蝕：①軟水的侵蝕；②硫酸鹽的腐蝕；③鎂鹽的腐蝕；④一般酸的腐蝕；⑤碳酸腐蝕。需說明的是，水泥石腐蝕的主要內因有兩方面：一是水泥石中存在易被腐蝕的組分，主要是氫氧化鈣和水化鋁酸鈣；二是水泥石本身不夠密實。2.2.3通用硅酸鹽水泥石的腐蝕與預防2.腐蝕的預防根據(jù)以上腐蝕原因的分析，可采用下列措施，減少或防止水泥石的腐蝕：①根據(jù)侵蝕環(huán)境特點，合理選用水泥及熟料礦物組成。②提高水泥石的密實度，改善孔結構。硬化水泥石是一多孔體系，腐蝕性介質通常是靠滲透進入水泥石內部，從而使水泥石腐蝕。③加做保護層。當腐蝕作用較強時，可用耐腐蝕性好的涂料等材料，在混凝土及砂漿表面做不透水的保護層，防止腐蝕性介質與水泥石接觸。2.2.3通用硅酸鹽水泥石的腐蝕與預防觀察與討論討論2.2通用硅酸鹽水泥的水化硬化與性能某停車場混凝土不耐磨

某施工隊使用一立窯水泥廠生產的普通水泥鋪筑停車場。該水泥顏色為較深的灰黑色，據(jù)了解是以煤渣作混合材料，混凝土的水灰比為0.55。完工后一個月發(fā)現(xiàn)混凝土強度正常，邊部切割后觀察，混凝土基本無大的孔洞。但表面耐磨性差，且在局部低凹表面的顏色為明顯不同的灰黑色，其耐磨性更差。水泥經(jīng)檢驗強度及安定性等合格，但燒失量為6.3％。請分析原因。討論某停車場混凝土不耐磨

經(jīng)檢測該水泥燒失量不合格。造成燒失量高于標準規(guī)定有幾種可能：

a.熟料燒不透

b.石膏雜質多

c.混合材料本身燒失量大，且摻量高

從現(xiàn)象來看，最后一點的問題估計是主要的。在局部低凹表面灰黑色的水泥漿含較多燒失量高的煤渣，而這些煤渣的耐磨性較差，使該停車場混凝土耐磨性差。另外，該混凝土水灰比過大，亦有利于混凝土的離析，煤渣的富集。從切割邊部混凝土觀察知混凝土基本無大孔洞，這可知混凝土的流動性較大，且振搗已相當充分。但對于水灰比較大的混凝土若振搗過度，更易離析、泌水，使煤渣在表面富集，使混凝土表面不耐磨。工程實例分析

(1)某機場道肩混凝土破壞

2.2

通用硅酸鹽水泥的水化硬化與性能現(xiàn)象原因分析

某機場道肩混凝土于1995年7-11月施工，當年10月就發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，次年6月表面層開始剝落。該混凝土使用某立窯水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥。該廠當時生產的熟料呈暗紅色，還有一些白色物質。鉆取破壞與未破壞的混凝土各加工成試件，未被破壞混凝土強度可滿足設計要求，密實，顏色為正常的青灰色。而已破壞的混凝土強度大大下降，低于設計值，劈開可見砂漿層與集料之間粘結疏松。經(jīng)X射線衍射分析可知，已破壞混凝土試樣有大量Ca(OH)2和大量CaCO3。原因分析

經(jīng)有關單位研究認為，該混凝土破壞主要是由于水泥質量不穩(wěn)定所致，水泥中有一定數(shù)量的游離氧化鈣存在，以及大量生成的鈣礬石造成混凝土膨脹開裂。且由于水泥質量不穩(wěn)定，給混凝土施工造成不便。水泥凝結時間或長或短，使混凝土施工質量得不到保證。討論

以下是A、B兩種硅酸鹽水泥熟料礦物組成百分比含量，請分析A、B兩種硅酸鹽水泥的早期強度及水化熱的差別。（2）熟料礦物組成對早期強度及水化熱的影響

現(xiàn)象工程實例分析討論

硅酸鹽水泥熟料礦物各具特性。

C3S在最初四個星期內強度發(fā)展迅速，它實際上決定著硅酸鹽水泥四個星期以內的強度。C3S的水化熱較多，其含量也最多，故它放出的熱量最多，但其耐腐蝕性較差。C3A硬化速度最快，但強度低，其對硅酸鹽水泥在1～3d或稍長的時間內的強度起到一定作用；C3A的水化熱多；耐腐蝕性最差。

A水泥的C3S及C3A含量高，而C3S及C3A的早期強度及水化熱都較高，故A硅酸鹽水泥的早期強度與水化熱高于B水泥?，F(xiàn)象原因分析

某大體積的混凝土工程，澆筑兩周后拆模，發(fā)現(xiàn)擋墻有多道貫穿型的縱向裂縫。該工程使用某立窯水泥廠生產的42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥，其熟料礦物組成如下：C3S

61％；C2S

14％；C3A

14％；C4AF

11％。（3）擋墻開裂與水泥的選用工程實例分析原因分析

由于該工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，導致該水泥的水化熱高，且在澆筑混凝土中，混凝土的整體溫度高，以后混凝土溫度隨環(huán)境溫度下降，產生冷縮，造成貫穿型的縱向裂縫。防治措施：首先，對大體積的混凝土工程宜選用低水化熱，即C3A和C3S的含量較低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需適當控制。

基礎知識2.3

特性水泥和專用水泥

2.3.4其他水泥

2.3.1鋁酸鹽水泥2.3.2中熱水泥和低熱礦渣水泥2.3.3道路水泥2.3.1鋁酸鹽水泥

鋁酸鹽水泥是以石灰石和鋁礬為主要原料，經(jīng)煅燒至全部或部分熔融，得到以鋁酸鈣為主要礦物的熟料，經(jīng)磨細而成的水硬性膠凝材料，代號為CA。其主要礦物組成為：CA、CA2，還有少量C12A7、C2AS和微量的尖晶石和鈣鈦石以及鐵相，可能為C2F，也可能為CF2、Fe203、Fe0等。鋁酸鹽水泥的早期強度發(fā)展迅速，適用于工期緊急的工程，如國防、道路和特殊搶修工程等。鋁酸鹽水泥最適宜的硬化溫度為15℃左右，一般不得超過25℃。如溫度過高，水化鋁酸一鈣和水化鋁酸二鈣會轉變成水化鋁酸三鈣，固相體積減少，孔隙率大大增加，強度顯著降低。因此，鋁酸鹽水泥混凝土不能進行蒸汽養(yǎng)護，也不宜在高溫季節(jié)施工。2.3.2中熱水泥和低熱礦渣水泥

中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥的主要特點為水化熱低，適用于大壩和大體積混凝土工程。

中熱硅酸鹽水泥是由適當成分的硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏磨細而成的具有中等水化熱的水硬性膠凝材料，簡稱中熱水泥。

低熱礦渣硅酸鹽水泥是由適當成分的硅酸鹽水泥熟料加入礦渣和適量石膏磨細而成具有低水化熱的水硬性膠凝材料，簡稱低熱礦渣水泥。其礦渣摻量為水泥質量的20％～60％，允許用不超過混合材料總量50％的磷渣或粉煤灰代替礦渣。2.3.3道路水泥

由較高鐵鋁酸鈣含量的硅酸鹽道路水泥熟料，0％～10％活性混合材料和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為道路硅酸鹽水泥（簡稱道路水泥）。對道路水泥的性能要求是：耐磨性好、收縮小、抗凍性好、抗沖擊性好，有高的抗折強度和良好的耐久性。道路水泥的上述特性，主要依靠改變水泥熟料的礦物組成、粉磨細度、石膏加入量及外加劑來達到。

2.3.4其他水泥

1.白色硅酸鹽水泥由白色硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏，磨細制成的水硬性膠凝材料稱為白色硅酸鹽水泥（簡稱白水泥）。白水泥對白度有要求。2.砌筑水泥凡由一種或一種以上的水泥混合材料，加入適量硅酸鹽水泥熟料和石膏，經(jīng)磨細制成的工作性較好的水硬性膠凝材料，稱為砌筑水泥，代號M。砌筑水泥中混合材料摻加量按質量百分比計應大于50%，