习　题

在硅酸盐水泥熟料矿物质中，铝酸三钙水化速率最快，水化放热量大且放热速率快。其早期强度增长快，但强度值并不高，后期几乎不再增长，对水泥的早期（3d以内）强度有一定的影响。由于C3AH6为立方体晶体，是水化铝酸钙中结合强度最低的产物，它甚至会使水泥后期强度下降。水化铝酸钙凝结速率快，会使水泥产生快凝现象。因此，在水泥生产时要加入缓凝剂石膏以使水泥凝结时间正常。

（4）铁铝酸四钙的水化

铁铝酸四钙是熟料中铁相固溶体的代表，氧化铁的作用与氧化铝相似，可看成C3A中一部分氧化铝被氧化铁所取代。其水化反应及产物与C3A相似，生成水化铝酸钙与水化铁酸钙的固溶体，其反应可表示为：

简写为：

铁铝酸四钙水化速率较快，仅次于C3A，水化热不高，凝结正常，其强度值较低，但抗折强度相对较高。提高C4AF的含量可降低水泥的脆性，有利于道路等有振动交变荷载作用的应用场合。硅酸盐水泥熟料矿物的水化硬化特性见表3.1，熟料矿物的强度增长情况比较如图3.2所示。

2）硅酸盐水泥的水化

硅酸盐水泥由熟料矿物和石膏组成，是一个多矿物的集合体，其水化硬化受到各组分的共同影响。水泥加水拌合后，C3A、C4AF、C3S与水快速反应，石膏也迅速溶解于水；在石膏存在的条件下，C3A不再生成水化铝酸钙，而是与石膏反应生成针状晶体的三硫型水化硫铝酸钙（又称钙矾石），其反应式为：

简写为：

若石膏消耗完毕后还有C3A时，则钙矾石会与C3A继续作用转化为单硫型水化硫铝酸钙，其反应式为：

简写为：

水化硫铝酸钙具有正常的凝结时间，而且其强度高于水化铝酸钙。石膏也会与C4AF反应生成水化硫铝（铁）酸钙，石膏的存在还可以加速C3S和C2S水化。硅酸盐水泥水化的主要产物是C唱S唱H凝胶和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等晶体。在完全水化的水泥石中，C唱S唱H凝胶约占70%、氢氧化钙约占20%、水化硫铝酸钙（包括钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙）约占7%。

3）硅酸盐水泥的凝结与硬化

水泥的凝结指水泥加水后从流动状态到固体状态的变化，即水泥浆失去流动性而具有一定的强度。凝结时间分为初凝和终凝，它直接影响工程的施工。硬化则是指水泥浆体固化后所建立的网状结构具有一定的机械强度，并不断发展的过程。水泥的水化与凝结硬化是一个连续的过程。水化是凝结硬化的前提，凝结硬化是水化的结果。凝结与硬化是同一过程的不同阶段，但凝结硬化的各阶段是交错进行的，不能截然分开。凝结和硬化是人为地划分的，实际上是一个连续的复杂的物理化学变化过程。

关于水泥凝结硬化机理的研究已经有100多年的历史，并有多种理论进行解释，随着现代测试技术的发展应用，其研究还在不断深入。一般认为水泥浆体凝结硬化过程可分为早、中、后3个时期，分别相当于一般水泥在20℃温度环境中水化3h、20～30h以及更长时间。水泥凝结硬化过程如图3.3所示。

水泥加水后水泥颗粒迅速分散于水中，如图3.3（a）所示。在水化早期，大约加水拌和到初凝时止，水泥颗粒表面迅速发生水化反应，几分钟内即在表面形成凝胶状膜层，并从中析出六方片状的氢氧化钙晶体，大约1h即在凝胶膜外及液相中形成粗短的棒状钙矾石晶体，如图3.3（b）所示。这一阶段由于晶体太小不足以在颗粒间搭接，使之连结成网状结构，水泥浆既有可塑性又有流动性。

在水化中期约有30%的水泥已经水化，以C唱S唱H、CH和钙矾石的快速形成为特征，由于颗粒间间隙较大，C唱S唱H呈长纤维状。此时水泥颗粒被C唱S唱H形成的一层包裹膜完全包住，并不断向外增厚，逐渐在膜内沉积。同时，膜的外侧生长出长针状钙矾石晶体，膜内侧则生成低硫型水化硫铝酸钙，CH晶体在原先充水的空间形成。这期间膜层和长针状钙矾石晶体长大，将各颗粒连接起来使水泥凝结。同时，大量形成的C唱S唱H长纤维状晶体和钙矾石晶体一起，使水泥石网状结构不断致密，逐步发挥出强度。

水化后期大约1d以后直到水化结束，水泥水化反应渐趋减缓，各种水化产物逐渐填满原来由水占据的空间，由于颗粒间间隙较小，C唱S唱H呈短纤维状。水化产物不断填充水泥石网状结构，使之不断致密，渗透率降低，强度增加。随着水化的进行，凝胶体膜层越来越厚，水泥颗粒内部的水化越来越困难，经过几个月甚至若干年的长时间水化后，多数颗粒仍剩余未水化的内核。所以，硬化后的水泥浆体是由凝胶体、晶体、未水化的水泥颗粒内核、毛细孔及孔隙中的水与空气组成，是固—液—气三相多孔体系，具有一定的机械强度和孔隙率，外观和性能与天然石材相似，因而称之为水泥石。固—液—气三相在不同时期的相对数量变化，影响着水泥石性质的变化。水泥石中水化产物、强度、孔隙的发展情况如图3.4所示。

在水泥石中，水化硅酸钙凝胶是组成主体，对水泥石的强度、凝结速率、水化热及其他主要性质起支配作用。水泥石中凝胶之间、晶体与凝胶、未水化颗粒与凝胶之间产生黏结力是凝胶体具有强度的实质，但至今尚无明确的结论。一般认为范德华力、氢键、离子引力和表面能是产生黏结力的主要原因，也有认为存在化学键力的作用。

水泥熟料矿物的水化是放热反应。水化放热量和放热速率不仅影响水泥的凝结硬化速率，还会由于热量的积蓄产生较大的内外温差，影响结构的稳定性。大体积混凝土工程如大型基础、水库大坝和桥墩等，结构中的水泥水化热不易散发，积蓄在内部，可使内外温差达到60℃以上，引起较大的温度应力，产生温度裂缝，导致结构开裂，甚至引起严重的破坏。所以，大体积混凝土宜采用低热水泥，并采取措施进行降温，以保证结构的稳定和安全。在低温条件和冬季施工中，采用水化热高的水泥，则可促进水泥的水化和凝结硬化，提高早期强度。

关于熟料矿物在水泥石强度发展过程中所起的作用，可以认为，硅酸三钙在最初大约4个星期内对水泥石强度起决定性作用；硅酸二钙在大约4个星期以后才发挥其强度作用，大约经过1年，与硅酸三钙对水泥石强度发挥相等的作用；铝酸三钙在1～3d或稍长的时间内，对水泥石强度起有益作用，但以后可能使水泥石强度降低。

目前，对铁铝酸四钙在水泥水化时所起的作用认识还存在分歧，多数人认为由于胶体水化物水化铁酸一钙在C4AF周围析出形成薄膜，因而延滞了水泥的水化进程。

水泥凝结硬化理论是长期生产实践和科学研究的总结，还有待于人们继续去研究和完善它。

4）影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素

（1）熟料矿物组成的影响

由于各矿物的组成比例不同、性质不同，对水泥性质的影响也不同。如硅酸钙占熟料的比例最大，它是水泥的主导矿物，其比例决定了水泥的基本性质；C3A的水化和凝结硬化速率最快，是影响水泥凝结时间的主要因素，加入石膏可延缓水泥凝结，但石膏掺量不能过多，否则会引起安定性不良；当C3S和C3A含量较高时，水泥凝结硬化快、早期强度高，水化放热量大。熟料矿物对水泥性质的影响是各矿物的综合作用，不是简单叠加，其组成比例是影响水泥性质的根本因素，调整比例结构可以改善水泥性质和产品结构。

（2）水泥细度的影响

水泥的细度并不改变其根本性质，但却直接影响水泥的水化速率、凝结硬化、强度、干缩和水化放热等性质。因为，水泥的水化是从颗粒表面逐步向内部发展的，颗粒越细小，其表面积越大，与水的接触面积就越大，水化作用就越迅速越充分，使凝结硬化速率加快，早期强度越高。但水泥颗粒过细时，在磨细时消耗的能量和成本会显著提高，且水泥易与空气中的水分和二氧化碳反应，使之不易久存；另外，过细的水泥达到相同稠度时的用水量增加，硬化时会产生较大的体积收缩，同时水分蒸发产生较多的孔隙会使水泥石强度下降。因此，水泥的细度要控制在一个合理的范围。

（3）拌合用水量的影响

通常水泥水化时的理论需水量大约是水泥质量的23%，但为了使水泥浆体具有一定的流动性和可塑性，实际的加水量远高于理论需水量，如配制混凝土时的水胶比（水与水泥质量之比）一般为0.4～0.7。不参加水化的“多余”水分，使水泥颗粒间距增大，会延缓水泥浆的凝结时间，并在硬化的水泥石中蒸发形成毛细孔，拌合用水量越多，水泥石中的毛细孔越多，孔隙率就越高，水泥的强度越低，硬化收缩越大，抗渗性、抗侵蚀性能就越差。

（4）养护湿度、温度的影响

硅酸盐水泥是水硬性胶凝材料，水化反应是水泥凝结硬化的前提。因此，水泥加水拌合后，必须保持湿润状态，以保证水化进行和获得强度增长。若水分不足，会使水化停止，同时导致较大的早期收缩，甚至使水泥石开裂。提高养护温度，可加速水化反应，提高水泥的早期强度，但后期强度可能会有所下降。原因是在较低温度（20℃以下）下水化硬化虽较慢，但生成的水化产物更加致密，可获得更高的后期强度。当温度低于0℃时，由于水结冰而使水泥水化硬化停止，将影响其结构强度。一般水泥石结构的硬化温度不得低于－5℃。硅酸盐水泥的水化硬化较快，早期强度高，若采用较高温度养护，反而还会因水化产物生长过快，损坏其早期结构网络，造成强度下降。因此，硅酸盐水泥不宜采用蒸汽养护等湿热方法养护。

（5）养护龄期的影响

水泥的水化硬化是一个不断进行的长期过程。随着养护龄期的延长，水化产物不断积累，水泥石结构趋于致密，强度不断增长。由于熟料矿物中对强度起主导作用的C3S早期强度发展快，使硅酸盐水泥强度在3～14d内增长较快，28d后增长变慢，长期强度还有增长。

（6）储存条件的影响

水泥应该储存在干燥的环境里。如果水泥受潮，其部分颗粒会因水化而结块，从而失去胶结能力，强度严重降低。即使是在良好的干燥条件下也不宜储存过久，因为水泥会吸收空气中的水分和二氧化碳，发生缓慢水化和碳化现象，使强度下降。通常储存3个月的水泥，强度下降10%～20%；储存6个月的水泥，强度下降15%～30%；储存1年后，强度下降25%～40%。所以，水泥的储存期一般规定不超过3个月。

3.1.3　硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的技术性质

枟通用硅酸盐水泥枠（GB175—2007）规定，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的主要技术性质如下所述。

（1）不溶物

Ⅰ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%；Ⅱ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50%。不溶物是指经盐酸处理后的不溶残渣，再以氢氧化钠溶液处理，经盐酸中和、过滤后得到残渣，再经高温灼烧所剩的物质。不溶物含量高对水泥质量有不良影响。

（2）氧化镁

水泥中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。氧化镁结晶粗大，水化缓慢，且水化生成的Mg（OH）2体积膨胀达1.5倍，过量会引起水泥安定性不良。需以压蒸的方法加快其水化，方可判断其安定性。

（3）三氧化硫

水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。三氧化硫过量会与铝酸钙矿物生成较多的钙矾石，产生较大的体积膨胀，引起水泥安定性不良。

（4）烧失量

Ⅰ型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.0%，Ⅱ型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.5%。用烧失量来限制石膏和混合材料中杂质含量，以保证水泥质量。

（5）细度

细度是指水泥颗粒的粗细程度。硅酸盐水泥的细度用比表面积来衡量，要求比表面积大于300m2/kg；普通水泥的细度可用筛余量来衡量，要求80μm方孔筛筛余不得超过10.0%。

（6）凝结时间

初凝为水泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝为水泥加水拌和时起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h30min。普通水泥初凝不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。水泥的标准稠度用水量和凝结时间的测定按枟水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法枠（GB1346—2001）进行。

为使水泥混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥初凝时间不能过短。当施工完成，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝时间不能太长。

（7）安定性

安定性用沸煮法检验必须合格，测试方法按枟水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法枠（GB1346—2001）进行，可以用试饼法也可用雷氏法，有争议时以雷氏法为准。安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。当水泥浆体硬化过程发生不均匀的体积变化就会导致水泥石膨胀开裂、翘曲，甚至失去强度，即安定性不良。安定性不良的水泥会降低建筑物质量，甚至引起严重事故。引起水泥安定性不良主要是由于水泥熟料中游离氧化钙、游离氧化镁过多或是石膏掺量过多等因素造成的三氧化硫过多，其原因如下：水泥熟料中的氧化钙是在约900℃时石灰石分解产生，大部分结合成熟料矿物，未形成熟料矿物的游离部分成为过烧的CaO，在水泥凝结硬化后会缓慢与水生成Ca（OH）2。该反应体积膨胀可达1.5～2倍，使水泥石发生不均匀体积变化。游离氧化钙对安定性的影响不仅与其含量有关，还与水泥的煅烧温度有关，故难以定量。沸煮可加速氧化钙的水化，故需用沸煮法检验水泥的体积安定性。

水泥中的氧化镁（MgO）呈过烧状态，结晶粗大，在水泥凝结硬化后会与水生成Mg（OH）2。该反应比过烧的氧化钙与水的反应更加缓慢，且体积膨胀，会在水泥硬化几个月后导致水泥石开裂。当石膏掺量过多或水泥中SO3过多时，水泥硬化后，在有水存在的情况下，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（钙矾石），体积约增大1.5倍，引起水泥石开裂。氧化镁和三氧化硫已在国家标准中作了定量限制，以保证水泥安定性良好。

（8）强度

水泥强度是水泥的主要技术性质，是评定其质量的主要指标。水泥强度测定按枟水泥胶砂强度检验方法（ISO法）枠（GB/T17671—1999）进行。强度等级按3d和28d的抗压强度和抗折强度来划分，分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R共6个等级，有代号R的为早强型水泥。各等级的强度值不得低于枟通用硅酸盐水泥枠（GB175—2007）的规定（见表3.2）。

需要说明的是，按照枟水泥胶砂流动度测定方法枠（GB/T2419—2005）来检测的水泥胶砂强度，水泥强度等级代号为32.5、42.5（R）、52.5（R）、62.5（R）等。

（9）碱

水泥中碱含量按（Na2O＋0.658K2O）计算值来表示。若使用活性骨料，要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商定。当混凝土骨料中含有活性二氧化硅时，会与水泥中的碱相互作用形成碱的硅酸盐凝胶，由于后者体积膨胀可引起混凝土开裂，造成结构的破坏，这种现象称为碱唱骨料反应。它是影响混凝土耐久性的一个重要因素。碱唱骨料反应与混凝土中的总碱量、骨料及使用环境等有关。为防止碱唱骨料反应，标准对碱含量做出了相应规定。

枟通用硅酸盐水泥枠（GB175—2007）还规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性、细度和终凝时间中的任一项不符合标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度等级的指标时中任一项不符合标准规定时均为废品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于废品。

3.1.4　水泥石的腐蚀与防止

水泥制品在通常条件下具有较好的耐久性，但在流动的淡水和某些侵蚀介质存在的环境中，其结构会受到侵蚀，直至破坏，这种现象称为水泥石的腐蚀。它对水泥耐久性影响较大，必须采取有效措施予以防止。

1）水泥石的主要腐蚀类型

（1）软水腐蚀（溶出性腐蚀）

Ca（OH）2晶体是水泥的主要水化产物之一，水泥的其他水化产物也须在一定浓度的Ca（OH）2溶液中才能稳定存在，而Ca（OH）2又是易溶于水的。若水泥石中的Ca（OH）2被溶解流失，其浓度低于水化产物稳定所需要的最低要求时，水泥的水化产物就会被溶解或分解，从而造成水泥石的破坏。因此，软水腐蚀是一种溶出性的腐蚀。

雨水、雪水、蒸馏水、冷凝水、含碳酸盐较少的河水和湖水等都是软水，当水泥石长期与这些水接触时，Ca（OH）2会被溶出，每升水中可溶解Ca（OH）21.3g以上。在静水无压或水量不多情况下，由于Ca（OH）2的溶解度较小，溶液易达到饱和，故溶出作用仅限于表面，并很快停止，其影响不大。但在流水、压力水或大量水的情况下，Ca（OH）2会不断地被溶解流失。一方面使水泥石孔隙率增大，密实度和强度下降，水更易向内部渗透；另一方面，水泥石的碱度不断降低，引起水化产物分解，最终变成胶结能力很差的产物，使水泥石结构受到破坏。

软水腐蚀的程度与水的暂时硬度（水中重碳酸盐即碳酸氢钙和碳酸氢镁的含量）有关，碳酸氢钙和碳酸氢镁能与水泥石中的Ca（OH）2反应生成不溶于水的碳酸钙，其反应式如下：

生成的碳酸钙沉淀在水泥石的孔隙内而提高其密实度，并在水泥石表面形成紧密不透水层，从而可以阻止外界水的侵入和内部Ca（OH）2的扩散析出。因此，水的暂时硬度越高，腐蚀作用越小。应用这一性质，对需与软水接触的混凝土制品或构件可先在空气中硬化，再进行表面碳化，形成碳酸钙外壳，可起到一定的保护作用。

（2）盐类腐蚀

①硫酸盐腐蚀（膨胀腐蚀）是指在海水、湖水、盐沼水、地下水、某些工业污水、流经高炉矿渣或煤渣的水中常含钾、钠和氨等硫酸盐，它们与水泥石中的Ca（OH）2发生置换反应，生成硫酸钙。硫酸钙与水泥石中的水化铝酸钙作用会生成高硫型水化硫铝酸钙（钙矾石），其反应式为：

生成的高硫型水化硫铝酸钙晶体比原有水化铝酸钙体积增大1～1.5倍，硫酸盐浓度高时还会在孔隙中直接结晶成二水石膏，比Ca（OH）2的体积增大1.2倍以上。由此引起水泥石内部膨胀，致使结构胀裂、强度下降而遭到破坏。因为生成的高硫型水化硫铝酸钙晶体呈针状，又形象地称为“水泥杆菌”，如图3.5所示。

②镁盐腐蚀是指在海水及地下水中常含有大量的镁盐，主要是硫酸镁和氯化镁，它们可与水泥石中的Ca（OH）2发生如下反应：

生成的Mg（OH）2松软而无胶凝性，CaCl2易溶于水，会引起溶出性腐蚀，二水石膏又会引起膨胀腐蚀。所以硫酸镁对水泥起硫酸盐和镁盐的双重腐蚀作用，危害更严重。

（3）酸类腐蚀

①碳酸腐蚀是指在工业污水、地下水中常溶解有较多的二氧化碳，形成碳酸水，这种水对水泥石有较强的腐蚀作用。首先，二氧化碳与水泥石中的Ca（OH）2反应生成碳酸钙。

生成的碳酸钙是固体，但它在含碳酸的水中是不稳定的，会发生可逆反应，转变成重碳酸钙，反应式如下：

生成的重碳酸钙易溶于水。当水中含有较多的碳酸，且超过平衡浓度时，上式反应就向右进行，将导致水泥石中的Ca（OH）2转变成为重碳酸盐而溶失，发生溶出性的腐蚀。当水的暂时硬度较大时，所含重碳酸盐较多，上式平衡所需的碳酸就要越多，因而可以减轻腐蚀的影响。

②一般酸的腐蚀是指水泥水化生成大量Ca（OH）2，因而呈碱性，一般酸都会对它有不同的腐蚀作用。主要原因是一般酸都会与Ca（OH）2发生中和反应，其反应的产物或者易溶于水，或者体积膨胀，使水泥石性能下降，甚至导致破坏；无机强酸还会与水泥石中的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物反应，使之分解而导致腐蚀破坏。一般来说，有机酸的腐蚀作用较无机酸弱；酸的浓度越大，腐蚀作用越强。例如：

腐蚀作用较强的是无机酸中的盐酸（HCl）、氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3）、硫酸（H2SO4）和有机酸中的醋酸（即乙酸CH3COOH）、蚁酸（即甲酸HCOOH）和乳酸［CH3CH（OH）COOH］等。氢氟酸能侵蚀水泥石中的硅酸盐和硅质骨料，腐蚀作用非常强烈；而草酸（即乙二酸HOOCCOOH）与Ca（OH）2反应生成的草酸钙为不溶性盐，可在水泥石表面形成保护层，所以腐蚀作用很小。

（4）强碱的腐蚀

浓度不高的碱类溶液，一般对水泥石无害。但若长期处于较高浓度（大于10%）的含碱溶液中也能发生缓慢腐蚀，主要是化学腐蚀和结晶腐蚀。

化学腐蚀：如氢氧化钠与水化产物反应，生成胶结力不强、易溶析的产物。

结晶腐蚀：如氢氧化钠渗入水泥石后，与空气中的二氧化碳反应生成含结晶水的碳酸钠，碳酸钠在毛细孔中结晶体积膨胀，而使水泥石开裂破坏。

（5）其他腐蚀

除了上述4种主要的腐蚀类型外，一些其他物质也对水泥石有腐蚀作用，如糖、氨盐、酒精、动物脂肪、含环烷酸的石油产品及碱唱骨料反应等。它们或是影响水泥的水化，或是影响水泥的凝结，或是体积变化引起开裂，或是影响水泥的强度，从不同的方面造成水泥石的性能下降甚至破坏。实际工程中水泥石的腐蚀是一个复杂的物理化学作用过程，腐蚀的作用往往不是单一的，而是几种同时存在、相互影响的。

2）腐蚀的防止

水泥石腐蚀的产生主要有3个基本原因：一是水泥石中存在易被腐蚀的组分，主要是Ca（OH）2和水化铝酸钙；二是有能产生腐蚀的介质和环境条件；三是水泥石本身不密实，有许多毛细孔，使侵蚀介质能进入其内部。防止水泥石的腐蚀，一般可采取以下措施：

①合理选用水泥品种。水泥品种不同，其矿物组成也不同，对腐蚀的抵抗能力不同。水泥生产时，调整矿物的组成，掺加相应耐腐蚀性强的混合材料，就可制成具有相应耐腐蚀性能的特性水泥。水泥使用时必须根据腐蚀环境的特点合理地选择品种。如硅酸盐水泥水化时产生大量Ca（OH）2，易受各种腐蚀的作用，抵抗腐蚀能力较差；而掺加活性混合材料的水泥，其熟料比例降低，水化时Ca（OH）2较少，抵抗各种腐蚀的能力较强；铝酸钙含量低的水泥，其抗硫酸盐、抗碱腐蚀性能较强。

②提高水泥石的密实度，改善孔隙结构。水泥石的构造是一个多孔体系，因多余水分蒸发形成的毛细孔隙是连通的孔隙，介质能渗入其内部造成腐蚀。提高水泥石的密实度，减少孔隙，能有效地阻止或减少腐蚀介质的侵入，提高耐腐蚀能力；改善水泥石的孔隙结构，引入密闭孔隙，减少毛细孔连通孔，可提高抗渗性，是提高耐腐蚀能力的有效措施。

③通过表面处理形成保护层。当腐蚀作用较强时，应在水泥石表面加做不透水的保护层，隔断腐蚀介质的接触，保护层材料选用耐腐蚀性强的石料、陶瓷、玻璃、塑料、沥青和涂料等。也可用化学方法进行表面处理，形成保护层，如表面碳化形成致密的碳酸钙、表面涂刷草酸形成不溶的草酸钙等。对于特殊抗腐蚀的要求，则可采用抗腐蚀性强的聚合物混凝土。

3.1.5　硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的特性、应用与存储

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥是不掺或掺加较少混合材料的水泥品种，熟料占主要部分。它们的主要性质和应用特点是相同或相似的。

1）特性

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥凝结硬化快、强度高，尤其是早期强度高、水泥强度等级高；抗冻性好、耐磨性好，且硅酸盐水泥优于普通水泥；所含C3S和C3A较高，其水泥放热大，放热速率快；水泥水化产生较多Ca（OH）2和水化铝酸钙，其耐软水、酸、碱、盐等腐蚀的能力较差；由于含有较多的Ca（OH）2，使其碳化后内部碱度下降不明显，故其抗碳化性较好；由于水化中形成较多的C唱S唱H凝胶体，使水泥石密实，游离水分较少，硬化时不易产生干缩裂纹，其干缩值较小；不耐高温，虽然水泥石在短时受热时不会破坏，但在高温或长时受热情况下，水泥石中的一些重要组分，在高温下发生脱水或分解，使强度下降甚至破坏。一般当受热达到300℃时，水化产物开始脱水，体积收缩强度下降，温度为700～1000℃时，强度下降很大，甚至完全破坏。普通硅酸盐水泥相对于硅酸盐水泥，由于掺入了少量混合材料，其早期强度、水化热、抗冻性、耐磨性和抗碳化性略有降低，耐腐蚀性和耐热性略有提高。

2）应用

硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥适用于配制重要结构用的高强度混凝土和预应力混凝土，有高早期强度要求的工程及冬季施工的工程，严寒地区遭受反复冻融的工程及干湿交替的部位，一般地上工程和不受侵蚀的地下工程、无腐蚀性水中的受冻工程；不宜用于海水和有腐蚀介质存在的工程、大体积工程和高温环境工程。

水泥石中有较多的氢氧化钙，抗软水侵蚀和抗化学腐蚀性差，故硅酸盐水泥不宜用于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程，也不适用于受矿物水作用的工程。

当受热温度为100～250℃时，由于尚存的游离水的影响，此时发生的额外水化作用，以及脱水后水泥凝胶体与部分氢氯化钙的结晶对水泥石所起的加强作用，水泥石强度将会有所提高。受热250～300℃时，水化物开始脱水（水化硅酸钙160℃时就可能开始脱水），水泥收缩，强度开始下降。当受热温度为400～600℃时，强度明显下降，700～1000℃时强度降低很多，甚至完全破坏。氢氧化钙在547℃以上将脱水分解成氧化钙，如果受到潮湿和水的作用，又将引起氧化钙水化膨胀，破坏水泥石结构，故硅酸盐水泥不适用于耐热要求很高的工程。

3）存储

为了便于识别、避免错用，国家标准对水泥的包装标识作了详细规定。包装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、产地、出厂编号、执行标准和包装时间等。掺火山灰质混合材料的普通水泥还要标明“掺火山灰”字样。包装袋两侧应印有水泥名称和强度等级。包装不合格的水泥是不合格水泥。水泥在运输和储存过程中，应按不同品种、强度等级及出厂日期分别贮运，不得混杂，并注意防水防潮。袋装水泥的堆放高度不得超过10袋。工地存储水泥应有专用仓库，库房要干燥。存放袋装水泥时，地面垫板要离地30cm，四周离墙30cm。水泥的储存应按照到货先后依次堆放，尽量做到先到先用，防止存放过久。一般水泥的储存期为3个月，使用存放3个月以上的水泥，必须重新检验其强度，否则不得使用。

3.2　掺混合材料的硅酸盐系水泥

3.2.1　混合材料

在磨制水泥时加入的天然或人工矿物材料称为混合材料。混合材料的加入可以改善水泥的某些性能，拓宽水泥强度等级，扩大应用范围，并能降低水泥生产成本；掺加工业废料作为混合材料，能有效减少污染，有利于环境保护和可持续发展。水泥混合材料包括非活性混合材料、活性混合材料和窑灰，其中活性混合材料的应用量最大。为确保工程质量，凡国家标准中没有规定的混合材料品种，严格禁止使用。

1）非活性混合材料

在常温下，加水拌和后不能与水泥、石灰或石膏发生化学反应的混合材料称为非活性混合材料，又称填充性混合材料。非活性混合材料加入水泥中的作用是提高水泥产量，降低生产成本，降低强度等级，减少水化热，改善耐腐蚀性和和易性等。这类材料有磨细的石灰石、石英砂、慢冷矿渣、黏土和各种符合要求的工业废渣等。由于非活性混合材料加入会降低水泥强度，其加入量一般较少。

2）活性混合材料

在常温下，加水拌和后能与水泥、石灰或石膏发生化学反应，生成具有一定水硬性的胶凝产物的混合材料称为活性混合材料。活性混合材料的加入可起到非活性混合材料相同的作用。因活性混合材料的掺加量较大，改善水泥性质的作用更加显著，而且当其活性激发后可使水泥后期强度大大提高，甚至赶上同等级的硅酸盐水泥。常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质材料和粉煤灰等。

（1）粒化高炉矿渣

粒化高炉矿渣是在高炉冶炼生铁时，将浮在铁水表面的熔融物经水淬等急冷处理而成的松散颗粒，又称为水淬矿渣。粒化高炉矿渣的主要化学成分是CaO、SiO2、Al2O3和少量MgO、Fe2O3。急冷的矿渣结构为不稳定的玻璃体，具有较大的化学潜能，其主要活性成分是活性SiO2和活性Al2O3。常温下能与Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等具有水硬性的产物，从而产生强度。在用石灰石做熔剂的矿渣中含有少量C2S，本身就具有一定的水硬性，加入激发剂磨细就可制得无熟料水泥。

（2）火山灰质混合材料

天然火山灰材料是火山喷发时形成的一系列矿物，如火山灰、凝灰岩、浮石、沸石和硅藻土等；人工火山灰是与天然火山灰成分和性质相似的人造矿物或工业废渣，如烧黏土、粉煤灰、煤矸石渣和煤渣等。火山灰的主要活性成分是活性SiO2和活性Al2O3在激发剂作用下，可发挥出水硬性。粉煤灰是火力发电厂以煤粉作燃料，燃烧后收集下来的极细的灰渣颗粒为球状玻璃体结构，也是一种火山灰质材料。

3）窑灰

窑灰是水泥回转窑窑尾废气中收集下的粉尘，活性较低，一般作为非活性混合材料加入，以减少污染、保护环境。

3.2.2　掺混合材料的硅酸盐水泥的水化硬化

1）活性混合材料的水化

活性混合材料具有潜在水化活性，但在常温下与水拌合时，本身不会水化或水化硬化极为缓慢，基本没有强度。但在碱性物质如Ca（OH）2溶液中会发生显著的水化作用，在Ca（OH）2饱和溶液中反应更快。混合材料中的活性SiO2和活性Al2O3与溶液中的Ca（OH）2反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，其反应可表示为：

当有石膏存在时，混合材料中活性Al2O3生成的水化铝酸钙会与石膏反应，生成水化硫铝酸钙，其反应可表示为：

上述水化反应中的x、y随混合材料的种类、Ca（OH）2与活性SiO2、活性Al2O3的比例、环境温度及作用时间的不同而变化，一般为1或稍大；n、m一般为1～1.25。Ca（OH）2或石膏的存在是活性混合材料潜在活性发挥的必要条件，这类能激发活性的物质称为激发。Ca（OH）2为碱性激发剂，石膏为硫酸盐激发剂。

活性混合材料水化较水泥熟料慢，其温度敏感性较高，低温下反应缓慢，高温下水化速率迅速加快，适合于在高温湿热条件下养护。

2）掺混合材料硅酸盐水泥的水化硬化

掺混合材料硅酸盐水泥加水拌合后，水泥熟料矿物首先与水作用生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和Ca（OH）2等，其反应与硅酸盐水泥水化大致相同。然后在溶液中Ca（OH）2的激发下，混合材料中的活性成分开始水化（也称为二次水化），生成以水化硅酸钙为主的水化产物。熟料与混合材料的水化相互影响、相互促进，二次水化消耗大量Ca（OH）2，水泥的碱度下降，促使熟料加速水化，又保证了混合材料的继续水化。掺混合材料硅酸盐水泥的早期强度主要由水泥熟料提供。随着二次水化的进行，混合材料的活性发挥，强度逐步提高，后期强度增长可达到甚至超过同等级的硅酸盐水泥（图3.6）。掺混合材料的水泥的水化产物主要是水化硅酸钙凝胶、水化硫铝酸钙和水化铝酸钙及其固溶体、氢氧化钙等。由于混合材料水化的消耗，最终Ca（OH）2的含量远低于硅酸盐水泥；当熟料比例较小时，最终产物中可能会没有Ca（OH）2。由于混合材料品种、掺入量、熟料质量及硬化条件的不同，不同品种的水泥的水化硬化又有不同的特点。

3.2.3　矿渣、火山灰质和粉煤灰（硅酸盐水泥）

矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥的质量技术要求由枟通用硅酸盐水泥枠（GB175—2007）规定。

1）定义与组成

（1）矿渣硅酸盐水泥

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%。

（2）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%。

（3）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%。

2）技术性质

（1）细度、凝结时间和体积安定性

要求与普通硅酸盐水泥相同。

（2）氧化镁

熟料中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如水泥经压蒸安定性试验合格，则熟料中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。熟料中氧化镁的含量为5.0%～6.0%时，如矿渣水泥中混合材料总掺量大于40%或火山灰水泥和粉煤灰水泥中混合材料掺加量大于30%，制成的水泥可不做压蒸试验。

（3）三氧化硫

矿渣水泥中三氧化硫的含量不得超过4.0%；火山灰水泥和粉煤灰水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。

（4）强度

水泥强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R。各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表3.3的数值。

（5）碱

水泥中碱含量按（Na2O＋0.658K2O）计算值来表示。若使用活性骨料要限制水泥中的碱含量时，由供需双方商定。

3）特性与应用

硅酸盐系水泥的主要性质相同或相似。掺混合材料的水泥与硅酸盐水泥相比又有其自身的特点。

（1）3种水泥的共性特点与应用

二次水化较慢，所以其早期强度低，后期二次水化的产物不断增多，水泥强度发展较快，达到甚至超过同等级的硅酸盐水泥。因此，这3种水泥不宜用于早期强度要求高的工程、冬季施工工程和预应力混凝土等工程，且应加强早期养护。

①温度敏感性高，适宜高温湿热养护。这3种水泥在低温下水化速率和强度发展较慢，而在高温养护时水化速率大大提高，强度发展加快，可得到较高的早期强度和后期强度。因此，适合采用高温湿热养护，如蒸汽养护和蒸压养护。养护温度对掺混合材料水泥和硅酸盐水泥的强度增长比较如图3.7所示。

②水化热低，适合大体积混凝土工程。由于熟料用量少，水化放热量大的矿物C3S和C3A较少，水泥的水化热大大降低，适用于大体积混凝土工程，如大型基础和水坝等。适当调整组成比例就可生产出大坝专用的低热水泥品种。

③耐腐蚀性能强。由于熟料用量少，水化生成的Ca（OH）2少，且二次水化还要消耗大量Ca（OH）2，使水泥石中易腐蚀的成分减少，水泥石的耐软水腐蚀、耐硫酸盐腐蚀、耐酸性腐蚀等能力大大提高，可用于有耐腐蚀要求的工程中。但如果火山灰水泥掺加的是以Al2O3为主要成分的烧黏土类混合材料时，因水化后生成水化铝酸钙较多，其耐硫酸盐腐蚀的能力较差，不宜用于有耐硫酸盐腐蚀要求的场合。

④抗冻性差，耐磨性差。由于加入较多的混合材料，水泥的需水性增加，用水量较多，易形成较多的毛细孔或粗大孔隙，且水泥早期强度较低，使抗冻性和耐磨性下降。因此，不宜用于严寒地区水位升降范围内的混凝土工程和有耐磨性要求的工程。

⑤抗碳化能力差。由于水化产物中Ca（OH）2少，水泥石的碱度较低，遇有碳化的环境时，表面碳化较快，碳化深度较深，对钢筋的保护不利。若碳化深度达到钢筋表面，会导致钢筋锈蚀，使钢筋混凝土产生顺筋裂缝，降低耐久性。不过在一般环境中，这3种水泥对钢筋都具有良好的保护作用。

（2）3种水泥的个别特性

①矿渣硅酸盐水泥。由于矿渣是在高温下形成的材料，所以矿渣水泥具有较强的耐热性。可用于温度不高于200℃的混凝土工程，如轧钢、铸造、锻造、热处理等高温车间及热工窑炉的基础等；也可用于温度为300～400℃的热气体通道等耐热工程。粒化高炉矿渣玻璃体对水的吸附力差，导致矿渣水泥的保水性差，易泌水产生较多的连通孔隙，水分的蒸发增加使矿渣水泥的抗渗性差，干燥收缩较大，易在表面产生较多的细微裂缝，影响其强度和耐久性。

②火山灰质硅酸盐水泥。火山灰水泥具有较好的抗渗性和耐水性。因为，火山灰质混合材料的颗粒有大量的细微孔隙，保水性良好，泌水性低，并且水化中形成的水化硅酸钙凝胶较多，水泥石结构比较致密，具有较好的抗渗性和抗淡水溶析的能力，可优先用于有抗渗性要求的工程。火山灰水泥的干燥收缩比矿渣水泥更加显著，在长期干燥的环境中，其水化反应会停止，已经形成的凝胶还会脱水收缩，形成细微裂缝，影响水泥石的强度和耐久性。因此，火山灰水泥施工时要加强养护，较长时间保持潮湿状态，且不宜用于干热环境中。

③粉煤灰水泥。粉煤灰水泥的干缩性较小，甚至优于硅酸盐水泥和普通水泥，具有较好的抗裂性。因为粉煤灰颗粒呈球形，较为致密，吸水性差，加水拌合时的内摩擦阻力小，需水性小，所以其干缩小，抗裂性好，同时配制的混凝土、砂浆和易性好。由于粉煤灰吸水性差，水泥易泌水，形成较多连通孔隙，干燥时易产生细微裂缝，抗渗性较差，不宜用于干燥环境和抗渗要求高的工程。

3.2.4　复合硅酸盐水泥

复合硅酸盐水泥由枟通用硅酸盐水泥枠（GB175—2007）规定。

凡由硅酸盐水泥熟料、2种或2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计为15%～50%。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。

复合水泥的水化、凝结硬化机理与掺混合材料的其他硅酸盐系水泥相同。复合水泥强度等级的数值与普通水泥相同，各龄期强度不得低于表3.4的数值；其他技术要求与火山灰水泥相同。

复合水泥的早期强度接近于普通水泥，性能略优于其他掺混合材料的水泥，适用范围较广。它掺加了2种或2种以上的混合材料，有利于发挥各种材料的优点，为充分利用混合材料生产水泥、扩大水泥应用范围提供了广阔的途径。硅酸盐系水泥的技术要求比较见表3.5；硅酸盐系水泥的性能比较见表3.6；硅酸盐系水泥的选用见表3.7。

3.3　硅酸盐系特种水泥

通用硅酸盐系水泥品种不多，但用量却是最大的。除此之外水泥品种的大部分是特性水泥和专用水泥，又称为特种水泥，其用量虽然不大，但用途却很重要且很广泛。特种水泥中又以硅酸系水泥为主。我国特种水泥的品种情况见表3.8。

3.3.1　白色与彩色硅酸盐水泥

1）白色硅酸盐水泥

白色硅酸盐水泥熟料是以适当成分的生料烧至部分熔融，所得到的以硅酸钙为主要成分、氧化铁含量少的熟料。由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料、适量石膏及标准规定的混合材料，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。

硅酸盐水泥的颜色主要由氧化铁引起。当氧化铁含量为3%～4%时，熟料呈暗灰色；在0.45%～0.7%时带淡绿色；而降低为0.35%～0.40%后接近白色。因此，白色硅酸盐水泥的生产主要是降低氧化铁含量。此外，氧化锰、氧化铬、氧化钴和氧化钛等也对白水泥的白度有显著影响，故其含量也应尽量减少。

白水泥为枟白色硅酸盐水泥枠（GB/T2015—2005）。白水泥的细度要求为80μm方孔筛筛余不得超过10.0%；凝结时间初凝不早于45min，终凝不迟于10h；体积安定性用沸煮法检验必须合格；水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%。

白水泥的强度等级分为32.5、42.5、52.5，各龄期的强度不得低于表3.9的规定。

白水泥的白度用样品与氧化镁标准白板反射率的比例衡量，要求白度值不得低于87。白水泥主要用于建筑物的装饰，如地面、楼梯、外墙饰面、彩色水刷石和水磨石制造、大理石及瓷砖镶贴、混凝土雕塑工艺制品等。还与彩色颜料配成彩色水泥，配制彩色砂浆或混凝土用于装饰工程。

2）彩色硅酸盐水泥

彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥，主要有两种生产方法，即染色法和烧成法。染色法是将碱性颜料、白色水泥熟料和石膏共同磨细制成，其产品标准为枟彩色硅酸盐水泥枠（JC/T870—2000）；也可将颜料直接与白水泥混合配制而成，这种方法灵活简单，但颜料消耗大，色泽不易均匀。烧成法是将着色剂加入水泥生料中，经过煅烧使熟料具有所需的颜色，再与石膏混合磨细而成。

烧成法制得的彩色水泥，色泽均匀，颜色保持持久，但生产成本较高；染色法制得的彩色水泥，色泽不易均匀，长期使用易出现褪色，但生产成本较低。目前彩色水泥以染色法较常用。染色法使用的颜料多为无机矿物颜料，要求不溶于水、分散性好、大气稳定性好、抗碱性强、着色力强，并不得显著影响水泥的强度和其他性质。有机颜料易老化，只能作为辅助用途使用，通常只加入少量，以提高水泥色彩的鲜艳度。彩色水泥主要是配制彩色砂浆或混凝土，用于制造人工石材和装饰工程。

3.3.2　快硬硅酸盐水泥

凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥）。

快硬硅酸盐水泥的生产与普通水泥相似，主要是提高熟料中的快硬高强成分C3S和C3A的含量并适当多掺石膏，但要求更严格的生产工艺条件，原料有害杂质要少，生料均匀性要好，熟料冷却速率要高等。

提高水泥细度可提高水化硬化速率，一般快硬硅酸盐水泥的比表面积为320～450m2/kg，无收缩快硬硅酸盐水泥的比表面积为400～500m2/kg。快硬水泥主要用于抢修工程、军事工程、预应力钢筋混凝土构件制造等，适用于配制干硬混凝土，水胶比可控制在0.40以下；无收缩快硬水泥主要用于装配式框架节点的后浇混凝土和各种现浇混凝土工程的接缝工程、机器设备安装的灌浆等要求快硬、高强和无收缩的混凝土工程。快凝快硬硅酸盐水泥主要适用于机场道面、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程，以及冬季施工和堵漏等工程。

3.3.3　道路硅酸盐水泥

枟道路硅酸盐水泥枠（GB13693—2005）规定，由道路硅酸盐水泥熟料，适量石膏，可加入标准规定的混合材料，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。

对道路水泥的性能要求是耐磨性好、收缩小、抗冻性好、抗冲击性好，有高的抗折强度和良好的耐久性。道路水泥的上述特性主要依靠改变水泥熟料的矿物组成、粉磨细度、石膏加入量及外加剂来达到。一般适当提高熟料中C3S和C4AF含量，限制C3A和游离氧化钙的含量。C4AF的脆性小、抗冲击性强、体积收缩最小，提高C4AF的含量可以提高水泥的抗折强度及耐磨性。水泥的粉磨细度增加，虽可提高强度，但水泥的细度增加，收缩增加很快，从而易产生微细裂缝，使道路易于破坏。研究表明，当细度从2720cm2/g增至3250cm2/g时，收缩增加不大。生产道路水泥时，水泥的比表面积一般可控制在3000～3200cm2/g，0.08mm方孔筛筛余宜控制在5%～10%。适当提高水泥中的石膏加入量，可提高水泥的强度和降低收缩，对制造道路水泥是有利的。另外，为了提高道路混凝土的耐磨性，可加入5%以下的石英砂。

道路水泥的熟料矿物组成要求C3A＜5%，C4AF＞16%；f唱CaO旋窑生产的不得大于1.0%，立窑生产的不得大于1.8%。道路水泥中氧化镁含量不得超过5.0%，三氧化硫不得超过3.5%，烧失量不得大于3.0%，碱含量不得大于0.6%或供需双方协商；比表面积为300～450m2/kg，初凝不早于1.5h，终凝不迟于10h，沸煮法安定性必须合格，28d干缩率不大于0.10%，28d磨耗量应不大于3.00kg/m2。道路水泥的各龄期强度不得低于表3.10的数值。

道路水泥可以较好地承受高速车辆的车轮摩擦、循环负荷、冲击和震荡、货物起卸时的骤然负荷，较好地抵抗路面与路基的温差和干湿度差产生的膨胀应力，抵抗冬季的冻融循环。使用道路水泥铺筑路面可减少路面裂缝和磨耗、减小维修量、延长使用寿命。

道路水泥主要用于道路路面、机场跑道路面和城市广场等工程。

3.3.4　膨胀硅酸盐水泥与自应力硅酸盐水泥

膨胀水泥和自应力水泥都是硬化时具有一定体积膨胀的水泥品种。通用硅酸盐水泥在空气中硬化，一般都表现为体积收缩，平均收缩率为0.02%～0.035%。混凝土成型后，7～60d的收缩率较大，以后趋向缓慢。收缩使水泥石内部产生细微裂缝，导致其强度、抗渗性、抗冻性下降；用于装配式构件接头、建筑连接部位和堵漏补缝时，水泥收缩会使结合不牢，达不到预期效果。而使用膨胀水泥就能改善或克服上述的不足。另外，在钢筋混凝土中利用混凝土与钢筋的握裹力，使钢筋在水泥硬化发生膨胀时被拉伸，而混凝土内测产生压应力，钢筋混凝土内由组成材料（水泥）膨胀而产生的压应力称为自应力。自应力的存在使混凝土抗裂性提高。

膨胀水泥膨胀值较小，主要用于补偿收缩；自动水泥膨胀值较大，用于产生预应力混凝土。使水泥产生膨胀主要有3种途径，即氧化钙水化生成Ca（OH）2、氧化镁水化生成Mg（OH）2、铝酸盐矿物生成钙矾石。因前两种反应不易控制，一般多采用以钙矾石为膨胀组分生产各种膨胀水泥。

常用硅酸盐系膨胀水泥主要是明矾石膨胀水泥（标准代号为JC/T311—2004）、低热微膨胀水泥（标准代号为GB2938—2008）和自应力硅酸盐水泥（标准代号为JC/T218—1995）。明矾石膨胀水泥是以一定比例的硅酸盐水泥熟料、天然明矾石、无水石膏和矿渣（或粉煤灰）共同粉磨制成。矿渣作为膨胀稳定剂，明矾石作为铝质原料，其含量要求Al2O3≥16%，SiO2≥15%，在Ca（OH）2和硫酸盐激发下水化形成钙矾石，产生适度膨胀。其膨胀值要求是：水中养护净浆自由膨胀时线膨胀率1d≥0.15%，28d≥0.35%，但不得大于1.20%。胶砂试体在水中养护3d后，在1.0MPa水压下恒压8h，应不透水。强度要求见表3.11。

明矾石膨胀水泥适用于收缩补偿混凝土结构、防渗混凝土、补强和防渗抹面工程、接缝和接头、设备底座和地脚螺栓固结等。

凡以粒化高炉矿渣为主要组分加入适量硅酸盐水泥熟料和膏，磨细制成的具有低水化热和微膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为低热微膨胀水泥，代号LHEC。低热微膨胀水泥的水化热要求见表3.12。水泥净浆试体水中养护至各龄期的线膨胀率要求：1d≥0.05%；7d≥0.10%，28d不得大于0.60%。

低热微膨胀水泥主要用于要求低水化热和要求补偿收缩的混凝土、大体积混凝土工程，也可用于要求抗渗和抗硫酸盐腐蚀的工程。

自应力硅酸盐水泥是以适当比例的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、高铝水泥和天然二水石膏磨制而成的膨胀性的水硬性胶凝材料。硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥强度等级不低于42.5，高铝水泥强度不低于42.5。自应力水泥的自应力值指水泥水化硬化后体积膨胀能使砂浆或混凝土在限制条件下产生可资应用的化学预应力，自应力值是通过测定水泥砂浆的限制膨胀率计算得到的。

自应力硅酸盐水泥适用于制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件，制造一般口径和压力的自应力水管和城市煤气管。

3.3.5　低水化热硅酸盐水泥

低水化热硅酸盐水泥原称大坝水泥，是专门用于要求水化热较低的大坝和大体积工程的水泥品种，主要品种有3种，枟中热硅酸盐水泥低热硅酸盐水泥低热矿渣硅酸盐水泥枠（GB200—2003）对这3种水泥作出了规定。

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P·MH。

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P·LH。

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P·SLH。

生产低水化热水泥，主要是降低水泥熟料中的高水化热组分C3S、C3A和f唱CaO的含量。中热水泥熟料中C3S不超过55%，C3A不超过6%，f唱CaO不超过1%；低热水泥熟料中C2S不低于40%，C3A不超过6%，f唱CaO不超过1%；低热矿渣水泥熟料中C3A不超过8%，f唱CaO不超过1.2%。低热矿渣水泥中矿渣掺量为20%～60%，允许用不超过混合材料总量50%粒化电炉磷渣或粉煤灰代替部分矿渣。各水泥的强度不得低于表3.13要求；水化热不得高于表3.14要求。

中热水泥主要适用于大坝溢流面的面层和水位变动区等对耐磨性和抗冻性要求较高的工程，低热水泥和低热矿渣水泥主要适用于大坝或大体积建筑物内部及水下工程。

3.3.6　抗硫酸盐硅酸盐水泥

枟抗硫酸盐硅酸盐水泥枠（GB748—2005）按抵抗硫酸盐腐蚀的程度分成中抗硫酸盐硅酸盐水泥和高抗硫酸盐硅酸盐水泥两大类。

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（简称中抗硫水泥），代号P·MSR。具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀的，称为高抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称高抗硫水泥），代号P·HSR。

水泥石中的Ca（OH）2和水化铝酸钙是硫酸盐腐蚀的内在原因，水泥的抗硫酸盐性能就取决于水泥熟料中这些成分的相对含量。降低熟料中C3S和C3A的含量，相应增加耐蚀性较好的C2S替代C3S，增加C4AF替代C3A，是提高耐硫酸盐腐蚀的主要措施之一。抗硫酸盐硅酸盐水泥的成分要求、耐蚀程度和强度等级见表3.15。

抗硫酸盐水泥除了具有较强的抗腐蚀能力外，还具有较高的抗冻性，主要适用于受硫酸盐腐蚀、冻融循环及干湿交替作用的海港、水利、地下、隧涵、道路和桥梁基础等工程。

3.3.7　砌筑水泥

目前，我国建筑尤其是住宅建筑中砖混结构仍占很大比例，砌筑砂浆成为需要量很大的建筑材料。通常，在施工配制砌筑砂浆时会采用最低强度即32.5级或42.5级的通用水泥，而常用砂浆的强度仅为2.5MPa、5.0MPa，水泥强度与砂浆强度的比值超过了4～5倍的经济比例，为了满足砂浆和易性的要求又需要用较多的水泥，造成砌筑砂浆强度等级超高，形成较大浪费。因此，生产专为砌筑用的低强度水泥非常必要。

枟砌筑水泥枠（GB/T3183—2003）规定，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，经磨细制成的工作性能较好的水硬性胶凝材料，称为砌筑水泥，代号M。砌筑水泥用混合材料可采用矿渣、粉煤灰、煤矸石、沸腾炉渣和沸石等，掺加量应大于50%，允许掺入适量石灰石或窑灰。凝结时间要求初凝不早于60min，终凝不迟于12h；按砂浆吸水后保留的水分计，保水率应不低于80%。砌筑水泥的各龄期强度应不低于表3.16的要求。

砌筑水泥适用于砌筑砂浆、内墙抹面砂浆及基础垫层；允许用于生产砌块及瓦等制品。砌筑水泥一般不得用于配制混凝土，通过试验才允许用于低强度等级混凝土，但不得用于钢筋混凝土等承重结构。

3.4　铝酸盐水泥

铝酸盐系水泥是应用较多的非硅酸盐系水泥，是具有快硬早强性能和较好耐高温性能的胶凝材料，也是膨胀水泥的主要组分，在军事工程、抢修工程、严寒工程、耐高温工程和自应力混凝土等方面应用广泛，是重要的水泥系列之一。

3.4.1　铝酸盐水泥的原料与组成

枟铝酸盐水泥枠（GB201—2000）规定，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（又称高铝水泥、矾土水泥），代号CA。我国铝酸盐水泥按Al2O3含量分为4类，分类及化学成分范围见表3.17。

铝酸盐水泥的主要原料是矾土（铝土矿）和石灰石，矾土提供Al2O3，石灰石提供CaO。主要化学成分是CaO、Al2O3、SiO2；主要矿物成分是铝酸一钙（CaO·Al2O3，简写为CA）、二铝酸一钙（CaO·2Al2O3，简写为CA2）、七铝酸十二钙（C12A7），此外还有少量的其他铝酸盐和硅酸二钙。铝酸一钙是铝酸盐水泥的最主要矿物，占40%～50%，具有很高的活性，其特点是凝结正常、硬化迅速，是铝酸盐水泥强度的主要来源。二铝酸一钙占20%～35%，凝结硬化慢，早期强度低，但后期强度较高。

铝酸盐水泥熟料的煅烧有熔融法和烧结法两种。熔融法采用电弧炉、高炉、化铁炉和射炉等煅烧设备；烧结法采用通用水泥的煅烧设备。我国多采用回转窑烧结法生产，熟料具有正常的凝结时间，磨制水泥时不用掺加石膏等缓凝剂。

3.4.2　铝酸盐水泥水化与硬化

铝酸一钙是铝酸盐水泥的主要矿物成分，其水化硬化情况对水泥的性质起着主导作用。

铝酸一钙水化极快，其水化反应及产物随温度变化很大。一般研究认为不同温度下，铝酸一钙水化反应有以下形式：

当温度＜20℃时，

简写为：

当温度在20～30℃时，

简写为：

当温度＞30℃时，

简写为：

二铝酸一钙的水化反应产物与铝酸一钙相同。常温下CAH10和C2AH8同时形成，一起共存，其相对比例随温度上升而减小。

铝酸盐水泥的硬化机理与硅酸盐水泥基本相同。水化铝酸钙是多组分的共溶体，呈晶体结构，其组成与熟料成分、水化条件和环境温度等因素相关。CAH10和C2AH8都属六方晶系，结晶形态为片状、针状，硬化时互相交错搭接、重叠结合，形成坚固的网状骨架，产生较高的机械强度。水化生成的氢氧化铝（AH3）凝胶又填充于晶体骨架，形成比较致密的结构。铝酸盐水泥的水化主要集中在早期，5～7d后水化产物数量就很少增加，所以其早期强度增长很快，后期增长不显著。

要注意的是，CAH10和C2AH8等水化铝酸钙晶体都是亚稳相，会自发地转化为最终稳定产物C3AH6，析出大量游离水，转化随温度提高而加速。C3AH6晶体属六方晶系，为等尺寸的晶体，结构强度远低于CAH10和C2AH8。同时水分的析出使内部孔隙增加，结构强度下降。所以铝酸盐水泥的长期强度会有所下降，一般降低40%～50%，湿热环境下影响更严重，甚至引起结构破坏。一般情况下，限制铝酸盐水泥用于结构工程。

3.4.3　铝酸盐水泥的性能与用途

铝酸盐水泥的密度为3.0～3.2g/cm3，疏松状态的体积密度为1.0～1.3g/cm3，紧密状态的体积密度为1.6～1.8g/cm3。枟铝酸盐水泥枠（GB201—2000）规定的细度、凝结时间和强度等级要求见表3.18。

铝酸盐水泥的性能与应用如下：

①具有早强快硬的特性，1d强度可达本等级强度的80%以上。适用于工期紧急的工程，如军事、桥梁、道路、机场跑道、码头和堤坝的紧急施工与抢修等。

②放热速率快，早期放热量大，1d放热可达水化热总量的70%～80%，在低温下也能很好地硬化。适用于冬季及低温环境下施工，不宜用于大体积混凝土工程。

③抗硫酸盐腐蚀性强。由于铝酸盐水泥的矿物主要是低钙铝酸盐，不含C3A，水化时不产生Ca（OH）2，所以具有强的抗硫酸盐性，甚至超过抗硫酸盐水泥。另外，铝酸盐水泥水化时产生铝胶（AH3）使水泥石结构极为密实，并能形成保护性薄膜，对其他类腐蚀也有很好的抵抗性，耐磨性良好。适用于耐磨性要求较高的工程，受软水、海水、酸性水和受硫酸盐腐蚀的工程。

④耐热性好。在高温下铝酸盐水泥会发生固相反应，烧结结合逐步代替水化结合，不会使强度过分降低。如采用耐火骨料时，可制成使用温度为1300～1400℃的耐热混凝土。适用于制作各种锅炉、窑炉用的耐热和隔热混凝土和砂浆。

⑤抗碱性差。铝酸盐水泥是不耐碱的，在碱性溶液中水化铝酸钙会与碱金属的碳酸盐反应而分解，使水泥石会很快被破坏。所以，铝酸盐水泥不得用于与碱溶液相接触的工程，也不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出Ca（OH）2的胶凝材料混合使用。

铝酸盐水泥与石膏等材料配合可以制成膨胀水泥和自应力水泥，还可用于制作防中子辐射的特殊混凝土。由于铝酸盐水泥的后期强度倒缩，因而不宜用于长期承重的结构及处于高温高湿环境的工程。

3.4.4　其他铝酸盐水泥

1）特快硬调凝铝酸盐水泥

以铝酸一钙为主要成分的水泥熟料加入适量硬石膏和促硬剂，经磨细制成的凝结时间可调节、小时强度增长迅速、以硫铝酸钙盐为主要水化物的水硬性胶凝材料，称为特快硬调凝铝酸盐水泥。主要用于抢建、抢修、堵漏以及喷射、负温施工等工程。

特快硬调凝铝酸盐水泥的标准代号为JC/T736—1985（1996）。标准规定特快硬调凝铝酸盐水泥的初凝不得早于2min，终凝不得迟于10min；加入水泥质量0.2%酒石酸钠作缓凝剂时，初凝不得早于15min，终凝不得迟于40min；强度标号按2h抗压强度表示，各龄期不得低于表3.19的强度值。

2）快硬高强铝酸盐水泥

凡以铝酸钙为主要成分的熟料加入适量的硬石膏，磨细制成具有快硬高强性能的水硬性胶凝材料，称为快硬高强铝酸盐水泥。主要适用于早强、高强、抗渗、抗硫酸盐及抢修等特殊工程。

快硬高强铝酸盐水泥的标准代号为JC/T416—1991（1996）。标准规定快硬高强铝酸盐水泥的初凝不得早于25min，终凝不得迟于3h。经供需双方协商，初凝时间可以小于25min。各龄期强度不得低于表3.20的强度。

3）铝酸盐自应力水泥

铝酸盐自应力水泥是一定量的铝酸盐水泥熟料和二水石膏粉磨而成的大膨胀率的胶凝材料，主要应用于自应力钢筋（钢丝网）混凝土（砂浆）压力管，标准代号为JC214—1991（1996）。按1∶2标准砂浆28d自应力值分为3个级别，各级别自应力值不得低于表3.21的规定。

3.5　硫铝酸盐水泥

硫铝酸盐水泥是我国发明的组成不同于硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的水泥系列。20世纪70年代，我国发明了普通硫铝酸盐水泥。20世纪80年代又首创了高铁硫铝酸盐水泥（又称为铁铝酸盐水泥），也已形成了系列。硫铝酸盐水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐蚀和低碱性等优良特性，应用前景广阔。

3.5.1　硫铝酸盐水泥的组成与水化

硫铝酸盐水泥的主要原料是矾土、石灰石和石膏，用烟煤作为燃料。矾土主要提供Al2O3，其中Fe2O3含量小于5%的称为铝矾土，Fe2O3含量大于5%的称为铁矾土。对矾土所含SiO2也有一定的限制。石灰石主要提供CaO，要求与硅酸盐水泥一样。石膏主要提供SO3，可用二水泥石膏（CaSO4·H2O）或硬石膏（CaSO4）。

硫铝酸盐水泥的主要矿物成分是无水硫铝酸钙（3CaO·3Al2O3·CaSO4）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）和含铁相固溶体。普通硫铝酸盐水泥的含铁相为4CaO·Al2O3·Fe2O3，高铁硫铝酸盐水泥为6CaO·Al2O3·2Fe2O3。3CaO·3Al2O3·CaSO4水化速率较快，力学强度较高，是早期水化活性高的矿物。含铁相早期水化快，强度较高。硅酸二钙与硅酸盐水泥中的不同，主要是在1250～1280℃时由硫铝酸钙的过渡相分解生成，水化速率有所提高。

无水硫铝酸钙的水化反应可用下式表示：

6CaO·Al2O3·2Fe2O3的水化反应可表示为：

硫铝酸盐水泥水化时，各矿物的水化反应均较快。无水硫铝酸钙在水泥浆失去塑性前就形成了大量的钙矾石和氢氧化铝凝胶，硅酸二钙水化又形成C唱S唱H凝胶，铁相反应生成水化铁铝酸钙及氢氧化铝、氢氧化铁凝胶。各种凝胶体快速地不断填充由钙矾石晶体构成的空间网络骨架，逐渐形成致密的水泥石结构，获得很高的早期强度，后期强度还有增长。硫铝酸盐水泥具有显著的快硬早强特性，与铝酸盐水泥相比其后期强度不降低，性能更优良。

3.5.2　硫铝酸盐水泥的特性与应用

硫铝酸盐水泥是现代水泥中的新型系列，与其他系列水泥相比有其自身的特点和优势，目前应用推广已显示出良好的发展前景。其主要特性如下：

①水化硬化快，早期强度高，是快硬早强水泥的主要品种。

②结构致密，干缩小，抗冻性抗渗性良好。

③抗腐蚀性强，对于大部分酸和盐类都有较强的抵抗能力。

④碱度低，与玻璃纤维等增强材料具有很好的结合能力，但对钢筋的锈蚀有一定影响。

⑤耐热性较差。钙矾石在150℃高温下易脱水发生晶形转变，引起强度大幅下降。

⑥高硫型水化硫铝酸钙的膨胀值较大，且易控制，可制成膨胀水泥和自应力水泥。

硫铝酸盐水泥主要应用是有高早强要求的工程，如抢修、接缝堵漏和喷锚支护等；冬季施工工程；高强度混凝土工程；有抗渗要求、抗腐蚀性要求的工程，如地下工程和抗硫酸盐腐蚀工程等；与玻璃纤维配合，生产耐久性好的玻璃纤维增强水泥制品，制作喷射混凝土和薄壳结构构件；由于耐热性较差，不宜用于高温施工及高温结构中。

目前，我国生产的硫铝酸盐水泥已经在房屋建筑工程、市政建筑工程、防水建筑工程、海洋建筑工程和混凝土制品等领域应用取得了较好的效果。

3.5.3　硫铝酸盐水泥的主要品种

1）普通硫铝酸盐水泥

（1）快硬硫铝酸盐水泥

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熟料，加入适量石膏和0～10%的石灰石，磨细制成的早期强度高的水硬性胶凝材料，称为快硬硫铝酸盐水泥，代号R·SAC。

快硬硫铝酸盐水泥的标准代号为JC714—1996。其凝结时间初凝不早于25min，终凝不迟于180min；比表面积不小于350m2/kg；强度要求不小于表3.22的规定。

（2）膨胀硫铝酸盐水泥

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熟料，加入适量石膏磨细制成的具有可调膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为膨胀硫铝酸盐水泥。膨胀硫铝酸盐水泥的标准代号为JC/T739—1987（1996）。按水泥的自由膨胀值分为微膨胀硫铝酸盐水泥和膨胀硫铝酸盐水泥两类，其凝结时间初凝不早于30min，终凝不迟于180min；比表面积不小于400m2/kg；强度标号为525，要求不小于表3.23的规定。

（3）低碱度硫铝酸盐水泥

以无水硫铝酸钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏和20%～50%石灰石磨细制成的具有低碱度、自由膨胀较小的水硬性胶凝材料，称作低碱度硫铝酸盐水泥，代号L·SAC。低碱度硫铝酸盐水泥的标准代号为JC/T659—1997。其凝结时间初凝不早于25min，终凝不迟于180min；比表面积不小于430m2/kg；强度要求不小于表3.24的规定。

2）高铁硫铝酸盐水泥

（1）快硬铁铝酸盐水泥

以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙、铁相和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏和0～10%石灰石，磨细制成的早期强度高的水硬性胶凝材料，称为快硬铁铝酸盐水泥，代号R·FAC。

快硬铁铝酸盐水泥的标准代号为JC435—1996。其凝结时间初凝不早于25min，终凝不迟于180min；比表面积不小于350m2/kg。

（2）膨胀铁铝酸盐水泥

以适当成分的生料，经煅烧所得以铁相、无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石灰石和石膏，磨细制成的具有可调膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为膨胀铁铝酸盐水泥。按水泥的自由膨胀值分为微膨胀铁铝酸盐水泥和膨胀铁铝酸盐水泥两类，其凝结时间初凝不早于30min，终凝不迟于180min；比表面积不小于400m2/kg；强度标号为52.5。

3.6　无熟料固体废弃物水硬性胶凝材料

近年来，随着大量工业产品的生产和使用，随之而来的各种工业废弃物给人类赖以生存的环境带来了沉重的负担，环境的污染和资源的浪费让我们为工业发展付出了巨大的代价。于是，开发和充分利用各种工业废弃物成为了当今世界的重要课题。我国自然资源并不丰富，并且人均占有量仅为世界水平的1/2，属中下等水平，而且由于粗放式经营，资源利用率低，浪费严重，所以工业固体废弃物资源化是最符合实际的处理方法，不仅能收回有用的物质和能源，还能大大减轻固体废渣对环境的危害，将产生巨大的社会效益和利益。本节着重介绍浙江大学宁波理工学院研发的各种无熟料固体废弃物水硬性胶凝材料，为固体废弃物资源化提供必要的理论基础。

3.6.1　新型无熟料碱渣胶凝材料

新型无熟料碱渣胶凝材料是由脱硫石膏、碱渣、矿渣、粉煤灰等工业废弃物为主要原材料，以两种激发剂复合掺入，采用球磨工艺进行深加工，充分激发其活性，研制出的一种能在物理力学性能方面完全满足同标号复合水泥技术标准的水硬性胶凝材料。为了使碱渣等固体废弃物利用最大化，所以取用碱渣用量为45%以上。这种水硬性胶凝材料既能够将废弃物利用最大化且又能符合枟通用硅酸盐水泥枠（GB175—2007）标准中复合硅酸盐水泥技术要求。新型无熟料碱渣胶凝材料配比见表3.25，其各项物理力学性能见表3.26。

3.6.2　新型无熟料钢渣胶凝材料

脱硫石膏和钢渣都是有一定活性成分的工业废弃物，脱硫石膏主要来源于火力发电厂的烟气脱硫工程，而钢渣来源于钢铁冶炼时带来的固体废弃物。多年来，这两种固体废弃物的综合利用水平较低，最常用的处理方法就是就地堆积，然而这不仅占用耕地，而且破坏生态环境，即使少部分在建筑工程中利用，也多是作为地基处理和充当集料。如何综合利用这两种固体废弃物进行高水平应用一直是全行业共同关注的话题。

综合这两种固体废弃物各自的特点进行复合，选用合适的激发剂，在确定影响强度和安定性的几种主要因素，配制强度和安定性等物理力学性能满足水泥技术要求的新型无熟料钢渣胶凝材料。新型无熟料钢渣胶凝材料主要由钢渣、矿渣、脱硫石膏和复合激发剂组成，钢渣用量达45%以上。

3.6.3　新型无熟料铝渣胶凝材料

铝渣等原材料组分和激发剂是对新型无熟料铝渣胶凝材料物理力学性能的影响的主要因素，同时各矿物原材料掺量对强度、凝结时间、标准稠度需水量等性能都有明显影响。新型无熟料铝渣胶凝材料配合比为：铝渣30%以上、矿渣40%以下、激发剂5%以下、脱硫石膏10%以下。表3.27为新型无熟料铝渣胶凝材料的凝结时间，表3.28为新型无熟料铝渣胶凝材料的3d和28d强度实验结果。

3.6.4　无熟料再生微粉钢渣复合胶凝材料

在城市化进程中，建筑垃圾是城市发展的负担，世界上许多城市均有过建筑垃圾围城局面。建筑垃圾是城市固体废弃物，而如今其被认为是最具开发潜力的、永不枯竭的“城市矿藏”资源。建筑垃圾的再生资源化主要技术途径是利用建筑垃圾制备再生骨料混凝土，或将建筑垃圾制备建筑垃圾再生微粉。但是在建筑垃圾处置过程中，80%左右的属于砖瓦结构，目前国内外研究比较深入的是占建筑垃圾20%的废弃混凝土资源化处置方案，且已有再生粗骨料用于配制再生混凝土、再生骨料地方性标准出台。但为实现建筑垃圾的完全再生利用，必须对占建筑垃圾80%左右的属于砖瓦结构废弃物进行系统的利用。建筑垃圾再生微粉颗粒中含有大量的硬化水泥浆体，经烧结的砖瓦微粉由水泥化学的知识可知，这部分水泥浆体并未完全水化，其遇水存在再次水化可能，砖瓦微粉具有一定潜在水化活性和微集料效应，因此可考虑将建筑垃圾再生微粉用于性能调节辅助胶凝材料生产，而其再次水化活性的大小则与废弃混凝土的水化成熟度有着必然的联系。此外再次水化的产物中必然存在Ca（OH）2，可作为碱性激发剂对砖瓦微粉、钢渣、粉煤灰、矿渣等矿物掺合料的活性激发起到积极作用。再生微粉、脱硫石膏对钢渣的激发、脱硫石膏、再生微粉与激发剂联合对钢渣的激发促使无熟料再生微粉钢渣复合胶凝材料强度发展，表3.29为无熟料再生微粉钢渣复合胶凝材料的凝结时间，表3.30为无熟料再生微粉钢渣复合胶凝材料的3d和28d强度实验结果。

采用再生微粉、钢渣和脱硫石膏生产无熟料再生微粉钢渣复合胶凝材料具有十分明显的经济效益和社会效益。以上海宝钢为例说明经济效益。

如宝山钢铁有限公司发电机组投产预计年产生5万吨脱硫石膏，以掺量10%计算，这些石膏可以生产50万吨无熟料再生微粉钢渣复合胶凝材料，同时消化25万吨钢渣及20万吨再生微粉。目前32.5复合水泥的售价大概为260元，而无熟料再生微粉钢渣复合胶凝材料每吨成本在120元左右，如果售价在210～250元，将具有明显的价格竞争优势，预计产生利润8500万元。如果能把全国钢铁企业及周边的工厂无法利用的脱硫石膏和钢渣利用起来，必将产生更大的经济效益和社会效益。

3.6.5　无熟料固体废弃物水硬性胶凝材料的应用

近年来，高等级公路沥青路面用水泥稳定土作为基层和底基层，已成为我国的一种主要路面结构形式。同时，水泥稳定土以其优良的工作性能和显著的经济效益，在我国各主要交通干线、支线和乡村道路建设中也得到了广泛应用。但由于水泥土的收缩作用，在道路运营使用阶段易出现干缩和温缩现象，使半刚性基层很容易产生裂缝，严重影响半刚性沥青路面的使用质量和使用寿命。

碱渣胶凝材料、钢渣胶凝材料和铝渣胶凝材料都可应用于路基土的固结，可改善路基的物理力学性性能，如通过对钢渣胶凝材料固结路基系统的室内试验，分析研究在水泥稳定土中掺入适量细钢渣代替部分土后，混合料的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、抗压回弹模量、干燥收缩以及温度收缩的变化情况。研究结果表明：

①钢渣取代部分土以后的水泥稳定土的无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、抗压回弹模量均比不掺钢渣的情况有明显提高，提高幅度为30%～150%。

②水泥钢渣土混合料的抗压强度、劈裂抗拉强度均随钢渣掺量的增加，先增长后降低。早期强度（28d以前）形成阶段，掺量为20%时强度最高；后期强度（90d），掺量为40%时强度最高。综合分析，掺量为20%～40%时，强度较大。

③钢渣取代部分土以后，对水泥稳定土的干燥收缩和温度收缩性能均有显著改善。干缩应变的大小基本上随着钢渣掺量的增加而减小；温缩系数的大小随着钢渣掺量的增加，呈先减小后增大的趋势，20%时达到极值。钢渣掺量对收缩性能的影响较大，占主要地位，水泥用量的影响作用较小，可忽略不计。

此外，废渣胶凝材料还可应用于墙体材料和地基加固材料等，都能较好地满足工程要求并取得较好的经济效益。

本章小结

本章讨论了水硬性胶凝材料，土木工程中主要应用的水硬性胶凝材料是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥熟料的矿物成分有4种，矿物组成不同，水泥性质会有很大差异。通用硅酸盐水泥的技术性质包括化学指标、碱含量、物理指标（凝结时间、安定性、强度、细度）。硅酸盐水泥若使用不当，会受到腐蚀。腐蚀类型有软水侵蚀、盐类腐蚀、酸类腐蚀、强碱腐蚀等。与硅酸盐水泥相比，掺混合材料的通用硅酸盐水泥具有早期强度低、后期强度增长轻快、水化热小、抗腐蚀性强、对温湿度比较敏感等特点。通用硅酸盐水泥品种不同，性能各异，适用于有不同要求的混凝土和钢筋混凝土工程。此外，针对浙江大学宁波理工学院在固体废弃物资源化研究的特点，介绍了利用固体废弃物制备水硬性胶凝材料的成果。

习　题

一、判断题

1.随水化程度的提高，水泥石中凝胶孔减少，毛细孔增加。（　　）

2.因为水泥是水硬性胶凝材料，故运输和储存时不怕受潮和雨淋。（　　）

3.含重碳酸盐多的湖水中，不能使用硅酸盐水泥。（　　）

4.用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时，混凝土的强度能得到保证，但混凝土的和易性不好。（　　）

5.用水淬粒化高炉矿渣加入适量石膏共同磨细，即可制得矿渣硅酸盐水泥。（　　）

6.水泥安定性不合格可以降级使用。（　　）

7.抗硫酸盐水泥的矿物组成中，C3A含量一定比硅酸盐水泥的高。（　　）

8.硅酸盐水泥细度越细越好。（　　）

9.水泥石中的某些成分能与含碱量高的骨料发生反应，称为碱骨料反应。（　　）

10.由于石膏凝结硬化快，在水泥生产过程中加入石膏是为了起促凝作用。（　　）

二、名词解释

1.活性混合材料

2.水泥的初凝及终凝

3.水泥的体积安定性

4.硅酸盐水泥

三、填空题

1.硅酸盐水泥的水化产物中有两种凝胶，即＿＿＿和＿＿＿，以及3种晶体，即＿＿＿、＿＿＿、和＿＿＿。

2.测定水泥的标准稠度需水量是为＿＿＿及＿＿＿试验作准备的。

3.活性混合材料的主要活性成分是＿＿＿和＿＿＿，常用的激发剂有＿＿＿和＿＿＿。

4.硅酸盐水泥是根据＿＿＿、＿＿＿天的＿＿＿、＿＿＿强度来划分强度等级的。

5.水泥石易受腐蚀的根源是其中含有易受腐蚀的＿＿＿和＿＿＿两种水化产物。

6.生产硅酸盐水泥时掺入适量石膏的目的是起＿＿＿作用，但当掺量过多时，易导致水泥的＿＿＿不合格。

7.引起水泥体积安定性不良的主要原因是水泥中＿＿＿、＿＿＿过多以及＿＿＿掺量过多引起的。

8.硅酸盐水泥中＿＿＿及＿＿＿矿物含量高时，水泥水化及凝结硬化快，强度高；而＿＿＿矿物含量高时，水化放热低，后期强度高。

四、选择题

1.5大品种水泥中，（　　）抗冻性最好。

A.硅酸盐水泥　B.普通硅酸盐水泥　C.矿渣硅酸盐水泥　D.粉煤灰硅酸盐水泥　E.火山灰硅酸盐水泥

2.在下列（　　）情况下，水泥应作废品处理。

A.强度低于强度等级值　B.终凝时间过长　C.初凝时间过短

D.水化热太小　E.体积安定性不合格

3.石膏对硅酸盐水泥石的腐蚀是一种（　　）腐蚀。

A.溶解型　B.溶出型　C.膨胀型　D.松散无胶结型

4.沸煮法安定性试验是检测水泥中（　　）含量是否过多。

A.f唱CaO　B.f唱MgO　C.SO3　D.f唱CaO和f唱MgO

5.掺混合材料的水泥最适于（　　）。

A.自然养护　B.水中养护　C.蒸汽养护　D.标准养护

6.提高水泥熟料中（　　）含量，可制得高强度等级水泥。

A.C3S　B.C2S　C.C3A　D.C4AF

7.矿渣水泥比硅酸盐水泥耐硫酸盐腐蚀能力强的原因是矿渣水泥（　　）。

A.水化产物中氢氧化钙较少　B.铝酸三钙含量降低　C.水化速度及水化热降低　D.A及B

8.水泥熟料矿物组成中耐化学腐蚀能力最差的是（　　）。

A.C3S　B.C2S　C.C3A　D.C4AF

9.硅酸盐水泥硬化形成水泥石，长期处于硫酸盐浓度较高的环境水中，将导致膨胀开裂，这是由于反应生成了（　　）所致。

A.CaSO4　B.CaSO4·2H2O

C.3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O　D.CaO·Al2O3·3CaSO4·11H2O

10.若要求水泥的水化热较低，可适当提高（　　）的含量。

A.C3A　B.C3S　C.C2S　D.C4AF

五、问答题

1.硅酸盐水泥的主要矿物成分是什么？这些矿物的特性如何？

2.硅酸盐水泥的腐蚀有哪几种主要类型？产生水泥石腐蚀的根本原因是什么？有哪些措施防止腐蚀？

3.分析引起水泥体积安定性不良的原因及检验的方法。

4.描述水泥石的结构，并分析影响水泥石强度的因素。

5.下列混凝土工程中应分别优选哪种水泥？并说明理由。

（1）处于干燥环境中的混凝土工程；

（2）厚大体积的混凝土工程；

（3）耐热混凝土；

（4）有抗渗要求的混凝土工程；

（5）严寒地区受冻融的混凝土工程；

（6）军事抢修工程；

（7）接触硫酸盐介质的混凝土工程；

（8）预应力混凝土梁；

（9）海港码头。

六、思考题

1.我国有哪些主要水泥系列，各有哪些主要品种？

2.硅酸盐水泥熟料的主要矿物是什么，各有什么水化硬化特性？

3.什么是非活性混合材料和活性混合材料？它们掺入水泥中各起什么作用？

4.硅酸盐水泥中加入石膏的作用是什么？膨胀水泥中加石膏的作用是什么？

5.通用水泥有哪些品种，各有什么性质和特点？

6.水泥的体积安定性是什么含义，如何检验水泥的安定性？安定性不良的主要原因是什么，为什么？

7.简述硅酸盐水泥凝结硬化的机理，影响水泥凝结硬化的主要因素是什么？

8.硅酸盐水泥的强度如何测定？其强度等级如何评定？