土木工程材料第三章 （二）水泥张德思教授主讲
水泥，指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。 土木建筑工程通常采用的水泥主要有：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、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。
第一节 硅酸盐水泥
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 。
硅酸盐水泥在国际上分为两种类型：
不掺混合材的称 I型硅酸盐水泥,其代号为 P,I；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量 5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称 II型硅酸盐水泥,其代号为Ｐ,II。
一,硅酸盐水泥的生产
生产硅酸盐水泥的原料,主要是石灰质和粘土质两类原料 。 为了补充铁质及改善煅烧条件,还可加入适量铁粉,萤石等 。
生产水泥的基本工序可以概括为：,两磨一烧,,先将原材料破碎并按其化学成分配料后,在球磨机中研磨为生料 。 然后入窑锻烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料,配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度,即得到硅酸盐水泥 。
二,硅酸盐水泥熟料的矿物组成
硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为,
（ ｌ ） 硅酸三钙
硅酸三钙的化学成分为
３Ｃ aＯ ·Ｓ iＯ 2,其简写为Ｃ 3S。 它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分,约占水泥熟料总量的３６ ％ ～６０ ％ 。 硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应,并产生较多的水化热 。 它对促进水泥的凝结硬化,特别是对水泥３～７天内的早期强度以及后期强度都起主要作用 。
（ ２ ） 硅酸二钙
硅酸二钙的化学成分为
2Ｃ aＯ ·Ｓ iＯ 2,其简写为 C2S，
约占水泥熟料总量的 15％ ～ 37％ 。
硅酸二钙遇水后反应较慢,水化热也较低 。 它不影响水泥的凝结,
对水泥的后期强度起主要作用 。
（ ３ ） 铝酸三钙
铝酸三钙的化学成分是３ CaO·Al2O3，
其简写为 C3Ａ,约占水泥熟料总量的 7～
15％ 。 铝酸三钙遇水后反应极快,产生的热量大而且很集中 。 铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用,但其水化产物强度较低,
主要对水泥的早期强度有所贡献 。
（４）铁铝酸四钙
铁铝酸四钙的化学成分为,
４ CaO·Al2O3·Fe2O3，其简写为Ｃ 4AF，约占水泥熟料总量的 10％～ 18％。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。
3.硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥遇水后,水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应,生成各种水化物 。
硅酸三钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙
22222 )(3336)3(2 OHCaOHSi OC aOOHSi OC aO
22222 )(33234)2(2 OHCaOHSi OC aOOHSi OC aO
硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙
铝酸三钙 水 水化铝酸三钙
铁铝酸四钙 水 水化铝酸三钙 水化铁酸钙
OHOAlC a OOHOAlC a O 232232 6363
OHOFeC a OOHOAlC a OOHOFeOAlC a O 23223223232 6374
水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体,也称为钙矾石晶体,
水化硫铝酸钙 （ 钙矾石 ）
经过上述水化反应后,水泥浆中不断增加的水化产物主要有：水化硅酸钙 (50%),氢氧化钙 (25%),水化铝酸钙,水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物 。
OHC aSOOAlC aO
OHOHOAlC aOOHC aSO
2432
223224
3133
1963)2(3
4,硅酸盐水泥的凝结和硬化
水泥加水拌合后的剧烈水化反应,一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面,水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出,水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大,使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小,越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构 。 此时,
水泥浆便开始慢慢失去可塑性,表现为水泥的初凝 。
由于铝酸三钙水化极快,会使水泥很快凝结,为使工程使用时有足够的操作时间,水泥中加入了适量的石膏 。
水泥加入石膏后,一旦铝酸三钙开始水化,石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石 。 钙矾石很难溶解于水,可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面,从而阻碍了铝酸三钙的水化,阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散,降低了水泥的水化速度,
使水泥的初凝时间得以延缓 。
当掺入水泥的石膏消耗殆尽时,水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破,铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行,水泥颗粒间逐渐相互靠近,直至连接形成骨架 。
水泥浆的塑性逐渐消失,直到终凝 。
随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。
随着水泥水化的不断进行,水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程,称为水泥的,凝结,。
随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石 —— 水泥石,这一过程称为水泥的,硬化,。
实际上,水泥的水化过程很慢,
较粗水泥颗粒的内部很难完全水化 。
因此,硬化后的水泥石是由晶体,胶体,未完全水化颗粒,游离水及气孔等组成的不均质体 。
5.影响水泥凝结硬化的主要因素
（ １ ） 矿物组成
不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的,如 C3A水化速率最快,放热量最大而强度不高；
C2S水化速率最慢,放热量最少,早期强度低,后期强度增长迅速等 。 因此,改变水泥的矿物组成,其凝结硬化情况将产生明显变化 。 水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素,
（ ２ ） 水泥浆的水灰比
水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比 。 当水泥浆中加水较多时,水灰比较大,
此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远,颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长,所以水泥浆凝结较慢 。
水泥浆的水灰比较大时,多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低,因此水泥浆的水灰比过大时,会明显降低水泥石的强度 。
（ 3） 石膏掺量
石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时,石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙 （ 钙矾石 ）,钙矾石很难溶解于水,它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜,从而阻碍了铝酸三钙的水化反应,
控制了水泥的水化反应速度,延缓了凝结时间 。
（ 4） 水泥的细度
在矿物组成相同的条件下,水泥磨得愈细,水泥颗粒平均粒径小,比表面积大,水化时与水的接触面大,
水化速度快,相应地水泥凝结硬化速度就快,早期强度就高 。
（ 5） 环境温度和湿度
在适当温度条件下,水泥的水化,凝结和硬化速度较快 。 反应产物增长较快,凝结硬化加速,水化热较多 。 相反,温度降低,
则水化反应减慢,强度增长变缓 。 但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢,甚至下降 。
水的存在是水泥水化反应的必要条件 。 当环境湿度十分干燥时,水泥中的水分将很快蒸发,以致水泥不能充分水化,硬化也将停止；反之,水泥的水化将得以充分进行,强度正常增长 。
（ 6） 龄期 （ 时间 ）
水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程,只要温度,湿度适宜,水泥强度的增长可持续若干年 。
6,硅酸盐水泥的技术要求
（ １ ）,细度
水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响 。 水泥颗粒粒径一般在 7～
200 μm 范围内 。
国家标准 GB175-1999规定,水泥的细度可用比表面积或 0.08 mm方孔筛的筛余量 （ 未通过部分占试样总量的百分率 ） 来表示 。 其筛余量不得超过规定的限值 。 比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和 （ cm2/g
或 m2/kg） 。 一般常为 317～ 350m2/kg。
（ ２ ） 标准稠度用水量
稠度是水泥浆达到一定流动度时的需水量 。
国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定性时需用,标准稠度,的水泥净浆 。
,标准稠度,是人为规定的稠度,其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定 。 硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在２１ ％ ～２
８ ％ 之间 。
（ 3） 凝结时间
水泥从加水开始到失去其流动性,即从液体状态发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程 。 这个过程所需要的时间称为凝结时间 。
凝结时间分初凝时间和终凝时间 。 初凝时间 为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性所需的时间 。 终凝时间 为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间 。
国家标准规定,水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆,在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定 。 硅酸盐水泥的初凝时间不得早于 45min,终凝时间不得迟于 6h 30min。
（ ４ ） 体积安定性
水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性 。 即水泥硬化浆体能保持一定形状,不开裂,不变形,不溃散的性质 。 体积安定性不良的水泥应作废品处理,不得应用于工程中,否则将导致严重后果 。
导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料中的游离氧化钙,游离氧化镁或掺入石膏过多等原因造成的,其中游离氧化钙是一种最为常见,
影响也是最严重的因素 。 熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的,结构致密,水化很慢 。 加之被熟料中其它成分所包裹,使得其在水泥已经硬化后才进行熟化,生成六方板状的
Ca（ OH） 2晶体,这时体积膨胀９７ ％ 以上,
从而导致不均匀体积膨胀,使水泥石开裂 。
当石膏掺量过多时,在水泥硬化后,残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石,体积增大约 1.5倍,从而导致水泥石开裂 。
国家标准规定,水泥的体积安定性用雷氏法或试饼沸煮法检验 。
（ 5） 强度
强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标 。 水泥的强度是按照 GB/T17961-1999,水泥胶砂强度检验方法 （ ISO） 法,的标准方法制作的水泥胶砂试件,在 20± 1° C温度的水中,养护到规定龄期时检测的强度值 。 其中标准试件尺寸为 4cm× 4cm× 16cm,胶砂中水泥与标准砂之比为 1,3 （ W/C=0.5）,
标准试验龄期分别为 ３ d和 28d,分别检验其抗压强度和抗折强度 。 按照测定结果,将硅酸盐水泥分为 42.5,42.5R,52.5,52.5R、
62.5,62.5R六个 强度等级 。 各等级硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求见表 3-1。
表 3-1硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求 (GB175-1999)
强度等级抗压强度（ MPa） 抗折强度（ MPa）
3d 28d 3d 28d
42.5 17.0 42.5 3.5 6.5
42.5R 22.0 42.5 4.0 6.5
52.5 23.0 52.5 4.0 7.0
52.5R 27.0 52.5 5.0 7.0
62.5 28.0 62.5 5.0 8.0
62.5R 32.0 62.5 5.5 8.0
注：表中Ｒ表示早强型，其它为普通型。
(6) 碱含量
水泥中含有较多的强碱物 Na2O
或 K2O时,容易发生不良反应对结构造成危害 。 因而国家标准规定,水泥中的含碱量不得大于
0.6%。
7,水泥石的腐蚀
7.1 水泥石腐蚀的方式
（ １ ） 软水侵蚀
水泥石长期接触软水时,会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出,当水泥石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时,水泥石中的其它含钙矿物也可能分解和溶出,从而导致水泥石结构的强度降低,甚至破坏 。
当水泥石处于软水环境时,特别是处于流动的软水环境中时,水泥被软水侵蚀的速度更快 。
（ ２ ） 一般酸的腐蚀
工程结构处于各种酸性介质中时,
酸性介质易与水泥石中的氢氧化钙反应,其反应产物可能溶于水中而流失,
或发生体积膨胀造成结构物的局部被胀裂,破坏了水泥石的结构 。 其基本化学反应式为：
OHCaHOHCa 22 22)(
（ ３ ） 碳酸的腐蚀
雨水及地下水中常溶有较多的二氧化碳,形成了碳酸 。 碳酸水先与水泥石中的氢氧化钙反应,
中和后使水泥石碳化,形成了碳酸钙,碳酸钙再与碳酸反应生成可溶性的碳酸氢钙,并随水流失,从而破坏了水泥石的结构 。 其腐蚀反应过程为：
OHC a C OOHCOOHCa 23222 2)(
23322 )( H C OCaC a C OOHCO
（ ４ ） 硫酸盐的腐蚀
当环境中含有硫酸盐的水渗入到水泥石结构中时,
会与水泥石中的氢氧化钙反应生成石膏,石膏再与水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石,产生
1.5倍的体积膨胀,这种膨胀必然导致脆性水泥石结构的开裂,甚至崩溃 。 由于钙矾石为微观针状晶体,人们常称其为水泥杆菌 。
此外,有些其它物质也能腐蚀水泥石,如镁盐,
强碱,糖类,脂肪等 。
22432
24232
)(3133
203124
OHCaOHC a S OOAlC a O
OHC a S OOHOAlC a O
7.2 防止水泥石腐蚀的方法
（１）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种，或适当掺加混合材料，减少可腐蚀物质的浓度，防止或延缓水泥的腐蚀。如处于软水环境的工程，常选用掺混合材料的矿渣水泥、火山灰水泥或粉煤灰水泥，因为这些水泥的水泥石中氢氧化钙含量低，对软水侵蚀的抵抗能力强。
（２）提高混凝土的密实度，采取措施减少水泥石结构的孔隙率，特别是提高表面的密实度，阻塞腐蚀介质渗入水泥石的通道。
（ ３ ） 在水泥石结构的表面设置保护层,隔绝腐蚀介质与水泥石的联系 。
如采用涂料,贴面等致密的耐腐蚀层覆盖水泥石,能够有效地保护水泥石不被腐蚀 。
8.硅酸盐水泥的性能特点与应用
（ １ ） 凝结硬化快,早期及后期强度均高,适用于有早强要求的工程,（ 如冬季施工,预制,现浇等工程 ）,高强度混凝土工程 （ 如预应力钢筋混凝土,大坝溢流面部位混凝土 ） 。
（ 2） 抗冻性好,适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程 。
（ 3） 耐腐蚀性差,因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多 。
（ 4） 水化热高,不宜用于大体积混凝土工程 。 但有利于低温季节蓄热法施工 。
（ 5） 抗碳化性好 。 因水化后氢氧化钙含量较多,故水泥石的碱度不易降低,对钢筋的保护作用强 。 适用于空气中二氧化碳浓度高的环境 。
（ 6） 耐热性差 。 因水化后氢氧化钙含量高 。
不适用于承受高温作用的混凝土工程 。
（ 7） 耐磨性好,适用于高速公路,道路和地面工程 。
第二节 掺混合材料的硅酸盐水泥
水泥用混合材料可按其活性的不同,
分为活性混合材料和非活性混合材料 。
1.水泥混合材料
混合材料磨成细粉并与石灰或石膏混合均匀,用水拌和后,在常温下可生成具有水硬性的水化物,这种性质称为混合材料的火山灰活性 。 混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料 。
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 。 其主要化学成分为活性氧化硅和活性氧化铝 。
这些活性材料本身不会发生水化反应,
不产生胶凝性 。 但在氢氧化钙或石膏等溶液中,它们却能产生明显的水化反应,
形成水化硅酸钙和水化铝酸钙：
OnHSi Ox C aOOmHSi OOHx C a 22222)(
OnHOAly C a OOmHOAlOHx C a 2322322)(
掺混合材料的硅酸盐水泥水化时,水泥熟料首先水化产生氢氧化钙,氢氧化钙再与活性混合材料中的活性氧化硅和活性氧化铝反应,形成水化硅酸钙和水化铝酸钙 。 因而,这一反应也称为,二次反应,。
水泥熟料水化产生氢氧化钙,熟料中也含有石膏,因此具备了使活性混合材料发挥活性的条件,常将氢氧化钙,石膏称为活性混合材料的
,激发剂,。 激发剂浓度越高,激发作用越大,
混合材料活性发挥越充分 。 有人认为,在饱和氢氧化钙溶液中,石膏甚至可与水泥中的铝酸三钙形成水化硫铅酸钙 。
非活性混合材料有磨细石英砂、石灰石、粘土、缓冷矿渣等。它们掺入水泥，不与水泥成分起化学反应或化学反应很弱，主要起填充作用，
可调节水泥强度，降低水化热及增加水泥产量等。
2.普通硅酸盐水泥
凡以适当成分的生料烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主的水泥熟料加入 6～ 1５
％ 的混合材料和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.
普通硅酸盐水泥分为 32.5,32.5R,42.5、
42.5R,52.5,52.5R六个强度等级 。 各等级水泥在不同龄期的强度要求见表 3-2。
表 3 - 2 普通硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求
( G B 1 7 5 - 1999)
抗压强度
（ M P a ）
抗折强度
（ M P a ）
强度等级
3d 28d 3d 28d
32.5 1 1.0 32.5 2.5 5.5
32.5R 16.0 32.5 3.5 5.5
42.5 16.0 42.5 3.5 6.5
42.5R 21.0 42.5 4.0 6.5
52.5 21.0 52.5 4.0 7.0
52.5R 26.0 52.5 5.0 7.0
(P58表 3-7）
普通硅酸盐水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度略低,后期强度高 。
（ 2） 水化热略低 。
（ 3） 抗渗性好,抗冻性好,抗碳化能力强 。
（ 4） 抗侵蚀,抗腐蚀能力稍好 。
（ 5） 耐磨性较好；耐热性能较好 。
普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同 。
3,矿渣硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和２０ ％ ～７０ ％ 的粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而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.
矿渣硅酸盐水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度低,后期强度高 。 对温度敏感,
适宜于高温养护 。
（ 2） 水化热较低,放热速度慢 。
（ 3） 具有较好的耐热性能 。
（ 4） 具有较强的抗侵蚀,抗腐蚀能力
（ 5） 泌水性大,干缩较大 。
（ 6） 抗渗性差,抗冻性较差,抗碳化能力差 。
4.火山灰质硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和２０ ％ ～５０ ％ 的火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而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 。
火山灰水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度低,后期强度高 。 对温度敏感,
适宜于高温养护 。
（ 2） 水化热较低,放热速度慢 。
（ 3） 具有较强的抗侵蚀,抗腐蚀能力
（ 4） 需水性大,干缩率较大 。
（ 5） 抗渗性好,抗冻性较差,抗碳化能力差,
耐磨性差 。
5,粉煤灰硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和２０ ％ ～４０ ％ 的粉煤灰及适量石膏混合磨细而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 。
粉煤灰水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度低,后期强度高 。 对温度敏感,
适宜于高温养护 。
（ 2） 水化热较低,放热速度慢 。
（ 3） 具有较强的抗侵蚀,抗腐蚀能力
（ 4） 需水量低,干缩率较小,抗裂性好 。
（ 5） 抗冻性较差,抗碳化能力差,耐磨性差 。
6,矿渣水泥,火山灰水泥,粉煤灰水泥的强度等级
矿渣硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥分为 32.5,32.5R,42.5,42.5R、
52.5,52.5R,六个强度等级 。 各等级水泥在不同龄期的强度要求见表 3-3(P65表 3-9)。 其主要适用范围见表 3-11（ P68）
表 3 - 3 矿渣水泥、火山灰水泥,
粉煤灰水泥的强度要求 ( G B 175 - 1999)
抗压强度（ M P a ） 抗折强度（ M P a ）
强度等级
3d 28d 3d 28d
3 2,5 1 0,0 3 2,5 2,5 5,5
3 2,5 R 1 5,0 3 2,5 3,5 5,5
4 2,5 1 5,0 4 2,5 3,5 6,5
4 2,5 R 1 9,0 4 2,5 4,0 6,5
5 2,5 2 1,0 5 2,5 4,0 7,0
5 2,5 R 2 3,0 5 2,5 4,5 7,0
第三节 铝酸盐水泥
铝酸盐水泥是以石灰岩和矾土为主要原料,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,经磨细而成的水硬性胶凝材料,代号ＣＡ 。
1.铝酸盐水泥的主要矿物成分
（ １ ） 铝酸一钙 （ CaO·Al2O3简写 ＣＡ ） 凝结正常,硬化迅速,为铝酸盐水泥强度的主要来源 。
（ ２ ） 二铝酸一钙 （ CaO·2Al2O3简写 ＣＡ 2）,
其特点是凝结硬化慢,早期强度较低,后期强度高 。
此外还有少量水化极快,凝结迅速而强度不高的七铝酸十二钙 （ Ｃ 12Ａ 7） 以及胶凝性极差的铝方柱石 （ C2AS）,六铝酸一钙 （ CA6） 等矿物 。
2.铝酸盐水泥的水化与硬化
铝酸一钙由于晶体结构中钙,铝的配位极不规则,水化极快 。 其水化过程及其产物与温度的关系极大,当温度低于 30° C时,水化生成水化铝酸钙
（ CAH10）,水化铝酸二钙 （ C2AH8）,
氢氧化铝凝胶 （ AH3） 。
OHOAlOHOAlC a OOHOAlC a O 232232232 38211)(2
水化铝酸二钙 氢氧化铝凝胶
铝酸盐水泥的硬化过程与硅酸盐水泥基本相似 。 CAH10,C2AH8都属六方晶系,其晶体呈片状或针状,互相交错攀附,重叠结合,可形成坚强的结晶共生体,使水泥获得很高的强度 。 氢氧化铝凝胶又填充于晶体骨架的空隙,所以能形成比较致密的结构 。
当温度高于 30° C时,水化生成立方晶系的水化铝酸三钙 （ C3AH6）,氢氧化铝凝胶
（ AH3） 。 此时形成的水泥石孔隙率很大,
强度较低 。 因而铝酸盐水泥不宜在高于
30℃ 的条件下养护 。
3.铝酸盐水泥的技术要求
（ １ ） 细度 比表面积不小于 300 m2/kg或
0.045mm筛余不大于 20%。
（ ２ ） 凝结时间
按 GB201-2000规定的标准稠度胶砂测得的凝结时间应符合如下要求,CA-50,CA-70、
CA-80铝酸盐水泥的初凝时间不早于 30min，
终凝时间应不迟于 6ｈ； CA-60铝酸盐水泥的初凝时间不早于 60min,终凝时间应不迟于
18ｈ 。
（ ３ ） 强度
铝酸盐水泥按照 Al2O3含量分为四类 。 各类型铝酸盐水泥的不同龄期强度值不得低于表
3-4的规定 。
表 3 - 4 铝酸盐水泥的强度要求 ( G B 201 - 2000 )
抗压强度（ M P a ） 抗折强度（ M P a ）
类型
6h 1d 3d 28d 6h 1d 3d 28d
CA - 50 20 40 50 3,0 5,5 6,5
CA - 60 20 45 85 2,5 5,0 1 0,0
CA - 70 30 40 5,0 6,0
CA - 80 25 30 4,0 5,0
（ 4） 铝酸盐水泥受到高温作用时,由于产生了固相反应,烧结结合代替了水化结合,因而具有良好的耐高温性能 。
4.铝酸盐水泥的性能与应用
（ １ ） 早期强度很高,故适用于工期紧急的工程 。 如国防,道路和紧急抢修工程 。
（ ２ ） 抗渗性,抗冻性好 。 铝酸盐水泥拌合需水量少,而水化需水量大,故硬化后水泥石的孔隙率很小 。
（ ３ ） 抗硫酸盐腐蚀性好 。 因水化产物中不含有氢氧化钙,并且氢氧化铝凝胶包裹其它水化产物起到保护作用以及水泥石的孔隙率很小,故适合抗硫酸盐腐蚀工程 。
（ ４ ） 水化放热极快且放热量大,不得应用于大体积混凝土工程 。
（ ５ ） 耐热性好 。 高温下产生烧结作用,
具有良好的耐高温性能,较高的强度,
故适合耐热工程 。
（ ６ ） 长期强度降低较大,不适合长期承载结构 。
（ ７ ） 高温,高湿度条件下强度显著降低 。 不宜在高温,高湿环境中施工,使用 。
第四节 其它品种水泥
1,道路硅酸盐水泥
凡由适当成分的生料烧至部分熔融,
所得以硅酸钙为主要成分,并且铁铝酸钙含量较多的硅酸盐水泥熟料,称为道路硅酸盐水泥熟料 。
以道路硅酸盐水泥熟料,０～１０
％ 活性混合材料和适量石膏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 。
国家标准规定,道路水泥中铝酸三钙含量不大于 5.0％,铁铝酸四钙含量不小于 16.0％,游离 CaO含量不大于
1.0％ 。 道路硅酸盐水泥强度较高,
特别是抗折强度高,耐磨性好,干缩率低,抗冲击性,抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力比较好 。 因而特别适用于水泥混凝土路面,机场跑道,车站及公共广场等工程的面层混凝土中应用 。
２,中热硅酸盐水泥
由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 。
3,低热矿渣硅酸盐水泥
由适当成分的硅酸盐水泥熟料,加入矿渣,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 。 其中矿渣的掺量按质量计为
20～ 60％,允许用不超过混合材料总量 50％
的磷渣或粉煤灰代替部分矿渣 。
4,低热微膨胀硅酸盐水泥
以粒化高炉矿渣为主要组分,加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏,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,称为低热微膨胀硅酸盐水泥,简称低热微膨胀水泥 。
低热微膨胀水泥中石膏掺量较高,水化过程中产生的钙矾石较多,使水泥石在早期产生适当的膨胀,增加了水泥石结构的密实度,相应地改善了水泥石的抗渗性 。 因此,低热膨胀水泥不仅水化热低,适于大体积水泥混凝土工程,而且水泥石的内部结构致密,抗渗性能好,
耐腐蚀性能进一步改善 。 可见,对大体积水中构筑物,特别是抗渗性要求较高时,使用低热微膨胀水泥应是最佳的选择之一 。
5,抗硫酸盐硅酸盐水泥
在以硅酸钙为主要矿物成分的水泥熟料中,
加入适量石膏磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料,称为抗硫酸盐硅酸盐水泥,简称抗硫酸盐水泥 。
在抗硫酸盐水泥中,主要限制了水泥熟料中
Ｃ 3Ａ和Ｃ 4ＡＦ的含量,也限制了Ｃ 3Ｓ的含量,
使水泥的水化热较低,抗硫酸盐能力较强,特别适于海工构筑物及其它有耐硫酸盐腐蚀性要求的水中大体积混凝土结构 。
中热,低热矿渣,低热微膨胀和抗硫酸盐水泥等品种常用于水中建筑工程因而又称为水工硅酸盐水泥 。
6,白色硅酸盐水泥,彩色硅酸盐水泥
白色硅酸盐水泥的组成,性质与硅酸盐水泥基本相同,所不同的是在配料和生产过程中严格控制着色氧化物
（ Fe2O3,MnO,Cr2O3,TiO2等 ） 的含量,因而具有白色 。
彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥 。 它是用白水泥熟料,适量石膏和耐碱矿物颜料共同磨细而制成的 。 也可以在白水泥生料中加入适当金属氧化物作着色剂,在一定燃烧气氛中直接烧成彩色水泥熟料 。 常用的有氧化铁 （ 红,黄,褐,
黑色 ）,氧化锰 （ 褐,黑色 ）,氧化铬 （ 绿色 ）,群青 （ 蓝色 ）,赭石 （ 赭色 ） 等 。 深色调的彩色水泥可在普通硅酸盐水泥中掺入适当颜料而制得 。
白水泥和彩色水泥广泛地应用于建筑装修中 。
如制作彩色水磨石,饰面砖,锦砖,玻璃马赛克以及制作水刷石,斩假石,水泥花砖等 。 #
例 3-1 硅酸盐水泥熟料由那些矿物成分所组成？ 这些矿物成分对水泥的性质有何影响？
解 硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙Ｃ 3S,硅酸二钙 C2S,铝酸三钙 C3Ａ和铁铝酸四钙Ｃ 4AF。 这些矿物成分对水泥性质产生的影响见下表：
Ｃ
3
S C 2 S C
3
Ａ Ｃ C
4
AF
凝结硬化速度快 慢 最快 快
28d
水化热大 小 最大 中 中强度 高早期低后期高低 低耐腐蚀性 差 强 最差 中
例 3-2 何谓水泥的体积安定性？ 水泥的体积安定性不良的原因是什么？ 安定性不良的水泥应如何处理？
解
水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性 。 即水泥硬化浆体能保持一定形状,不开裂,不变形,不溃散的性质 。 导致水泥安定性不良的主要原因是：
（ 1） 由于熟料中含有的的游离氧化钙,游离氧化镁过多；
（ 2） 掺入石膏过多；
其中游离氧化钙是一种最为常见,影响也是最严重的因素 。 熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的,结构致密,水化很慢 。 加之被熟料中其它成分所包裹,使得其在水泥已经硬化后才进行熟化,生成六方板状的 Ca（ OH） 2晶体,这时体积膨胀 97％ 以上,从而导致不均匀体积膨胀,使水泥石开裂 。 当石膏掺量过多时,在水泥硬化后,
残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石,体积增大约 1.5倍,也导致水泥石开裂 。
体积安定性不良的水泥,会发生膨胀性裂纹使水泥制品或混凝土开裂,造成结构破坏 。 因此体积安定性不良的水泥,应判为废品,不得在工程中使用 。
例 3-3 现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐水泥，请加以鉴别（化学分析除外）。
解
取相同质量的四种粉末，分别加入适量的水拌合为同一稠度的浆体。放热量最大且有大量水蒸气产生的为生石灰粉；在５～
３０分钟内凝结硬化并具有一定强度的为建筑石膏；在４５分钟到１２小时内凝结硬化的为白色水泥；加水后没有任何反应和变化的为白色石灰石粉。
鉴别这四种白色粉末的方法有很多，主要是根据四者的特性来区分。生石灰加水，
发生消解成为消石灰 — 氢氧化钙，这个过程称为石灰的,消化,,又称,熟化,,
同时放出大量的热；建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。一般石膏的初凝时间仅为 10min左右，
终凝时间不超过 30min。白色硅酸盐水泥的性能和硅酸盐水泥基本项同，其初凝时间不早于 45min，终凝时间不超过 6h30min。
石灰石粉与水不发生任何反应。
水泥，指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。 土木建筑工程通常采用的水泥主要有：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、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。
第一节 硅酸盐水泥
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 。
硅酸盐水泥在国际上分为两种类型：
不掺混合材的称 I型硅酸盐水泥,其代号为 P,I；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量 5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称 II型硅酸盐水泥,其代号为Ｐ,II。
一,硅酸盐水泥的生产
生产硅酸盐水泥的原料,主要是石灰质和粘土质两类原料 。 为了补充铁质及改善煅烧条件,还可加入适量铁粉,萤石等 。
生产水泥的基本工序可以概括为：,两磨一烧,,先将原材料破碎并按其化学成分配料后,在球磨机中研磨为生料 。 然后入窑锻烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料,配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度,即得到硅酸盐水泥 。
二,硅酸盐水泥熟料的矿物组成
硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为,
（ ｌ ） 硅酸三钙
硅酸三钙的化学成分为
３Ｃ aＯ ·Ｓ iＯ 2,其简写为Ｃ 3S。 它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分,约占水泥熟料总量的３６ ％ ～６０ ％ 。 硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应,并产生较多的水化热 。 它对促进水泥的凝结硬化,特别是对水泥３～７天内的早期强度以及后期强度都起主要作用 。
（ ２ ） 硅酸二钙
硅酸二钙的化学成分为
2Ｃ aＯ ·Ｓ iＯ 2,其简写为 C2S，
约占水泥熟料总量的 15％ ～ 37％ 。
硅酸二钙遇水后反应较慢,水化热也较低 。 它不影响水泥的凝结,
对水泥的后期强度起主要作用 。
（ ３ ） 铝酸三钙
铝酸三钙的化学成分是３ CaO·Al2O3，
其简写为 C3Ａ,约占水泥熟料总量的 7～
15％ 。 铝酸三钙遇水后反应极快,产生的热量大而且很集中 。 铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用,但其水化产物强度较低,
主要对水泥的早期强度有所贡献 。
（４）铁铝酸四钙
铁铝酸四钙的化学成分为,
４ CaO·Al2O3·Fe2O3，其简写为Ｃ 4AF，约占水泥熟料总量的 10％～ 18％。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。
3.硅酸盐水泥的水化
硅酸盐水泥遇水后,水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应,生成各种水化物 。
硅酸三钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙
22222 )(3336)3(2 OHCaOHSi OC aOOHSi OC aO
22222 )(33234)2(2 OHCaOHSi OC aOOHSi OC aO
硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙
铝酸三钙 水 水化铝酸三钙
铁铝酸四钙 水 水化铝酸三钙 水化铁酸钙
OHOAlC a OOHOAlC a O 232232 6363
OHOFeC a OOHOAlC a OOHOFeOAlC a O 23223223232 6374
水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体,也称为钙矾石晶体,
水化硫铝酸钙 （ 钙矾石 ）
经过上述水化反应后,水泥浆中不断增加的水化产物主要有：水化硅酸钙 (50%),氢氧化钙 (25%),水化铝酸钙,水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物 。
OHC aSOOAlC aO
OHOHOAlC aOOHC aSO
2432
223224
3133
1963)2(3
4,硅酸盐水泥的凝结和硬化
水泥加水拌合后的剧烈水化反应,一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面,水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出,水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大,使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小,越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构 。 此时,
水泥浆便开始慢慢失去可塑性,表现为水泥的初凝 。
由于铝酸三钙水化极快,会使水泥很快凝结,为使工程使用时有足够的操作时间,水泥中加入了适量的石膏 。
水泥加入石膏后,一旦铝酸三钙开始水化,石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石 。 钙矾石很难溶解于水,可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面,从而阻碍了铝酸三钙的水化,阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散,降低了水泥的水化速度,
使水泥的初凝时间得以延缓 。
当掺入水泥的石膏消耗殆尽时,水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破,铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行,水泥颗粒间逐渐相互靠近,直至连接形成骨架 。
水泥浆的塑性逐渐消失,直到终凝 。
随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。
随着水泥水化的不断进行,水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程,称为水泥的,凝结,。
随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石 —— 水泥石,这一过程称为水泥的,硬化,。
实际上,水泥的水化过程很慢,
较粗水泥颗粒的内部很难完全水化 。
因此,硬化后的水泥石是由晶体,胶体,未完全水化颗粒,游离水及气孔等组成的不均质体 。
5.影响水泥凝结硬化的主要因素
（ １ ） 矿物组成
不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的,如 C3A水化速率最快,放热量最大而强度不高；
C2S水化速率最慢,放热量最少,早期强度低,后期强度增长迅速等 。 因此,改变水泥的矿物组成,其凝结硬化情况将产生明显变化 。 水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素,
（ ２ ） 水泥浆的水灰比
水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比 。 当水泥浆中加水较多时,水灰比较大,
此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远,颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长,所以水泥浆凝结较慢 。
水泥浆的水灰比较大时,多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低,因此水泥浆的水灰比过大时,会明显降低水泥石的强度 。
（ 3） 石膏掺量
石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时,石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙 （ 钙矾石 ）,钙矾石很难溶解于水,它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜,从而阻碍了铝酸三钙的水化反应,
控制了水泥的水化反应速度,延缓了凝结时间 。
（ 4） 水泥的细度
在矿物组成相同的条件下,水泥磨得愈细,水泥颗粒平均粒径小,比表面积大,水化时与水的接触面大,
水化速度快,相应地水泥凝结硬化速度就快,早期强度就高 。
（ 5） 环境温度和湿度
在适当温度条件下,水泥的水化,凝结和硬化速度较快 。 反应产物增长较快,凝结硬化加速,水化热较多 。 相反,温度降低,
则水化反应减慢,强度增长变缓 。 但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢,甚至下降 。
水的存在是水泥水化反应的必要条件 。 当环境湿度十分干燥时,水泥中的水分将很快蒸发,以致水泥不能充分水化,硬化也将停止；反之,水泥的水化将得以充分进行,强度正常增长 。
（ 6） 龄期 （ 时间 ）
水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程,只要温度,湿度适宜,水泥强度的增长可持续若干年 。
6,硅酸盐水泥的技术要求
（ １ ）,细度
水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响 。 水泥颗粒粒径一般在 7～
200 μm 范围内 。
国家标准 GB175-1999规定,水泥的细度可用比表面积或 0.08 mm方孔筛的筛余量 （ 未通过部分占试样总量的百分率 ） 来表示 。 其筛余量不得超过规定的限值 。 比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和 （ cm2/g
或 m2/kg） 。 一般常为 317～ 350m2/kg。
（ ２ ） 标准稠度用水量
稠度是水泥浆达到一定流动度时的需水量 。
国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定性时需用,标准稠度,的水泥净浆 。
,标准稠度,是人为规定的稠度,其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定 。 硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在２１ ％ ～２
８ ％ 之间 。
（ 3） 凝结时间
水泥从加水开始到失去其流动性,即从液体状态发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程 。 这个过程所需要的时间称为凝结时间 。
凝结时间分初凝时间和终凝时间 。 初凝时间 为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性所需的时间 。 终凝时间 为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间 。
国家标准规定,水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆,在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定 。 硅酸盐水泥的初凝时间不得早于 45min,终凝时间不得迟于 6h 30min。
（ ４ ） 体积安定性
水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性 。 即水泥硬化浆体能保持一定形状,不开裂,不变形,不溃散的性质 。 体积安定性不良的水泥应作废品处理,不得应用于工程中,否则将导致严重后果 。
导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料中的游离氧化钙,游离氧化镁或掺入石膏过多等原因造成的,其中游离氧化钙是一种最为常见,
影响也是最严重的因素 。 熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的,结构致密,水化很慢 。 加之被熟料中其它成分所包裹,使得其在水泥已经硬化后才进行熟化,生成六方板状的
Ca（ OH） 2晶体,这时体积膨胀９７ ％ 以上,
从而导致不均匀体积膨胀,使水泥石开裂 。
当石膏掺量过多时,在水泥硬化后,残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石,体积增大约 1.5倍,从而导致水泥石开裂 。
国家标准规定,水泥的体积安定性用雷氏法或试饼沸煮法检验 。
（ 5） 强度
强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标 。 水泥的强度是按照 GB/T17961-1999,水泥胶砂强度检验方法 （ ISO） 法,的标准方法制作的水泥胶砂试件,在 20± 1° C温度的水中,养护到规定龄期时检测的强度值 。 其中标准试件尺寸为 4cm× 4cm× 16cm,胶砂中水泥与标准砂之比为 1,3 （ W/C=0.5）,
标准试验龄期分别为 ３ d和 28d,分别检验其抗压强度和抗折强度 。 按照测定结果,将硅酸盐水泥分为 42.5,42.5R,52.5,52.5R、
62.5,62.5R六个 强度等级 。 各等级硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求见表 3-1。
表 3-1硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求 (GB175-1999)
强度等级抗压强度（ MPa） 抗折强度（ MPa）
3d 28d 3d 28d
42.5 17.0 42.5 3.5 6.5
42.5R 22.0 42.5 4.0 6.5
52.5 23.0 52.5 4.0 7.0
52.5R 27.0 52.5 5.0 7.0
62.5 28.0 62.5 5.0 8.0
62.5R 32.0 62.5 5.5 8.0
注：表中Ｒ表示早强型，其它为普通型。
(6) 碱含量
水泥中含有较多的强碱物 Na2O
或 K2O时,容易发生不良反应对结构造成危害 。 因而国家标准规定,水泥中的含碱量不得大于
0.6%。
7,水泥石的腐蚀
7.1 水泥石腐蚀的方式
（ １ ） 软水侵蚀
水泥石长期接触软水时,会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出,当水泥石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时,水泥石中的其它含钙矿物也可能分解和溶出,从而导致水泥石结构的强度降低,甚至破坏 。
当水泥石处于软水环境时,特别是处于流动的软水环境中时,水泥被软水侵蚀的速度更快 。
（ ２ ） 一般酸的腐蚀
工程结构处于各种酸性介质中时,
酸性介质易与水泥石中的氢氧化钙反应,其反应产物可能溶于水中而流失,
或发生体积膨胀造成结构物的局部被胀裂,破坏了水泥石的结构 。 其基本化学反应式为：
OHCaHOHCa 22 22)(
（ ３ ） 碳酸的腐蚀
雨水及地下水中常溶有较多的二氧化碳,形成了碳酸 。 碳酸水先与水泥石中的氢氧化钙反应,
中和后使水泥石碳化,形成了碳酸钙,碳酸钙再与碳酸反应生成可溶性的碳酸氢钙,并随水流失,从而破坏了水泥石的结构 。 其腐蚀反应过程为：
OHC a C OOHCOOHCa 23222 2)(
23322 )( H C OCaC a C OOHCO
（ ４ ） 硫酸盐的腐蚀
当环境中含有硫酸盐的水渗入到水泥石结构中时,
会与水泥石中的氢氧化钙反应生成石膏,石膏再与水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石,产生
1.5倍的体积膨胀,这种膨胀必然导致脆性水泥石结构的开裂,甚至崩溃 。 由于钙矾石为微观针状晶体,人们常称其为水泥杆菌 。
此外,有些其它物质也能腐蚀水泥石,如镁盐,
强碱,糖类,脂肪等 。
22432
24232
)(3133
203124
OHCaOHC a S OOAlC a O
OHC a S OOHOAlC a O
7.2 防止水泥石腐蚀的方法
（１）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种，或适当掺加混合材料，减少可腐蚀物质的浓度，防止或延缓水泥的腐蚀。如处于软水环境的工程，常选用掺混合材料的矿渣水泥、火山灰水泥或粉煤灰水泥，因为这些水泥的水泥石中氢氧化钙含量低，对软水侵蚀的抵抗能力强。
（２）提高混凝土的密实度，采取措施减少水泥石结构的孔隙率，特别是提高表面的密实度，阻塞腐蚀介质渗入水泥石的通道。
（ ３ ） 在水泥石结构的表面设置保护层,隔绝腐蚀介质与水泥石的联系 。
如采用涂料,贴面等致密的耐腐蚀层覆盖水泥石,能够有效地保护水泥石不被腐蚀 。
8.硅酸盐水泥的性能特点与应用
（ １ ） 凝结硬化快,早期及后期强度均高,适用于有早强要求的工程,（ 如冬季施工,预制,现浇等工程 ）,高强度混凝土工程 （ 如预应力钢筋混凝土,大坝溢流面部位混凝土 ） 。
（ 2） 抗冻性好,适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程 。
（ 3） 耐腐蚀性差,因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多 。
（ 4） 水化热高,不宜用于大体积混凝土工程 。 但有利于低温季节蓄热法施工 。
（ 5） 抗碳化性好 。 因水化后氢氧化钙含量较多,故水泥石的碱度不易降低,对钢筋的保护作用强 。 适用于空气中二氧化碳浓度高的环境 。
（ 6） 耐热性差 。 因水化后氢氧化钙含量高 。
不适用于承受高温作用的混凝土工程 。
（ 7） 耐磨性好,适用于高速公路,道路和地面工程 。
第二节 掺混合材料的硅酸盐水泥
水泥用混合材料可按其活性的不同,
分为活性混合材料和非活性混合材料 。
1.水泥混合材料
混合材料磨成细粉并与石灰或石膏混合均匀,用水拌和后,在常温下可生成具有水硬性的水化物,这种性质称为混合材料的火山灰活性 。 混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料 。
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 。 其主要化学成分为活性氧化硅和活性氧化铝 。
这些活性材料本身不会发生水化反应,
不产生胶凝性 。 但在氢氧化钙或石膏等溶液中,它们却能产生明显的水化反应,
形成水化硅酸钙和水化铝酸钙：
OnHSi Ox C aOOmHSi OOHx C a 22222)(
OnHOAly C a OOmHOAlOHx C a 2322322)(
掺混合材料的硅酸盐水泥水化时,水泥熟料首先水化产生氢氧化钙,氢氧化钙再与活性混合材料中的活性氧化硅和活性氧化铝反应,形成水化硅酸钙和水化铝酸钙 。 因而,这一反应也称为,二次反应,。
水泥熟料水化产生氢氧化钙,熟料中也含有石膏,因此具备了使活性混合材料发挥活性的条件,常将氢氧化钙,石膏称为活性混合材料的
,激发剂,。 激发剂浓度越高,激发作用越大,
混合材料活性发挥越充分 。 有人认为,在饱和氢氧化钙溶液中,石膏甚至可与水泥中的铝酸三钙形成水化硫铅酸钙 。
非活性混合材料有磨细石英砂、石灰石、粘土、缓冷矿渣等。它们掺入水泥，不与水泥成分起化学反应或化学反应很弱，主要起填充作用，
可调节水泥强度，降低水化热及增加水泥产量等。
2.普通硅酸盐水泥
凡以适当成分的生料烧至部分熔融,所得以硅酸钙为主的水泥熟料加入 6～ 1５
％ 的混合材料和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.
普通硅酸盐水泥分为 32.5,32.5R,42.5、
42.5R,52.5,52.5R六个强度等级 。 各等级水泥在不同龄期的强度要求见表 3-2。
表 3 - 2 普通硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求
( G B 1 7 5 - 1999)
抗压强度
（ M P a ）
抗折强度
（ M P a ）
强度等级
3d 28d 3d 28d
32.5 1 1.0 32.5 2.5 5.5
32.5R 16.0 32.5 3.5 5.5
42.5 16.0 42.5 3.5 6.5
42.5R 21.0 42.5 4.0 6.5
52.5 21.0 52.5 4.0 7.0
52.5R 26.0 52.5 5.0 7.0
(P58表 3-7）
普通硅酸盐水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度略低,后期强度高 。
（ 2） 水化热略低 。
（ 3） 抗渗性好,抗冻性好,抗碳化能力强 。
（ 4） 抗侵蚀,抗腐蚀能力稍好 。
（ 5） 耐磨性较好；耐热性能较好 。
普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同 。
3,矿渣硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和２０ ％ ～７０ ％ 的粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而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.
矿渣硅酸盐水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度低,后期强度高 。 对温度敏感,
适宜于高温养护 。
（ 2） 水化热较低,放热速度慢 。
（ 3） 具有较好的耐热性能 。
（ 4） 具有较强的抗侵蚀,抗腐蚀能力
（ 5） 泌水性大,干缩较大 。
（ 6） 抗渗性差,抗冻性较差,抗碳化能力差 。
4.火山灰质硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和２０ ％ ～５０ ％ 的火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而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 。
火山灰水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度低,后期强度高 。 对温度敏感,
适宜于高温养护 。
（ 2） 水化热较低,放热速度慢 。
（ 3） 具有较强的抗侵蚀,抗腐蚀能力
（ 4） 需水性大,干缩率较大 。
（ 5） 抗渗性好,抗冻性较差,抗碳化能力差,
耐磨性差 。
5,粉煤灰硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料和２０ ％ ～４０ ％ 的粉煤灰及适量石膏混合磨细而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 。
粉煤灰水泥的主要性能特点如下：
（ 1） 早期强度低,后期强度高 。 对温度敏感,
适宜于高温养护 。
（ 2） 水化热较低,放热速度慢 。
（ 3） 具有较强的抗侵蚀,抗腐蚀能力
（ 4） 需水量低,干缩率较小,抗裂性好 。
（ 5） 抗冻性较差,抗碳化能力差,耐磨性差 。
6,矿渣水泥,火山灰水泥,粉煤灰水泥的强度等级
矿渣硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥分为 32.5,32.5R,42.5,42.5R、
52.5,52.5R,六个强度等级 。 各等级水泥在不同龄期的强度要求见表 3-3(P65表 3-9)。 其主要适用范围见表 3-11（ P68）
表 3 - 3 矿渣水泥、火山灰水泥,
粉煤灰水泥的强度要求 ( G B 175 - 1999)
抗压强度（ M P a ） 抗折强度（ M P a ）
强度等级
3d 28d 3d 28d
3 2,5 1 0,0 3 2,5 2,5 5,5
3 2,5 R 1 5,0 3 2,5 3,5 5,5
4 2,5 1 5,0 4 2,5 3,5 6,5
4 2,5 R 1 9,0 4 2,5 4,0 6,5
5 2,5 2 1,0 5 2,5 4,0 7,0
5 2,5 R 2 3,0 5 2,5 4,5 7,0
第三节 铝酸盐水泥
铝酸盐水泥是以石灰岩和矾土为主要原料,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,经磨细而成的水硬性胶凝材料,代号ＣＡ 。
1.铝酸盐水泥的主要矿物成分
（ １ ） 铝酸一钙 （ CaO·Al2O3简写 ＣＡ ） 凝结正常,硬化迅速,为铝酸盐水泥强度的主要来源 。
（ ２ ） 二铝酸一钙 （ CaO·2Al2O3简写 ＣＡ 2）,
其特点是凝结硬化慢,早期强度较低,后期强度高 。
此外还有少量水化极快,凝结迅速而强度不高的七铝酸十二钙 （ Ｃ 12Ａ 7） 以及胶凝性极差的铝方柱石 （ C2AS）,六铝酸一钙 （ CA6） 等矿物 。
2.铝酸盐水泥的水化与硬化
铝酸一钙由于晶体结构中钙,铝的配位极不规则,水化极快 。 其水化过程及其产物与温度的关系极大,当温度低于 30° C时,水化生成水化铝酸钙
（ CAH10）,水化铝酸二钙 （ C2AH8）,
氢氧化铝凝胶 （ AH3） 。
OHOAlOHOAlC a OOHOAlC a O 232232232 38211)(2
水化铝酸二钙 氢氧化铝凝胶
铝酸盐水泥的硬化过程与硅酸盐水泥基本相似 。 CAH10,C2AH8都属六方晶系,其晶体呈片状或针状,互相交错攀附,重叠结合,可形成坚强的结晶共生体,使水泥获得很高的强度 。 氢氧化铝凝胶又填充于晶体骨架的空隙,所以能形成比较致密的结构 。
当温度高于 30° C时,水化生成立方晶系的水化铝酸三钙 （ C3AH6）,氢氧化铝凝胶
（ AH3） 。 此时形成的水泥石孔隙率很大,
强度较低 。 因而铝酸盐水泥不宜在高于
30℃ 的条件下养护 。
3.铝酸盐水泥的技术要求
（ １ ） 细度 比表面积不小于 300 m2/kg或
0.045mm筛余不大于 20%。
（ ２ ） 凝结时间
按 GB201-2000规定的标准稠度胶砂测得的凝结时间应符合如下要求,CA-50,CA-70、
CA-80铝酸盐水泥的初凝时间不早于 30min，
终凝时间应不迟于 6ｈ； CA-60铝酸盐水泥的初凝时间不早于 60min,终凝时间应不迟于
18ｈ 。
（ ３ ） 强度
铝酸盐水泥按照 Al2O3含量分为四类 。 各类型铝酸盐水泥的不同龄期强度值不得低于表
3-4的规定 。
表 3 - 4 铝酸盐水泥的强度要求 ( G B 201 - 2000 )
抗压强度（ M P a ） 抗折强度（ M P a ）
类型
6h 1d 3d 28d 6h 1d 3d 28d
CA - 50 20 40 50 3,0 5,5 6,5
CA - 60 20 45 85 2,5 5,0 1 0,0
CA - 70 30 40 5,0 6,0
CA - 80 25 30 4,0 5,0
（ 4） 铝酸盐水泥受到高温作用时,由于产生了固相反应,烧结结合代替了水化结合,因而具有良好的耐高温性能 。
4.铝酸盐水泥的性能与应用
（ １ ） 早期强度很高,故适用于工期紧急的工程 。 如国防,道路和紧急抢修工程 。
（ ２ ） 抗渗性,抗冻性好 。 铝酸盐水泥拌合需水量少,而水化需水量大,故硬化后水泥石的孔隙率很小 。
（ ３ ） 抗硫酸盐腐蚀性好 。 因水化产物中不含有氢氧化钙,并且氢氧化铝凝胶包裹其它水化产物起到保护作用以及水泥石的孔隙率很小,故适合抗硫酸盐腐蚀工程 。
（ ４ ） 水化放热极快且放热量大,不得应用于大体积混凝土工程 。
（ ５ ） 耐热性好 。 高温下产生烧结作用,
具有良好的耐高温性能,较高的强度,
故适合耐热工程 。
（ ６ ） 长期强度降低较大,不适合长期承载结构 。
（ ７ ） 高温,高湿度条件下强度显著降低 。 不宜在高温,高湿环境中施工,使用 。
第四节 其它品种水泥
1,道路硅酸盐水泥
凡由适当成分的生料烧至部分熔融,
所得以硅酸钙为主要成分,并且铁铝酸钙含量较多的硅酸盐水泥熟料,称为道路硅酸盐水泥熟料 。
以道路硅酸盐水泥熟料,０～１０
％ 活性混合材料和适量石膏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 。
国家标准规定,道路水泥中铝酸三钙含量不大于 5.0％,铁铝酸四钙含量不小于 16.0％,游离 CaO含量不大于
1.0％ 。 道路硅酸盐水泥强度较高,
特别是抗折强度高,耐磨性好,干缩率低,抗冲击性,抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力比较好 。 因而特别适用于水泥混凝土路面,机场跑道,车站及公共广场等工程的面层混凝土中应用 。
２,中热硅酸盐水泥
由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 。
3,低热矿渣硅酸盐水泥
由适当成分的硅酸盐水泥熟料,加入矿渣,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 。 其中矿渣的掺量按质量计为
20～ 60％,允许用不超过混合材料总量 50％
的磷渣或粉煤灰代替部分矿渣 。
4,低热微膨胀硅酸盐水泥
以粒化高炉矿渣为主要组分,加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏,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,称为低热微膨胀硅酸盐水泥,简称低热微膨胀水泥 。
低热微膨胀水泥中石膏掺量较高,水化过程中产生的钙矾石较多,使水泥石在早期产生适当的膨胀,增加了水泥石结构的密实度,相应地改善了水泥石的抗渗性 。 因此,低热膨胀水泥不仅水化热低,适于大体积水泥混凝土工程,而且水泥石的内部结构致密,抗渗性能好,
耐腐蚀性能进一步改善 。 可见,对大体积水中构筑物,特别是抗渗性要求较高时,使用低热微膨胀水泥应是最佳的选择之一 。
5,抗硫酸盐硅酸盐水泥
在以硅酸钙为主要矿物成分的水泥熟料中,
加入适量石膏磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料,称为抗硫酸盐硅酸盐水泥,简称抗硫酸盐水泥 。
在抗硫酸盐水泥中,主要限制了水泥熟料中
Ｃ 3Ａ和Ｃ 4ＡＦ的含量,也限制了Ｃ 3Ｓ的含量,
使水泥的水化热较低,抗硫酸盐能力较强,特别适于海工构筑物及其它有耐硫酸盐腐蚀性要求的水中大体积混凝土结构 。
中热,低热矿渣,低热微膨胀和抗硫酸盐水泥等品种常用于水中建筑工程因而又称为水工硅酸盐水泥 。
6,白色硅酸盐水泥,彩色硅酸盐水泥
白色硅酸盐水泥的组成,性质与硅酸盐水泥基本相同,所不同的是在配料和生产过程中严格控制着色氧化物
（ Fe2O3,MnO,Cr2O3,TiO2等 ） 的含量,因而具有白色 。
彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥 。 它是用白水泥熟料,适量石膏和耐碱矿物颜料共同磨细而制成的 。 也可以在白水泥生料中加入适当金属氧化物作着色剂,在一定燃烧气氛中直接烧成彩色水泥熟料 。 常用的有氧化铁 （ 红,黄,褐,
黑色 ）,氧化锰 （ 褐,黑色 ）,氧化铬 （ 绿色 ）,群青 （ 蓝色 ）,赭石 （ 赭色 ） 等 。 深色调的彩色水泥可在普通硅酸盐水泥中掺入适当颜料而制得 。
白水泥和彩色水泥广泛地应用于建筑装修中 。
如制作彩色水磨石,饰面砖,锦砖,玻璃马赛克以及制作水刷石,斩假石,水泥花砖等 。 #
例 3-1 硅酸盐水泥熟料由那些矿物成分所组成？ 这些矿物成分对水泥的性质有何影响？
解 硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分有硅酸三钙Ｃ 3S,硅酸二钙 C2S,铝酸三钙 C3Ａ和铁铝酸四钙Ｃ 4AF。 这些矿物成分对水泥性质产生的影响见下表：
Ｃ
3
S C 2 S C
3
Ａ Ｃ C
4
AF
凝结硬化速度快 慢 最快 快
28d
水化热大 小 最大 中 中强度 高早期低后期高低 低耐腐蚀性 差 强 最差 中
例 3-2 何谓水泥的体积安定性？ 水泥的体积安定性不良的原因是什么？ 安定性不良的水泥应如何处理？
解
水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性 。 即水泥硬化浆体能保持一定形状,不开裂,不变形,不溃散的性质 。 导致水泥安定性不良的主要原因是：
（ 1） 由于熟料中含有的的游离氧化钙,游离氧化镁过多；
（ 2） 掺入石膏过多；
其中游离氧化钙是一种最为常见,影响也是最严重的因素 。 熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的,结构致密,水化很慢 。 加之被熟料中其它成分所包裹,使得其在水泥已经硬化后才进行熟化,生成六方板状的 Ca（ OH） 2晶体,这时体积膨胀 97％ 以上,从而导致不均匀体积膨胀,使水泥石开裂 。 当石膏掺量过多时,在水泥硬化后,
残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石,体积增大约 1.5倍,也导致水泥石开裂 。
体积安定性不良的水泥,会发生膨胀性裂纹使水泥制品或混凝土开裂,造成结构破坏 。 因此体积安定性不良的水泥,应判为废品,不得在工程中使用 。
例 3-3 现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐水泥，请加以鉴别（化学分析除外）。
解
取相同质量的四种粉末，分别加入适量的水拌合为同一稠度的浆体。放热量最大且有大量水蒸气产生的为生石灰粉；在５～
３０分钟内凝结硬化并具有一定强度的为建筑石膏；在４５分钟到１２小时内凝结硬化的为白色水泥；加水后没有任何反应和变化的为白色石灰石粉。
鉴别这四种白色粉末的方法有很多，主要是根据四者的特性来区分。生石灰加水，
发生消解成为消石灰 — 氢氧化钙，这个过程称为石灰的,消化,,又称,熟化,,
同时放出大量的热；建筑石膏与适量水拌合后，能形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体的可塑性很快消失而发生凝结，此后进一步产生和发展强度而硬化。一般石膏的初凝时间仅为 10min左右，
终凝时间不超过 30min。白色硅酸盐水泥的性能和硅酸盐水泥基本项同，其初凝时间不早于 45min，终凝时间不超过 6h30min。
石灰石粉与水不发生任何反应。
