水泥混凝土化学知识点

水泥混凝土化学

本课程总体目标需要了解和掌握水泥与混凝土的组成结构与性能的关系、制备过程的化学（动力学、热力学）原理、制备与使用过程的物理与化学过程的演变机理和规律。具体涉及各种水泥及其配制的混凝土的化学与矿物组分与配合比、结构、颗粒组成、矿物及其结构形成与退化过程的物理化学演变过程、形成与演变过程影响条件及其与性能的关系、以及矿物与结构形成、演变过程的化学动力学、热力学；各物理化学过程的演变机理与演变规律；水泥混凝土的物理力学性能及其外加剂、填充料、骨料的性能和对混凝土性能的影响；各种检测检验方法与检测原理等。

一、水泥

加入适量水后可形成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉末状水硬性胶凝材料，通称为水泥。水泥作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。

水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。通用硅酸盐水泥为大量土木工程一般用途的水泥，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、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。而特性水泥则是某种特性比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。

按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。

1. 硅酸盐水泥熟料的组成

由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质称为硅酸盐水泥熟料，简称熟料。

1.1 化学成分

硅酸盐水泥熟料主要由CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3四种氧化物组成，其含量总和通常都在95%以上。现在生产的硅酸盐水泥熟料，各氧化物含量的波动范围：CaO为62%~67%；SiO2为20%~24%、Al2O3为4%~7%和Fe2O3为2.5%~6.0%。在某些情况下，由于水泥品种、原料成分以及工艺过程的不同，其氧化物含量也可能不在上述范围。例如，白色硅酸盐水泥熟料中Fe2O3含量必须小于0.5%，而SiO2含量可高于24%，甚至可达27%。除了上述四种主要氧化物外，通常还含有MgO、SO3、K2O、Na2O、TiO2、P2O5等。

1.2 矿物组成

在硅酸盐水泥熟料中CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3不是以单独的氧化物存在，而是两种或两种以上的氧化物经高温化学反应而生成的多种矿物的集合体，其结晶细小，一般为30~60μm。主要有硅酸三钙（C3S），硅酸二钙（C2S），铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）四种矿物。此外，还有少量游离氧化钙（f-CaO）、方镁石（结晶氧化镁）、含碱矿物及玻璃体。

通常，C3S和C2S含量约占75%，称为硅酸盐矿物。C3A和C4AF的理论含量约占22%。在水泥熟料煅烧过程中，C3A和C4AF以及氧化镁、碱等在1250~1280℃会逐渐熔融形成液相，促进硅酸三钙的形成，故称熔剂矿物。

2. 水泥混合材

硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料所制得的水泥的总称。如掺入一定数量的混合材料，则硅酸盐水泥名称前冠以混合材料的名称，如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。将合适组成的硅酸盐水泥熟料、石膏和混

合材经粉磨、储存、均化，达到质量要求的过程即为硅酸盐水泥的制成，是水泥生产过程中的最后一个环节。

在水泥生产过程中，为改善水泥性能、调节水泥标号而加到水泥中的矿物质材料，称之为水泥混合材料，简称水泥混合材。水泥生产用的混合材料品种很多，根据来源可分为天然混合材料和人工混合材料（主要是工业废渣），但通常根据混合材的性质及其在水泥水化过程中所起的作用，分为活性混合材和非活性混合材两大类。

活性混合材料是指具有火山灰性或潜在的水硬性，以及兼有火山灰性和水硬性的矿物质材料。非活性混合材是指在水泥中主要起填充作用而又不损害水泥性能的矿物质材料，即活性指标达不到活性混合材要求的矿渣、火山灰材料、粉煤灰以及石灰石、砂岩、生页岩等材料。一般对非活性混合材的要求是对水泥性能无害。那么什么是火山灰性？什么是潜在水硬性？所谓火山灰性，是指一种材料磨成细粉，单独不具有水硬性，但在常温下和石灰一起加水后能形成具有水硬性化合物的性能；而潜在水硬性是指材料单独存在时基本无水硬性，但在某些激发剂激发下，可呈现水硬性。

2.1 粒化高炉矿渣

在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸钙与铝酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣，简称矿渣，也成水渣。粒化高炉矿渣是目前国内水泥工业中用量最大、质量最好的活性混合材料。但若是经慢冷（缓慢冷却）后的产品则呈现块状或细粉状等，不具有活性，属于非活性混合材料。

为何粒化高炉矿渣是活性混合材料，而慢冷块状矿渣则是非活性混合材料？这是因为粒化高炉矿渣是熔融矿渣经水或蒸汽急速冷却处理所得到的质地疏松、多孔的粒状物。由于冷却速度很快，熔融矿渣来不及结晶，大部分呈玻璃态，储存有潜在的化学能，在一定条件下易与其他物质发生化学反应，因而具有活性。而慢冷块状矿渣则是熔融矿渣自然慢冷却形成的，凝固后呈结晶态，化学性质稳定，难以与其他成分反应，因而活性很小或无活性，故为非活性混合材料。

高炉矿渣中主要的化学成分是：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、FeO和

SO3等。此外有些矿渣还含有微量的TiO2、V2O5、Na2O、BaO、P2O5、Cr2O3等。在高炉矿渣中CaO、SiO2、Al2O3含量总和占90%以上。

根据矿渣中碱性氧化物（CaO和MgO）与酸性氧化物（SiO2和Al2O3）的质量比值M=（W C+W M）/（W S+W A）的大小，可以将矿渣分为三种：M>1 碱性矿渣；M=1 中性矿渣；M<1 酸性矿渣

高炉矿渣中的各种氧化物成分以各种形式的硅酸盐矿物形式存在。

碱性高炉渣中最常见的矿物有黄长石、硅酸二钙、橄榄石、硅钙石、硅灰石和尖晶石。酸性高炉渣由于其冷却的速度不同，形成的矿物也不一样。当快速冷却时全部凝结成玻璃体；在缓慢冷却时（特别是弱酸性的高炉渣）往往出现结晶的矿物相，如黄长石、假硅灰石，辉石和斜长石等。高钛高炉矿渣的矿物成分中几乎都含有钛。锰铁矿渣中存在着锰橄榄石（2MnO·SiO2）和蔷薇辉石(MnO·SiO2)矿物。高铝矿渣中存在着大量的铝酸钙(CaO·Al2O3)、三铝酸五钙(5CaO·3A12O3)、二铝酸钙(CaO·2Al2O3)等。

2.2 火山灰质材料

凡天然的和人工的以氧化硅、氧化铝为主要成分的矿物质材料，本身磨细加水拌和并不硬化，但与气硬性石灰混合物后，再加水拌和，则不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化者，成为火山灰质混合材料。按其成因可分为天然的和人工的两大类：

天然的火山灰质混合材料

a. 火山灰：火山喷发的细粒碎屑的疏松沉淀物；

b. 凝灰岩：由火山灰沉积形成的致密岩石；

c. 沸石岩：凝灰岩经环境介质作用而形成的一种以碱或碱土金属的含水铝硅酸盐矿物为主的岩石；

d. 浮石：火山喷出的多孔的玻璃质岩石；

e. 硅藻土和硅藻石：由极细致的硅藻介壳聚集、沉淀而成的岩石。

人工的火山灰质混合材料

a. 煤矸石：煤层中炭质页岩经自然或煅烧后的产物；

b. 烧页岩：页岩或油母页岩经煅烧或自然后的产物；

c. 烧粘土：粘土经煅烧后的产物；

d. 煤渣：煤炭燃烧后的残渣；

e. 硅质渣：由矾土提取硫酸铝的残渣；

f. 硅灰：硅灰石炼硅或硅铁合金过程中得到的副产品，氧化硅的含量通常在90%以上，主要以玻璃态存在，颗粒平均尺寸在0.1μm左右，具有非常高的火山灰性。

2.3 粉煤灰

粉煤灰是一种火山灰质矿物外加剂，是火力发电厂燃煤锅炉排除的烟道灰。粉煤灰是由结晶体、玻璃体以及少量未燃尽的碳粒所组成。

根据煤种不同可分为以下两类：F类——由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰；C类——由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其CaO含量一般大于10%。

粉煤灰外观类似水泥，颜色在乳白色到灰黑色之间变化。粉煤灰的颜色是一项重要的质量指标，可以反映含碳量的多少和差异。在一定程度上也可以反映粉煤灰的细度，颜色越深，粉煤灰粒度越细，含碳量越高。粉煤灰就有低钙粉煤灰和高钙粉煤灰之分。通常高钙粉煤灰的颜色偏黄，低钙粉煤灰的颜色偏灰。

怎么区分水泥和粉煤灰？

粉煤灰：是以颗粒形态存在的，且这些颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同，其颜色由乳白至灰色不等。

水泥：粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。

区别两者主要从以下几个方面：

1. 颜色：水泥颜色一般比粉煤灰深一些，粉煤灰泛灰白色的偏多；

2. 密度：水泥密度大于粉煤灰密度，相同体积比较重量，较重的为水泥；

3. 水硬性：两者都具有一定的水硬性，但是水泥硬化后的硬度远远大于粉煤灰的硬度；

4. 触感：粉煤灰触感较光滑，水泥较粗糙。

粉煤灰的化学成分随煤种、燃烧条件和收尘方式等条件的不同而在较大范围内波动，但以SiO2、Al2O3为主，并含有少量Fe2O3、CaO。其活性取决于可溶性的SiO2、Al2O3和玻璃体，以及它们的细度。此外，烧失量的高低（烧失量主要显示含碳量的高低，亦即燃烧的完全程度）也影响其质量。粉煤灰的粒度一般在0.5~200μm之间，80μm方孔筛筛余为3%~40%，质量密度为2.2~2.3g/cm3，体积密度为0.6~1.0g/cm3。

2.4 水泥混合材和混凝土掺和料的区别

在水泥生产过程中，为改善水泥某些性能、调节水泥标号及增加产量而加到水泥中的矿物质材料，称之为水泥混合材料，简称水泥混合材。在水泥中掺加混合材料可以调节水泥标号与品种，增加水泥产量，降低生产成本；在一定程度上改善水泥的某些性能，满足建筑工程中对水泥的特殊技术要求；可以综合利用大量工业废渣，具有环保和节能的重要意义。

混凝土掺和料一般是指在混凝土制备过程中掺入的，与硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥共同组成胶凝材料，以硅、铝、钙等一种或多种氧化物为主要成分，在混凝土中可以取代部分水泥，具有规定细度和凝结性能、能改善混凝土拌合物工作性能和混凝土强度的具有火山灰活性或潜在水硬性的粉体材料，其掺量一般不小于胶凝材料用量的5%。其主要作用是改善混凝土的工作性、稳定性、耐久性、抗蚀性。

尽管水泥混合材和混凝土掺和料有交集，混凝土掺和料理论上说都可以做水泥的混合材，但是，水泥混合材即使是活性混合材料还是不能代替混凝土掺和料，具体理由如下：

1.从工程实践来看，混凝土掺和料一般具有一定的潜在活性，其发挥火山灰效应、形态效应、微集料效应和界面效应可以取代10%～50%的常规普通硅酸盐水泥，用量最大的掺和料主要有粉煤灰、矿渣微粉，其次是钢渣粉、硅灰等。

2.工程实践中，混凝土掺和料也可以在混凝土中起充填效应，起调节混凝土或砂浆强度等级的作用。典型案例是：混凝土掺和料在硫铝酸盐水泥或铁铝酸盐水泥基砂浆或混凝土中就主要起充填效应。

3.混凝土掺和料的细度比水泥混合材的细度要细。混凝土掺和料比表面积一般在400～450m2/kg及以上，甚至更高（比如硅灰）；水泥混合材由于通常与水泥孰料、石膏一起粉磨，其比表面积一般在330～380m2/kg左右，细度相对比较粗一些。

4.各种成熟的混凝土掺和料目前都有自己的国家标准或行业标准，是可以市售的商品；而水泥混合材，其地位只能说是水泥粉磨时的原材料，二者地位相差很大。因为只有当掺和料或者混合材达到一定的细度，才可以发挥火山灰效应、形态效应、微集料效应和界面效应，才有利于混凝土密实度的改善和耐久性的提高。从混凝土材料体系上来说，水泥混合材不能取代混凝土掺和料，反之，混凝土掺和料倒可以取代大部分的水泥混合材。

5.混凝土的基本理论表明，混凝土掺和料在混凝土中可以发挥火山灰效应、形态效应、微集料效应和界面效应，是当代高性能混凝土的第六大必需组份，是一种“高大上”的产品。

用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB/T1596-2005、用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉GB/T18046-2008、石灰石粉在混凝土中应用技术规程JGJ/T 318-2014、用于水泥和混凝土中的粒化电炉磷渣粉GB/T 26751-2011、用于水泥和混凝土中的钢渣粉GB/T 20491-2006、用于水泥和混凝土中的锂渣粉YB/T 4230-2010及混凝土用复合掺和料JG/T486-2015等国家或行业标准为混凝土掺和料工业提供了良好机遇，大量发展并推广混凝土各种掺和料应用到混凝土中是更明智的选择。

6.关于均匀性问题。诚然水泥混合材与水泥孰料、石膏一起粉磨，硅酸盐粉体与混合材混合的比较均匀，作为水泥产品匀质性是相当好的，但是水泥针对混凝土（或砂浆）来说毕竟只是一种半成品；混凝土掺和料在生产水泥混凝土时掺入，并与其他骨料和减水剂一起搅拌，通过适当延长混凝土搅拌时间完全可以把混凝土各材料搅拌均匀，生产实践中，也完全可以做的到。

总之，水泥混合材，特别是具有潜在活性的混合材是在水泥粉磨时大量添加，还是单独粉磨加工的更细变成混凝土掺和料在高性能混凝土中使用，通过上述比

较，结论就一目了然了。更由于水泥与混凝土工业的一体化，行业利益分配的均衡化，这些都为我国水泥工业产品结构的调整，提供了有利技术支撑条件。当然，针对那些非活性混合材料，特别是各类工业废渣、建筑垃圾等低品位材料，可以用到砌筑水泥中作为混合材，也可以复合掺配加工粉磨的更细做“混凝土用复合掺和料”，从而更具有环保和节约资源的意义。

3.水泥的水化和硬化

3.1 熟料矿物的水化

3.1.1 硅酸三钙水化

硅酸三钙在水泥熟料中的含量约占50%，有时高达60%，它的水化作用、水化产物及其所形成的结构，对硬化水泥浆体的性能有很重要的作用。硅酸三钙在常温下的水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙。

硅酸三钙的水化速率很快，其水化过程根据水化速率-时间曲线，可分为五个阶段：

Ⅰ：诱导前期

加水后立即发生急剧化学反应，但持续时间较短，在15min内结束。

Ⅱ：诱导期

反应速率极其缓慢，持续2~4h（水泥浆体保持塑性）。初凝时间基本相当于诱导期的结束。

Ⅲ：加速期

反应重新加快，反应速率随时间而增大，出现第二个放热峰。在达到峰顶时本阶段即告结束（4~8h），此时终凝时间已过，水泥石开始硬化。

Ⅳ：减速期

水化衰减期，反应速率随时间下降的阶段（12~24h），水化作用逐渐受扩散速率控制。

Ⅴ：稳定期

反应速率很低，反应过程基本趋于稳定，水化完全受扩散速率控制。

3.1.2 硅酸二钙水化

硅酸二钙的水化与硅酸三钙相似，只是水化速度比硅酸三钙慢，28d龄期仅水化20%左右，凝结硬化缓慢。早期强度低，但28d以后强度还能较快增长，一年后其强度可以赶上甚至超过阿利特的强度。水化热小，抗水性好。

3.1.3 铝酸三钙水化

铝酸三钙与水反应迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大。常温下其水化生成C4AH19和C4AH8，C4AH19在低于85%的相对湿度下会失去6mol的结晶水变成C4AH13。C4AH19、C4AH13和C4AH8都是片状晶体，常温下处于介稳状态，有向C4AH6等轴晶体转化的趋势。温度高于35℃时，铝酸三钙会直接生成C4AH6。在硅酸盐水泥浆体的碱性溶液中，CaO 浓度往往达到饱和或过饱和，会产生较多的六方片状C4AH13，可阻碍粒子的相对移动，这是使浆体产生瞬凝的一个主要原因。在有石膏的情况下，根据石膏量的多少会生成三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石AFt）和单硫型水化硫铝酸钙（AFm）。

总而言之，C3A水化硬化非常迅速，它的强度三天之内就能充分发挥出来。所以早期强度较高，但绝对值较小。以后几乎不再增长，甚至倒缩。放热多、凝结快、干缩变形大、抗硫酸盐性能差是其弱点。

3.1.4 铁相固溶体的水化

铁相固溶体的水化速率比C3A略慢，水化热较低，即使单独水化也不会引起快凝。其水化反应及其产物与C3A相似。氧化铁基本上起着与氧化铝相同的作用，相当于C3A中一部分氧化铝被氧化铁所置换，生成水化铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体。

3.2 水泥的水化

硅酸盐水泥有多种熟料矿物和石膏共同组成，加水后，石膏溶解于水，C3A 和C3S很快与水反应。C3S水化析出Ca(OH)2，故填充在颗粒之间的液相不是纯水，而是充满Ca2+和OH—离子的溶液。另外，水泥熟料中的碱也会迅速溶于水，因此，水泥在开始水化之后，基本上就是在含碱的氢氧化钙和硫酸钙溶液中进行。石膏的存在会略加速C3S和C2S的水化，还有一部分硫酸盐进入C-S-H凝胶。

更重要是石膏的存在改变了C3A的反应过程，形成了钙矾石。当溶液中石膏耗尽且还有多余C3A时，则C3A会和钙矾石作用形成单硫型硫铝酸钙。碱的存在会使C3S的水化加快，水化硅酸钙的C/S增大。根据以上叙述可知，水泥的主要水化产物是氢氧化钙、C-S-H凝胶、水化硫铝酸钙和水化硫铝（铁）酸钙以及水化铝酸钙和水化铁酸钙等。根据水泥水化过程中的放热曲线，将水泥的水化过程划分为三个阶段：

（1）钙矾石形成期

C3A率先水化，在石膏存在的条件下，迅速形成钙矾石，这是导致第一放热峰的主要原因。

（2）C3S水化期

C3S开始迅速水化，大量放热，形成第二个放热峰。有时会有第三放热峰或在第二放热峰上出现一个“峰肩”。一般认为是由钙矾石转化成单硫型水化硫铝钙。另外，C2S和铁相以不同程度也参与了这两个阶段的反应。

（3）结构形成和发育期

此时，放热速率很低并趋于稳定。随着各种水化产物的增多，填入原先由水所占据的空间，再逐渐连接并相互交织，发展成硬化的浆体结构。

3.3 掺混合材的水泥的水化和硬化

掺混合材的硅酸盐水泥的水化过程比较复杂，通常是水泥加水后，硅酸盐水泥中熟料先水化，水化产生氢氧化钙后，氢氧化钙再与混合材反应形成一系列水化产物。例如，粉煤灰硅酸盐水泥的水化过程：（1）粉煤灰水泥拌水后，首先是水泥熟料的水化。（2）然后是粉煤灰混合材中的活性组分SiO2、Al2O3与熟料矿物水化所释放的Ca(OH)2等产水化产物反应。（3）由于粉煤灰的玻璃体结构比较稳定，表面很致密，所以粉煤灰玻璃体被熟料水化产物Ca(OH)2侵蚀和破坏的速度很慢，即火山灰反应很慢。在水泥水化7d后的粉煤灰颗粒表面，几乎没有变化；直到28d，才能见到表面初步水化，略有凝胶状的水化产物出现；在水化90d后，粉煤灰颗粒表面才开始生成大量的水化硅酸钙凝胶体，它们相互交叉连接形成很好的粘结强度。所以，鉴定粉煤灰的活性要以相应水泥三个月的抗压强度值来表示。

4. 特性水泥和专用水泥

特种水泥包括特性水泥（某种性能突出）和专用水泥(适应专门用途），指通用水泥以外的水泥。随建筑业发展，五大品种水泥不能满足特殊工程需要，如大坝施工过程中必须使用中热或低热水泥；抢修工程必须使用快硬早强水泥；填堵漏油的油井水泥需要急凝特性；因此特种水泥在工程中占据了不可替代作用。以下对特性水泥和专用水泥做分类概述：

4.1 快硬和特快硬水泥

凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3天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）。按其矿物组成不同可分为：硅酸盐快硬水泥、铝酸盐快硬水泥、硫铝酸盐快硬水泥和氟铝酸盐快硬水泥。按其早期强度增长速度不同又可分为：快硬水泥，以3天抗压强度值确定标号；特快硬水泥，以小时抗压强度值确定标号，氟铝酸盐快硬水泥即属特快硬水泥。

快硬水泥生产方法与硅酸盐水泥基本相同，只是要求C3S和C3A含量高些，

生料细度在0.08mm方孔筛筛余小于5%，比表面积在330-450m2/kg，适当添加石膏掺量。快硬水泥水化放热速率快，水化热较高，早期强度高，但早期干缩率较大。水泥石较致密，不透水性和抗冻性都优于普通水泥，适用于抢修、军事工程，配置干硬混凝土。

4.2 中低热水泥

这类水泥水化热较低，适用于大坝和其他大体积建筑。按水泥组成不同可分为硅酸盐中热水泥、普通硅酸盐中热水泥、矿渣硅酸盐低热水泥和低热微膨胀水泥等。低热和中热水泥是按水泥在3、7天龄期内放出的水化热量来区别。采用低放热量和低放热速率的水泥可降低大体积混凝土的内部升温。可适度降低熟料中C3A和C3S的量，相应提高C4AF和C2S的量。初凝不早于60min，终凝不超过12h，SO3含量不超过3.5%。掺入混合材，如粒化高炉矿渣，可使水化热按比例下降。

4.3 膨胀和自应力水泥

硬化过程中体积膨胀的水泥。按矿物组成不同，中国分为硅酸盐类膨胀水泥、铝酸盐类膨胀水泥、硫铝酸盐类膨胀水泥和氢氧化钙类膨胀水泥。

硅酸盐膨胀水泥、明矾石膨胀水泥、氧化铁膨胀水泥、氧化镁膨胀水泥、K 型膨胀水泥等属于硅酸盐类膨胀水泥。这类水泥一般是在硅酸盐水泥中，掺加各种不同的膨胀组分磨制而成。例如1.以高铝水泥和石膏作为膨胀组分，适量加入硅酸盐水泥中，可制得硅酸盐膨胀水泥。2.石膏矾土膨胀水泥属于铝酸盐类膨胀水泥，通常是在高铝水泥中掺加适量石膏和石灰共同磨制而成。3.硫铝酸盐膨胀水泥是由硫铝酸盐水泥熟料掺加适量石膏共同磨制而成。

产生膨胀反应主要三种：CaO水化生产Ca（OH)2，MgO水化生成Mg(OH)2以及形成钙矾石。一般膨胀值较小的水泥，可配制收缩补偿胶砂和混凝土，适用于加固结构，灌筑机器底座或地脚螺栓，堵塞、修补漏水的裂缝和孔洞，以及地下建筑物的防水层等。

膨胀值较大的水泥，也称自应力水泥，用于配制钢筋混凝土。自应力水泥在硬化初期，由于化学反应，水泥石体积膨胀，使钢筋受到拉应力，反之，钢筋使

混凝土受到压应力，这种预压应力能够提高钢筋混凝土构件的承载能力和抗裂性能。对自应力水泥，要求其砂浆或混凝土在膨胀变形稳定后的自应力值大于2兆帕(一般膨胀水泥为1兆帕以下)。

自应力水泥按矿物组成不同可分为硅酸盐类自应力水泥、铝酸盐类自应力水泥和硫铝酸盐类自应力水泥。这类水泥的抗渗性良好，适宜于制作各种直径的、承受不同液压和气压的自应力管。水泥膨胀的原因是因为产生了钙矾石。

4.4 油井水泥

专用于油井、气井固井工程的水泥，也称堵塞水泥。按用途可分为普通油井水泥和特种油井水泥。普通油井水泥由适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细而成，必要时可掺加不超过水泥重量15%的活性混合材料（如矿渣），或不超过水泥重量10%的非活性混合材料（如石英砂、石灰石）。中国的普通油井水泥按油（气）井深度不同，分为45°C、75°C、95°C和120°C四个品种，适用于一般油（气）井的固井工程。特种油井水泥通常由普通油井水泥掺加各种外加剂制成。

4.5 装饰水泥

装饰水泥是指白色水泥和彩色水泥。硅酸盐水泥的颜色是由氧化铁引起，含量在3-4%熟料呈暗红色，在0.45-0.7%带淡绿色，降到0.35-0.4%后接近白色。故生产白色水泥要降低氧化铁含量。

白色硅酸盐水泥是白色水泥中最主要的品种，是以氧化铁和其他有色金属氧化物含量低的石灰石、粘土、硅石为主要原料，经高温煅烧、淬冷成水泥熟料，加入适量石膏（也可加入少量白色石灰石代替部分熟料），在装有石质（或耐磨金属）衬板和研磨体的磨机内磨细而成的一种硅酸盐水泥。

彩色水泥通常由白色水泥熟料、石膏和颜料共同磨细而成。所用的颜料要求在光和大气作用下具有耐久性，高的分散度，耐碱，不含可溶性盐，对水泥的组成和性能不起破坏作用。常用的无机颜料有氧化铁（可制红、黄、褐、黑色水泥）、二氧化锰（黑、褐色）、氧化铬（绿色）、钴蓝（蓝色）、群青蓝（蓝色）、炭黑（黑色）；有机颜料有孔雀蓝(蓝色)、天津绿（绿色）等。在制造红、褐、黑

等深色彩色水泥时，也可用硅酸盐水泥熟料代替白色水泥熟料磨制。彩色水泥还可在白色水泥生料中加入少量金属氧化物作为着色剂，直接煅烧成彩色水泥熟料，然后再磨细，制成水泥。彩色水泥主要用作建筑装饰材料，也可用于混凝土、砖石等的粉刷饰面。

综上所述，除了特种水泥以外，根据水泥的主要特性和适用范围，我们可以将通用水泥总结成以下表格：

品种特点适用范围

硅酸盐水泥（1）早期及后期强度均高

（2）抗冻性好

（3）耐腐蚀性差

（4）水化热高

（5）抗炭化性

（6）耐热性差

（7）干缩小

（8）耐磨性好

适用范围广

普通

硅酸盐水泥（1）早期强度略低

（2）耐腐蚀性稍

（3）水化热略低

（4）抗冻性和抗渗性好

（5）抗炭化性略差

（6）耐磨性略差

适用于混凝土、钢筋混凝土和预应力混

凝土的地上、地下和水中结构（其中包

括受反复冰冻作用的结构）以及需要早

期达到要求强度的结构，配制耐热混凝

土等，但不宜用于大体积混凝土工程及

受侵蚀的结构中。

矿渣

硅酸盐水泥（1）早期强度低，

但后期强度增长较快

（2）水化热低，耐冻性差

（3）干缩大

（4）耐热性好

矿渣硅酸盐水泥适合用于有耐热要求的

混凝土工程，不适合用于有抗冻性要求

的混凝土工程。

火山灰质硅酸盐水泥（1）早期强度低，

但后期强度增长较快

（2）水化热低，耐冻性差

（3）需水量大，和易性好

适合用于有抗渗性要求的混凝土工程，

不适合用于干燥环境中的地上混凝土工

程，也不宜用于有耐磨性要求的混凝土

工程。

粉煤灰硅酸盐水泥（1）早期强度低，

但后期强度增长较快

（2）水化热低，耐冻性差

（3）干缩小，抗裂性好

适合用于承载较晚的混凝土工程，不宜

用于有抗渗要求的混凝土工程，也不宜

用于干燥环境中的混凝土工程及有耐磨

性要求的混凝土工程。

二、混凝土

混凝土是由胶凝材料、水和粗、细骨料按适当比例配合、拌制成拌合物，经过一定时间硬化而成的具有所需形状、强度和耐久性的人造石材。

混凝土是由多种性能不同的材料组合而成的复合材料，其品种很多，按照强度等级可分为：普通混凝土，其抗压强度一般在50MPa以下，其中抗压强度小于20MPa的混凝土称为低强度混凝土，抗压强度在20~50MPa的混凝土称为中等强度混凝土；抗压强度等于或大于50MPa的混凝土称为高强混凝土；抗压强度大于100MPa的混凝土称为超高强混凝土。

混凝土是当代最大宗的、用量最大的土建材料，其技术与经济意义是其他建筑材料所无法比拟的，究其根本原因缘于混凝土材料具有以下优点：（1）可浇注性。新拌混凝土有良好的可塑性和流动性，能按所要求的形状和轮廓进行浇注成型。

（2）经济性好。混凝土中的沙石含量达80%以上，这些材料可就地取材，价格低廉。

（3）强度高、耐久性好。优质混凝土是一种强度高、耐久性非常好的材料，当它按使用条件正确设计、严格浇筑时，经过多年也无需保养。

（4）环保性好。混凝土可固化各种工业废渣，是一种较好的环境协调性材料。

（5）钢筋混凝土结构可代替钢、木结构，能节省大量的钢材和木材。

然而，混凝土却有其弱点，这限制了它在某些场合的使用，在结构设计时必须加以考虑。混凝土是一种抗拉强度很低的脆性材料，因此，通常混凝土不应承受拉力。拉力载荷需由钢筋来承受，如忽视拉伸载荷会引起开裂。混凝土延性很低意味着它的抗冲击强度以及韧性比金属差。混凝土的自重大、比强度小，尤其是体积稳定性是工程中必须要注意的问题。由于在室温下水分的丧失，混凝土的不可逆收缩相当大；在承受荷载时，即使在正常的使用条件下，也还有相当可观的徐变。

意识到混凝土的这些问题，人们可以通过合理的设计来补偿，并可用过适当的选择材料和施工实践来部分的加以控制。大量非研究工作已致力于改善这些情况，现在，混凝土已广泛地用于工业与民用建筑、给水与排水工程、水利工程，以及地下工程、国防建设等领域。

1. 混凝土的组成材料

普通混凝土是由水泥、砂、石和水组成的。在混凝土中砂、石起骨架作用，称为骨料；水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，便于施工。水泥浆硬化后，则将骨料胶结成一个坚实的整体。

混凝土是一种复合材料，宏观匀质，其质量和技术性能很大程度上由原材料的性质及其相对含量所决定的，同时也与施工工艺（配料、搅拌、成型、养护等）有关。因此，首先必须了解原材料的性质、作用及其质量要求，合理选择原材料，这样才能保证混凝土的质量。

1.1 水泥

混凝土中采用何种水泥，应根据混凝土工程的特点和所处环境条件来选择。对于水泥强度等级的选择，应与混凝土的设计强度等级相适应。原则上时配制高强度等级的混凝土选用高强度等级的水泥，低强度等级的混凝土选用低强度等级的水泥。一般以水泥强度等级为混凝土强度等级的1.0～1.5倍为宜。

1.2 细骨料

混凝土所用的骨料按其粒径大小不同可分为细骨料和粗骨料。粗骨料的总体积占混凝土体积的70%～80%，因此骨料的性质对所配制的混凝土的性能有很大的影响。为了保证混凝土的质量，对骨料技术性能的要求主要有：有害杂质的含量少；具有良好的颗粒形状、适宜的颗粒级配；表面粗糙，与水泥粘结牢固；性能稳定，坚固耐久等。

通常将粒径在0.15～4.75mm之间的骨料称为细骨料或砂。混凝土所用的细

骨料主要有天然砂和人工砂。一般采用天然砂，它是岩石风化后形成的大小不等、不同矿物散粒组成的混合物，包括河沙、海砂及山砂等。

1.3 粗骨料

普通混凝土粗骨料有碎石和卵石两类。由天然岩石经破碎、筛分而成的粒径大于4.75mm的颗粒，称为碎石。卵石是由天然岩石经自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径大于4.75mm的颗粒。碎石、卵石按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三种类别。Ⅰ类宜用于强度等级大于C60的混凝土；Ⅱ类宜用于强度等级为C30～C60及有抗冻、抗渗要求的混凝土；Ⅲ类宜用于强度等级小于C30的混凝土。

1.4 拌合用水和养护用水

混凝土拌合用水和养护用水应符合《混凝土拌合用水标准》（JGJ 63）的规定。凡符合国家标准的生活饮用水，均可拌制混凝土。混凝土拌合用水按水源可分为饮用水、地表水、地下水、海水以及经适当处理或处置后的工业废水。

对混凝土拌合和养护用水质量的要求：不得影响混凝土的和易性及凝结；不得有损于混凝土强度及污染表面；不得降低混凝土的耐久性或腐蚀钢筋。

海水中含有硫酸盐、镁盐和氯化物，对水泥石有侵蚀作用，对钢筋也会造成锈蚀，因此不得用于拌制钢筋混凝土和预应力混凝土工程；对有饰面要求的混凝土，也不得采用海水拌制，以免因表面产生盐析而影响装饰效果。工业废水经检验合格后，方可用于拌制混凝土。生活污水的水质比较复杂，不得用于拌制混凝土。

1.5 化学外加剂

混凝土化学外加剂是指值混凝土拌合过程中掺入的、用以改善混凝土性能的物质。除特殊情况外，掺量一般不超过水泥用量的5%。现在已被人们认为是混凝土中不可少的第五组分材料。

混凝土外加剂种类繁多，就目前而言，约有300多种，我国已生产的有100多种。根据《混凝土外加剂的分类、命名与定义》（GB 8075）的规定，混凝土外加剂按其主要功能分为四大类：

1）调节或改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。包括各种减水剂、引气剂、泵送剂等。

2）调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括早强剂、缓凝剂、速凝剂的。3）改善混凝土耐久性能的外加剂，增强混凝土物理力学性能的外加剂。包括引气剂、防冻剂、阻锈剂。

4）改善混凝土其他性能的外加剂。包括引气剂、膨胀剂、着色剂、防水剂等。

1.6 矿物外加剂

矿物外加剂被认为是混凝土中的第六组分。在混凝土中加入矿物外加剂一般可达到以下目的：减少水泥用量，改善混凝土的工作性能，降低水化热，增加后期强度，改善混凝土的内部结构，提高抗渗性和抗腐蚀能力，抑制碱—集料反应等。国标中对矿物外加剂的明确规定是：用于改善混凝土耐久性而加入的，磨细的各种矿物掺合料，其主要特征是磨细矿物材料，细度比水泥颗粒小，主要用于改善混凝土的耐久性能和工作性能。常用的矿物外加剂主要有矿渣、粉煤灰和硅灰，三种矿物外加剂都能使混凝土性能得以改善。

2. 混凝土的主要技术性质

混凝土的各组成材料按一定的比例配合，经搅拌均匀后，未凝结硬化之前，称为混凝土拌合物。它必须具有良好的和易性，以保证能获得良好的浇灌质量；混凝土拌合物凝结硬化之后，应具有足够的强度，以保证建筑物能安全的承受设计荷载，并应具有必要的耐久性。

2.1 混凝土拌合物的和易性

和易性又称工作性，是指混凝土拌合物易于施工操作（拌和、运输、浇灌、捣实），并获得质量均匀、成型密实的混凝土性能。和易性是一项综合的技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性等三方面的含义。

（1）流动性

流动性是指混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣的作用下，能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。

（2）粘聚性

粘聚性是指混凝土拌合物在施工过程中其组成材料之间有一定粘聚力，不致产生分层和离析的现象。在外力作用下，混凝土拌合物各组成材料的沉降不同，如配合比例不当，粘聚性差，则施工当中易发生分层、离析等情况，致使混凝土硬化后产生“蜂窝”、“麻面”等缺陷，影响混凝土的强度和耐久性。

（3）保水性

保水性是指混凝土拌合物在施工过程中，具有一定的保水能力，不致产生严重的泌水现象。泌水性又称析水性，是指从混凝土拌合物中泌出部分水的性能。保水性不良的混凝土，易出现泌水，水分泌出后会形成联通孔隙，从而削弱了骨料或钢筋与水泥的粘聚力，影响混凝土质量。

由此可见，混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性，三者之间相互联系，又相互矛盾。如粘聚性好，则保水性往往也好，但流动性可能较差；当增大流动性时，粘聚性和保水性往往变差。因此，所谓拌合物的和易性良好，就是要使这三方面的性能，在某种具体工作条件下得到统一，达到均匀良好的状态。

2.2 混凝土的强度

混凝土强度包括抗压、抗拉、抗弯、抗剪以及握裹钢筋强度等，其中抗压强度值最大，而且混凝土的抗压强度与其他强度间有一定的相关性，可以根据抗压强度的大小来估计其他强度值。另外，工程上混凝土主要承受压力，因此，混凝土的抗压强度是最重要的一项性能指标。

一般来说，混凝土的强度越高，其刚性、不透水性、抵抗风化和某些介质侵蚀的能力也越高，通常用混凝土强度来评定和控制混凝土的质量。

2.3 混凝土的变形性能

混凝土的变形包括非荷载作用下的变形和荷载作用下的变形。非荷载作用下的变形分为混凝土的化学收缩、干湿变形和温度变形；荷载作用下的变形，分为短期荷载作用下的变形和长期荷载作用下的变形——徐变。

2.4 混凝土的耐久性

混凝土的耐久性是指混凝土能抵抗环境介质的长期作用，并保持其良好的使

用性能和外观完整性，从而具有维持混凝土结构的安全、正常使用的能力。混凝土的耐久性主要包括：抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化性、抗碱-骨料反应，以及混凝土中的钢筋耐锈蚀等。

（1）抗渗性

抗渗性是指混凝土在水、油等液体压力作用下，抵抗渗透的性能。它直接影响混凝土的抗冻性和抗侵蚀性。混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。混凝土的抗渗性用抗渗等级来表示。抗渗等级是以28d龄期的标准试件，在标准试验方法下所承受的最大静水压来表示，共有P4、P6、P8、P10和P12五个等级，表示混凝土能抵抗0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa和1.2MPa 的静水压力而不渗透。

影响抗渗性的主要因素除施工振捣不密实外，再就是与水灰比有很大的关系。水灰比大时，水泥浆中多余水分的蒸发留下很多气孔，以及泌水形成的毛细孔、粗骨料下部界面水富集所形成的空穴等，都会导致混凝土产生渗透现象。试验表明，随着水灰比的增大，抗渗性逐渐变差，当水灰比大于0.6时，抗渗性急剧下降。提高混凝土抗渗性的主要措施：降低水灰比，选择好的骨料级配并充分振捣，掺入引气剂等。

（2）抗冻性

混凝土的抗冻性是指混凝土在饱和水状态下，能经受多次冻融循环作用而不破坏，同时强度也不严重降低的性能。在寒冷地区，特别是在接触水又受冻的环境下的混凝土，要求具有较高的抗冻性。

混凝土的抗冻融循环性能与其内部孔结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等许多因素有关，其中最主要的是孔结构。如果孔结构不合理，开口孔和连通孔多，水很容易进入混凝土，在寒冷的气候坏境下就易遭受冻害。

（3）混凝土的碳化

混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳在水存在的条件下，与水泥中的氢氧化钙反应生成碳酸钙和水的过程。

碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。碳化使引起水