第四章水泥

第五章水泥目前生产和使用的水泥品种有200种之多。

但在建筑工程中主要使用的是硅酸盐系列的水泥。

硅酸盐系列的六大品种水泥是：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。

其它硅酸盐系列的有：快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、低热及中热硅酸盐水泥等。

其它系列及品种有：铝酸盐类水泥，如高铝水泥；硫铝酸盐类水泥，如快硬硫铝酸盐水泥、I型低碱硫铝酸盐水泥等。

但使用量最大的为硅酸盐类水泥。

而在硅酸盐类水泥中，从组成上可看出：其它水泥均是在硅酸盐水泥的基础上或改变了矿物组成及含量、或掺入了一定量的混合材料，因而要掌握硅酸盐水泥类水泥的性能，首先必须掌握硅酸盐水泥。

第一部分硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥的组成与生产定义：凡由硅酸盐水泥熟料、0%-5%的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。

未掺混合材料的称为I型硅酸盐水泥，代号P﹒I；掺不超过5%的混合材料称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P﹒Ⅱ。

硅酸盐水泥熟料是以适当比例的粘土（提供SiO2、Al2O3、Fe2O3），石灰石（提供CaO），铁矿粉、铝粉及硅粉（分别提供Fe2O3、Al2O3及SiO2以保证其矿物成分按一定的比例组成）等原料经磨细制得生料，将生料成球后在窑内煅烧（1450℃左右）而得，其矿物组成主要是四种：硅酸三钙3CaO·SiO2，简写C3S，含量45%～60%；硅酸二钙2CaO·SiO2，简写C2S，含量15%～30%；铝酸三钙3CaO·Al2O3，简写C3A，含量6%～12%；铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写C4AF，含量6%～8%。

可见：硅酸盐（硅酸三钙、硅酸二钙）的含量占总量的75%左右。

故称为硅酸盐水泥。

在硅酸盐水泥的生产过程中，有二个因素会对水泥的性能产生影响：一是原材料的比例要适当；二是煅烧的温度和时间，因为主要矿物成分的C3S是在最后阶段形成，需在较高温度下持续一定的时间由C2S吸收CaO而成。

若煅烧的温度和时间控制不好，则水泥中C3S 含量少，影响强度。

更不利的是水泥中游离CaO含量高，影响水泥的安定性。

二、硅酸盐水泥水化与凝结硬化1、硅酸盐水泥的水化产物：2C3S﹢6H2O→3C-S-H﹢3Ca(OH)2水化硅酸钙凝胶氢氧化钙晶体（注意放出3个）2C2S﹢4H2O→3C-S-H﹢Ca(OH)2水化硅酸钙凝胶氢氧化钙晶体（注意放出1个）3C3A﹢6H2O→3C-A-H水化铝酸三钙晶体（此反应特别快，若不采取缓凝措施，水泥不能正常使用）C 4AF﹢7H2O→3C-A-H﹢C-F-H水化铁酸钙凝胶（有利于提高水泥的抗折强度）为延缓凝结时间、方便施工而加入的石膏也参与反应，在凝结硬化初期与水化铝酸三钙反应，生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·31 H2O，称为高硫型水化硫铝酸钙晶体，又称钙矾石，可简写成C A S H---。

此产物不溶于水，形成时体积会膨胀1.5倍，包裹在水泥颗粒表面，阻碍水泥颗粒（C3A）与水接触，从而起到延缓凝结时间的目的。

在凝结硬化后期，因石膏的浓度减少，生成的产物为 3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O，称为低硫型水化硫铝酸钙晶体，二者合称水化硫铝酸钙晶体。

由此可见硅酸盐水泥在水化后，主要有五中水化产物，按形态又分为有凝胶和晶体。

凝胶占水化产物的绝大多数，在水中几乎不溶。

氢氧化钙晶体则微溶于水。

2、硅酸盐水泥的凝结硬化水泥在加水后即产生水化反应，随水化反应的进行，水泥浆逐步变稠，最终因水化产物的增多而失去可塑性，即凝结。

之后逐步产生强度，即硬化。

水泥在刚刚与水拌合时，水泥熟料颗粒与水充分接触，因而水化速度快，单位时间内产生的水化产物多，故早期强度增长快。

随着水化的进行，水化产物逐渐增多，这些水化产物对未水化的水泥熟料内核与水的接触和水化反应起到了一定的阻碍作用，故后期的强度发展逐步减慢。

若温度、湿度适宜，则水泥石的强度在几年、甚至数十年后仍可缓慢增长。

3、水泥石的组成与性质水泥石，即硬化后水泥浆体。

它由水泥水化产物凝胶体（水化硅酸钙和水化铁酸钙，内有凝胶孔）和晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙）、未水化颗粒内核、毛细孔隙（多余水分所占空间）等组成。

水泥石的强度主要取决于水泥标号、水灰比（水量与水泥量的质量比）、养护条件及龄期等。

在保证成型质量的前提下，水灰比越小、温度适宜、湿度越大、养护时间越长，则水泥石的水化产物越多、毛细孔隙越小，水泥石强度越高，水泥石的其它性能也越好。

三、硅酸盐水泥的技术要求1、细度水泥颗粒越细，与水接触的面积越大，凝结硬化速度越快，水化程度越高（在几十年龄期的水泥制品中仍有未水化的水泥颗粒），早期和后期强度也越高，但硬化时的干缩增大（因表面积增大，故拌和需水量大）。

2、凝结时间为保证在施工时有充足时间完成搅拌、运输、浇灌、成型等各项工艺过程，水泥的初凝时间不宜太短。

施工完毕后，希望水泥能尽快硬化，产生强度，故终凝不能太长。

水泥的凝结时间受拌和用水量的多少（水泥浆的稀稠）、温度和湿度（所以测定水泥的凝结时间要用标准稠度用水量，并规定温度和湿度）、水泥的细度、水泥的矿物组成等因素的影响。

水泥的凝结时间是通过掺入适量石膏来调整的，石膏掺量过少，起不到时调整凝结时间的目的；石膏掺量过多，易造成快凝，更会影响到水泥的安定性。

工程中会出现水泥快凝甚至瞬凝的情况，造成这种现象的原因可能有以下几种：①生产时石膏掺量不当，过少或过多。

这类水泥往往是废品，若掺量过少其初凝时间不符合要求；若掺量过多，则安定性会不合格。

②生产水泥中掺石膏时熟料的温度过高。

熟料需煅烧至1450℃，应待充分冷却后方可掺入石膏共磨。

因所掺石膏为二水石膏（CaSO4.2H2O），在100多度即脱水而变成半水石膏，即建筑石膏，其特点是凝结硬度快。

③施工现场不同品种、不同强度等级的水泥混合使用。

3、体积安定性指水泥石在硬化过程中体积变化的均匀性。

如产生不均匀变形，即会引起翘曲或开裂，称为体积安定性不良。

体积安定性不良的原因是（1）水泥中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁（生产石灰是温度一般控制在1000℃，而生产水泥时需达1450℃，且需保持一定的时间，所以均为严重过火），两者后期逐步水化产生膨胀，致使已硬化的水泥石开裂；（2）石膏掺量过多，在硬化后的水泥石中，继续与C-A-H反应，产生膨胀性产物高硫型水化硫铝酸钙，引起水泥石开裂。

体积安定性不合格的水泥为废品，工程中严禁使用。

应该指出的是，在水泥水化初期，适量石膏主要是与C3A的水化产物C-A-H反应，生成膨胀性的产物高硫型的水化硫铝酸钙。

但它是在水泥浆尚未终凝前生成的，水泥浆尚有一定的可塑性，故不会造成结构上的破坏。

除C3A的水化产物是C-A-H外，C4AF的水化产物也有C-A-H，石膏掺量过多时膨胀性的高硫型水化铝硫酸钙，在水泥浆硬化后还继续生成，即造成水泥石破坏，亦即体积安定心性不良。

四、水泥石的腐蚀与防止1、软水侵蚀（溶出性侵蚀）不含或仅含少量重碳酸盐的水称为软水，如雨水、雪水、淡水及多数江水、湖水等。

当水泥石与静止或无压力的软水接触时，水泥石中的氢氧化钙微溶于水，水溶液迅速饱和。

因而对水泥石性能的影响不大。

但在流动的或有压力的软水中，由于水不断地将水泥石内的氢氧化钙溶解，使水泥石孔隙率增加，同时由于氢氧化钙浓度的降低，部分水化产物分解，从而引起水泥石强度下降。

但硬水与水泥石接触时，产生下述反应：Ca(OH)2﹢Ca(HCO3)2→2CaCO3﹢2H2OCa(OH)2﹢Mg(HCO 3)2→CaCO 3﹢MgCO 3﹢2H 2O生成的CaCO 3和MgCO 3 均几乎不溶于水，且强度较高，故硬水对水泥石有保护作用。

2、盐类腐蚀（1）硫酸盐腐蚀（膨胀型侵蚀） 在海水、某些湖水和沼泽水及地下水以及某些工业废水或流经高炉矿渣或矿渣的水中常常含有钠、钾、铵等硫酸盐。

这些硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙作用生成硫酸钙，进而与水泥石中的水化铝酸钙作用，生成具有膨胀性的高硫型水化硫铝酸钙，使水泥石开裂。

若硫酸盐浓度较高，则硫酸钙将以二水石膏CaSO 4·2H 2O 形式在毛细孔中结晶析出，使水泥石被胀裂破坏。

（2）镁盐腐蚀（离子交换型侵蚀或膨胀型侵蚀） 海水、某些地下或某些沼泽水中常含有大量的镁盐，主要是硫酸镁和氧化镁。

它们可与水泥石中的氢氧化钙产生如下反应： MgCl 2﹢Ca(OH)2→CaCl 2﹢Mg(OH)2 MgSO 4﹢Ca(OH)2→CaSO 4﹢Mg(OH)2生成的氢氧化镁松软而无胶凝能力，氯化钙则极易溶于水使孔隙率大大增加，生成的硫酸钙则又可发生上述的硫酸盐腐蚀。

同时由于碱度降低，造成部分水化产物分解。

因此镁盐腐蚀属于是双重腐蚀，故特别严重。

3、酸类腐蚀（1）碳酸腐蚀 在工业废水和某些地下水中常溶解有较多的CO 2，当与水泥石接触时，即产生下述反应：CO 2﹢H 2O ﹢Ca(OH)2→CaCO 3﹢H 2O生成的CaCO 3可以继续和碳酸反应，即有： CO 2﹢H 2O ﹢CaCO 3≒Ca(HCO 3)2生成的Ca(HCO 3)2易溶于水。

当水中含有较多的 CO 2，并超过上述平衡浓度时，上述反应向右进行，即将水泥石中微溶于水的Ca(OH)2转换为易溶于水的Ca(HCO 3)2，从而加剧溶失，使孔隙率增加。

同时由于Ca(OH)2浓度的降低，会引起部分水化产物分解，因此对水泥石有较大的腐蚀。

如CO 2浓度低，形成CaCO 3不溶，且强度硬度高，则对水泥石而言无破坏作用，但是降低了水泥石的碱度，对有钢筋的水泥制品会失去对钢筋的保护作用。

（2）一般酸腐蚀 工业废水，某些地下水、沼泽水中常含有一定量的无机酸和有机酸。

它们都对水泥石具有腐蚀作用，即它们都可以和水泥石中的Ca(OH)2反应，产物或是易溶的，或是膨胀性的产物，并且由于Ca(OH)2被大量消耗，引起的碱度降低，促使水化产物大量分解，从而引起水泥石强度急剧降低。

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。

4、强碱腐蚀 碱类溶液在浓度不大时，一般对水泥石没有大的腐蚀作用，可以认为是无害的。

但浓度较高的强碱（NaOH 或KOH ）也会对水泥石产生腐蚀。

主要作用于C 3A ：3CaO ·Al 2O 3﹢NaOH →3Na 2O ·Al 2O 3﹢Ca(OH)2生成的铝酸钠3Na 2O ·Al 2O 3易溶于水。

当水泥受到干湿交替作用时，水泥石中的强碱NaOH 与空气中的CO 2按下式反应：NaOH ﹢CO 2﹢H 2O →Na 2CO 3﹢H 2O生成的Na 2CO 3在毛细孔中结晶析出，使水泥石被胀裂。