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文檔簡介

土木工程材料第三章水泥cement重點:掌握硅酸鹽通用水泥六種水泥的特性、技術(shù)要求及選用;了解:其它品種水泥特性及應(yīng)用水泥的定義

國外稱硅酸鹽水泥為波特蘭水泥(PortlandCement)

水泥應(yīng)用優(yōu)點水硬性(不怕水);可塑性好;原料來源廣、便宜;生產(chǎn)工藝較簡單;調(diào)整組成可配制不同品種水泥,滿足不同需要;耐久性較好;與鋼筋良好粘結(jié),制作鋼筋混凝土

水泥品種

通用水泥(六種)專用水泥(道路水泥、(第Ⅰ系列)硅酸鹽系列砌筑水泥)特種水泥(快硬硅酸鹽水泥、低熱水泥、膨脹水泥、白、彩水泥等)高鋁水泥(第Ⅱ系列)鋁酸鹽系列鋁酸鹽膨脹水泥自應(yīng)力水泥硫鋁酸鹽水泥(第Ⅲ系列)硫(鐵)鋁酸鹽系列鐵鋁酸鹽水泥通用硅酸鹽水泥定義、組分、代號混合材料含量代號通用水泥品種(六種)

硅酸鹽水泥(P?Ⅰ型;P?Ⅱ型)

普通水泥(P?O)

粉煤灰水泥(P?F)

礦渣水泥(P?S)

火山灰水泥(P?P)

復(fù)合水泥(P?C)

摻混合材料的硅酸鹽水泥3.1通用水泥通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)★水泥熟料的礦物組成★水泥的水化水泥的凝結(jié)硬化★常用水泥的主要技術(shù)性質(zhì)★水泥石的腐蝕與防止★常用水泥的特性與選用3.1.1通用水泥的生產(chǎn)3.1.1.1水泥熟料的燒成生產(chǎn)工藝流程磨細(xì)生料混合材料熟料水泥按比例混合、磨細(xì)石灰石粘土鐵礦粉1450℃煅燒石膏

水泥(硅酸鹽水泥)熟料的生產(chǎn)硅質(zhì)(黏土)鈣質(zhì)(石灰石)++煅燒1450℃粉磨鐵質(zhì)石膏熟料水泥生料混合材料粉磨??兩磨一燒原料:石灰質(zhì)原料:提供CaO,有石灰石、貝殼、石灰質(zhì)凝灰?guī)r。粘土質(zhì)原料:提供SiO2·Al2O3,少量Fe2O3,有粘土、黃土、

頁巖、泥巖、粉砂巖、河泥等。校正原料:提高Fe2O3的含量,有鐵礦粉黃鐵礦渣。另外還有少量的礦化劑(如螢石)改善煅燒條件。生產(chǎn)工藝:兩磨一燒一磨:將幾種原料按適當(dāng)比例混合磨細(xì),成生料。一燒:將生料入窯,經(jīng)1450co高溫煅燒,成熟料。二磨:將水泥熟料、石膏、混合材料一起磨細(xì)成水泥制品水泥立窯3.1.1.2磨制水泥成品原材料:水泥熟料、石膏和混合材料石膏為二水石膏或無水石膏;混合材料:生產(chǎn)水泥時為改善水泥性能,調(diào)節(jié)水泥標(biāo)號而加到水泥中的人工和天然礦物材料。分活性混合材料與非活性混合材料兩種。活性混合材料:與石灰、石膏一起,加水拌合后能形成水硬性膠凝材料的混合材料?;钚猿煞譃榛钚匝趸?、活性氧化鋁。非活性混合材料:不具活性成分或活性甚低的礦物質(zhì)。加入水泥中起提高產(chǎn)量、降低水泥標(biāo)號、減少水化熱作用。將水泥熟料、適量石膏分別和不同種類、數(shù)量的混合材料混合在一起磨細(xì)即可形成六大常用水泥。煉鋼廠冶煉生鐵時的副產(chǎn)品。主要成分:CaO、Al2O3、SiO2。具有較高的化學(xué)潛能,但穩(wěn)定性差.

粒化高爐礦渣火力發(fā)電廠煤粉燃料排出的細(xì)顆粒廢渣。主要成分:較多的SiO2、Al2O3和少量的CaO具有較高的活性。主要成分:Al2O3、SiO2。本身不硬化,+石灰+水起膠凝作用.天然的人工的活性混合材料定義:

目的:常用種類:非活性混合材料磨細(xì)的石灰石、石英巖、粘土、慢冷礦渣、高硅質(zhì)爐灰等?;鹕交屹|(zhì)混合材料粉煤灰粉煤灰FlyAsh煤粉+-電收塵器鍋爐爐底灰粉煤灰煙囪應(yīng)用粉煤灰顆粒磨細(xì)高爐礦渣鐵水熔融礦渣高爐水池水淬烘干、粉磨球磨機磨細(xì)礦渣顆?;钚曰旌喜牧显诔爻合拢芘c石灰作用,生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物:xCa(OH)+SiO2+mH2OxCaO·SiO2·nH2OxCa(OH)+Al2O3+mH2OxCaO·Al2O3·nH2O常用的活性混合材料有:?;郀t礦渣火山灰質(zhì)混合材料粉煤灰思考題1.生產(chǎn)過程中加入石膏的目的?為何嚴(yán)格控制摻量?(水泥質(zhì)量的3%~5%,具體摻量通過試驗確定)2.生產(chǎn)過程中根據(jù)需要加入適量混合材料,其目的?3.六種常用水泥的組成由何異同?

解答2.生產(chǎn)過程中根據(jù)需要加入適量混合材料,其目的?答:混合材料為天然的和人工的礦物材料,又分為活性混合材料和非活性混合材料,主要是為了調(diào)節(jié)水泥強度等級,提高水泥產(chǎn)量,降低成本,同時也可改善水泥性能(如:提高抗腐蝕性能,降低水化熱等)等作用。3.1.1.1主要礦物組成硅酸三鈣

C3S

(45~60%)硅酸二鈣C2S

(15~30%)鋁酸三鈣C3A

(2~13%)鐵鋁酸四鈣C4AF(9~15%)

C=CaOS=SiO2A=Al2O3F=Fe2O3H=H2O?=SO33.1.1硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及其特性硅酸鹽水泥熟料主要礦物3.1.1.2硅酸鹽水泥熟料主要礦物成份特性

熟料中各礦物單獨與水反應(yīng):2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2

(水化硅酸鈣)2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)23.1.2通用水泥的水化3.1.2.1硅酸鹽水泥熟料的水化

兩種礦物均水化生成C-S-H凝膠,但反應(yīng)速率相差懸殊,C3S水化很快,水化放熱量大,對水泥硬化后強度貢獻(xiàn)最大。C2S水化慢,放熱量小,早強低,后期高。當(dāng)Ca(OH)2達(dá)到飽和時在有石膏存在時4CaO·Al2O3·13H2O+3(CaSO4·2H2O)+14H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2(AFt)鈣礬石、針狀晶體3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

(水化鋁酸三鈣)C3A水化反應(yīng)速度最快,水化放熱最大,強度貢獻(xiàn)低。水泥生產(chǎn)加入石膏的作用,生成鈣礬石延緩水泥凝結(jié)時間,同時有利于水泥早期強度的發(fā)展,同時注意石膏摻多時有危害:水泥石膨脹開裂。體積增大1.5倍4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O

=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

C4AF水化與C3A相似,但水化熱較低,強度貢獻(xiàn)低。種類:凝膠體(兩種):C-S-H和CFH

晶體(三種):CH、C3AH6

和AFt含量:主要C-S-H占70%,其次CH占20%,再次AFt

占7%。小結(jié):水化產(chǎn)物種類及含量【水化產(chǎn)物特性】:①C-S-H:凝膠體,膠凝性強,強度高,不溶于水;②CFH:凝膠體,膠凝性差,呈棉絮狀,強度低,難溶于水;③CH:板狀晶體,強度較高,易溶于水;④C3AH6:立方晶體,強度低,溶于水。⑤AFt

:針狀晶體,強度高,不溶于水,有利于提高水泥石早期強度。(何時產(chǎn)生有危害性?)孔隙熟料礦物的水化速度熟料礦物的強度增長【礦物組成對水泥性能的影響】:(改變各礦物成分含量比例及匹配,可生產(chǎn)各種工程所需性能特異的水泥)如:生產(chǎn)高強水泥——增加C3S:生產(chǎn)低熱大壩水泥——減少C3S和C3A,增加C2S

生產(chǎn)快硬水泥——增加C3S和C3A

生產(chǎn)抗硫酸鹽水泥——限制C3A<5%

生產(chǎn)高抗折強度的道路水泥——增加C4AF和C3S

硅酸鹽水泥的品種及礦物含量C3S48653142C2S24114034C3A138122C4AF991215水泥A水泥B水泥C水泥D

普通

早強

低熱

抗硫酸鹽

χCa(OH)2+SiO2+mH2OχCaO?SiO2?(m+χ)H2O

yCa(OH)2+Al2O3+nH2OyCaO?Al2O3?(n+y)H2O

(有石膏時再水化成AFt)

【二次水化反應(yīng)概念】【二次水化反應(yīng)特性】(用于分析四種水泥特性機理)①水化速度慢②對溫度敏感,適于高溫養(yǎng)護(hù)(蒸養(yǎng))③水化放熱慢,放熱低

3.1.2.2活性混合材料的二次水化(四種水泥中:P?F、P?S、P?P、P?C)

3.1.3水泥的凝結(jié)硬化【宏觀分析】水泥加水拌合成為塑性水泥漿開始失去塑性塑性消失開始產(chǎn)生強度強度增長(初凝、終凝的劃分?)(d)后期(硬化期)(a)(b)早期(潛伏期)(c)中期(凝結(jié)期)(a)分散在水中未水化的水泥顆料;(b)在水泥顆粒表面形成水化物膜層;(c)膜層長大并互相連接(凝結(jié));(d)水化物進(jìn)一步發(fā)展,填充毛細(xì)孔(硬化)。1-水泥顆粒;2-水分;3-凝膠;4-晶體;5-水泥顆粒的未水化內(nèi)核;6-毛細(xì)孔1234356【微觀分析】骨料過渡區(qū)水泥石本體C-S-HCH鈣礬石1.00.200.40.60.80.20.40.60.81.01.00.200.40.60.80.20.40.60.81.0水化程度毛細(xì)孔

(毛細(xì)孔水)(凝膠孔水)凝膠孔凝膠實體未水化水泥體積率毛細(xì)孔

(毛細(xì)孔水)(凝膠孔水)凝膠孔凝膠實體未水化水泥體積率水化程度【水泥硬化后水泥石的結(jié)構(gòu)】

固相水泥石結(jié)構(gòu)組成氣相液相(各組成含量相對變化隨水化不斷進(jìn)行)【影響水泥水化凝結(jié)硬化的因素】1)礦物組成及其含量;2)水泥細(xì)度(影響水化、凝硬速度、干縮、水化熱等)(7~200μm);3)養(yǎng)護(hù)溫度濕度;4)養(yǎng)護(hù)齡期;5)調(diào)凝外加劑;6)水灰比(拌合加水量)(主要影響硬化后強度);7)受潮及久存。3.1.4水泥的腐蝕與防止(一)水泥石腐蝕的類型(二)水泥石腐蝕的原因(三)水泥石腐蝕的防止鹽類腐蝕酸類腐蝕強堿腐蝕軟水腐蝕(一)水泥石腐蝕的類型3.1.4水泥的腐蝕與防止軟水腐蝕(溶出性腐蝕)

——Ca(OH)2溶解流失繼而引發(fā)其它水化產(chǎn)物的分解溶蝕思考:(1)軟水指什么水?(2)軟水為靜水無壓影響不大,而流水壓力水會嚴(yán)重破壞水泥石?(3)遇硬度高的水(含重碳酸鹽較多)不會受腐蝕?(4)防止可在空氣中預(yù)先碳化,原因?RSO4

R+++SO4--Ca(OH)2

Ca+++2(OH-)Ca+++SO4--CaSO4+CAH3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O針狀晶體體積膨脹1.5~2倍鹽類腐蝕(海水、地下水、工業(yè)污水等)★⑴硫酸鹽腐蝕(腐蝕機理?)因生成鈣礬石(AFt)(水泥桿菌)體積膨脹導(dǎo)致水泥破壞

硫酸鹽腐蝕(延遲產(chǎn)生鈣礬石)鈣礬石(AFt)(針狀晶體)

(2)鎂鹽(海水中)腐蝕(腐蝕機理?)MgSO4+Ca(OH)2+H2OCaSO4·2H2O+Mg(OH)2MgCl+Ca(OH)2

CaCl2+Mg(OH)2

進(jìn)一步引起硫酸鹽腐蝕(雙重腐蝕)無膠結(jié)性溶解于水酸類腐蝕2HCl+Ca(OH)2CaCl2+2H2OH2SO4+Ca(OH)2CaSO4·2H2O溶解進(jìn)一步引起硫酸鹽腐蝕(雙重腐蝕)

工業(yè)污水、地下水中溶有許多CO2,CO2濃度低時影響不大,濃度高時腐蝕增強,為什么?1.一般酸的腐蝕2.碳酸腐蝕Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2OCaCO3+CO2+H2O=CaH(CO3)2

其它:糖、氨鹽、動物脂肪、含環(huán)烷酸的石油產(chǎn)品等也對水泥石有腐蝕作用??傊核嗍芨g為綜合的物理化學(xué)作用,非單一作用。6NaOH+C3A3Na2O·Al2O3+Ca(OH)2強堿腐蝕(強堿腐蝕主要針對鋁酸鹽含量高的水泥,如高鋁水泥)溶解

⑴降低水泥石中Ca(OH)2含量,采用摻混合材水泥(選擇合適水泥品種);

⑵增加水泥石密實度,防止有害物質(zhì)滲入;⑶混凝土外表用耐腐蝕材料做一保護(hù)層,如涂料等?!锼伎碱}?水泥石受腐蝕的原因(腐蝕機理)分析?⑴含有氫氧化鈣和水化鋁酸鈣⑵本身不密實⑶腐蝕介質(zhì)(二)產(chǎn)生水泥腐蝕的基本原因(三)水泥石腐蝕的防止措施(4)具有特殊要求的抗侵蝕砼,采用浸漬砼。3.1.5常用水泥的特性及應(yīng)用1.硅酸鹽水泥和普通水泥(P?I,P?II)和(P?O)

(混合材摻量少,熟料礦物多,特性主要取決于水泥熟料)【特性】

1.凝結(jié)硬化速度6.耐熱性2.強度(早強和后強)7.耐磨性3.水化熱8.干縮性4.耐腐蝕性9.抗碳化性5.抗凍性

(會分析原因)3.1.5常用水泥的特性及應(yīng)用1.硅酸鹽水泥和普通水泥(P?I,P?II)和(P?O)

【工程應(yīng)用】1.適用于重要結(jié)構(gòu)的高強混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土工程;2.適用于早期強度要求高的工程及冬季施工的工程;

3.適用于嚴(yán)寒地區(qū),遭受反復(fù)凍融的工程及干濕交替的部位;4.不能用于海水和有侵蝕性介質(zhì)存在的工程;5.不能用于大體積混凝土工程;6.不能用于高溫環(huán)境的工程。3.1.5常用水泥的特性及應(yīng)用2.粉煤灰水泥、礦渣水泥和火山灰水泥(P?F、P?S和P?P)

(水泥熟料較少,特性主要取決于混合材料的種類和摻量)【三者共性】(與硅酸鹽水泥和普通水泥比較)1.凝結(jié)硬化速度慢;6.抗凍性差;2.強度:早強低后強高;7.抗碳化性差;3.對溫、濕敏感,適于蒸養(yǎng);8.耐熱性較好。4.耐腐蝕性好;5.水化放熱低;

(會分析原因)3.1.5常用水泥的特性及應(yīng)用2.粉煤灰水泥、礦渣水泥和火山灰水泥(P?F、P?S和P?P)

【特性】(三者比較)1.P?S—優(yōu)點:耐熱性好;缺點:泌水大,保水差,干縮大、抗?jié)B差。2.

P?P—優(yōu)點:抗?jié)B性好;缺點:干縮較礦渣水泥顯著。3.

P?F—優(yōu)點:干縮小,抗裂好。3.1.5常用水泥的特性及應(yīng)用2.粉煤灰水泥、礦渣水泥和火山灰水泥(P?F、P?S和P?P)

【工程應(yīng)用】1.不適用于高強混凝土工程和要求快硬的工程;2.不適用于早期強度要求高的工程及冬季施工的工程;

3.不適用于嚴(yán)寒地區(qū),遭受反復(fù)凍融的工程及干濕交替的部位,不適用干燥環(huán)境工程;4.適用于水下、海水和有侵蝕性介質(zhì)存在的工程;5.適用于大體積混凝土工程;6.適用于高溫、高濕環(huán)境的工程。3.1.5常用水泥的特性及應(yīng)用3.復(fù)合水泥(P?C)(組成?)

(性能與所摻混合材料種類和摻量有關(guān))【特性】

早期強度比同強度等級的三種水泥(P?F、P?S、P?P)高,與普通水泥同。通用硅酸鹽水泥的特性通用硅酸鹽水泥的應(yīng)用根據(jù)工程特點及使用環(huán)境分:優(yōu)先選用、可以選用和不宜選用三種情況3.1.6影響通用水泥性能的因素水泥組成成分的影響;貯存條件的影響。水泥細(xì)度的影響;養(yǎng)護(hù)條件(溫度、濕度)的影響;齡期的影響;拌和用水量的影響;3.1.7通用水泥的選用根據(jù)工程性質(zhì)、結(jié)構(gòu)部位、施工要求和使用條件環(huán)境等,參見表3.3選用。1、物理性質(zhì)

包括凝結(jié)時間、安定性、強度和細(xì)度(選擇性指標(biāo))。(1)細(xì)度影響水泥的凝結(jié)硬化速度、強度、需水量、早期水化熱、硬化收縮等。測定方法:篩析法、比表面積法。★a、水泥顆粒小于45m才能充分水化;

b、水泥顆粒大于90m只有表面水化;

c、水泥顆粒越細(xì),成本越高,因此水泥的細(xì)度要適當(dāng)。3.1.8

通用水泥的技術(shù)性質(zhì)要求測定方法及標(biāo)準(zhǔn)要求:①比表面積法:硅酸鹽水泥用透氣式比表面積儀測定,要求比表面積>300m2/kg;②篩析法:其它五種水泥,要求0.080mm方孔篩篩余<10%。(2)凝結(jié)時間初凝:加水拌和到標(biāo)稠,凈漿開始失去可塑性所需的時間。終凝:加水拌和到標(biāo)稠,凈漿完全失去可塑性,并產(chǎn)生強度

所需的時間。硅酸鹽水泥:≯390min。其它五種水泥:≯600min。GB規(guī)定:初凝≮45min,終凝3.1.8通水泥的技術(shù)性質(zhì)要求

測定方法:用標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥凈漿在規(guī)定溫度濕度環(huán)境下,用凝結(jié)時間測定儀來測。注:需先測標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量(水泥凈漿達(dá)到規(guī)定稠度所需的拌合水量,與水泥品種、熟料礦物成分、細(xì)度等因素有關(guān))(2)凝結(jié)時間標(biāo)準(zhǔn)稠度測定儀試錐和錐模1-鐵座;2-金屬圓棒;3-松緊螺絲;4-指針;5-標(biāo)尺(3)體積安定性----水泥漿在硬化過程中,體積變化的均勻性能。原因:(1)熟料中f-CaO過多;

(2)水泥中f-MgO過多;(3)石膏過量。體積安定性不良的后果:

(1)會使構(gòu)件產(chǎn)生膨脹性裂縫;(2)降低建筑物質(zhì)量;(3)甚至可能引起嚴(yán)重事故。*有爭議時以雷氏法為準(zhǔn)。體積安定性的測定方法:

(1)試餅法;(2)雷氏法。雷氏夾雷氏夾膨脹值測量儀1-指針;2-環(huán)模1-底座;2-模子座;3-測彈性標(biāo)尺;4-立柱;5-測膨脹值標(biāo)尺;6-懸臂;7-懸絲;8-彈簧頂扭7123456812GB規(guī)定:試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸:4040160mm水泥:砂:水=1:3:0.5(4)強度及強度等級測定:抗壓強度——6組試件抗折強度——3組試件——測3d、28d原因:(1)水泥凈漿體積收縮,易產(chǎn)生裂縫,不利于強度

的測定。(2)實際中均用砂漿,而很少用凈漿。(3)可測多方面的強度。GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》(ISO法)水泥膠砂強度檢驗方法:1.試模為可裝卸的三聯(lián)模,每條40×40×160mm.2.各齡期試件必須在下列時間內(nèi)進(jìn)行強度試驗:

齡期時間

3d3d±2h7d7d±3h28d28d±3h3.每齡期取出三條試件先做抗折強度試驗,采用中分點加荷.結(jié)果取三塊試件平均整數(shù).當(dāng)三個強度值中有超過平均值±10%的,應(yīng)剔除后再平均,平均值作為抗折強度試驗結(jié)果。4.抗折試驗后二個斷塊立即進(jìn)行抗壓試驗,受壓面40×62.5mm.六個抗壓強度結(jié)果剔除最大、最小兩個數(shù)值,剩下四個平均值作為抗壓強度試驗結(jié)果。如不足六塊,取平均值。3.1.8.4強度及強度等級1604040試件尺寸

抗折強度

抗壓強度GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》(ISO法)強度等級:按抗壓強度、抗折強度分為:硅酸鹽水泥:普通水泥:礦渣、火山灰、粉煤灰、復(fù)合硅酸鹽水泥:42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R42.5、42.5R、52.5、52.5R32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R具體的3d、28d對應(yīng)的抗壓抗折強度與相同等級的硅酸鹽水泥強度相同。通用水泥的強度等級2、化學(xué)性質(zhì)(化學(xué)指標(biāo))

化學(xué)指標(biāo):包括不溶物、燒失量、氧化鎂、三氧化硫、氯離子和堿含量(選擇性指標(biāo))等;(1)不溶物不溶物主要指水泥經(jīng)鹽酸處理后的不溶殘渣,經(jīng)碳酸鈉處理再用鹽酸中和后所得的殘渣經(jīng)高溫妁燒后所剩的物質(zhì)。Ⅰ型硅酸鹽水泥中不溶物≯0.75%,Ⅱ型硅酸鹽水泥中不溶物≯1.5%。不溶物的含量會影響水泥的粘結(jié)質(zhì)量,不溶物含量高對水泥質(zhì)量有不良影響。2、化學(xué)性質(zhì)(化學(xué)指標(biāo))

(2)燒失量根據(jù)燒失量可以大致判斷水泥的受潮及風(fēng)化程度。Ⅰ型硅酸鹽水泥中燒失量≯3.0%,Ⅱ型硅酸鹽水泥中燒失量≯3.5%。普通硅酸鹽水泥中燒失量≯5.0%。其他水泥中燒失量:無要求燒失量是指將水泥在950-1000℃溫度下妁燒15-20min的質(zhì)量減少率。用來限制石膏和混合材料中雜質(zhì)的,以保證水泥質(zhì)量。2、化學(xué)性質(zhì)(化學(xué)指標(biāo))

(3)三氧化硫GB規(guī)定:Ⅰ、Ⅱ型硅酸鹽水泥、普通、粉煤灰、火山灰、復(fù)合水泥中SO3≯3.5%,礦渣硅酸鹽水泥中SO3

≯4.0%。三氧化硫是添加石膏時帶入的成分,其量過多同樣會造成水泥石體積膨脹。2、化學(xué)性質(zhì)(化學(xué)指標(biāo))

(4)氧化鎂GB規(guī)定:Ⅰ、Ⅱ型硅酸鹽水泥、普通水泥中MgO≯5.0%,(

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