其他品種水泥

其他品種水泥

為了滿足各種工程的不同需要，在硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的基礎(chǔ)上，已生產(chǎn)了許多品種的水泥。——按水泥的用途及性能可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類。本章主要介紹與工程建設(shè)密切相關(guān)的某些特性水泥和專用水泥。

第一節(jié)快硬高強(qiáng)水泥隨著現(xiàn)代工程的日益發(fā)展，在很多情況下，常要求水泥具有相應(yīng)的快凝、快硬性能。如軍事?lián)屝薰こ?、路面、機(jī)場(chǎng)修補(bǔ)等。近20年來(lái)，水泥在快硬和高強(qiáng)方面，都有重大突破。在快硬方面，已發(fā)展了超早強(qiáng)水泥，能在5～20min硬化，硬化1h的抗壓強(qiáng)度可達(dá)10～30MPa。在類型上，除了硫鋁酸鈣型和氟鋁酸鈣型快硬水泥外，還發(fā)明了超快硬外加劑。在高強(qiáng)方面水泥標(biāo)號(hào)已可以超過(guò)100MPa以上。一、快硬水泥目前，快硬水泥主要有快硬硅酸鹽水泥，以及前章論述的硫鋁酸鹽型快硬水泥和氟鋁酸鹽型快硬水泥。此外也可用超快硬外加劑提高通用水泥的早期強(qiáng)度。（一）快硬硅酸鹽水泥定義：凡以適當(dāng)成分的生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，磨細(xì)制成具有早期強(qiáng)度增進(jìn)率較高的水硬性膠凝材料，稱為快硬硅酸鹽水泥（簡(jiǎn)稱快硬水泥）?？煊菜嗟臉?biāo)號(hào)以3天抗壓強(qiáng)度來(lái)表示，分為325、375、425三個(gè)標(biāo)號(hào)。為了提高水泥的早期強(qiáng)度，一般熟料礦物中C3S含量達(dá)50%～60%，C3A含量為8%～14%?？煊菜嗟膹?qiáng)度要求見(jiàn)表8-1水泥的比表面積對(duì)其強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度的影響很大，見(jiàn)下表。水泥標(biāo)號(hào)抗壓強(qiáng)度（MPa）抗折強(qiáng)度（MPa）1d3d1d3d32537542514.716.718.632.537.542.53.43.94.45.45.96.3水泥比表面積（cm2/g）抗壓強(qiáng)度（MPa）1d3d7d28d29804540630010.525.326.127.943.744.038.647.852.643.653.361.2快硬水泥的水化熱較高，早期干縮率大。在儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中易風(fēng)化，一般儲(chǔ)存期不應(yīng)超過(guò)一個(gè)月?？煊菜嗟乃嗍容^致密，其不透水性和抗凍性常優(yōu)于普通水泥。

快硬硅酸鹽水泥主要用于搶修工程、軍事工程以及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件。（二）快硬劑采用快硬劑使水泥獲得超快硬特性，是水泥工業(yè)的一項(xiàng)新進(jìn)展。日本的QT快硬劑、我國(guó)的SH快硬劑和NX快硬劑為常用水泥應(yīng)用于特殊工程開(kāi)辟了廣闊前景。QT快硬劑的生產(chǎn)：主要原料為燒礬土和生石灰，按適當(dāng)配比在電爐中于1500℃熔融，經(jīng)淬冷后烘干磨細(xì)，加入適量磨細(xì)無(wú)水石膏和激發(fā)劑，即成QT快硬劑。下表為某QT的化學(xué)成分（%）。不溶物CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3其他0.842.62.223.90.70.228.31.3QT的主要礦物組成為C12A7和CaSO4，和硅酸鹽水泥混合加水水化后，其主要的水化產(chǎn)物為水化硫鋁酸鈣AFt和水化硅酸鈣C-S-H以及氫氧化鈣。12h前的強(qiáng)度，主要依靠鈣礬石的生成；12h后，阿利特水化形成的C-S-H凝膠才能對(duì)強(qiáng)度發(fā)揮作用。下表為25%QT與75%硅酸鹽水泥混合后的砂漿強(qiáng)度（水灰比為0.45）。齡期1h2h3h抗壓強(qiáng)度（MPa）9.815.218.6NX促硬劑可使水泥的小時(shí)強(qiáng)度達(dá)10MPa以上。見(jiàn)表8-5。由NX配制的超快硬水泥在低溫下可以正常硬化，如下表所示。

而52.5強(qiáng)度等級(jí)的硅酸鹽水泥在5℃下硬化，24h尚難凝結(jié)，3d才能脫模。摻有NX的超快硬水泥實(shí)際上在-10℃左右也能正常硬化。摻有促硬劑的超快硬水泥可以用于快速施工工程、緊急搶修工程、冬季施工工程，抗?jié)B堵漏工程及地下工程等。

二、高強(qiáng)水泥（一）高標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥生產(chǎn)高標(biāo)號(hào)硅酸鹽水泥的主要工藝措施是燒制高強(qiáng)度的硅酸鹽水泥熟料，提高水泥的粉磨細(xì)度以及適當(dāng)增加石膏摻量。表8-7為高標(biāo)號(hào)水泥的強(qiáng)度齡期8h12h16h1d3d7d28d90d抗折強(qiáng)度（MPa）6.88.59.210.611.014.114.815.1抗壓強(qiáng)度（MPa）28.342.453.469.298.4103.9116.5128.8

（二）特種高強(qiáng)水泥目前的特種高強(qiáng)水泥的理論基礎(chǔ)均基于T.C.Powers的膠孔材料理論：水泥石的強(qiáng)度主要決定于水泥的水化程度和水灰比（孔隙率）。1、熱壓高強(qiáng)水泥美國(guó)D.M.Roy采用大幅度地降低成型時(shí)的水灰比和總孔隙率的途徑，使水泥石的孔隙率僅為1.78%，水泥石強(qiáng)度高達(dá)652MPa。

2、宏觀無(wú)缺陷水泥（MDF水泥）由英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司和牛津大學(xué)的Birchall推出的一種新型高強(qiáng)水泥。MDF是將某些聚合物按一定比例加入到水泥與水的系統(tǒng)中進(jìn)行混合，隨后進(jìn)行高效剪切攪拌而獲得塑性較高的混合物。該混合物可通過(guò)擠壓或其他成型技術(shù)制成制品。MDF的生產(chǎn)工藝過(guò)程中，采用低的水/固比，選用適宜的水泥品種，控制水泥的顆粒分布，施加適當(dāng)?shù)某尚蛪毫瓦x擇合適的養(yǎng)護(hù)溫度等都會(huì)對(duì)MDF材料的最終性能產(chǎn)生一定影響。MDF水泥具有優(yōu)異的工程應(yīng)用性能，除了力學(xué)性能大幅度改善外，在電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、低溫使用性能上都具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。如孔隙率為1%、密度為2.5g/cm3的MDF水泥的抗壓強(qiáng)度可達(dá)300MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)150-240MPa，彈性模量為5×104MPa，熱膨脹為9.7μm/（m·k)。在MDF水泥材料制造過(guò)程中，由于有機(jī)聚合物的加入，增加了水泥漿體的和易性，因此可以大大減少水膠比，并在強(qiáng)力剪切攪拌、擠壓下排出材料中的氣孔。由于孔隙率和孔徑的減少，材料的強(qiáng)度，尤其是抗折強(qiáng)度得以提高。聚合物在材料中主要起減水、增塑、填充孔隙等作用。關(guān)于MDF水泥的高強(qiáng)機(jī)理，以及聚合物與水泥間是否存在化學(xué)反應(yīng)，不同學(xué)者基于自己的研究提出了各自的觀點(diǎn)?！狟irchall等采用SEM方法研究了MDF水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，并將其與普通水泥漿體進(jìn)行比較，觀察到兩者的主要差別在于宏觀缺陷上，MDF水泥基本上消除了宏觀缺陷（大的孔隙）。兩種水泥漿體在低水灰比的情況下，其結(jié)構(gòu)是相似的。用SEM檢查樣品的斷裂表面、殘余熟料顆粒的形貌、內(nèi)部水化產(chǎn)物以及氫氧化鈣晶體等，所以這些都是相似的?！泼魇鼋淌诘日J(rèn)為：水泥和聚合物的抗折強(qiáng)度均小于100MPa，而MDF水泥的抗折強(qiáng)度卻大大高于此值。說(shuō)明必然存在聚合物與水泥兩相的復(fù)合增強(qiáng)作用，他們研究了聚丙烯酸衍生物與Ca,Al,Fe,Si離子的紅外反應(yīng)活性，得到了化學(xué)反應(yīng)的信息，并通過(guò)X射線分析認(rèn)為，在所研究的體積內(nèi)形成了Ca和Al的聚羧酸鹽。研究結(jié)果表明，在這類MDF水泥中，存在著包括界面化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的較為復(fù)雜的復(fù)合增強(qiáng)作用。3、高密超細(xì)勻質(zhì)水泥（DSP水泥）

繼Birchall之后，美、蘇、日等都相應(yīng)開(kāi)展研究，并推出了與此相似的DSP水泥，（含有超細(xì)顆粒均勻分布的致密材料）。即在硅酸鹽水泥中摻入20%～25%的硅灰，同時(shí)采用高效減水劑將水灰比降到0.12～0.15，可使水泥石的抗壓強(qiáng)度達(dá)到200～270MPa。另外，還有纖維增強(qiáng)水泥，水泥-聚合物-纖維三元復(fù)合材料等。水泥基材料在高強(qiáng)方面已有了突破性進(jìn)展，其強(qiáng)度和韌性可與鋼材相近，但其質(zhì)量比鋼材輕，耐腐蝕性能比鋼材好。

第二節(jié)抗硫酸鹽硅酸鹽水泥定義：凡以適當(dāng)成分的生料，燒至部分熔融，所得的以硅酸鈣為主的特定礦物組成的熟料，加入適量石膏，磨細(xì)制成的具有一定抗硫酸鹽侵蝕性能的水硬性膠凝材料，稱為抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，簡(jiǎn)稱抗硫酸鹽水泥。水泥石中引起硫酸鹽腐蝕的兩大因素：——?dú)溲趸}和水化鋁酸鈣。因此，水泥的抗硫酸鹽性在很大程度上決定于水泥熟料的礦物組成及其相對(duì)含量。下圖為不同熟料礦物組成配制的砂漿，在硫酸鎂溶液中的膨脹情況。

試驗(yàn)表明，C3S或C2S中摻有C3A后，其膨脹率迅速增加。所以，從礦物組成方面提高水泥抗硫酸鹽侵蝕的措施：（一）降低C3A含量，相應(yīng)提高C4AF的含量。（二）降低C3S的含量，相應(yīng)增加C2S的含量。所以，抗硫酸鹽水泥熟料中C3A和C3S的含量必須加以限制。GB748規(guī)定，C3S和C3A的計(jì)算礦物含量分別不應(yīng)超過(guò)50%和5%。C3A+C4AF的含量應(yīng)小于22%。--------------這樣生產(chǎn)出的熟料礦物組成一般為：C3S=40%～45%、C3S+C2S=77%～80%、C3A=2%～4%、C4AF=15%～18%、f-CaO＜0.5%。

抗硫酸鹽水泥的標(biāo)號(hào)分為325和425兩個(gè)標(biāo)號(hào)。見(jiàn)下表水泥標(biāo)號(hào)抗折強(qiáng)度（MPa）抗壓強(qiáng)度（MPa）3d7d28d3d7d28d3252.53.65.411.818.632.54253.34.56.315.724.542.5抗硫酸鹽水泥適用于一般受硫酸鹽侵蝕的海港、水利、地下、隧涵、引水、道路和橋梁基礎(chǔ)等工程。在我國(guó)，抗硫酸鹽水泥已廣泛應(yīng)用于有硫酸鹽侵蝕的工程，如成昆鐵路的隧道工程、青海鹽湖筑路工程、新疆公路工程以及一些海港工程等等?？沽蛩猁}水泥一般可抵抗SO42-離子濃度不超過(guò)2500mg/L的純硫酸鹽的腐蝕。如果環(huán)境侵蝕水中SO42-離子濃度過(guò)高，則要用高抗硫酸鹽水泥。高抗硫酸鹽水泥熟料中鋁酸三鈣含量不大于2%，硅酸三鈣含量不大于35%。高抗硫酸鹽水泥可抗SO42-離子濃度為（1～2）×104mg/L，但這種水泥的早期強(qiáng)度較低，具有后期強(qiáng)度增進(jìn)率高的特點(diǎn)?？沽蛩猁}水泥具有較低的水化熱，其他性能如脹縮、抗?jié)B、彈性模量、抗凍等與硅酸鹽水泥相似。

第三節(jié)膨脹水泥普通硅酸鹽水泥在空氣中硬化，通常都將產(chǎn)生收縮。一般收縮率平均在0.02%～0.03%，180天的收縮率平均在0.04～0.06%因此，水泥混凝土成型后，由于收縮內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫而使其一系列性能下降。當(dāng)用膨脹水泥配制混凝土?xí)r，在硬化過(guò)程中產(chǎn)生一定數(shù)值的膨脹，就可以克服或改善上述缺點(diǎn)。根據(jù)膨脹值和用途的不同，膨脹水泥可分為：收縮補(bǔ)償水泥和自應(yīng)力水泥兩類?！湛s補(bǔ)償水泥：膨脹值較低，限制膨脹時(shí)所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，大致能抵消干縮所引起的拉應(yīng)力，主要用以減少或防止混凝土的干縮裂縫?！詰?yīng)力水泥：膨脹值較高，足以使干縮后的混凝土仍有較大的自應(yīng)力，用以配制各種自應(yīng)力混凝土。習(xí)慣上通常將補(bǔ)償收縮的水泥稱為膨脹水泥，用以配制自應(yīng)力混凝土的膨脹水泥則稱為自應(yīng)力水泥。

一、制取膨脹水泥的工藝原理主要有三種方法：1、在水泥中摻入一定量的在特定溫度下煅燒制得的氧化鈣（生石灰），氧化鈣水化時(shí)產(chǎn)生體積膨脹。2、在水泥中摻入一定量的在特定溫度下煅燒制得的氧化鎂（菱苦土），氧化鎂水化時(shí)產(chǎn)生體積膨脹。3、在水泥漿體水化硬化過(guò)程的某一適當(dāng)時(shí)機(jī)形成鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹。由于氧化鈣和氧化鎂的水化膨脹性能不夠穩(wěn)定，較難控制。所以，在實(shí)際上得到廣泛應(yīng)用的是以鈣礬石作為膨脹源的各種膨脹水泥。關(guān)于鈣礬石產(chǎn)生膨脹的機(jī)理，存在著不同的假說(shuō)，尚處在不斷探索之中?！Ｄ防碚摚涸诟邼舛鹊腃a(OH)2溶液中，鈣礬石是通過(guò)固相反應(yīng)形成，大量水進(jìn)入結(jié)構(gòu)中從而引起膨脹。但近代的研究表明，在低濃度的Ca(OH)2溶液中形成的鈣礬石也會(huì)膨脹。（鈣礬石的分布狀態(tài)不同）——梅塔（P.K.Mehta)的理論：只有凝膠狀的鈣礬石粒子才是產(chǎn)生膨脹的根源。帶負(fù)電荷的鈣礬石粒子吸引周圍的極性水分子，從而引起顆粒間的斥力，造成體系的膨脹?！覈?guó)國(guó)家建筑材料科學(xué)研究院的研究認(rèn)為：只要溶液內(nèi)有適當(dāng)濃度的鈣離子、鋁酸鹽和硫酸鹽離子，能形成一定數(shù)量的鈣礬石，就能產(chǎn)生膨脹。無(wú)論是分散狀的鈣礬石還是輻射狀的都具有使?jié){體膨脹的能力。只不過(guò)前者分散填充在原來(lái)充水的空間，而后者以原始固相為依托，彼此交叉搭接，具有更為顯著的膨脹能力。在一般情況下，鋁酸鹽離子由C3A、CA、C12A7、CA2等鋁酸鈣提供，二水石膏或無(wú)水石膏提供硫酸鹽離子，硅酸鈣水化提供鈣離子。而無(wú)水硫鋁酸鈣則可同時(shí)提供上述各種離子。以鈣礬石作為膨脹源的膨脹水泥可以分為三類：1、以硅酸鹽水泥熟料為基材2、以高鋁水泥熟料為基材3、以硫鋁酸鹽熟料為基材每一類別又可包括若干品種，見(jiàn)下表。

二、幾個(gè)主要品種膨脹水泥的制造方法及性能

1、硅酸鹽膨脹水泥和自應(yīng)力水泥以適當(dāng)比例的普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥和天然二水石膏磨制而得的膨脹性的水硬性膠凝材料。普通硅酸鹽水泥為強(qiáng)度組分，高鋁水泥和二水石膏為膨脹組分。強(qiáng)度組分與膨脹組分必須協(xié)調(diào)。若水泥的強(qiáng)度發(fā)展過(guò)快，則膨脹值變?。ㄗ詰?yīng)力值變?。?；若膨脹過(guò)大，則強(qiáng)度下降，甚至破壞。

硅酸鹽膨脹水泥一般的配比為：普通硅酸鹽水泥77～81%；高鋁水泥12～14%；二水石膏7～9%（SO3<5%）.硅酸鹽自應(yīng)力水泥一般的配比為：普通硅酸鹽水泥67～73%；高鋁水泥12～15%；二水石膏15～18%。硅酸鹽自應(yīng)力水泥主要用于制造自應(yīng)力混凝土壓力管，采用離心成型工藝，成型后在80～90℃下蒸汽養(yǎng)護(hù)1.5～2h。70%的石膏已化合，剩余SO3為1.5～2.1%，強(qiáng)度達(dá)10～20MPa，然后水養(yǎng)護(hù)10天。剩余石膏與水化鋁酸鈣化合成鈣礬石，產(chǎn)生自應(yīng)力，每1%SO3可產(chǎn)生自應(yīng)力值1.5～2.5MPa,10d后，要求剩余SO3在0.6%以下。硅酸鹽自應(yīng)力水泥其基本組成和性能相當(dāng)于國(guó)外的M型膨脹水泥。2、澆注水泥（無(wú)收縮快硬水泥）是一種改性硅酸鹽水泥，它是由優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥熟料、二水石膏和膨脹劑組成。澆注水泥的膨脹劑是采用經(jīng)特定溫度下煅燒所得并粉磨至特定細(xì)度的磨細(xì)生石灰或其他類型的膨脹劑。澆注水泥具有硬化快、早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)等特點(diǎn)，還有微膨脹和不收縮性能。廣泛應(yīng)用于建筑工程中，現(xiàn)澆混凝土工程的接縫，機(jī)械設(shè)備安裝的灌漿及一般的搶修、補(bǔ)強(qiáng)工程等。

第四節(jié)白色和彩色水泥白色和彩色水泥主要用于建筑裝飾工程，可配制成彩色混凝土。具有價(jià)格低廉、耐久性好，能使裝飾工程機(jī)械化等優(yōu)點(diǎn)。一、白色硅酸鹽水泥——是由氧化鐵含量少的硅酸鹽水泥熟料加入適量石膏磨細(xì)制成。（表8-15為白水泥熟料的組成）一般將Fe2O3的含量控制在0.5%以下，熟料即呈白色。

白色水泥的生產(chǎn)工藝與普通硅酸鹽水泥相似，但原材料的選擇以及磨機(jī)、輸送設(shè)備的使用需仔細(xì)。為了提高水泥的白度，要采用立即噴水冷卻。另外可將熟料在特殊的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行漂白處理，將含F(xiàn)e2O3的礦物還原為顏色較淺的含F(xiàn)e3O4或FeO的礦物。還可在生料中加入適量的NaCl、CaCl2等氯化物。但此法只在濕法生產(chǎn)時(shí)有效。為了保護(hù)水泥的白度，粉磨熟料時(shí)加入的石膏應(yīng)含雜質(zhì)較少，同時(shí)水泥磨得越細(xì)，則白度越高。二、彩色水泥彩色水泥的制造方法有兩種：一種是混合法，將著色劑以干式混合的方式混入白色水泥中，或在粉磨白色水泥和硅酸鹽水泥時(shí)摻入著色劑。另一種是直接燒制法，是在水泥生料中摻入適量著色物質(zhì)，煅燒成彩色熟料，然后磨制成彩色硅酸鹽水泥。混合法常用的著色劑有氧化鐵、二氧化錳、氧化鉻等，要求對(duì)光和大氣的耐久性好，不溶于水，分散性好，并能耐堿，對(duì)水泥石不起破壞作用。

第五節(jié)砌筑水泥在建筑施工中常用的砂漿標(biāo)號(hào)一般為5.0MPa和2.5MPa。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定：凡由活性混合材加入適量的硅酸鹽水泥熟料和石膏，經(jīng)磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，總稱為砌筑水泥?！缘V渣為主要組分的砌筑水泥，稱為礦渣砌筑水泥，其礦渣摻入量不得少于70%；——以火山灰質(zhì)混合材為主要組分的砌筑水泥，稱為火山灰質(zhì)砌筑水泥，其混合材的摻入量不得少于50%；——以粉煤灰為主要組分的砌筑水泥，稱為粉煤灰砌筑水泥，其混合材的摻入量不得少于40%。三種混合材允許相互代替。砌筑水泥分為三個(gè)標(biāo)號(hào)，即125、175、225號(hào)。砌筑水泥適用于工業(yè)與民用建筑的砌筑砂漿，內(nèi)墻抹面砂漿及基礎(chǔ)墊層等。

第六節(jié)

油井水泥定義：專用于油井、氣井等固井工程的水泥，又稱堵塞水泥。油井隨著井深的增加，井底的溫度和壓力相應(yīng)地不斷提高。有的油井，井深達(dá)到7000米以上，井底溫度可達(dá)200℃，井底壓力高達(dá)125MPa。因此，高溫高壓對(duì)水泥各種性質(zhì)的影響，是油井水泥生產(chǎn)和使用時(shí)的最主要的問(wèn)題。