無機膠凝材料

第2章無機膠凝材料一、概述

土木工程材料中，凡是經(jīng)過一系列物理、化學作用，能將散?；驂K狀材料黏結(jié)成整體的材料，統(tǒng)稱為膠凝材料(Bindingmaterials)。 按化學組成分類：無機膠凝材料(Inorganiccement)，有機膠凝材料(Organiccement)。

無機膠凝材料按硬化條件：氣硬性膠凝材料(Nonhydrauliccement)，水硬性膠凝材料(Hydrauliccement)。1第2章無機膠凝材料

二、氣硬性膠凝材料

1.石灰(Lime)

（1）石灰的生產(chǎn) 生成石灰的主要原料是以碳酸鈣為主要成分的天然巖石。石灰石等原材料在適當溫度下煅燒，碳酸鈣分解，釋放出CO2，得到以CaO為主要成分的生石灰(Quicklime)。即：

CaCO3→CaO＋CO2↑(900-1000℃2第2章無機膠凝材料生石灰是一種白色或灰色塊狀物質(zhì)，若將塊狀生石灰磨細，則可得到生石灰粉。

因石灰原料中常含有一些碳酸鎂成分，所以經(jīng)煅燒生成的生石灰中，也相應含MgO的成分。

鈣質(zhì)石灰(MgO含量≤5%)(Calciumlime)，鎂質(zhì)石灰(MgO含量>5%)(High-magnesiumlime)。

若煅燒溫度過低，煅燒時間不充分，則CaCO3不能完全分解，將生成欠火石灰(Under-burntlime)。

若煅燒溫度過高，煅燒時間過長，將生成顏色較深、密度較大的過火石灰(Over-burntlimit)

。3第2章無機膠凝材料（2）石灰的熟化(Hadration)

熟化是指生石灰（CaO）與水作用消解為熟石灰或消石灰（其主要成分為Ca(OH)2）的過程，這個過程又稱為石灰的消化。即

CaO＋H2O→Ca(OH)2＋64.9×103J

石灰熟化為放熱反應，熟化時體積增大1.0-2.5倍。煅燒良好且CaO含量高的生石灰熟化較快，放熱量和體積增大也較多。4第2章無機膠凝材料工地上，石灰熟化的方法通常有兩種，即石灰漿法和消石灰粉法。

①石灰漿法將塊狀生石灰在化灰池中用過量的水（約為生石灰體積的3～4倍）熟化成石灰漿，然后通過篩網(wǎng)進入儲灰坑。

熟化時要加入大量水，并不斷攪拌散熱，控制溫度不致過高。

5第2章無機膠凝材料為了使石灰熟化得更加充分，盡量消除過火石灰的危害，石灰漿應在儲灰坑中存放兩星期以上，這個過程稱為石灰的陳伏。陳伏期間，石灰漿表面應保持有一層水，使之與空氣隔絕，避免Ca(OH)2碳化。石灰漿在儲灰坑中沉淀后，除去上層水分，即得到石灰膏。6第2章無機膠凝材料

②消石灰粉法將生石灰加適量的水熟化成消石灰粉。消石灰粉也需放置一段時間，使其進一步熟化后使用。消石灰粉可用于拌制灰土及三合土，因其熟化不一定充分，一般不宜用于拌制砂漿及灰漿。7第2章無機膠凝材料（3）石灰的硬化(Hardening) ①結(jié)晶過程(Crystallization)：游離水分蒸發(fā)，氫氧化鈣逐漸從飽和溶液中結(jié)晶。 ②碳化過程(Carbonation)：氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳化作用，生成碳酸鈣晶體，釋放水分并蒸發(fā)。即Ca(OH)2+CO2+nH2O→CaCO3+（n+1）H2O8第2章無機膠凝材料（4）石灰的技術(shù)性質(zhì) ①保水性和可塑性好 ②硬化速度慢 ③硬化后強度低 ④耐水性差⑤硬化時體積收縮大9第2章無機膠凝材料（5）石灰的技術(shù)標準表2.1建筑生石灰技術(shù)指標項目鈣質(zhì)生石灰鎂質(zhì)生石灰優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品CaO+MgO含量/%（不少于）908580858075CO2含量/%（不大于）5796810未消化殘渣含量（5mm圓孔篩余）/%（不大于）5101551015產(chǎn)漿量/（L/kg）（不少于）2.82.32.02.82.32.010第2章無機膠凝材料表2.2

建筑生石灰粉技術(shù)指標項目鈣質(zhì)生石灰粉鎂質(zhì)生石灰粉優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品CaO+MgO含量/%（不少于）858075807570CO2含量/%（不大于）791181012細度0.90mm篩篩余/%（不大于）0.20.51.50.20.51.50.125mm篩篩余/%（不大于）7.012.018.07.012.018.011第2章無機膠凝材料表2.3建筑消石灰粉技術(shù)指標項目鈣質(zhì)消石灰粉鎂質(zhì)消石灰粉白云石消石灰粉優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品優(yōu)等品一等品合格品CaO+MgO含量/%（不少于）706560656055656055游離水/%0.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～20.4～2體積安定性合格合格—合格合格—合格合格—細度0.90mm篩篩余/%（不大于）000.5000.5000.50.125mm篩篩余/%（不大于）31015310153101512第2章無機膠凝材料（6）石灰的應用 ①制作石灰乳涂料②配制砂漿 ③拌制石灰土和三合土 ④生成硅酸鹽制品（7）石灰的運輸與貯存石灰在儲存和運輸過程中，要防止受潮，防止碳化，并注意周圍不要堆放易燃物，防止熟化時放熱釀成火災。13第2章無機膠凝材料

2.石膏(Gypsum)

石膏是以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料。 （1）石膏的生產(chǎn) 生產(chǎn)石膏膠凝材料的原料主要是天然石膏和化工石膏。天然石膏有天然二水石膏（CaSO4·2H2O）和天然無水石膏（CaSO4），化工石膏是含CaSO4·2H2O或CaSO4·2H2O與CaSO4混合物的化工副產(chǎn)品。14第2章無機膠凝材料生產(chǎn)石膏的主要工藝流程是破碎、加熱與磨細。根據(jù)加熱方式和煅燒溫度不同，可生產(chǎn)出不同性質(zhì)的石膏產(chǎn)品。 加熱至107-170℃時，生成半水石膏(CaSO4·0.5H2O)，其反應式為：

CaSO4·2H2O→CaSO4·0.5H2O＋1.5H2O

β型半水石膏稱為建筑石膏(Buildinggypsum)。15第2章無機膠凝材料（2）建筑石膏的水化、凝結(jié)和硬化

建筑石膏加水拌和，與水發(fā)生如下水化反應：CaSO4·0.5H2O＋1.5H2O→CaSO4·2H2O

隨著水化反應的進行，漿體中的游離水分逐漸減少，二水石膏膠體微粒不斷增加，漿體稠度逐漸增大，可塑性逐漸降低，此時稱之為“凝結(jié)”(Setting)；水化反應繼續(xù)進行，漿體繼續(xù)變稠，膠體微粒逐漸凝聚成為晶體，晶體逐漸長大、共生并相互交錯，使?jié){體產(chǎn)生強度，并不斷增長，這個過程稱為“硬化”(Hardening)。16第2章無機膠凝材料（3）建筑石膏的技術(shù)性質(zhì) ①凝結(jié)硬化快 ②硬化時體積微膨脹③硬化后孔隙率較大④有一定的調(diào)溫、調(diào)濕作用⑤防火性能良好⑥耐水性和抗凍性差 17第2章無機膠凝材料（4）建筑石膏的技術(shù)要求建筑石膏是白色粉末，密度為2.60～2.75g/cm3，堆積密度為800～1100kg/m3。表2.4建筑石膏的技術(shù)指標等級細度（0.2mm方孔篩篩余）/%凝結(jié)時間/mm2h強度/MPa初凝終凝抗折強度抗壓強度3.0≤10%≥3≤30≥3.0≥6.02.0≥2.0≥4.01.6≥1.6≥3.018第2章無機膠凝材料（5）建筑石膏的應用 ①制備粉刷石膏 ②制作各種石膏板材 ③裝飾制品（6）建筑石膏的運輸與貯存建筑石膏在運輸和儲存過程中不得受潮和混入雜物；在正常運輸與儲存條件下，儲存期為三個月，超過三個月以后，強度明顯降低。19第2章無機膠凝材料

3.水玻璃(Waterglass)

一種能溶于水的硅酸鹽，由不同比例的堿金屬氧化物和二氧化硅所組成。 水玻璃通式為R2O·nSiO2，R2O通常為Na2O或K2O，n為水玻璃模數(shù)。模數(shù)的大小決定著水玻璃的品質(zhì)及其應用性能，水玻璃模數(shù)一般在1.5～3.5之間。土木工程中常用的水玻璃有硅酸鈉水玻璃（Na2O·nSiO2）和硅酸鉀水玻璃（K2O·nSiO2），以硅酸鈉水玻璃最為常用。

20第2章無機膠凝材料（1）水玻璃的生產(chǎn)

濕法生產(chǎn)硅酸鈉水玻璃時，將石英砂和苛性鈉溶液置于壓蒸釜內(nèi)用蒸汽加熱，并加以攪拌，使之直接生成液體水玻璃，其反應式如下：

2NaOH+nSiO2→Na2O·nSiO2+H2O

干法是將石英砂和碳酸鈉磨細，按一定比例混合均勻，在熔爐內(nèi)加熱熔化，冷卻后為固體水玻璃，其反應式如下：

Na2CO3+nSiO2→Na2O·nSiO2+CO221第2章無機膠凝材料固體水玻璃加水溶解，即可得到液體水玻璃，其溶液具有堿性溶液的性質(zhì)。模數(shù)低的固體水玻璃易溶于水，模數(shù)為1的水玻璃能溶解于常溫水中；模數(shù)為1～3時，只能在熱水中溶解；模數(shù)大于3時，要在4個大氣壓以上的蒸汽中才能溶解。純凈的水玻璃應為無色透明液體，因含雜質(zhì)而常呈青灰色、綠色或為黃色。22第2章無機膠凝材料（2）水玻璃的硬化 液體水玻璃在空氣中吸收二氧化碳，形成碳酸鈉和無定形硅酸，反應式如下：Na2O·nSiO2+CO2+mH2O→Na2CO3+nSiO2·mH2O

這一反應在進行過程中，水分逐漸被消耗和蒸發(fā)，硅酸逐漸凝聚成硅酸凝膠而析出，產(chǎn)生凝結(jié)和硬化。23第2章無機膠凝材料水玻璃硬化過程進行得很慢，為了加速硬化，可將水玻璃加熱或加入促硬劑，最常用的促硬劑為氟硅酸鈉（Na2SiF6），反應是如下：2（Na2O·nSiO2）+

Na2SiF6+mH2O→（2n+1）SiO2·mH2O+6NaF

氟硅酸鈉的適宜摻量一般為水玻璃質(zhì)量的12%～15%。氟硅酸鈉用量不僅影響硬化速度，而且能提高強度和耐水性。24第2章無機膠凝材料（3）水玻璃的技術(shù)性質(zhì) ①黏結(jié)能力強 ②不燃燒，耐高溫 ③耐酸能力強④不耐水⑤不耐堿（4）水玻璃的應用 ①涂刷材料表面 ②配制防水劑 ③用于土壤加固25第2章無機膠凝材料

三、水泥(Cement)

水泥呈粉末狀，與水混合后，經(jīng)過物理化學反應過程能由可塑性漿體變?yōu)閳杂驳氖癄铙w，它不僅能在空氣中硬化，而且能更好地在水中硬化，保持并繼續(xù)發(fā)展其強度，因此水泥屬于水硬性膠凝材料。 26第2章無機膠凝材料按其組成分類，水泥可分為硅酸鹽類水泥、鋁酸鹽類水泥和硫鋁酸鹽類水泥等；按其性能及用途分類，水泥可分為通用水泥（大量用于一般土木工程的水泥）、專用水泥（具有專門用途的水泥，如道路水泥、砌筑水泥等）、特性水泥（具有獨特性能的水泥，如快硬水泥、膨脹水泥等）。27第2章無機膠凝材料

1.通用硅酸鹽水泥

通用硅酸鹽水泥(CommonPortlandcement)是以硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏，以及規(guī)定的混合材料制成的水硬性膠凝材料。通用硅酸鹽水泥按混合材料的品種和摻量分為硅酸鹽水泥(Portlandcement)、普通硅酸鹽水泥(OrdinaryPortlandcement)、礦渣硅酸鹽水泥(Portlandblast-furnaceslagcement)、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥(Portlandpozzlanacement)、粉煤灰硅酸鹽水泥(Portlandflyashcement)和復合硅酸鹽水泥(CompositePortlandcement)。28第2章無機膠凝材料表2.5通用硅酸鹽水泥品種代號組分/%熟料+石膏?；郀t礦渣火山灰質(zhì)混合材料粉煤灰石灰石硅酸鹽水泥P·Ⅰ100————P·Ⅱ≥95≤5———≥95———≤5普通硅酸鹽水泥P·O≥80且<95>5且≤20①—礦渣硅酸鹽水泥P·S·A≥50且<80>20且≤50②———P·S·B≥30且<50>50且≤70②———火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥P·P≥60且<80—>20且≤40③——粉煤灰硅酸鹽水泥P·F≥60且<80——>20且≤40④—復合硅酸鹽水泥P·C≥50且<80>20且≤50⑤29第2章無機膠凝材料整個水泥生產(chǎn)過程可以概括為“兩磨一燒”。

水泥的主要成分是熟料(Clinker)

，熟料燒成是水泥生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2.通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)30第2章無機膠凝材料名稱礦物成分簡稱含量/%硅酸三鈣3CaO·SiO2C3S37～60硅酸二鈣2CaO·SiO2C2S15～37鋁酸三鈣3CaO·Al2O3C3A7～15鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10～18

3.通用硅酸鹽水泥的組成（1）硅酸鹽水泥熟料表2.6硅酸鹽水泥孰料礦物組成(Mineralcompounds)31第2章無機膠凝材料表2.7硅酸鹽水泥熟料的基本特性水化反應速率水化放熱量強度耐化學侵蝕性干縮硅酸三鈣C3S快大高中中硅酸二鈣C2S慢小早期低，后期高良小鋁酸三鈣C3A最快最大低差大鐵鋁酸四鈣C4AF快中低優(yōu)小32第2章無機膠凝材料水泥是幾種熟料礦物的混合物，改變熟料礦物成分間的比例，水泥的性質(zhì)會發(fā)生相應的變化。圖2.3水泥熟料硬化時的放熱曲線圖2.2水泥熟料硬化時的強度增長曲線33第2章無機膠凝材料（2）石膏天然石膏：符合GB/T5483中規(guī)定的G類或M類二級（含）以上的石膏或混合石膏；工業(yè)副產(chǎn)石膏：以硫酸鈣為主要成分的工業(yè)副產(chǎn)物，采用前應經(jīng)過試驗證明對水泥性能無害。34第2章無機膠凝材料（3）混合材料①活性混合材料常用的活性混合材料有?；郀t礦渣、粒化高爐礦渣粉、粉煤灰和火山灰質(zhì)混合材料。②非活性混合材料活性指標分別低于標準要求的?；郀t礦渣、?；郀t礦渣粉、粉煤灰和火山灰質(zhì)混合材料；石灰石和砂巖，其中石灰石中的三氧化二鋁含量應不超過2.5%。③窯灰窯灰是從水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾廢氣中收集的粉塵。35第2章無機膠凝材料

4.硅酸鹽水泥的水化(Hydration)

水泥顆粒與水接觸后，水泥熟料中各礦物立即與水發(fā)生水化作用，生成新的水化物，并放出一定的熱量。

硅酸三鈣與水作用時，反應較快，水化放熱量大，生成水化硅酸鈣及氫氧化鈣：2(3CaO·SiO2)＋6H2O= 3CaO·2SiO2·3H2O(Calciumsilicatehydrate)＋3Ca(OH)2(Calciumhydroxide)

36第2章無機膠凝材料

硅酸二鈣與水作用時，反應較慢，水化放熱小，生成水化硅酸鈣，也有氫氧化鈣析出：2(2CaO·SiO2)＋4H2O= 3CaO·2SiO2·3H2O(Calciumsilicatehydrate)＋Ca(OH)2(Calciumhydroxide)

水化硅酸鈣幾乎不溶于水，而立即以膠體微粒析出，并逐漸凝聚而成為凝膠。

氫氧化鈣呈六方晶體，易溶于水。37第2章無機膠凝材料

鋁酸三鈣與水作用時，反應極快，水化放熱甚大，生成水化鋁酸鈣：3CaO·Al2O3＋6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O(Calciumaluminatehydrate)

水化鋁酸鈣為立方晶體，易溶于水。

鐵鋁酸四鈣與水作用時，反應也較快，水化放熱中等，生成水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣：4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O= 3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O(Calciumferritehydrate)

水化鐵酸鈣為凝膠。38第2章無機膠凝材料在有石膏存在時，水化鋁酸鈣會與石膏反應，生成高硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石(Ettringite),AFt)

晶體：3CaO·Al2O3·6H2O＋3(CaSO4·2H2O)＋19H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O(Calciumsulfoaluminatehydrate)

高硫型水化硫鋁酸鈣呈針狀晶體，難溶于水。當石膏消耗完后，部分鈣礬石將轉(zhuǎn)變?yōu)閱瘟蛐退蜾X酸鈣(Calciummonosulfoaluminatehydrate)(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O,AFm)晶體。39第2章無機膠凝材料如果忽略一些次要的和少量的成分，則硅酸鹽水泥與水作用后，生成的主要水化產(chǎn)物有：

凝膠(Gel)：水化硅酸鈣，水化鐵酸鈣。

晶體：水化鋁酸鈣，氫氧化鈣，高硫型水化硫鋁酸鈣，單硫型水化硫鋁酸鈣。充分水化的水泥石中，C-S-H凝膠約占70%，CH約占20%，AFt和AFm約占7%。

40第2章無機膠凝材料

5.硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化水泥加水拌和后，水泥顆粒表面的礦物溶解于水并與水發(fā)生水化反應，形成具有可塑性的漿體，隨著水化反應的進行，水泥漿體逐漸變稠失去可塑性，但還不具有強度的過程，稱為水泥的凝結(jié)(Setting)；隨著水泥水化的進一步進行，凝結(jié)的水泥漿體開始產(chǎn)生強度，并逐漸發(fā)展成為堅硬的水泥石，這一過程稱為水泥的硬化(Hardening)。41第2章無機膠凝材料硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化過程一般按水化反應速度和物理化學的主要變化，分為四個階段。表2.8水泥凝結(jié)硬化時的幾個劃分階段凝結(jié)硬化階段一般的放熱反應速度一般的持續(xù)時間主要的物理化學變化初始反應期168J/(g·h)5～10min初始溶解和水化潛伏期4.2J/(g·h)1h凝膠體膜層圍繞水泥顆粒成長凝結(jié)期在6h內(nèi)逐漸增加到21J/(g·h)6h膜層增厚，水泥顆粒進一步水化硬化期在24h內(nèi)逐漸降低到4.2J/(g·h)6h至若干年凝膠體填充毛細孔42第2章無機膠凝材料

硬化后的水泥石是由水化產(chǎn)物（凝膠體和晶體）、未水化的水泥顆粒內(nèi)核、水及孔隙（毛細孔和凝膠孔）組成的不勻質(zhì)結(jié)構(gòu)體。（a）（b）（c）（d）圖2.4水泥凝結(jié)硬化過程示意（a）分散在水中未水化的水泥顆粒；（b）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）水化物進一步發(fā)展，填充毛細孔（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—毛細孔43第2章無機膠凝材料

6.影響硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化的主要因素（1）熟料礦物組成（2）石膏摻量（3）細度（4）溫度和濕度（5）養(yǎng)護時間（6）水灰比（a）（b）圖2.5不同水化程度水泥石的組成（a）水化程度（水灰比0.4）；（b）水化程度（水灰比0.7）44第2章無機膠凝材料

7.通用硅酸鹽水泥的技術(shù)要求

（1）化學指標品種代號不溶物/%燒失量/%三氧化硫/%氧化鎂/%氯離子/%硅酸鹽水泥P·Ⅰ≤0.75≤3.0≤3.5≤5.0①≤6.0③P·Ⅱ≤1.50≤3.5普通硅酸鹽水泥P·O—≤5.0礦渣硅酸鹽水泥P·S·A——≤4.0≤6.0②P·S·B———火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥P·P——≤3.5≤6.0②粉煤灰硅酸鹽水泥P·F——復合硅酸鹽水泥P·C——表2.9通用硅酸鹽水泥的化學指標45第2章無機膠凝材料（2）含堿量(Alkalicontent)

水泥中堿含量按Na2O+0.658K2O計算值表示。若使用活性骨料，用戶要求提供低堿水泥時，水泥中的堿含量不大于0.60%或由買賣雙方協(xié)商確定。

46第2章無機膠凝材料（3）物理指標①凝結(jié)時間

初凝時間(Initialsettingtime)為水泥加水拌和時起至標準稠度凈漿開始失去可塑性所需的時間；終凝時間(Finalsettingtime)為水泥加水拌和時起至標準稠度凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強度所需的時間。

47硅酸鹽水泥初凝時間不小于45min，終凝時間不大于390min。普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥初凝時間不小于45min，終凝時間不大于600min。第2章無機膠凝材料48第2章無機膠凝材料②體積安定性

體積安定性(Soundness)是指水泥在凝結(jié)硬化過程中體積變化的均勻性。當水泥漿體硬化過程發(fā)生了不均勻的體積變化，會導致水泥石膨脹開裂、翹曲，即安定性不良。

安定性不良的原因，一般是熟料中游離的氧化鈣過多，也可能是由于熟料中游離的氧化鎂過多，還可能是由于石膏摻入過多。49第2章無機膠凝材料③強度(Strength)表2.10通用硅酸鹽水泥各齡期的強度要求品種強度等級抗壓強度抗折強度3d28d3d28d硅酸鹽水泥42.5≥17.042.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.052.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.062.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥5.5普通硅酸鹽水泥42.5≥17.042.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.052.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.0礦渣硅酸鹽水泥火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥復合硅酸鹽水泥32.5≥10.032.5≥2.5≥5.532.5R≥15.0≥3.542.5≥15.042.5≥3.5≥6.542.5R≥19.0≥4.052.5≥21.052.5≥4.0≥7.052.5R≥23.0≥4.550第2章無機膠凝材料④細度(Fineness)

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的細度以比表面積表示，其比表面積不小于300m2/kg；礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥以篩余表示，其80μm方孔篩篩余不大于10%或45μm方孔篩篩余不大于30%。51第2章無機膠凝材料

8.水泥混合材料生產(chǎn)水泥時，為改善水泥性能，調(diào)節(jié)水泥強度等級，而加到水泥中去的人工或天然的礦物材料，稱為水泥混合材料(Mineraladmixture)

。水泥混合材料包括活性混合材料、非活性混合材料和窯灰。（1）非活性混合材料

非活性混合材料(Inactivemineraladmixture)與水泥成分不起化學作用（無化學活性）或化學作用很小，摻入硅酸鹽水泥中僅起提高水泥產(chǎn)量、降低水泥強度等級和減少水化熱等作用。52第2章無機膠凝材料（2）活性混合材料磨細的活性混合材料與石灰或石膏拌和，加水后在常溫下能生成具有水硬性的水化產(chǎn)物?；钚曰旌喜牧?Activemineraladmixture)具有潛在的水硬性，或稱火山灰活性。常用的活性混合材料通常有?；郀t礦渣、粉煤灰和火山灰質(zhì)混合材料等。53第2章無機膠凝材料

?；郀t礦渣(Blast-furnaceslag)：在高爐冶煉生鐵時，所得以硅酸鹽和硅鋁酸鹽為主要成分的熔融物，經(jīng)淬冷成粒后，即為?；郀t礦渣，簡稱礦渣。

粉煤灰(Flyash)：電廠煤粉爐煙道氣體中收集的粉末稱為粉煤灰。

火山灰質(zhì)混合材料(Naturalpozzolan)：火山灰是火山噴發(fā)的細粒碎屑的疏松沉積物。具有火山灰性的天然或人工礦物質(zhì)材料為火山灰質(zhì)混合材料。54第2章無機膠凝材料（3）活性混合材料的活性在氫氧化鈣溶液中，會發(fā)生顯著的水化，而在飽和的氫氧化鈣溶液中水化更快。反應是如下：xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·（m+x）H2OyCa(OH)2+Al2O3+nH2O=yCaO·Al2O3·（n+y）H2O

式中，x和y值決定于混合材料的種類、石灰和活性氧化物的比例、環(huán)境溫度及反應延續(xù)的時間等，一般為1或稍大；n和m值一般為1～2.5。55第2章無機膠凝材料當液相中有石膏存在時，與水化鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣。水化硫鋁酸鈣具有相當高的強度。

氫氧化鈣和石膏的存在使活性混合材料潛在活性得以發(fā)揮，即氫氧化鈣和石膏起著激發(fā)水化，促進凝結(jié)硬化的作用，故稱為激發(fā)劑。通常將水泥中活性混合材料參與的水化反應稱為二次水化反應(Secondaryhydration)，或二次反應。56第2章無機膠凝材料

9.通用硅酸鹽水泥石的腐蝕與防止（1）軟水侵蝕（溶出性侵蝕）(Denudationcorrosion)

雨水、雪水、蒸餾水、工廠冷凝水及含重碳酸鹽很少的河水與湖水等都屬于軟水。在流水及壓力水作用下，氫氧化鈣會不斷溶解流失。而且，由于水泥石中氫氧化鈣不斷減少，還會引起其他水化物的分解，使水泥石結(jié)構(gòu)遭受進一步的破壞。57第2章無機膠凝材料當環(huán)境水的水質(zhì)較硬，即水中重碳酸鹽含量較高時，重碳酸鹽與水泥石中的氫氧化鈣反應：Ca(OH)2+Ca(HCO3)2→2CaCO3+2H2O

生成的碳酸鈣幾乎不溶于水，積聚在水泥石的孔隙內(nèi)，形成密實保護層，阻止外界水的侵入和內(nèi)部氫氧化鈣的擴散析出。如環(huán)境水中含有一定數(shù)量的重碳酸鹽時，這種“自動填實”作用可以制止溶出性侵蝕的繼續(xù)進行。58第2章無機膠凝材料（2）鹽類腐蝕①硫酸鹽的腐蝕(Sulfatecorrosion)

硫酸鹽與水泥石中的氫氧化鈣起置換作用，生成硫酸鈣：SO42-+Ca(OH)2→CaSO4+2OH－反應生成的硫酸鈣再與水泥石中固態(tài)水化鋁酸鈣作用生成高硫型水化硫鋁酸鈣（Aft）：4CaO·Al2O3·12H2O＋3CaSO4＋20H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca(OH)259第2章無機膠凝材料高硫型水化硫鋁酸鈣含有大量結(jié)晶水，比原有體積增加1.5倍以上，對水泥石產(chǎn)生極大的膨脹破壞作用。高硫型水化硫鋁酸鈣通常被稱為“水泥桿菌(Cementbacillus)”。當水中硫酸鹽濃度較高時，硫酸鈣將在水泥石孔隙中直接結(jié)晶成二水石膏，體積膨脹，導致水泥石破壞。60第2章無機膠凝材料②鎂鹽的腐蝕(Corrosionofmagnesiumsalt)

海水和地下水中，常含有大量鎂鹽，主要是硫酸鎂和氯化鎂。它們與水泥石中的氫氧化鈣起復分解反應：MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2MgCl2+Ca(OH)2→CaCl2+Mg(OH)2

生成的氫氧化鎂松軟無膠凝能力，氯化鈣易溶于水，二水石膏則引起硫酸鹽破壞。因此，硫酸鎂對水泥石起鎂鹽和硫酸鹽的雙重腐蝕作用。61第2章無機膠凝材料（3）酸類腐蝕①碳酸腐蝕(Corrosionofcarbonate)

二氧化碳與水泥石中的氫氧化鈣作用，生成碳酸鈣：Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

生成的碳酸鈣再與含碳酸的水作用，轉(zhuǎn)變成碳酸氫鈣：CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

生成的碳酸氫鈣易溶于水。62第2章無機膠凝材料②一般酸腐蝕(Corrosionofcommonacids)

例如，鹽酸與水泥石中的氫氧化鈣作用：2HCl+Ca(OH)2→CaCl2+H2O

生成的氯化鈣易溶于水。再如，硫酸與水泥石中的氫氧化鈣作用：H2SO4+Ca(OH)2→CaSO4·2H2O

生成的二水石膏或者直接在水泥石孔隙中結(jié)晶產(chǎn)生膨脹，或者與水泥石中的水化鋁酸鈣作用，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，其破壞性更大。63第2章無機膠凝材料（4）強堿的腐蝕(Corrosionofstrongalkali)

氫氧化鈉與水泥熟料中未水化的鋁酸鹽作用，生成易溶的鋁酸鈉：3CaO·Al2O3+6NaOH→3Na2O·Al2O3+3Ca(OH)2

當水泥石被氫氧化鈉浸透后又在空氣中干燥，氫氧化鈉會殘留在水泥石孔隙中，與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應生成碳酸鈉：2NaOH+CO2+H2O→Na2CO3+2H2O

碳酸鈉在水泥石毛細孔中結(jié)晶沉淀，使水泥石脹裂。64第2章無機膠凝材料（5）水泥石腐蝕的防止引起水泥石腐蝕的基本原因有兩個方面：一是，水泥石中存在著易腐蝕的組分，如氫氧化鈣和水化鋁酸鈣；二是，水泥石本身不密實，有很多毛細孔通道，侵蝕性介質(zhì)易進入其內(nèi)部。根據(jù)對水泥石腐蝕原因的分析，可采取以下措施防止水泥石腐蝕。①根據(jù)腐蝕環(huán)境特點，合理選用水泥品種。②提高水泥石的密實程度。③加保護層。65第2章無機膠凝材料

10.通用硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)及應用（1）硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥中混合材料摻量少，性能與應用與硅酸鹽水泥相近。①凝結(jié)硬化快，早期強度高。②抗凍性好。③水化熱大。

66第2章無機膠凝材料④耐腐蝕性差。⑤耐熱性差。⑥干縮小。⑦耐磨性好。⑧抗碳化性能好。67第2章無機膠凝材料（2）礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥共性：①早期強度低，后期強度發(fā)展較快。圖2.6不同品種水泥強度發(fā)展規(guī)律1—硅酸鹽水泥；2—摻混合材料硅酸鹽水泥；3—混合材料68第2章無機膠凝材料②水化熱低。③耐腐蝕性較好。④抗碳化性能差。⑤適合高溫養(yǎng)護。⑥抗凍性差，耐磨性差。69第2章無機膠凝材料個性：

礦渣硅酸鹽水泥：抗?jié)B性差，干縮較大，耐熱性好。

火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥：抗?jié)B性好，干縮大。

粉煤灰硅酸鹽水泥：流動性較好，干縮較小，保水性差，泌水性大。

復合硅酸鹽水泥：復合硅酸鹽水泥的特性取決于所摻各種混合材料的種類、摻量及相對比例，與礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥有不同程度的相似。70第2章無機膠凝材料

11.通用硅酸鹽水泥的運輸與貯存水泥在運輸與貯存時不得受潮和混入雜物，不同品種和強度等級的水泥在貯運中避免混雜。一般水泥的貯存期為三個月，超過三個月以后，水泥的強度會有不同程度的下降。使用存放三個月以上的水泥，必須重新檢驗其強度，否則不得使用。71第2章無機膠凝材料

四、其他品種水泥

1.白色硅酸鹽水泥與彩色硅酸鹽水泥

（1）白色硅酸鹽水泥白色硅酸鹽水泥是由氧化鐵含量少的硅酸鹽水泥熟料、適量石膏及符合標準要求的混合材料，磨細制成的水硬性膠凝材料稱為白色硅酸鹽水泥(WhitePortlandcement)（簡稱“白水泥”），代號P·W。72第2章無機膠凝材料白水泥生產(chǎn)的技術(shù)關(guān)鍵是嚴格限制著色氧化物（如Fe2O3，MnO，CrO2，TiO2等）的含量。采用含極少量著色物質(zhì)的原料；在煅燒、粉磨和運輸時均應防止著色物質(zhì)混入白水泥與通用硅酸鹽水泥的性質(zhì)基本相同。73第2章無機膠凝材料（2）彩色硅酸鹽水泥凡由硅酸鹽水泥熟料及適量石膏（白色硅酸鹽水泥）、混合材料及著色劑磨細或混合制成的帶有色彩的水硬性膠凝材料稱為彩色硅酸鹽水泥(ColouredPortlandcement)。

染色法是將硅酸鹽水泥熟料（白水泥熟料或普通水泥熟料）、適量石膏和耐堿礦物顏料共同磨細制得彩色水泥；直接燒成法是在水泥生料中加入著色原料而直接煅燒成彩色水泥熟料，再加入適量石膏共同磨細制成彩色水泥。

彩色硅酸鹽水泥與通用硅酸鹽水泥的性質(zhì)基本相同。

74第2章無機膠凝材料

2.抗硫酸鹽硅酸鹽水泥抗硫酸鹽硅酸鹽水泥(SulfateresistancePortlandcement)按其抗硫酸鹽性能分為中抗硫酸鹽硅酸鹽水泥和高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥兩類。抗硫酸鹽硅酸鹽水泥中硅酸三鈣和鋁酸三鈣含量應符合表2.14規(guī)定。表2.14抗硫酸鹽硅酸鹽水泥中硅酸三鈣和鋁酸三鈣含量分類硅酸三鈣含量/%鋁酸三鈣含量/%中抗硫酸鹽水泥≤55.0≤5.0高抗硫酸鹽水泥≤50.0≤3.075第2章無機膠凝材料

3.中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥及低熱礦渣硅酸鹽水泥

中熱水泥熟料中，硅酸三鈣（3CaO·SiO2）的含量應不超過55%，鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）的含量應不超過6%，游離氧化鈣的含量應不超過1.0%。

低熱水泥熟料中，硅酸二鈣（2CaO·SiO2）的含量應不小于40%，鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）的含量應不超過6%，游離氧化鈣的含量應不超過1.0%。76第2章無機膠凝材料水泥中?；郀t礦渣摻加量按質(zhì)量分數(shù)計為20%～60%，允許用不超過混合材料總量50%的?；姞t磷渣或粉煤灰代替部分?；郀t礦渣。

低熱礦渣水泥熟料中，鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）的含量應不超過8%，游離氧化鈣含量應不超過1.2%，氧化鎂的含量不宜超過5.0%；如果水泥壓蒸安定性試驗合格，在熟料中氧化鎂的含量允許放寬到6.0%。77第2章無機膠凝材料

4.道路硅酸鹽水泥道路硅酸鹽水泥(Portlandcementforroad)是指由道路硅酸鹽水泥熟料、適量石膏、符合標準規(guī)定的混合材料，磨細制成的水硬性膠凝材料，簡稱道路水泥，代號P·R。道路水泥熟料中鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）的含量應不超過5.0%，鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）的含量應不低于16.0%，游離氧化鈣的含量，旋窯生產(chǎn)應不大于1.0%，立窯生產(chǎn)應不大于1.8%。道路水泥中活性混合材料的摻加量按質(zhì)量分數(shù)計為0～10%。78第2章無機膠凝材料道路水泥的技術(shù)要求與通用硅酸鹽水泥基本相同。

道路水泥的主要特點是抗折強度高，干縮性小，耐磨性好，抗沖擊性、抗凍性、抗硫酸鹽能力較好。道路水泥適用于道路路面、機場跑道道面、車站、廣場、停車場等對耐磨、抗干縮性能要求高的混凝土工程。79第2章無機膠凝材料

5.鋁酸鹽水泥凡以鋁酸鈣為主的鋁酸鹽水泥熟料，磨細制成的水硬性膠凝材料稱為鋁酸鹽水泥(Aluminatecement)，代號CA。鋁酸鹽水泥的主要礦物成分為鋁酸一鈣（CaO·Al2O3，簡寫C