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第5章　水　泥
5.1　硅酸盐水泥
5.2　掺混合材料的硅酸盐水泥
5.3　其他品种水泥
5.4　水泥的验收与保管
5.1　硅酸盐水泥
5.1.1　硅酸盐水泥生产及其矿物组成
　　硅酸盐水泥的生产工艺过程概括起来，可谓“两磨一烧”，即：（1）生料的配制和磨细；（2）生料经煅烧使之部分熔融而形成熟料；（3）将熟料、0~5%的石灰石或粒化高炉矿渣（通称混合材料）与适量石膏共同磨细，即成为硅酸盐水泥。水泥生产的主要工艺流程如图5.1所示。
图5.1　硅酸盐水泥的生产过程
水泥生料的配合比例直接影响硅酸盐水泥熟料的矿物成分比例和主要建筑技术性能，水泥生料在窑内的煅烧过程是保证水泥熟料质量的关键。在达到1000℃时水泥生料中的各种原料完全分解出水泥中的有用成分，主要有氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(A12O3?)和三氧化二铁(Fe2O3)。其中在800℃左右少量分解出的氧化物已开始发生固相反应，生成铝酸一钙、少量的铁酸二钙及硅酸二钙。在（900~1100）℃时开始形成铝酸三钙和铁铝酸四钙，在（1100~1200）℃时形成大量铝酸三钙和铁铝酸四钙，硅酸二钙生成量最大。在（1300~1450）℃时铝酸二钙和铁铝酸四钙呈熔融状态，产生的液相把氧化钙及部分硅酸二钙溶解于其中，在此液相中，硅酸二钙吸收氧化钙化合成硅酸三钙。这是煅烧水泥的最关键一步，必须停留足够的时间，使原料中游离的氧化钙被吸收掉，以保证水泥熟料的质量。
表5－1　硅酸盐水泥熟料的矿物组成
表5－2　水泥熟料矿物的特性
5.1.2　硅酸盐水泥的凝结与硬化
　　水泥加水拌后，最初形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠失去可塑性，这一过程称为凝结。此后，强度逐渐提高，并变成坚硬的石状物体——水泥石，这一过程称为硬化。水泥的凝结和硬化过程是人为划分的，实际上是一个连续的复杂的物理化学过程，这些变化决定了水泥的一系列的技术性能，因此了解水泥的凝结和硬化过程，对于了解水泥的性能和使用是很重要的。
　　硅酸盐水泥遇水后，各熟料矿物与水发生化学反应，形成水化物，并放出一定热量，其反应式如下：
2（3CaO·SiO2）+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2
2（2CaO·SiO2）+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2?
3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O4
4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O
　　上述反应中，硅酸三钙水化反应很快，水化放热大，生成的水化硅酸钙几乎不溶于水，而以胶体微粒析出，并逐渐凝聚成为凝胶。经电子显微镜观察，水化硅酸钙仅是颗粒尺寸与胶体相同，而实际上呈结晶较差的箔片状或纤维状颗粒。生成的氢氧化钙较快地溶解于水中，当溶液中的浓度达到过饱和后，便呈六方晶体析出。
　　硅酸二钙水化反应的产物与硅酸三钙基本相同，但它水化反应极慢，水化放热小。铝酸三钙水化反应极快，水化放热甚大，且放热速度也很快，生成的水化铝酸钙为立方晶体。铁铝酸四钙水化反应快，水化放热中等，生成的水化产物为水化铝酸三钙和水化铁酸一钙。水化铝酸三钙和水化铁酸一钙是不稳定的产物，它们在氢氧化钙饱和溶液中能与氢氧化钙进一步反应，生成六方晶体的水化铝酸四钙和水化铁酸四钙。
　　纯熟料磨细后，凝结时间很短，不便使用。为了调节水泥的凝结时间，熟料磨细时，掺入适量(3%左右)石膏，这些石膏与部分水化铝酸钙反应，生成难溶的水化硫铝酸钙的针状晶体，其反应式如下。由于水化硫铝酸钙的存在，延缓了水泥的凝结时间。
3CaO·Al2O3+6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O
=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
　水泥浆在空气中硬化时，表面形成的氢氧化钙还能与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙。
　　综上所述，硅酸盐水泥水化反应后，生成的主要水化产物为水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙等。
以上所述的是水泥水化时所发生的主要化学反应。在发生化学反应的同时，水泥水化又发生着一系列的物理变化，使水泥凝结并硬化。水泥凝结和硬化过程的机理比较复杂。一般解释是：当水泥加水拌和后(见图5.2（a）)，在水泥颗粒表面即发生化学反应，生成的水化产物聚集在颗粒表面形成凝胶薄膜(见图5.2（b）)，使水泥反应减慢。
图5.2　水泥凝结硬化过程示意图
表面形成的凝胶薄膜使水泥浆体具有可塑性。由于生成的胶体状水化产物在某些点接触，构成疏松的网状结构，使浆体失去流动性和部分可塑性，这时为初凝。之后，由于薄膜的破裂，使水泥与水又迅速而广泛地接触，反应又加速，生成较多量的水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙和水化硫铝酸钙晶体等水化产物，它们相互接触连生(见图5.2（c）)，到一定程度，浆体完全失去可塑性，建立起充满全部间隙的紧密的网状结构，并在网状结构内部不断充实水化产物，使水泥具有一定的强度，这时为终凝。当水泥颗粒表面重新为水化产物所包裹，水化产物层的厚度和致密程度不断增加，水泥浆体趋于硬化，形成具有较高强度的水泥石(见图5.2（d）)。硬化水泥石是由凝胶、晶体、毛细孔和未水化的水泥熟料颗粒所组成。
　　由此可见，水泥的水化和硬化过程是一个连续的过程。水化是水泥产生凝结硬化的前提，而凝结硬化是水泥水化的结果。凝结和硬化又是同一过程的不同阶段，凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定的塑性强度，硬化则表示水泥浆固化后所建立的网状结构具有一定的机械强度。
　　水泥的凝结和硬化，除了与水泥的矿物组成成分有关外，还与水泥的细度、拌和水量、硬化环境(温度、湿度)和硬化时间有关。水泥颗粒细，水化快，凝结与硬化也快；拌和水量多，水化后形成的胶体稀，水泥的凝结和硬化就慢。温度对水泥的水化以及凝结和硬化的影响很大，当温度高时，水泥的水化作用加速，从而凝结和硬化的速度也就加快，所以用蒸汽养护是加速凝结和硬化的方法之一；当温度低时，凝结和硬化的速度减慢，当温度低于0℃时，水化基本停止，因此，冬期施工时，需采用保温措施，以保证水泥正常凝结和强度的正常发展。水泥石的强度只有在潮湿的环境中才能不断增长，若处于干燥环境中，当水分蒸发完毕后，水化作用将无法继续进行，硬化即停止，强度也不再增长，所以混凝土工程在浇筑后2~3周的时间内，必须注意洒水养护。水泥石的强度随着硬化时间的增加而增长，一般在（3~7）d内强度增长最快，在28d以内增长较快，以后渐慢，但持续时间很长。
5.1.3　硅酸盐水泥的技术性能
　　1.密度和表观密度
　　硅酸盐水泥的密度，主要决定于熟料的矿物组成，是测定水泥细度指标比表面积的重要参数，一般在(3.1~3.2)g/cm3之间。因储存过久而受潮的水泥，密度稍有降低。
　　硅酸盐水泥在松散状态时的表观密度，一般在(900~1300)kg/m3之间，紧密状态时可达(1400~1700)kg/m3。表观密度除与密度有关外，还与粉磨细度有关，一般来说，水泥愈细，表观密度愈小。
　　2．细度
　　细度是影响水泥性能的重要物理指标。颗粒愈细，与水起反应的表面积愈大，因而水化作用既迅速又完全，凝结硬化的速度也加快，早期强度也就愈高，但硬化收缩较大，水泥易于受潮。水泥愈细，粉磨过程能耗愈大，使水泥成本提高。
　　水泥细度可用比表面积或80μm方孔筛的筛余量表示。国家标准规定硅酸盐水泥细度用比表面积表示，比表面积大于300m2/kg。
　　3．标准稠度用水量
　　标准稠度用水量指按一定方法将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的用水量。标准稠度用水量是作为测定水泥的凝结时间和安定性所用净浆的拌和水量的依据，也是水泥基本性能指标之一。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在23%~31%之间。
　　4．凝结时间
　　水泥凝结时间分为初凝和终凝。初凝时间为从水泥加水拌和起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间则为从水泥加水拌和起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。
　　水泥的凝结时间对水泥的使用具有重要的意义。水泥的初凝不宜过早，以便在施工时有足够的时间完成混凝土和砂浆的搅拌、运输、浇筑和砌筑等操作；水泥的终凝不宜过迟，以使混凝土在浇捣、施工完毕后，尽快地硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行。国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min；终凝时间不得迟于390min（6.5h）。
　　5．体积安定性
　　体积安定性是指水泥在硬化过程中体积均匀变化的性能。
　　体积安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含游离氧化钙或游离氧化镁或掺入石膏量过多所致。熟料中所含游离氧化钙或游离氧化镁都是过烧的，水化很慢，往往在水泥硬化后才开始水化，这些氧化物在水化时体积剧烈膨胀，使水泥石开裂。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，石膏与水化铝酸钙反应生成三硫型水化硫铝酸钙，体积膨胀，也会引起水泥石开裂。
　　按国家标准规定，水泥体积安定性用沸煮法检验必须合格。该法只能检验由游离氧化钙所引起的水泥体积安定性不良。游离氧化镁需在压蒸条件下才能加速水化。而石膏的危害需长时间在常温水中才能发现，两者均不便于快速检验，所以国家标准规定，水泥熟料中游离氧化镁含量不得超过5.0%，三氧化硫含量不得超过3.5%。以控制水泥的体积安定性。?
　　体积安定性不良的水泥不能用于工程中。安定性不合格的试饼如图5.3所示。
图5.3　安定性不合格试饼
（a）崩溃；（b）龟裂；（c）弯曲
　　6．强度
　　水泥的强度是水泥性能的重要指标，也是评定水泥强度等级的依据。将水泥和标准砂按1∶3的比例混合，加入规定数量的水，按规定方法制成标准尺寸的试件，在标准条件下养护后进行抗折、抗压强度试验，根据3d和28d龄期的强度，硅酸盐水泥分为42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R和72.5R六种等级，普通硅酸盐水泥分为32.5、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R七种等级。各等级水泥在各龄期的强度值不得低于表5－3的数值。
表5－3　硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的强度
　　7．水化热
　　水泥的水化是放热反应，水泥在凝结硬化过程中放出的热量，称为水泥的水化热。水泥的水化放热量和放热速度主要决定于水泥的矿物组成和细度。水化放热对大体积混凝土构筑物是有害的，对一般建筑的冬期施工则是有利的。
5.1.4　硅酸盐水泥的腐蚀及防止方法
　　1．软水腐蚀（溶出性腐蚀）
　　蒸馏水、冷凝水、雨水、雪水以及含重碳酸盐甚少的河水及湖水均属软水。水泥石中氢氧化钙易溶解于软水，氢氧化钙的溶出会促使水泥石中其他水化物分解，从而引起水泥石结构的破坏，强度降低。
　　硬化水泥石受到软水溶析时，各种水化物中，氢氧化钙的溶解度最大而首先被溶出。当在静止及无水压的情况下，由于周围的水迅速被溶出的氢氧化钙所饱和，使溶解作用中止，氢氧化钙的溶出仅限于表面，影响不大。但当水泥石在流动水及压力水作用下，氢氧化钙会不断溶解流失，使水泥石结构的密实度降低，影响其性能。由于氢氧化钙不断溶出，水泥石中氧化钙浓度降低，当低于其他水化物能稳定存在的极限浓度时，就会引起这些水化物的分解，例如当溶液中的氧化钙浓度低于0.08g/L时，水化硅酸钙将分解成没有水硬性的SiO2·nH2o和Ca(OH)2。水化铝酸钙和水化铁酸钙也如此。于是水泥石结构遭到破坏，强度不断降低，导致建筑物严重毁坏。
　　2．一般酸性水腐蚀
　　某些地下水或工业废水中常含有游离的酸性物质，这种酸性物质能与水泥石中的氢氧化钙作用生成相应的钙盐，所生成的钙盐或易溶于水，或在水泥石孔隙内形成结晶导致水泥石体积膨胀，产生破坏作用，这种破坏作用，称为一般酸性水腐蚀。
　　例如，盐酸与水泥中的氢氧化钙作用生成极易溶于水的氯化钙：
Ca(OH)2+2HCl=CaCl2+2H2O
　　硫酸与水泥石中的氢氧化钙作用生成二水石膏：
Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4·2H2O
　　3．碳酸腐蚀
　　在工业污水和地下水中常溶解有较多的二氧化碳，与水泥石中的氢氧化钙作用生成易溶于水的化合物而引起水泥石的破坏，称为碳酸腐蚀。
　　水泥石中的氢氧化钙与二氧化碳作用生成碳酸钙，而碳酸钙又与二氧化碳反应生成易溶于水的碳酸氢钙：
Ca(OH)2+CO2+nH2O=CaCO3+(n+1)H2O
CaCO3+CO2+H2O　　Ca(HCO3)2
　　后者为可逆反应，若当水中含有的碳酸量只能满足平衡生成的Ca（HCO3）2，且水又为静止状态，则这部分碳酸不会引起水泥石的腐蚀。只有当水中的碳酸量超过上述平衡所需的碳酸量，且水又为流动水，所生成易溶的碳酸氢钙溶于水后被冲走，上述化学平衡遭到破坏，反应向右继续进行，这样氢氧化钙将连续地起化学反应，不断流失，促使水泥石结构发生破坏。
　　4．硫酸盐腐蚀
　　在海水、地下水及盐沼水中，常含有大量硫酸盐，与水泥石中某些化合物反应，生成能产生膨胀的结晶体，使水泥石结构破坏，称为硫酸盐腐蚀。
　　常见的硫酸盐为硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵及硫酸钙等。它们中有的与水泥石中的氢氧化钙置换反应生成二水石膏：
Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O=CaSO4·2H2O+2NaOH
二水石膏与水泥石中的水化铝酸三钙反应，生成三硫型水化硫铝酸钙：
3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O
=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
　　生成的三硫型水化硫铝酸钙比原来的3CaO·Al2O3·6H2O固相所占的体积约增大1.5倍，产生局部膨胀应力，使水泥石结构遭到严重破坏。三硫型水化硫铝酸钙是呈针状晶体，常称为“水泥杆菌”。
　　当水中硫酸盐浓度较高或存在硫酸钙时，硫酸盐将在孔隙中直接结晶成二水石膏，体积膨胀，也导致水泥石破坏。
　　除了上述四种主要的腐蚀作用外，还有一些其他物质，如糖类、脂肪及强碱等对水泥也有腐蚀作用。一般来说，碱的溶液对水泥无害，因水泥水化物中的氢氧化钙本身就是碱性化合物。只有当碱溶液的浓度较高时，对硬化水泥石能发生缓慢腐蚀，温度升高会使腐蚀作用加速。
　　综上所述，使硅酸盐水泥遭受腐蚀的根本原因，在于水泥石本身成分中存在有引起腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙；另外也由于水泥石本身不够密实，从而使侵蚀性介质易于进入内部。根据产生腐蚀的原因，可采取下列防腐蚀措施：
　　（1）根据侵蚀环境特点，选择适当品种的水泥。
　　（2）尽量提高水泥石的密实度，减少渗透作用，如降低水灰比，掺加外加剂和混合材料等。
　　（3）当侵蚀作用较强时，可在混凝土或砂浆表面设置耐腐蚀性强且不透水的防护层，如采用耐酸石材、耐酸陶瓷、沥青及塑料等材料。
5.1.5　硅酸盐水泥的应用
　　（1）在常用的水泥品种中，硅酸盐水泥使用较多，常用于重要结构中的高强度混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土工程。
　　（2）硅酸盐水泥凝结硬化较快，抗冻性好，适用于要求凝结快、早期强度高、冬期施工及严寒地区遭受反复冻融的工程。
　　（3）硅酸盐水泥的水泥石中含有较多的氢氧化钙，抗软水侵蚀和抗化学侵蚀性差，所以不宜用于受流动的软水和有水压作用的工程，也不宜用于受海水和矿物水作用的工程。
　　（4）硅酸盐水泥在水化过程中放出大量的热，故不宜用于大体积混凝土工程。
5.1.6　普通硅酸盐水泥
　　普通硅酸盐水泥与硅酸盐水泥的差别，仅在于其中含有少量混合材料，而绝大部仍是硅酸盐水泥熟料，故其基本性能与硅酸盐水泥相同。但由于掺加少量混合材料，某些性能与硅酸盐水泥相比，又稍有差异。与同等级的硅酸盐水泥相比，普通硅酸盐水泥早期硬化速度稍慢，其3d、7d的抗压强度较硅酸盐水泥稍低,抗冻、耐磨等性能也较硅酸盐水泥稍差。普通硅酸盐水泥等级范围较宽，便于合理选用。
　　普通硅酸盐水泥对细度的要求为80μm方孔筛筛余量不得超过10%；初凝时间要求与硅酸盐水泥相同45min，终凝时间不得迟于10h；体积安定性要求同硅酸盐水泥。
　5.2　掺混合材料的硅酸盐水泥
5.2.1　混合材料
　　在水泥磨细时，所掺入的天然或人工的矿物材料，称为混合材料。
　　混合材料按其性能可分为活性混合材料（水硬性混合材料）和非活性混合材料（填充性混合材料）。
　　非活性混合材料磨成细粉与石灰加水拌和后，不能或很少生成具有胶凝性的水化物，在水泥中仅起填充作用。例如石英砂、黏土、石灰岩及自然冷却的矿渣等，掺入硅酸盐水泥熟料中仅起提高水泥产量、降低水泥等级以及减少水化热等作用。
　　活性混合材料磨成细粉加水后本身并不硬化，与石灰加水拌和后，在常温下能生成具有胶凝性的水化物，既能在空气中硬化，又能在水中继续硬化。这类混合材料常用的有粒化高炉矿渣和火山灰质混合材料。火山灰质混合材料包括火山灰、硅藻土、沸石、凝灰岩、烧黏土、煅烧煤矸石、煤渣与粉煤灰等。
　　活性混合材料的主要成分是活性氧化硅和活性氧化铝，它们在氢氧化钙溶液中发生水化反应：
xCa(OH)2+SiO2+(m-x)H2O=xCaO·SiO2·mH2O
yCa(OH)2+AlO2+(n-y)H2O=yCaO·AlO2·nH2O
　　当液相中有石膏存在时，还能与水化铝酸钙反应，生成水化硫铝酸钙，这些水化物能在空气中凝结硬化，还能在水中继续硬化，具有一定的强度。
　　硅酸盐水泥熟料掺加适量活性混合材料，不仅能提高水泥产量、降低水泥成本，而且可以改善水泥的某些性能、调节水泥等级、扩大使用范围，还能充分利用工业废渣，有利于环境保护。
　　窑灰是从水泥回转窑窑尾废气中收集下的粉尘。作为一种混合材料，窑灰的性能介于非活性混合材料和活性混合材料之间。
5.2.2　掺混合材料的硅酸盐水泥
　　1.矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥
　　我国目前生产的掺混合材料的硅酸盐水泥主要有矿渣硅酸盐水泥(简称矿渣水泥)、火山灰质硅酸盐水泥(简称火山灰水泥)和粉煤灰硅酸盐水泥(简称粉煤灰水泥)三种。
　　我国国家标准《矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥》(GB1344—92)规定：
　　凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥，代号P·S。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按重量百分比计为20%~70%。允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的任一种材料代替矿渣，代替重量不得超过水泥重量的8%，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20%。
　　凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥，代号P·P。水泥中火山灰质混合材料掺加量按重量百分比计为20%~50%。
　　凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号P·F。水泥中粉煤灰掺加量按重量百分比计为20%~40%。
　　矿渣硅酸盐水泥，火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥有27.5、32.5、42.5、42.5R?、52.5、52.5R和62.5R七个等级。目前生产较多的为32.5和42.5。由于该类水泥早期强度较低，确定较低等级水泥的龄期规定为7d和28d。三种水泥各等级在各龄期的强度值不得低于表5－4的规定。
表5－4　矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥的强度(GB1344—92)
　　上述三种水泥的细度、凝结时间及体积安定性的要求与普通硅酸盐水泥相同。
　　这三种水泥与硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥相比，它们的共同特性是：凝结硬化速度较慢，早期强度较低，但后期强度增长较多，甚至超过同等级的普通硅酸盐水泥(见图?5.4?)；水化放热速度慢，放热量也低；对温度的敏感性较高，温度较低时，硬化很慢，温度较高时(60℃~70℃以上)，硬化速度大大加快，往往超过硅酸盐水泥的硬化速度；由于引起腐蚀的成分氢氧化钙减少，因此抵抗软水及硫酸盐介质的侵蚀能力较硅酸盐水泥高；这三种水泥的抗冻性和抗碳化性能较差。
图5.4　水泥的强度发展曲线
1—普通硅酸盐水泥；2—火山灰、粉煤灰和矿渣硅酸盐水泥
　　矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥的干缩性大，而粉煤灰硅酸盐水泥的干缩性小。火山灰质硅酸盐水泥的抗渗性较高，矿渣硅酸盐水泥的耐热性较好。
　　这三种水泥除了能用于地上工程外，特别适用于地下和长期处于水中的一般混凝土和大体积混凝土结构以及需要蒸汽养护的混凝土构件，也适用于有一般硫酸盐侵蚀的混凝土工程。
　　2.复合硅酸盐水泥
　　我国国家标准《复合硅酸盐水泥》(GB12958—91)规定：凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥(简称复合水泥)。水泥中混合材料总掺量按重量百分比应大于15%，不超过50%。水泥中允许用不超过8％的窑灰代替部分混合材料；掺矿渣时混合材料的掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。
　　复合硅酸盐水泥有32.5、42.5、42.5R、52.5与52.5R五个等级，各等级水泥的各龄期强度不低于表5－5的规定。细度、初凝时间与安定性的要求同普通硅酸盐水泥，终凝时间不得迟于12h。
表5－5　复合硅酸盐水泥的强度(GB12958—91)
表5－6　常用水泥的选用
5.3　其他品种水泥
5.3.1　快硬硅酸盐水泥
　　快硬硅酸盐水泥简称快硬水泥，是以硅酸盐水泥熟料为基础，和适量石膏磨细而成的，以3d抗压强度表示其强度等级的水硬性胶凝材料。它具有快硬，即早期强度增进较快的特性。
　　在硅酸盐水泥熟料矿物中，铝酸三钙和硅酸三钙硬化最快，硅酸三钙强度最高。因此，快硬硅酸盐水泥熟料中硅酸三钙和铝酸三钙的含量较高。通常硅酸三钙为50%~60%，铝酸三钙为8%~14%，两者的总量不少于60%~65%。为加快硬化速度，可适当增加石膏的掺量(达8%)，并提高水泥的粉磨细度。
　　根据国家标准《快硬硅酸盐水泥》(GB199—90)规定，细度为0.080mm方孔筛筛余不得超过10%，强度等级以3d抗压强度为准，分为32.5、37.5、42.5三个等级。各等级快硬水泥在各龄期的强度不得低于表5－7所示数值。
表5－7　快硬水泥的强度(GB199—90)
5.3.2　白色及彩色硅酸盐水泥
　　白色硅酸盐水泥简称白水泥，与硅酸盐水泥的主要区别在于氧化铁含量少，因而色白。一般硅酸盐水泥熟料呈暗灰色，主要由于水泥中存在氧化铁(Fe2O3)等成分。当氧化铁含量在3%~4%时，熟料呈暗灰色；在0.45%~0.7%时，带淡绿色；而降低到0.35%~0.4%后，即略带淡绿，接近白色，因此白色硅酸盐水泥的特点主要是降低氧化铁的含量。此外，对于其他着色氧化物（氧化锰、氧化铬和氧化钛等）的含量也要加以限制。通常采用较纯净的高岭土、纯石英砂、石灰岩或白垩等作原料；在较高温度（1500℃~1600℃）下煅烧成熟料，生料的制备、熟料的粉磨、煅烧和运输，均应在没有着色物沾污的条件下进行。例如，磨机衬板用花岗岩、陶瓷或优质耐磨钢制成，研磨体采用硅质卵石、瓷球等材料，燃料最好用无灰分的气体（天然气）或液体燃料（重油），铁质输送设备必须涂敷耐磨油漆。
　　根据国标《白色硅酸盐水泥》（GB2015—91），白色硅酸盐水泥的等级分为32.5、42.5、52.5及62.5四种，各等级水泥在各龄期所要求的强度不低于表5－8所示的数值。细度、初凝时间与安定性的要求同普通硅酸盐水泥，终凝时间不得迟于12h。此外，白水泥还有白度要求，白水泥的白度通常用纯净氧化镁标准板的反射率的比值（%）来表示，白度指标要求在75％以上。我国白水泥的白度分为四个等级，各等级白度不得低于表5－9所示数值。
表5－8　白色硅酸盐水泥的强度(GB2015—91)
表5－9　白色硅酸盐水泥的白度
表5－10　白色硅酸盐水泥产品等级(GB2015—91)
　　彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥，按生产方法可分为两大类。
　　一类为白水泥熟料、适量石膏和碱性颜料共同磨细而成。所用颜料要求不溶于水，且分散性好，耐碱性强，抗大气稳定性好，掺入水泥中不能显著降低其强度。常用以氧化铁为基础的各色颜料。例如红色颜料为三氧化二铁(Fe2O3），俗称铁红；黄色颜料为含水三氧化二铁(Fe2O3·xH2O)，俗称铁黄；紫色颜料为Fe2O3的高温燃烧物，俗称铁紫；棕色颜料为三氧化二铁和四氧化三铁的机械混合物，俗称铁棕；黑色颜料为四氧化三铁(Fe3O4)，俗称铁黑。至于蓝色颜料，常用的为群青和钻蓝；绿色颜料为氧化铬(Cr2O3)或由群青和铁黄配制。此外，用铁红和群青也能配制成紫色颜料；用铁黄与铁红可配成桔红色颜料。黑色颜料也可用炭黑。
　　另一类彩色水泥是在白水泥的生料中加入少量金属氧化物直接烧成彩色水泥熟料，然后加入适量石膏磨细而成。例如加入Cr2O3可得绿色；加CoO在还原气氛中烧成浅蓝色，在氧化气氛中烧成玫瑰红色；加Mn2O3在还原气氛中烧得淡黄色，在氧化气氛中即得浅紫色等。
　　白色和彩色水泥主要用在建筑物内外表面的修饰，制作具有一定艺术效果的各种水磨石、水刷石、人造大理石，彩色混凝土和砂浆等各种装饰部件及制品。
5.3.3　铝酸盐水泥
　　铝酸盐水泥又称高铝水泥或矾土水泥，是以铝矾土和石灰石为主要原料，适当配合后，经煅烧(至烧结或熔融状态)、磨细而成的一种水泥。
　　铝酸盐水泥熟料的主要矿物组成为铝酸盐，其中以铝酸一钙(CaO·A12O3)为主，也有少量硅酸二钙。
　　铝酸盐水泥中的铝酸一钙水化反应很快，水化产物则随温度而不同。主要化学反应为：?
　　当温度小于20℃~22℃时，
CaO·A12O3+10H2O＝CaO·A12O3·10H2O
　　当温度大于20℃~22℃时，
2(CaO·A12O3)+11H2O＝2CaO·A12O3·8H2O+A12O3·3H2O
　　当温度大于30℃时，
3(CaO·A12O3)+12H2O＝3CaO·A12O3·6H2O+2(A12O3·3H2O)
　　铝酸盐水泥的正常使用温度应在30℃以下，这时，铝酸盐水泥水化反应后的水化产物，以水化铝酸二钙为主。水化铝酸二钙和水化铝酸一钙是具有针状和片状的晶体，它们互相交错攀附，重叠结合，形成坚强的晶体骨架，使水泥获得较高的强度。氢氧化铝凝胶填充于晶体骨架的空隙，能形成较致密的结构。这种水泥水化(5~7)d后，水化产物就很少增加，因此硬化初期强度增长很快，此后则不显著。值得注意的是，水化铝酸一钙和水化铝酸二钙是不稳定的晶体，在常温下，能很缓慢地转化为稳定的水化铝酸三钙。当温度提高时，转化大为加速。在转化过程中不仅品形发生变化，而且析出较多游离水，强度降低。
　　根据国标《高铝水泥》(GB201—81)规定，铝酸盐水泥的细度要求0.080mm方孔筛筛余不得超过10%；凝结时间要求初凝不得早于40min，终凝不得迟于10h；强度等级按国家标准规定的水泥胶砂强度检验方法测得的3d抗压强度表示，分为42.5、52.5、62.5和72.5四个等级。各龄期强度不得低于表5－11的数值。
表5－11　铝酸盐水泥的强度
　　铝酸盐水泥水化放热量基本上与高等级硅酸盐水泥相同，但放热速度极快，如用于体积较大的混凝土构件，硬化初期的温度可大大超过30℃，促使水化物的晶形加速转化，导致强度降低。因此，用铝酸盐水泥浇筑混凝土构件时，体积不能太大。施工时要特别注意控制混凝土的温度。铝酸盐水泥不得采用湿热处理方法，硬化过程中环境温度也不得超过30℃,最适宜的硬化温度为15℃。
　　铝酸盐水泥具有较高的抵抗矿物水和硫酸盐的侵蚀性，也具有较高的耐热性。
　　铝酸盐水泥主要用于紧急抢修工程、需要早期强度的特殊工程、冬期施工、处于海水或其他侵蚀介质作用的重要工程、耐热混凝土等。
5.3.4　膨胀水泥
　　膨胀水泥是一种在水化过程中体积产生微量膨胀的水泥，通常由胶凝材料和膨胀剂混合制成。膨胀剂使水泥在水化过程中形成膨胀性物质(如水化硫铝酸钙)，导致体积稍有膨胀。由于这一过程是在未硬化浆体中进行，所以不致引起破坏和有害的应力。
　　按水泥主要组成可分为硅酸盐型、铝酸盐型和硫铝酸盐型膨胀水泥。根据水泥的膨胀值及其用途，又可分为收缩补偿水泥和自应力水泥两大类。
　　硅酸盐膨胀水泥和硅酸盐自应力水泥属于硅酸盐型膨胀水泥，是以适当成分的硅酸盐水泥熟料、膨胀剂按一定比例混合磨细而成。常用的膨胀剂由铝酸盐水泥和石膏组成。膨胀值的大小主要决定于石膏含量，石膏含量越高，膨胀越大，但强度有所降低。硅酸盐膨胀水泥的膨胀值小，自由膨胀率在1%以下，属收缩补偿类水泥。硅酸盐自应力水泥膨胀值较大，自由膨胀率1%~3%，自应力值可达3MPa左右，能使钢筋产生预应力。
　　明矾石膨胀水泥属于硅酸盐型膨胀水泥，以硅酸盐水泥熟料、明矾石、石膏和粉煤灰(或粒化高炉矿渣)按适当比例混合磨细而成。膨胀剂由明矾石代替铝酸盐水泥和部分石膏，生产工艺较简单，成本较低。
　　石膏矾土膨胀水泥属铝酸盐型膨胀水泥，以适当成分的铝酸盐水泥熟料，加入适量的二水石膏，共同磨细制成。
　　膨胀水泥硬化后形成较致密的水泥石，抗渗性较高，适用于制作防水层和防水混凝土；此外也可用作填灌预留孔洞、预制构件的接缝及管道接头，用于结构的加固与修补，制造自应力混凝土构件及自应力压力水管和输气管等。
5.3.5　快硬硫铝酸盐水泥
　　随着建筑技术的发展，不仅要求水泥具有快凝、快硬、早强的性能，而且要求能迅速达到最终要求的强度，还要求具有无收缩性及可调整的膨胀性。以无水硫铝酸钙为基础的快硬水泥(亦称超早强水泥)是满足上述要求的一种水泥。
　　这种水泥以石灰岩、矾土和石膏为原料，按一定比例配合磨细制成生料，经煅烧(1300℃左右)成为熟料，再掺适量石膏磨细而制成。
　　这种水泥的主要矿物组成为无水硫铝酸钙(3CaO·A12?O3·CaSO4)和硅酸二钙，这两种矿物的含量应大于85％。无水硫铝酸钙在水泥中起早强和膨胀作用，硅酸二钙则保证水泥的后期强度。外掺石膏的数量以控制形成水化硫铝酸钙的组成、速度和数量，从而获得早强或膨胀的性能。膨胀性则随石膏掺量的提高而增大。
　　快硬硫铝酸盐水泥硬化快，早期强度高。12h抗压强度一般在30MPa以上，24h达到(35~50)MPa，后期强度仍有发展。这种水泥的抗拉强度较高，具有良好的抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性，但耐热性差，也不利于防止钢筋生锈。
　　快硬硫铝酸盐水泥的等级以3d抗压强度表示，分为42.5、52.5和62.5三个等级。根据《快硬硫铝酸盐水泥》(ZB11005—87)专业标准，各等级水泥各龄期的强度不得低于表5－12的数值。
　　该水泥细度指标为比表面积不得低于380m2/kg，初凝时间不得早于25min，终凝时间不得迟于3h。
表5－12　快硬硫铝酸盐水泥的强度
　　5.4　水泥的验收与保管
5.4.1　水泥的验收
　　1．进场水泥外观检查
　　水泥袋上应清楚标明：工厂名称、生产许可证编号、品种、名称、代号、强度等级、包装年月日和编号。掺火山灰质混合材料的普通水泥还应标上“掺火山灰”字样，散装水泥应提交与袋标志相同内容的卡片和散装仓号，设计对水泥有特殊要求时，应检查是否与设计要求相符。
　　抽查水泥的重量是否符合规定，绝大部分水泥每袋净重为(50±1)kg，但以下品种的水泥每袋净重略有不同：
　　①快凝快硬硅酸盐水泥：每袋净重为(45±1)kg。
　　②砌筑水泥：每袋净重为(40±1)kg。
　　③硫铝酸盐早强水泥：每袋净重为(46±1)kg。
　　注意袋装水泥的净重，以保证水泥的合理运输和掺量。
　　产品合格证检查：检查产品合格证的品种、强度等级等指标是否符合要求，进货品种是否和合格证相符。
　　2．水泥取样
　　取样要有代表性，一般可以从20个以上的不同部位或20袋中取等量样品，总量至少[JP2]12kg，拌和均匀后分成两等份，一份由实验室按标准进行试验；另一份密封保存备校验用。
　　(1)取样步骤。水泥取样应按以下步骤进行：
　　①袋装水泥在袋装水泥堆场取样。可采用专用取样管，随机选择20个以上不同的部位，将取样管插入水泥适当深度，用大拇指按住气孔，小心抽出取样管。将所取样品放入洁净、干燥、不易受污染的容器中。
　　②散装水泥在散装水泥卸料处或输送水泥运输机具上取样。当所取水泥深度不超过2m时，可采用专用取样管，通过取样管内管控制开关，在适当位置插入水泥一定深度，关闭后小心抽出。将所取样品放入洁净、干燥、不易受污染的容器中。
　　(2)样品制备。样品缩分可采用二分器，一次或多次将样品缩分到标准要求的规定量。水泥样要通过0.9mm方孔筛，均分为试验样和封存样。样品应存放在密封的金属容器中，加封条。容器应洁净、干燥、防潮、密闭、不易破损、不与水泥发生反应，存放于干燥、通风的环境中。
5.4.2　水泥的保管
　　1．水泥的保管
　　(1)水泥进场必须附有出厂合格证或进场试验报告，并应对其品种、强度等级、包装或散装仓号、出厂日期等检查验收，分别堆放，防止混杂使用。
　　(2)水泥应整齐堆放，袋装水泥堆的高度一般不超过10包，堆宽以(5～10)袋为限；散装水泥应放置在专门的防潮仓内。临时露天堆放，应用防雨篷布遮盖。
　　(3)水泥贮存时间一般不应超过3个月(快硬水泥为1个月)。一般水泥在正常干燥环境中存放3个月，强度将降低10％～20％；存放6个月，强度将降低15％～30％。水泥出厂超过3个月(快硬水泥超过1个月)，或对水泥质量有怀疑时，使用前应复查试验，并按试验结果使用。
　　(4)受潮水泥的鉴别、处理和使用，见表5－13。
表5－13　水泥受潮的鉴别和使用
　　2．受潮水泥的处理
　　水泥应防止受潮，如发现受潮结块，可按以下情况进行处理:
　　(1)如水泥有松块，可以捏成粉末，但没有硬块时，可通过试验后，根据实际强度等级使用，松块压成粉末，使用时加强搅拌。
　　(2)如水泥部分结成硬块，可通过试验后根据实际强度等级使用，使用时筛去硬块，压碎松块，加强搅拌，但只能用于不重要的或受力小的部位，或用于配制砌筑砂浆。
　　(3)如水泥受潮结成硬块，一般不得直接使用，可压成粉末后，掺入新水泥(至多不超过25％)，经试验后使用。

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