硅酸盐水泥类型及成分分析

2023-11-07 理论教育版权反馈

【摘要】：硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅰ。图2-1硅酸盐水泥的生产过程硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分有四种，其名称及含量范围见表2-5。除四种主要矿物成分外，硅酸盐水泥熟料中还含有少量游离氧化钙、游离氧化镁及碱类物质，其总量不超过水泥熟料的10%。

水泥是当代用量最多的水硬性胶凝材料。在水利建筑工程中，常用于拌制水泥砂浆、水泥混凝土，也常用作灌浆材料加固地基。

（一）水泥的品种

水泥的种类繁多，按所含水硬性物质的不同，可分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥及硫铝酸盐系水泥等，其中以硅酸盐系水泥应用最广；按水泥的用途及性能，可分为通用水泥、专用水泥与特性水泥三类。通用水泥是指大量用于一般土木工程的水泥，包括硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥等六大水泥。专用水泥是指专门用途的水泥，如砌筑水泥、道路水泥等。特性水泥则是指某种性能比较突出的水泥，如快硬水泥、白水泥、抗硫酸盐水泥等。

在水利、市政、建筑等行业中，应用最多的还是硅酸盐系列水泥。

（二）硅酸盐水泥的定义、生产及矿物成分

国家标准GB175—1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》规定，凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%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（即国外通称的波特兰水泥）。

硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅰ。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。

硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料（石灰石、白垩等）和黏土质原料（黏土、页岩等）。原料配比的确定，应满足原料中氧化钙含量占75%～78%，氧化硅、氧化铝及氧化铁含量占22%～25%。为满足上述各矿物含量要求，原料中常加入富含某种矿物成分的辅助原料，如铁矿石、砂岩等。

硅酸盐水泥的生产可概括为“两磨一烧”，即生料的配制与磨细、生料煅烧至部分熔融（1450℃）形成熟料，熟料与适量石膏（2%～5%）等混合磨细。生产过程中的关键环节是生料配制与煅烧，其目的是使水泥熟料中的矿物成分及含量符合要求。

硅酸盐水泥的生产过程简图如图2-1 所示。

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图2-1　硅酸盐水泥的生产过程

硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分有四种，其名称及含量范围见表2-5。

除四种主要矿物成分外，硅酸盐水泥熟料中还含有少量游离氧化钙、游离氧化镁及碱类物质（K2O及Na2O），其总量不超过水泥熟料的10%。

表2-5　硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分

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（三）硅酸盐水泥的凝结硬化

硅酸盐水泥的凝结硬化是一个复杂的物理、化学变化过程。

1.硅酸盐水泥的水化特性及水化生成物

水泥与水发生的化学反应，简称为水泥的水化反应。硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应如下：

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从上述反应式可知，硅酸盐水泥熟料的水化产物分别是水化硅酸钙（凝胶体）、氢氧化钙（晶体）、水化铝酸钙（晶体）和水化铁酸钙（凝胶体）。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占50%，氢氧化钙约占25%。通常认为，水化硅酸钙凝胶体对水泥石的强度和其他性质起着决定性的作用。

四种熟料矿物水化反应时所表现出的水化特性见表2-6。

表2-6　四种熟料矿物的水化特性

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硅酸盐水泥是几种矿物熟料的混合物，熟料的比例不同，硅酸盐水泥的水化特性也会发生改变。掌握水泥熟料矿物的水化特性，对分析判断水泥的工程性质、合理选用水泥以及改良水泥品质、研发水泥新品种，具有重要意义。

由于铝酸三钙的水化反应极快，使水泥产生瞬时凝结，为了方便施工，在生产硅酸盐水泥时需掺加适量的石膏，达到调节凝结时间的目的。石膏和铝酸三钙的水化产物水化铝酸钙发生反应，生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石），反应式如下：

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水化硫铝酸钙难溶于水，生成时附着在水泥颗粒表面，能减缓水泥的水化反应速度。

2.水泥的凝结硬化过程及水泥石结构

硅酸盐水泥的凝结硬化过程主要是随着水化反应的进行，水化产物不断增多，水泥浆体结构逐渐致密，大致可分为三个阶段：

（1）溶解期。水泥加水拌和后，水化反应首先从水泥颗粒表面开始，水化生成物迅速溶解于周围水体。新的水泥颗粒表面与水接触，继续水化反应，水化产物继续生成并不断溶解，如此继续，水泥颗粒周围的水体很快达到饱和状态，形成溶胶结构。

（2）凝结期。溶液饱和后，继续水化的产物逐渐增多并发展成为网状凝胶体（水化硅酸钙、水化铁酸钙胶体中分布大量的氢氧化钙、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙晶体）。随着凝胶体逐渐增多，水泥浆体产生絮凝并开始失去塑性。

（3）硬化期。凝胶体的形成与发展，使水泥的水化反应越来越困难。随着水化反应继续缓慢地进行，水化产物不断生成并填充在浆体的毛细孔中，随着毛细孔的减少，浆体逐渐硬化。硬化后的水泥石结构由凝胶体、未完全水化的水泥颗粒和毛细孔组成。

3.影响水泥凝结硬化的主要因素

影响水泥凝结硬化的因素，除了水泥熟料矿物成分及其含量外，还与下列因素有关。

（1）细度。细度指水泥颗粒的粗细程度。细度越大，水泥颗粒越细，比表面积越大，水化反应越容易进行，水泥的凝结硬化越快。

（2）用水量。水泥水化反应理论用水量占水泥重量的23%。加水太少，水化反应不能充分进行；加水太多，难以形成网状构造的凝胶体，延缓甚至不能使水泥浆硬化。

（3）温度和湿度。水泥的水化反应随温度升高，反应加快。负温条件下，水化反应停止，甚至水泥石结构有冻坏的可能。水泥水化反应必须在潮湿的环境中才能进行，潮湿的环境能保证水泥浆体中的水分不蒸发，水化反应得以维持。

（4）养护时间（龄期）。保持合适的环境温度和湿度，使水泥水化反应不断进行的措施，称为养护。水泥凝结硬化的过程实质是水泥水化反应不断进行的过程。水化反应时间越长，水泥石的强度越高。水泥石强度增长在早期较快，后期逐渐减缓，28d以后显著变慢。据试验资料显示，水泥的水化反应在适当的温度与湿度的环境中可延续数年。

（四）硅酸盐水泥的技术要求

按GB175－1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的规定，硅酸盐水泥必须满足以下九项技术要求。

1.不溶物

Ⅰ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%；Ⅱ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50%。

2.烧失量

Ⅰ型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.0%；Ⅱ型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.5%。

3.氧化镁(www.chuimin.cn)

水泥中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。

4.三氧化硫

水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。

5.安定性

用沸煮法检验必须合格。

安定性是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。水泥中含有过量的氧化镁、三氧化硫及游离氧化钙，会导致水泥的安定性不良，造成水泥石结构局部膨胀甚至开裂，破坏了水泥石结构的整体性，严重的会造成工程质量事故。

6.细度

硅酸盐水泥比表面积应大于300m2/kg。

水泥的细度可用筛分析法和透气法测定。

水泥的细度反映了水泥的水化活性，细度越大，水化活性越高，水泥的凝结硬化越快，但细度太大，会增加水泥生产成本，而且不易贮存。

7.凝结时间

硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h。

水泥的凝结时间分初凝和终凝。初凝是指自水泥加水拌和时起，至水泥浆开始失去可塑性所经历的时间；终凝是指自水泥加水拌和时起，至水泥浆完全失去可塑性所经历的时间。为保证水泥拌和物有足够的时间进行搅拌、运输和成型，初凝时间不得太短；成型后的水泥石应尽快凝结硬化，以利于后续工作的进行，故终凝时间不得太长。

国家标准规定，水泥的凝结时间以标准稠度的水泥净浆，在规定的温度和湿度条件下，用凝结时间测定仪测定。

8.强度

水泥的强度是指水泥胶结砂的强度。由于水泥强度随凝结硬化逐渐增长，所以国家标准规定了不同龄期的强度值，用以限定不同强度等级水泥的强度增长速度。水泥强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表2-7中的数值。

表2-7　几种常用水泥的强度指标　单位：MPa

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水泥强度按GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的规定方法进行检验。按照强度的大小，硅酸盐水泥划分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5 及62.5R等六个强度等级，其中每个强度等级按早期强度（3d）的大小，又分为早强型（R）和普通型。

9.碱含量

水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。若使用活性集料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商定。

按国家标准对水泥的上述九项技术指标进行检验。国家标准规定，出厂水泥应保证出厂强度等级，其余技术要求应符合上述要求。凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中有一项不符合国家标准规定时，均视为废品；凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任一项不符合国家标准规定时，或混合材料掺加量超过最大限量而强度低于商品强度等级的指标时，视为不合格品。

除了上述国家标准规定的九项技术要求必须进行测定外，为满足工程设计需要，常对水泥的密度和水化热进行检测。

硅酸盐水泥的密度值一般为3.0～3.2g/cm3，贮存过久，密度会有所降低。水泥在松散状态时的堆积密度为1000～1300kg/m3，紧密状态时可达1400～1700kg/m3。

水泥在水化反应过程中放出的热量，称为水化热。水化热大部分在7d之内放出，以后逐渐减少。水化热对大体积混凝土（如大坝、桥墩、大型基础）不利，对于非大体积混凝土的冬季施工，水化热有利于混凝土的凝结硬化。

（五）水泥石的侵蚀与防止

通常情况下，硬化后的硅酸盐水泥具有较强的耐久性。但在某些含侵蚀性物质（酸、强碱、盐类）的介质中，由于水泥石结构存在开口孔隙，有害介质浸入水泥石内部，水泥石中的水化产物与介质中的侵蚀性物质发生物理、化学作用，反应生成物若易溶解于水，或松软无胶结力，或产生有害的体积膨胀，都会使水泥石结构产生侵蚀性破坏。

几种主要的侵蚀作用如下。

1.淡水侵蚀（溶出性侵蚀）

硅酸盐水泥石长期处于软水中，氢氧化钙易被水溶解，使水泥石中的石灰浓度逐渐降低，当浓度低于其他水化产物赖以稳定存在的极限浓度时，其他水化产物，如水化硅酸钙、水化铝酸钙等，也将被溶解。在流动及有压水的作用下，溶解物不断被水流带走，水泥石结构遭到破坏。

2.酸类侵蚀

（1）碳酸侵蚀。某些工业污水及地下水中常含有较多的二氧化碳。二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙反应生成碳酸钙，碳酸钙与二氧化碳反应生成碳酸氢钙，反应式如下：

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