§4 水泥 _ 水硬性无机胶凝材料

制作人—

依巴丹

一、胶凝材料 当其与水或水溶液拌合后，所形成的浆体经

过一系列物理、化学作用能逐渐凝结硬化并形成具有一定强度的石状体。

按照硬化条件的不同，可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。前者是指只能在空气中硬化、保持并发展其强度的胶凝材料（石膏、石灰、水玻璃、菱苦土等）；后者是指不仅能在空气中，而且能更好在水中硬化、保持并发展其强度的胶凝材料，如水泥。

无机胶凝材料

气硬性无机胶凝材料（石膏、石灰、水玻璃）

水硬性无机胶凝材料（各种水泥）

将无机胶凝材料区分为气硬性和水硬性， 有着重要的实用意义： 气硬性无机胶凝材料一般只适用于地上或干

燥环境，不宜用于潮湿环境中。 水硬性胶无机凝材料则不仅可用于地上工程，

而且适用于水中或潮湿环境中地工程。 二、水泥品种 包括：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝

酸盐系水泥、铁铝酸盐系水泥等系列，其中以硅酸盐系水泥为广泛。

硅酸盐类水泥

专用水泥 特性水泥

通用水泥

硅酸盐类水泥

第一节 硅酸盐水泥

定义：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硬性胶凝材料。

I 型：不掺混合材料 II 型：掺不超过 5 ％的混合材料

一、硅酸水泥的生产及矿物组成

（一）硅酸盐水泥生产工艺过程

——“ 两磨一烧”，关键是配料和煅烧

（二）硅酸盐水泥熟料的矿物组成： 硅酸三钙 3CaO·SiO2 ，简写 C3S ，含量 45 ％～ 60

％； 硅酸二钙 2CaO·SiO2 ，简写 C2S ，含量 15 ％～ 30

％； 铝酸三钙 3CaO·Al2O3 ，简写 C3A ，含量 6 ％～ 12

％； 铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3 ，简写 C4AF ，含量

6 ％～ 8 ％。 各种矿物单独与水作用时，表现出不同的性能，见表 4-1 。

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二、硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 表面现象：水泥 + 水→具有流动性、可塑性浆

体→失去可塑性（凝结）→强度提高，发展成为坚实的水泥石（硬化）。

实质原因：水化反应

（一）水泥的水化反应22222 )(332363 OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO

22222 )(3234)2(2 OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO

OHOAlCaOOHOAlCaO 232232 6363

OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO 23223223232 6374

2432224232 )(313319)2(363 OHCaSOOAlCaOOHOHCaSOOHOAlCaO

水泥水化产物：（ 1 ）水化硅酸钙－凝胶；（ 2 ）水化铁酸钙－凝胶；（ 3 ）氢氧化钙－晶体；（ 4 ）水化铝酸钙－晶体；（ 5 ）水化硫铝酸钙－晶体。

以实质原因解释表面现象

—— 水泥加水后，水化反应进行，随着水化产物的增多，凝胶和晶体析出，水分不断减少，浆体变稠－凝结。随着凝胶和晶体的增多，水分的减少，晶体相互连接，形成晶体网。凝胶体填充晶体网，水泥石的强度提高，形成坚实的水泥石－硬化。观察与讨论

熟料矿物组成对早期强度及水化的热的影响观察与讨论

以下是 A 、 B 两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析 A 、 B 两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。

矿物组成 C3S/％ C2S/％ C3A/％ C4AF/％

A水泥 60 15 16 9

B水泥 47 28 10 15

硅酸盐水泥熟料矿物各具特性 :A 水泥的 C3S 及 C3A 含量高，而 C3S 及 C3A 的早期强度及水化热都较高，

故 A 硅酸盐水泥的早期强度与水化热高于 B 水泥。

讨论

（二）凝结硬化的特点：1 、放热反应2 、凝结硬化速度 3 － 7 天内较快，大

致 28 天完成基本部分，完成全过程需几年，甚至几十年时间。

3 、不同熟料矿物水化反应速度不同，顺序为： C3A→C3S→C4AF→C2S 。

（三）水泥中掺适量石膏的目的

调节（延缓）水泥凝结时间解释：纯水泥熟料磨细后，与水反应快，

凝结时间很短，不便使用，所掺石膏与反应最快的 C3A 的水化产物水化铝酸钙作用生成难溶的水化硫铝酸钙，覆盖于未水化的 C3A 周围，阻止其继续水化，从而延缓水泥凝结时间。

影响水泥凝结、硬化的因素 （影响水泥石强度发展的主要因素） 1 、熟料矿物的组成比例 2 、水泥颗粒粗细程度 3 、石膏所加比例 是影响水泥凝结硬化的主要内因。 4 、加水量（以水灰比来控制） 5 、养护条件（温、湿度） 6 、养护龄期（ 28 天）

温度越高，水泥凝结硬化速度越快。 湿度是保证水泥水化的一个必备条件，水泥

的凝结硬化实质是水泥的水化过程。 因此，在缺乏水的干燥环境中，水化反应不

能正常进行，硬化也将停止；潮湿环境下的水泥石能够保持足够的水分进

行水化和凝结硬化，从而保证强度的不断发展。

影响水泥石强度发展的最主要因素 加水量（以水灰比来控制） 例如， 1M3砼中，水泥 300kg ，砂 600kg ， 石子 1200kg ， 水 180kg 实验室 15升用量：水泥 4.5kg ， 砂 9.0kg ， 石子 18.0kg ， 水 2.7kg 拌合物：干稠， 如何调整？ 保持水灰比不变，增加水泥浆用量；

三、硅酸盐水泥的技术性质 （一）细度 定义：细度——水泥颗粒的粗细程度。 细度↑ : 优点：早期强度↑ 缺点：硬化时收缩大，易受潮，成本高 GB规定，硅酸盐水泥比表面积 >300m2/kg

（二）标准稠度及其用水量标准稠度：水泥净浆以标准方法测试所达到的可塑性程度的稠度。

解释标准稠度的意义。标准稠度用水量：指水泥净浆达到标准稠度所需的加水量，以水与水泥质量之比的百分数表示。

标准稠度用水量

调整用水量法 固定用水量法

（三）凝结时间初凝时间：从水泥全部加入水开始

至水泥浆开始失去可塑性并开始产生强度所需的时间。

终凝时间：从水泥全部加入水开始至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。

凝结时间

水泥全部加水时 开始失去塑性时 初凝 完全失去塑性时 终凝

工程意义：初凝不宜过早，以便有足够的时间施工操作；

终凝不宜过迟，以利于下道工序及时进行。

BG 规定：初凝不得早于 45 分，终凝不得迟于 6.5 小时（ 390min) 。

（四）体积安全性定义：指水泥浆体硬化后因体积膨胀不均匀而变形的状况。

良好：硬化后不产生体积膨胀或开裂。不良：硬化后产生不均匀的体积膨胀而开裂——废品水泥

安定性不良的原因：（ 1 ）熟料中含有过量的游离 CaO ；（ 2 ）熟料中含有过量的游离MgO ；（ 3 ）石膏掺量过多。

体积安全性详细解释以上三个原因GB 规定：（ 1 ） CaO ：沸煮法检

验必须合格；不大于 1.0 ％； （ 2 ） MgO ：不大于 5.0 ％； （ 3 ） SO3 ：不大于 3.5 ％。

（五）水泥的强度与强度等级

用标准的试验方法制作 标准试件40mm×40mm×160mm ，在标准养护条件下养护，规定的时间测其抗压、抗折强度，根据强度值划分强度等级，

见表 4-2 ，并作解释。

（六）水化热

定义：水泥与水发生水化反应所放出的热量，单位为 J/kg 。

水化热量的多少和放热速度取决于铝酸三钙和硅酸三钙的含量。

工程意义：水化热对一般建筑的冬季施工有利，对大体积混凝土工程有害（详细解释）

四、水泥石的腐蚀及防止水泥石在某种腐蚀性介质的作用下，结构逐渐遭到破坏，强度下降以致全部溃裂。根据腐蚀原因的不同，腐蚀包括以下四类：

（二）盐类腐蚀 1 、硫酸盐腐蚀 SO4-2+Ca(OH)2→CaSO4+OH － 石膏 + 水化铝酸钙 + 水→水化硫铝酸钙，其体积膨胀，使已硬化的水泥石开裂。

2 、镁盐腐蚀 （ 1 ） MgSO4+Ca(OH)2+H2O→CaSO4·2

H2O+Mg （ OH ） 2 石膏 + 水化铝酸钙 + 水→水化硫铝酸钙，体积膨胀，使水泥石开裂；生成物 Mg(OH)2松软，无胶凝能力。

（ 2 ） MgCl2+Ca(OH)2→CaCl2+Mg(OH)2

（三）酸类腐蚀 （四）强碱腐蚀 （三）酸类腐蚀 酸 +Ca(OH)2→ 盐 + 水新生成的盐类或溶解，或者体积膨胀，造成腐蚀。 （四）强碱腐蚀 （ 1 ） NaOH+3CaAl2O3→3Na2OAl2O3

（易溶） +Ca(OH)2 （ 2 ）水泥石被NaOH 溶解浸透后又在空气中干燥时，

NaOH+CO2+H2O→Na2OCO3 （结晶膨胀） +H2O

（五）腐蚀的防止措施总结水泥石被腐蚀的根本原因： （ 1 ）水泥石本身不密实； （ 2 ）水泥石中存在着易受腐蚀的氢氧化钙和水化

铝酸钙； （ 3 ）外界腐蚀介质的存在。防腐措施： （ 1 ）根据环境特点，合理选择水泥品种； （ 2 ）提高水泥石的密实度； （ 3 ）加作保护 层。

第二节 掺混合材料的硅酸盐水泥

定义：凡由硅酸盐水泥熟料、 >5 ％的混合材料、适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料， 均属掺混合材料的硅酸盐水泥。

一、混合材料（一）活性混合材料活性表现：含有活性 SiO2 和活性 Al2O3 ，生成具有水

硬性的水化硅酸钙，水化铁酸钙 SiO2+xCa （ OH ） 2+mH2O→mCaO·SiO2·nH2O Al2O3+xCa （ OH ） 2+mH2O→mCaO·Al2O3·nH

2O

常用的活性混合材料有： 1 、粒化高矿渣： 高炉冶炼生铁所得的熔融物，精粹泛化成粒

后的产品。 2 、火山灰质混合材料： 具有火山灰质的矿物质，如火山灰、凝灰岩、浮石等。

3 、粉煤灰：火力发电厂用煤粉作为发 电的燃料，所排出

的废渣急速冷却而成。

（二）非活性混合材料常用的有磨细石英砂、石灰石、磨

细的块状高炉矿渣、炉灰等，这类混合材料掺入后不起化学反应，

只起填充作用——调节水泥强度等级，增加水泥产量，减低水化热等。

二、普通硅酸盐水泥

定义：由硅酸盐水泥熟料、 6 ％～ 15 ％混合材料适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）。

（一）技术要求注意与硅酸盐水泥的区别 1 、细度 80μm方孔筛筛余不得超过 10 ％。

2 、凝结时间 3 、强度等级

2 、凝结时间普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于 45min ，终凝时间不得心于 10h 。

3 、强度等级分为

32.5 、 32.5R 、 42.5 、 42.5R 、 52.5 、 52.5R六个强度等级，见表 4-2 。

普通水泥的体积安定性、氧化镁、三氧化硫含量等技术要求同硅酸盐水泥。

三、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥

P.S 定义：矿渣硅酸盐水泥——由硅到盐水泥熟料

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（简称矿渣水泥），代号 P.S 。粒化高炉矿渣掺量按质量百分比计为 20 ％～70 ％。

P.P

火山灰质硅酸盐水泥——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国火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号 P.P 。火山灰质混合材料掺量按质量百分比计为 20％～ 50 ％。

P.F

粉煤灰硅酸盐水泥——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（简称粉煤灰水泥），代号 P.F 。水泥中粉煤灰掺量按质量百分比计为 20 ％～ 40 ％。

技术要求：

GB1344－ 1999 中规定，这三种水泥的细度、凝结时间、体积安定性同普通水泥要求。强度等级见表 4-4 。

四、通用水泥的性能与应用比较 矿、火、粉、复水泥由于掺加混合材料量大，性能改变明显，与硅、普水相比。

1 、凝结硬化速度慢，早期强度低；后期强度增大快

2 、水化热低 3 、抗冻性差 4 、耐腐蚀性强 5 、湿热温度敏感度高 6 、耐热性好

矿、火、水泥干缩值大，粉水泥干缩值小抗裂性好矿保水性差，泌水性大抗渗性差。火抗渗性较好。

由于水泥的另性能有所区别，所以他们的适用范围也不同，见表 4-5 。

注意水泥的性能与其应用是紧密联系在一起的。

工程实例概况

某施工队使用以煤渣掺量为 30 ％的火山灰水泥铺筑路面。使用两年后，表面耐磨性差，已出现露石，且表面有微裂缝。

原因分析

按 J TJ012-94《公路混凝土路面设计规范》，对于水泥混凝土路面，“水泥可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和道路硅酸盐水泥。中等及轻交通的路面，也可以采用矿渣硅酸盐水泥。”所以说火山灰水泥铺筑路面是选用水泥不当。

§4 水泥 _ 水硬性无机胶凝材料

—— 内容结束。