5.1.4.3 凝结时间
凝结时间分初凝和终凝。 初凝时间是指水泥从开始加水拌和起至水泥浆开 始失去可塑性所需的时间；终凝时间是指从水泥开始 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(图5.3)。 水泥的凝结时间是按《水泥标准稠度用水量、凝 结时间、安定性检验方法》(GB 1346—2001)规定的方 法测定的。国家标准规定:硅酸盐水泥初凝时间不得早 于45min终凝时间不得迟于6.5h。
硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、 62.5R等6个强度等级。
5.1.1 硅酸盐水泥生产简述
硅酸盐水泥是以石灰质原料(如石灰石等)与粘土质 原料(如粘土、页岩等)为主，有时加入少量铁矿粉等， 按一定比例配合，磨细成生料粉(干法生产)或生料浆 (湿法生产)，经均化后送入回转窑或立窑中煅烧至部分 熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，再与适 量石膏共同磨细，即可得到P· Ⅰ型硅酸盐水泥。 其生产工艺流程(简称为“两磨一烧”)如图5.1所 示。
硅酸盐水泥的强度指标（依据GB175—99）
强度等级
抗压强度（MPa） 3d 28 42.5
抗折强度（MPa） 3d 3.5 28 6.5
42.5
17.0
42.5R
52.5 52.5R 62.5 62.5R
22.0
23 27 28 32
42.5
52.5 52.5 62.5 62.5
4.0
4.0 5.0 5.0 5.5
5.1.5.5 腐蚀的防止
(1)水泥石受腐蚀的基本原因：水泥石中存在着易 受腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身不密实 而使侵蚀性介质易于进入其内部；外界因素的影响， 如腐蚀介质的存在，环境温度、湿度、介质浓度的影 响等。 (2)防止腐蚀的措施：①根据工程所处环境，选用 适当品种的水泥 ；②增加水泥制品的密实度，减少侵 蚀介质的渗透；③加做保护层。
名称
凝结硬化速度 28d水化放热量 强 度
硅酸三钙
快 多 高
硅酸二钙
慢 少 早期低，后期高
铝酸三钙
最快 最多 低
铁铝酸四钙
快 中 低
5.1.5 水泥石的腐蚀及防止
水泥石在正常使用条件下，具有较好的耐久性， 但在某些腐蚀性介质作用下，水泥石的结构逐渐遭到 破坏，强度下降以致全部溃裂，这种现象叫水泥石的 腐蚀。主要原因有： 5.1.5.1 软水腐蚀 当水泥石长期与流动淡水接触时,由于水的浸析作 用，将已硬化的水泥石中的固相组分（特别是水化产 物氢氧化钙）逐渐溶解带走，并促使硬化水泥石中的 其它产物分解，导致水泥石结构破坏。
5.2 掺混合材料的硅酸盐水泥
凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料 和适量石膏，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。 按所掺混合材料的品种和数量可分为普通硅酸盐 水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤 灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。
5.2.1 水泥混合材料
表5.3 普通硅酸盐水泥的强度要求(GB 175—99)
抗压强度(MPa) 3d 11 16 16 21 28d 32.5 32.5 42.5 42.5 抗折强度(MPa) 3d 2.5 3.5 3.5 4.0 28d 5.5 5.5 6.5 6.5
强度等级
32.5 32.5R 42.5 42.5R
5 水
泥
教学目的
1、了解水泥熟料的矿物组成及水泥浆凝结硬化过程 对水泥硬化体的结构、性能的影响； 2、掌握常用水泥的技术性质、质量要求及如何合理 选用水泥；
3、了解一些专用及特性水泥的组成和性能特点及应
用范围。
教学内容
4.1 硅酸盐水泥
4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥 4.3 其他品种水泥
按其主要成分分为硅酸盐类水泥、铝酸盐 类水泥、硫铝酸盐类水泥和磷酸盐类水泥等。 按水泥的用途和性能又可分为通用水泥(如 硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等)、专用水泥 (如中、低热水泥等)及特性水泥(如快硬硅酸盐 水泥、膨胀水泥等)。
(1)粒化高炉矿渣 将炼铁高炉中的熔融矿渣经水淬等方式急速冷却而 形成的松软颗粒，称为粒化高炉矿渣，其主要的化学成 分是CaO、SiO2和Al2O3，占90%以上。 (2)火山灰质混合材料 凡是天然的或人工的以活性SiO2和活性Al2O3为主要 成分，具有火山灰活性的矿物质材料，都称为火山灰质 混合材料。
5.1.2 硅酸盐水泥的凝结硬化
5.1.2.1 水泥的凝结与硬化 水泥加水拌和后，成为可塑性浆体，随后，水泥 浆逐渐变稠而失去塑性，但尚不具有强度的过程，称 为水泥的凝结。 凝结过后，水泥浆产生明显的强度并逐渐发展成 为坚硬的固体，这一过程称为水泥的硬化。 5.1.2.2 熟料矿物的水化产物 其化学反应式有：
52.5
52.5R
22
26
52.5
52.5
4.0
5.0
7.0
7.0
5.2.2.2 矿渣硅酸盐水泥
矿渣硅酸盐水泥简称矿渣水泥(P· S)，是由 硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏， 经磨细制成的水硬性胶凝材料。其中粒化高炉 矿渣掺量按质量百分比计为20%~70%。允许用 石灰石、窑灰、火山灰质混合材料中的一种代 替矿渣，但代替量不得超过水泥质量的8%。
6.5
7.0 7.0 8.0 8.0
5.1.4.6 水化热
水化热是指水泥与水发生水化反应时放出的热量， 通常用J/kg表示。 水化热的大小主要与水泥的细度及矿物组成有关。 颗粒愈细，水化热愈大；不同的矿物成分，其放热量 不一样(见表5.2)，矿物中C3S、C3A含量愈多，水化热 愈大。
表5.2 水泥熟料单矿物水化时特征
混合材料是指在水泥生产过程中，为改善水泥性 能，调节水泥强度等级，而加到水泥中的矿物质材料。 它一般为天然的矿物材料或工业废料。 根据其性能可分为活性混合材料和非活性混合材 料，有天然的和人工之分。
5.2.1.1 活性混合材料
活性混合材料是指具有火山灰性或潜在水硬性的矿 物质材料。 火山灰性是指磨细的矿物质材料和水拌和成浆后， 单独不具有水硬性，但在常温下与外加的石灰一起和水 后的浆体，能形成具有水硬性化合物的性能。 常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混 合材料和粉煤灰等。
5.2.1.2 非活性混合材料
这类材料又称填充材料，它与水泥矿物成分或水化 产物不起化学反应。掺入水泥中主要起调节水泥强度等 级、增加水泥产量、降低水化热等作用。 常用的有磨细石英砂、石灰石粉及磨细的块状高炉 矿渣与炉灰等。
5.2.2 掺混合材料的硅酸盐水泥
5.2.2.1 普通硅酸盐水泥
普通硅酸盐水泥简称普通水泥(P· O)，是由硅酸盐 水泥熟料、6%~15%混合材料、适量石膏，经磨细制成 的水硬性胶凝材料。掺活性混合材料时，最大掺量不 得超过15%。 普通水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、 52.5R等6个强度等级。各强度等级水泥在各龄期强度 要求见表5.3。
3CaOAl2O3 6H 2O 3(CaSO4 2H 2O) 19H 2O 3CaOAl2O3 CaSO4 H 2 O 3 31
综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，主要 水化产物有水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶、氢 氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。 5.1.3 水泥石的结构 硬化后的水泥石是由胶体粒子、晶体粒子、 凝胶孔、毛细孔及未水化的水泥颗粒所组成。 其结构如图5.2所示。
图5.3 水泥凝结时间示意图
5.1.4.4 体积安定性
水泥体积安定性简称水泥安定性，是指水泥浆硬化 后体积变化是否均匀的性质。 当水泥浆体在硬化过程中或硬化后发生不均匀的体 积膨胀，会导致水泥石开裂、翘曲等现象，称为体积安 定性不良。 水泥安定性通常用雷式夹法测定。 引起水泥体积安定性不良的原因主要有熟料中含有 过量的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入的石膏过多。 体积安定性不合格的水泥不能用于工程中。
图5.1 硅酸盐水泥生产工艺流程示意图
矿物组成主要是： （1）硅酸三钙(3CaO· 2，简写为C3S，占 SiO 36%~60%) （2）硅酸二钙(2CaO· 2，简写成C2S，占 SiO 15%~37%) （3）铝酸三钙(3CaO· 2O3，简写成C3A，占 Al 7%~15%) （4）铁铝酸四钙(4CaO· 2O3· 2O3，简写为C4AF， Al Fe 占10%~18%)。
4CaOAl2O3 Fe2O3 7 H 2O 3CaOAl2O3 H 2 O 6 CaOFe2O3 H 2O
为了调节水泥的凝结时间，掺入适量石膏， 这些石膏与反应最快的铝酸三钙的水化产物作 用生成难溶的水化硫铝酸钙，覆盖于未水化的 铝酸三钙周围，阻止其继续快速水化。其反应 式为：
5.1.5.2 盐类腐蚀
(1) 硫酸盐腐蚀 硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应 生成硫酸钙，硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙作用， 生成比原体积增加1.5倍以上的高硫型水化硫铝酸钙(钙化 石)，由于体积膨胀而使已硬化的水泥石开裂、破坏。因 高硫型水化硫铝酸钙呈针状晶体，故俗称“水泥杆菌”。 (2)镁盐腐蚀 硫酸镁和氯化镁与水泥石中的氢氧化钙 反应，生成氢氧化镁松软无胶凝能力、氯化钙和硫酸钙 易溶于水，均能使水泥石强度降低或破坏。同时，尚未 溶出的硫酸钙与水泥石中的水化铝酸钙作用，形成膨胀 破坏。
5.1.5.3 酸类腐蚀 工业废水、地下水中常含无机酸和有机酸；它们与 水泥石中的氢氧化钙作用后生成的化合物，或者易溶于 水，或者体积膨胀而导致水泥石破坏，对水泥石腐蚀作 用最快的是无机酸中的盐酸、氢氟酸、硫酸和有机酸中 的醋酸、蚁酸和乳酸。 5.1.5.4 强碱腐蚀 碱类溶液如浓度不大时一般是无害的，但铝酸盐含 量较高的硅酸盐水泥遇到强碱作用后也会破坏。如氢氧 化钠可与水泥石中未水化的铝酸钙作用，生成易溶的铝 酸钠。
图5.2 硬化水泥石结构
5.1.4 硅酸盐水泥的技术性质
5. 1. 4. 1 密度、堆积密度、细度