任务2.1　水泥基本知识及技术指标

国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定了通用硅酸盐水泥的定义、分类、组分与材料、强度等级、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志、运输和储存等。

硅酸盐水泥分为两种类型，不掺加混合材料的称为Ⅰ型硅酸盐水泥，代号为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。硅酸盐水泥是硅酸盐类水泥的一个基本品种，其他品种的硅酸盐类水泥都是在此基础上加入一定量的混合材料，或适当改变其矿物成分制成的。

2.1.1　硅酸盐水泥的生产工艺

生产硅酸盐水泥的原料主要是石灰质原料和黏土质原料两类。石灰质原料（如石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等）提供氧化钙（CaO），黏土质原料（如黏土、黄土等）提供SiO2、Al2O3及少量Fe2O3，此外，还常常加入少量矿化剂（如萤石等），以便改善煅烧条件。

生产硅酸盐水泥时，先把几种原料按适当的比例混合后，在球磨机中磨成生料，然后将制得的生料在回转窑或立窑内经高温煅烧，再把烧好的熟料和适当的石膏及混合材料混合，在球磨机中磨细，就得到水泥。水泥生产过程可概括为“两磨一烧”，其工艺流程见图2.1。

水泥生产的方法有多种，按生料制备方法的不同可以分为湿法生产和干法生产两种。湿法是将原料配好后加水湿磨，或含水35%～40%的生料浆经成分校正，搅拌均匀后入窑煅烧，其优点是生料成分均匀、控制准确、产品质量高，缺点是能耗大。干法是将原料烘干，配料后磨细成生料粉入窑煅烧，干法产量高、节约能源，是目前水泥厂常用的办法。

我国大中型水泥厂基本上都采用回转窑生产的方法，20世纪70年代起又发展了一种窑外分解烧成的先进技术，采用这种技术的显著特点是产量高、能耗低（每千克熟料能耗约比其他方法低一半）。

2.1.2　硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性

2.1.2.1　硅酸盐水泥熟料的矿物组成

硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成及其含量范围见表2.2。

硅酸盐水泥熟料的成分中，除表2.2列出的主要化合物外，还有少量游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）、三氧化硫（SO3）和碱（K2O、Na2O）等，其总含量一般不会超过水泥质量的10%，它们对水泥的性能都会产生不利影响。

2.1.2.2　硅酸盐水泥熟料的矿物特性

硅酸盐水泥的性能是由其组成矿物的性能决定的。因此，要了解水泥的性质就必须了解每种矿物的特性。从应用角度考虑，对水泥性能的要求有水化硬化速度、强度、水化热等。硅酸盐水泥熟料矿物单独与水作用时表现出的特性见表2.3。

水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分的比例，水泥的性质也发生变化，如提高硅酸三钙的含量，可制成高强水泥，用于高强混凝土工程；提高硅酸三钙和铝酸三钙的含量，可制成快硬高强水泥，用于抢修工程；降低铝酸三钙、硅酸三钙含量，可制成水化热低的大坝水泥等。

2.1.3　硅酸盐水泥的凝结与硬化及其影响因素

2.1.3.1　硅酸盐水泥的凝结与硬化

从水泥加入适量的水调成水泥浆后，经过一定的时间，由于其本身发生了物理化学变化而逐渐变稠失去塑性，到开始具有强度的过程称为水泥的凝结。随后，变稠变硬的水泥浆产生明显的强度，并逐渐发展成坚硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的硬化。水泥的凝结和硬化是一个连续复杂的物理化学变化过程，不能截然分开。

硅酸盐水泥加水后，其熟料的表面矿物很快与水发生水化反应，形成水化物并放出一定的热量，这种反应称为水化。为了调节水泥的凝结时间，常常往水泥中掺少量石膏，部分水化铝酸钙将与石膏反应生成水化硫铝酸钙晶体。

这些水化产物决定了水泥石的一系列特性。水泥的水化反应是在颗粒表面进行的。水化产物很快溶于水中，接着水泥颗粒又暴露出一层新的表面，又继续与水反应，如此不断反应，就使水泥颗粒周围的溶液很快成为水化产物的饱和溶液。

在溶液已达饱和后，水泥继续水化生成的产物就不能再溶解，就有许多细小分散状态的颗粒析出，形成凝胶体。随着水化作用继续进行，新生胶粒不断增加，游离水分逐渐减少，使凝胶体逐渐变浓，水泥浆逐渐失去塑性，即出现凝结现象。

此后，凝胶体中的氢氧化钙和含水铝酸钙将逐渐转变为结晶并贯穿于凝胶体中，紧密结合起来，形成具有一定强度的水泥石。随着硬化时间（龄期）的延续，水泥颗粒内部未水化部分将继续水化，使晶体逐渐增多，凝胶体逐渐密实，水泥石就具有越来越高的胶结力和强度。

水泥的水化反应是从颗粒表面逐渐深入到内层的。开始进行较快，随后由于水泥颗粒表层生成了凝胶膜，水分渗入越来越困难，所以水化作用就越来越慢。实践证实，完成水泥的水化作用的全过程，需几年甚至几十年的时间。一般来说，在开始的3～7天内，水泥的水化速度快，所以强度增长也快，大约在28天内可完成这个过程的绝大部分，以后水化作用显著减缓，强度增长也极为缓慢。

根据水化反应速度的不同和主要物理化学变化的不同，可将水泥的凝结硬化大致分为4个阶段——初始反应期、潜伏期、凝结期和硬化期，各期的物理化学变化特性见表2.4。

在水泥浆整体内，以上物理化学变化不能按时间截然分开，但在不同的凝结硬化阶段，不同的变化起着主导作用。

2.1.3.2　影响水泥凝结硬化的主要因素

水泥的凝结硬化过程，也是水泥强度发展的过程，为了正确使用水泥，并在使用中采取有效措施改善水泥的性能，必须了解水泥凝结硬化的因素，影响水泥凝结硬化的因素主要有以下8个方面。

（1）细度。在矿物组成相同的条件下，水泥磨得细，水泥颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水的接触面大，水化速度快，水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。

（2）矿物组成。不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成比例是影响水泥凝结硬化最重要的因素。

（3）环境温度和湿度。湿度是水泥硬化的必要条件，所以，用水泥拌制的砂浆和混凝土，浇筑后应注意保持潮湿状态，以便获得和发展其强度。此外，保证一定的环境温度也是水泥硬化的必要条件，一般来说，温度较高时，水泥的水化反应和物理变化速度加快，水泥的强度增长快；温度较低时，硬化相应减慢，当温度降到0℃以下时，硬化即行停止，甚至有遭冻裂的可能。因此，使用水泥时，要保持适当的温度和湿度，以保证水泥在有足够温度和湿度的环境中进行硬化，增长强度。

（4）龄期。水泥的强度随硬化龄期的增加而提高，而且早期增长快，后期逐渐减缓。如硅酸盐水泥，在加水后的3～7天内强度发展很快，28天以后强度发展显著减慢，因此水泥的强度以几个龄期的数值为准。但是，只要维持适当的温度和湿度，水泥的强度在几个月、几年甚至几十年后，还会继续有所增长。

（5）水泥浆的水灰比。水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。水泥完全水化需水量为25%左右，加水量增大时（水灰比增大），水泥浆越稀，此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间被水隔开的距离较远，同时氢氧化钙的饱和溶液形成较慢，水化硅酸钙等凝胶体凝聚延缓，氢氧化钙及水化铝酸钙的结晶也将推迟，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢。

（6）石膏掺量。石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时，石膏能很快与水化铝酸钙作用，生成水化硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石很难溶解于水，它吸附在水泥颗粒表面形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。石膏掺量少，起不到缓凝的作用，掺量过多，其自身凝结快，适得其反。

（7）外加剂。外加剂能影响C3S和C3A的水化、凝结与硬化，从而影响到水泥的水化、凝结与硬化性能。如掺加缓凝剂就会延缓水泥的水化、硬化，影响水泥早期强度的发展；如掺加早强剂就能促进水泥的水化、硬化，提高早期强度；如掺加速凝剂，能使水泥中的石膏失去缓凝作用，使水泥在较短的时间内迅速凝结硬化，早期强度显著提高。

（8）储存条件。水泥在储存期间，在空气中的水分和CO2的作用下，会使水泥发生缓慢的水化和碳化，强度因而降低。储存3个月，强度降低10%～20%；储存6个月，强度降低15%～30%，存放一年后降低25%～40%。因此，水泥的有效储存期一般为3个月。如果储存过程使水泥受潮，水泥颗粒表面发生水化而结块，会严重降低强度。

2.1.4　通用硅酸盐水泥的品种

凡以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及规定的混合材料掺入后经磨细而成的水硬性胶凝材料都统称为通用硅酸盐水泥。国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定，按掺入混合材料的品种及掺入量的不同，水泥可分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥，各种水泥的组成成分、代号见表2.5。

2.1.5　硅酸盐水泥主要技术性质

2.1.5.1　密度与堆积密度

硅酸盐水泥的密度主要取决于熟料的矿物组成，一般为3.10～3.20g/cm3。硅酸盐水泥的堆积密度除与矿物组成和细度有关外，主要取决于水泥堆积时的紧密程度，疏松堆积时的堆积密度为900～1300kg/m3，紧密状态下可达1400～1700kg/m3。在进行混凝土配合比设计时，通常取硅酸盐水泥的密度为3.10g/cm3，堆积密度为1300kg/m3。

2.1.5.2　细度

细度是指水泥颗粒的粗细程度。同样成分的水泥，颗粒越细，与水接触的表面积越大，水化反应越快，早期强度越高；但颗粒过细，硬化时收缩较大，易产生裂缝，容易吸收水分和二氧化碳而失去活性。另外，颗粒细则粉磨过程中的能耗大，水泥成本提高，因此细度应适宜。《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定：硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积（单位质量水泥颗粒的总表面积）表示，其比表面积不小于300m2/kg，一般为317～350m2/kg；矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的细度以筛余表示，过80μm的方孔筛筛余不大于10%或过45μm方孔筛筛余不大于30%。凡细度不符合规定者则为不合格的产品。

2.1.5.3　标准稠度用水量

因水泥的凝结硬化等性能受水泥浆稀稠（水灰比）影响，在检验水泥的凝结时间和体积安定性等技术指标时，必须在规定的稠度下进行，所测得的技术指标才有可比性，这个规定的稠度称为标准稠度。水泥净浆达到标准稠度时，拌和水的质量占水泥质量的百分数，称为标准稠度用水量。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在24%～28%之间。

水泥中熟料的成分、水泥的细度、混合物种类及掺加量等因素影响水泥的标准稠度用水量，熟料成分中铝酸三钙需水量最大，硅酸二钙需水量最少；水泥越细，则包裹水泥表面需要的水越多，因而标准稠度用水量越大；使用的混合材料中粉煤灰、烧结黏土、沸石等需水量大，若这些物质掺量多，则标准稠度用水量大。

2.1.5.4　凝结时间

水泥的凝结时间分初凝时间和终凝时间。初凝时间是指标准稠度的水泥浆自加水时起至水泥浆开始失去塑性所经历的时间；终凝时间是指自加水时起至水泥浆完全失去塑性所经历的时间。

水泥的凝结时间对施工有着重要的意义。为保证水泥混凝土、水泥砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇模或砌筑，水泥的初凝时间不应过早。施工结束，则希望尽快硬化并具有一定的强度，既便于养护，也不至于拖长工期，所以水泥的终凝时间又不宜太迟。

《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定，硅酸盐水泥的初凝时间不小于45min，终凝时间不大于390min。普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min。凡初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者为不合格品。

2.1.5.5　体积安定性

体积安定性是指水泥在硬化过程中体积变化是否均匀的性质。安定性不良的水泥，在硬化时体积膨胀而使水泥石裂缝，降低构筑物的质量，甚至引起严重的质量事故。

引起体积安定性不良的原因，主要是水泥中所含游离氧化钙（f-CaO）、游离氧化镁（f-MgO）或SO3过多造成的。水泥中的f-CaO和f-MgO都是过烧的，水化速度很慢，当水泥已凝结硬化后才开始水化，产生体积膨胀，破坏已硬化的水泥石结构，出现龟裂、弯曲或崩溃等不安定现象。石膏（CaSO4·2H2O）是SO3的主要来源，当石膏掺入量过多时，在水泥硬化后，石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H20），使体积增大约1.5倍，造成水泥石开裂。

用沸煮法检验f-CaO是否引起安定性不合格，按照《标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346—2001）的规定，其检验方法是将标准稠度的水泥浆装入雷氏夹中沸煮后测其膨胀值，另一种方法是将标准稠度的水泥浆做成试饼沸煮后检验是否有裂纹、弯曲。《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定，水泥中MgO的含量不得超过5.0%，SO3的含量不得超过3.5%。国家标准规定，水泥安定性必须合格，安定性不合格的水泥必须作废品处理，禁止在工程中使用。

2.1.5.6　强度

水泥强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分。硅酸盐水泥的强度与熟料矿物的成分和细度有关。水泥中四种主要熟料矿物的强度各不相同，因此它们的相对含量改变时，水泥的强度及其增长速度也随之改变，见图2.2、图2.3。

另外，水泥中混合材料的质量和数量、石膏掺量等都对水泥的强度有影响。从水泥凝结硬化过程的物理化学变化可以看出，水泥颗粒越细，水化速度越快，水化进行得越彻底，强度增长越快，最终强度越高。

为了提高水泥的早期强度，我国现行标准将水泥分为普通型和早强型（R型）两种型号。早强型水泥3天的抗压强度可以达到28天抗压强度的50%；同强度等级的早强型水泥3天的抗压强度较普通型的可以提高10%～24%。这样规定对于冬期混凝土工程施工和抢修的混凝土工程选用水泥很有实际意义。

硅酸盐水泥强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级。

普通硅酸盐水泥强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个等级。

矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个等级。

不同品种、不同强度等级的通用硅酸盐水泥，其不同龄期的强度应符合表2.6的规定。

2.1.5.7　水化热

水泥在凝结硬化过程中放出的热量，称为水泥的水化热。水化放热量和放热速度不仅决定于水泥的矿物成分，还与水泥细度、水泥中掺混合材料及外加剂的品种、数量等有关。水泥矿物进行水化时，铝酸三钙放热量最多，速度也快；硅酸三钙放热量稍低；硅酸二钙放热量最低，速度也较慢。水泥细度越细，水化反应越容易进行，水化放热量越多，放热速度也越快。水泥的水化热大部分在水化初期（7天内）放出，以后逐渐减少。

水化热对一般混凝土工程的冬季施工有利，但对大体积混凝土工程有害。由于大体积混凝土水化热积聚在内部不易放出，使混凝土内外产生较大温差（可达50～60℃），并由此产生较大的温度应力，使混凝土开裂。因此，对厚大基础、水坝、桥墩等大体积混凝土工程，应采用低热水泥。

2.1.5.8　化学成分指标

通用硅酸盐水泥的相关化学成分指标应符合表2.7的规定。

通用硅酸盐水泥的含碱量按Na2O＋0.658K2O计算值表示，若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%，或由供需双方协商确定。

《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定，凡凝结时间、体积安定性、强度（表2.6）和化学成分指标（表2.7）有任何一项技术要求不符合规定时，均为不合格品。

2.1.5.9　不溶物

不溶物是指水泥经过酸（盐酸）和碱（氢氧化钠溶液）处理后，不能被溶解的残余物，是水泥中非活性组分的反映，主要由生料、混合材料和石膏中的杂质产生。

《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）中规定，Ⅰ型硅酸盐水泥不溶物不得超过0.75%，Ⅱ型硅酸盐水泥不溶物不得超过1.50%。

2.1.5.10　烧失量

烧失量是指水泥经高温灼烧处理后的质量损失率，主要由水泥中未煅烧组分产生，如未烧透的生料、石膏带入的杂质等。

《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）中规定，Ⅰ型硅酸盐水泥烧失量不得超过3.0%，Ⅱ型硅酸盐水泥烧失量不得超过3.5%。

2.1.5.11　碱的含量（选择性指标）

碱含量是指水泥中氧化钠和氧化钾的含量。

水泥中的碱和骨料中的活性二氧化硅反应，生成膨胀性的碱硅酸盐凝胶，导致混凝土开裂的现象，称为碱-骨料反应。因此，当使用活性骨料时，要选用低碱水泥。《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）中规定，水泥中碱含量（按Na2O%＋0.658K2O%）不得大于0.60%或由供需双方商定。

2.1.6　硅酸盐水泥的腐蚀及防治方法

硅酸盐水泥硬化后，在通常使用条件下耐久性较好，但是在某些腐蚀性介质中，水泥结构会逐渐受到破坏，强度会降低，甚至引起整个结构破坏，这种现象称为水泥的腐蚀。

2.1.6.1　水泥腐蚀的分类及原因

引起水泥腐蚀的原因很多，现象也很复杂，几种常见的腐蚀现象如下所述。

1.溶解腐蚀

水泥石中的Ca（OH）2能溶解于水。若处于流动淡水（如雨水、雪水、河水、湖水）中，Ca（OH）2不断溶解流失，同时，由于石灰浓度降低，会引起其他水化物的分解溶蚀，孔隙增大，水泥石结构遭到进一步的破坏，这种现象称为溶析。

2.化学腐蚀

水泥石在腐蚀性液体或气体的作用下，会生成新的化合物。这些化合物强度较低，或易溶于水，或无胶凝能力，因此使水泥石强度降低，或使水泥石结构遭到破坏。

根据腐蚀介质的不同，化学腐蚀又可分为盐类腐蚀、酸类腐蚀和强碱腐蚀。

（1）盐类腐蚀。盐类腐蚀主要有硫酸盐腐蚀和镁盐腐蚀两种。

硫酸盐腐蚀是海水、湖水、盐沼水、地下水及某些工业污水中含有的钠、钾、铵等的硫酸盐，与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙，硫酸钙又与水泥石中的固态水化铝酸钙反应生成含水硫铝酸钙。含水硫铝酸钙中含有大量结晶水，比原有体积增加1.5倍以上，对已经固化的水泥石有极大的破坏作用。含水硫铝酸钙呈针状晶体，俗称为“水泥杆菌”。当水中硫酸盐的浓度较高时，硫酸钙将在孔隙中直接结晶成二水石膏，使水泥石体积膨胀，从而导致水泥石破坏。

镁盐腐蚀主要是海水或地下水中的硫酸镁和氯化镁与水泥石中的氢氧化钙反应，生成松软而无胶凝能力的氢氧化镁、易溶于水的氯化钙及由于体积膨胀导致水泥石破坏的二水石膏。

（2）酸类腐蚀。酸类腐蚀一般有碳酸腐蚀和其他酸腐蚀。

在工业污水、地下水中常溶有较多的二氧化碳，二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙反应生成碳酸钙，碳酸钙继续与溶在水中的二氧化碳反应，生成易溶于水的重碳酸钙，因而使水泥石中的氢氧化钙溶失，导致水泥石破坏。氢氧化钙浓度降低会导致水泥中其他水化产物的分解，使腐蚀作用进一步加剧，以上腐蚀称为碳酸腐蚀。

其他酸腐蚀是指工业废水、地下水、沼泽水中含有的无机酸或有机酸，与水泥石中的氢氧化钙反应，生成易溶于水或体积膨胀的化合物，因而导致水泥石的破坏。

（3）强碱腐蚀。浓度不大的碱类溶液对水泥石一般是无害的，但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱（如氢氧化钠）作用时，会生成易溶的铝酸钠。如果水泥石被氢氧化钠溶液浸透后又在空气中干燥，则氢氧化钠与空气的二氧化碳会作用生成碳酸钠。碳酸钠在水泥石的毛细孔中结晶沉积，可导致水泥石的胀裂破坏。

2.1.6.2　硅酸盐水泥腐蚀的防治措施

水泥石的腐蚀过程是一个复杂的物理化学过程，它在遭受腐蚀作用时往往是几种腐蚀同时存在，互相影响。发生水泥腐蚀的基本原因，一是水泥石中存在引起腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙；二是水泥石本身不密实，有很多毛细孔通道，侵蚀性介质容易进入其内部。因此，可采取相应的防止腐蚀措施，主要有以下三种。

（1）根据腐蚀环境的特点，合理地选用水泥品种。例如采用水化产物中氢氧化钙含量较少的水泥，可提高抵抗淡水等侵蚀作用的能力；采用铝酸三钙含量低于5%的抗硫酸盐水泥，可提高抵抗硫酸盐腐蚀的能力。

（2）提高水泥石的密实度。由于水泥石水化时实际用水量是理论需水量的2～3倍。多余的水蒸发后形成毛细管通道，腐蚀介质容易渗入水泥石内部，造成水泥石的腐蚀。在实际工程中，可采取合理设计混凝土配合比、降低水灰比、正确选择集料、掺外加剂、改善施工方法等措施，提高砂浆或混凝土的密实度。另外，也可在混凝土或砂浆表面进行碳化处理，使表面生成难溶的碳酸钙外壳，以提高表面密实度。

（3）加做保护层。当水泥制品所处环境的腐蚀性较强时，可用耐酸石、耐酸陶瓷、塑料、沥青等，在混凝土或砂浆表面做一层耐腐蚀性强而且不透水的保护层。