任务2.2　掺混合材料的硅酸盐水泥

2.2.1　混合材料

为了改善水泥的某些性能，调节水泥强度等级，节约水泥熟料，提高水泥产量，降低成本，扩大水泥适用范围，而在硅酸盐水泥中掺入一定量的混合材料。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、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥。

混合材料是指在水泥生产过程中，掺入磨细的天然或人工矿物质材料。混合材料根据其矿物材料的性质，可分为活性混合材料和非活性混合材料。

2.2.1.1　活性混合材料

在常温条件下，能与水泥中水化产物氢氧化钙或石膏发生反应的混合材料，称为活性混合材料。活性混合材料本身没有水硬性或水硬性很弱，但在石灰或石膏作用下具有较强的水硬性。

1.粒化高炉矿渣

高炉炼铁时的熔渣经急冷处理而成的质地疏松、多孔的细小颗粒，称为粒化高炉矿渣。矿渣的主要化学成分是CaO、SiO2、Al2O3，其含量在90%以上，还有少量的MgO、FeO和一些硫化物，其中以CaO、Al2O3含量高而SiO2含量低者活性较大，质量较好。矿渣的活性不仅取决于化学成分，而且在很大程度上取决于内部结构。矿渣熔体在淬冷成粒时，阻止了熔体向结晶结构转变而形成玻璃体，因此具有潜在的水硬性，即粒化高炉矿渣在有少量激发剂的情况下，其浆体具有水硬性。

2.火山灰质混合材料

火山灰质混合材料是指具有火山灰性质的物质，其本身没有水硬性，但将其磨细后能与氢氧化钙反应生成有胶凝性的水化产物从而产生强度的材料。

火山灰质混合材料按化学成分与矿物结构可分为以下几类：

（1）烧黏土质材料。如烧黏土、煤渣、煤矸石、页岩渣等，主要活性成分为Al2O3。

（2）火山灰玻璃质材料。以SiO2为主要成分，含有一定量的Al2O3和少量的K2O、Na2O，是由高温熔体经不同程度的急速冷却而成，其活性决定于化学成分和冷却速度，并与玻璃体含量有关。属于此类材料的有火山灰、凝灰岩、浮石。

（3）含水硅酸质材料。此类材料的主要活性成分为无定形的含水硅酸SiO2·12H2O，如硅藻土、硅藻石、蛋白石及硅质渣等。

3.粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂从燃烧烟气中收集的灰粉，以SiO2和Al2O3为主要化学成分，含有少量的CaO，具有火山灰性，属火山灰质混合材料。粉煤灰以玻璃体含量多、颗粒细、含碳量低的质量为好。粉煤灰不经磨细，可直接掺入水泥或混凝土中。为了加速粉煤灰的开发利用，国家制定了相应的标准，故将其单列为一类活性混合材料。

2.2.1.2　非活性混合材料

在常温条件下，不能与水泥中水化产物氢氧化钙发生反应的混合材料，称为非活性混合材料。这类材料本身不具有或只具有微弱的水硬性或火山灰性，与水泥矿物成分不起化学反应，将其掺入硅酸盐水泥中，主要起调节水泥强度等级、增加水泥产量及降低水化热的作用，故又称为填充性混合材料。

常用的非活性混合材料有石英砂、砂岩、黏土、黄土等。不符合技术要求的粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料及粉煤灰，也可作非活性混合材料。

2.2.2　掺混合材料的硅酸盐水泥

2.2.2.1　普通硅酸盐水泥

普通硅酸盐水泥，简称普通水泥，代号为P·O。《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）规定，普通硅酸盐水泥中活性混合材料掺加量为大于5%且不大于20%，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量8%的非活性混合材料来代替。

1.普通水泥的技术要求

细度：比表面积不小于300m2/kg。

凝结时间：普通水泥初凝不小于45min，终凝不大于600min。

体积安定性：普通水泥的体积安定性、氧化镁含量、三氧化硫含量等技术要求与硅酸盐水泥相同。

烧失量：烧失量不得超过5.0%。

强度等级：普通水泥分42.5、42.5R、52.5、52.5R这4个强度等级，各龄期的强度要求见表2.8。

2.普通水泥的性质

普通水泥掺入的混合材料较少，故其性质与同强度等级的硅酸盐水泥接近。但由于掺入了少量混合材料，与同强度等级硅酸盐水泥相比，其性能有少许规律性的变化，如普通水泥早期硬化速度稍慢，3天强度稍低，抗冻与耐磨性也稍差。

3.普通水泥的应用

普通水泥的应用范围与硅酸盐水泥的应用范围基本相同。普通水泥是我国水泥的主要品种之一，产量占水泥总产量的40%以上。

2.2.2.2　矿渣硅酸盐水泥

矿渣硅酸盐水泥简称矿渣水泥，代号为P·S。按粒化高炉矿渣的掺量分为A、B两种，其组分应符合表2.5的规定。

1.矿渣水泥的技术标准

矿渣水泥的凝结时间、体积安定性的要求与普通水泥相同。P·S·A矿渣水泥的氧化镁含量应小于6.0%。矿渣水泥加入的石膏，既可调节水泥的凝结时间，又是矿渣的激发剂，因此，石膏的掺量可比其他通用硅酸盐水泥中稍多一些，但若掺量太多，也会降低水泥的质量。矿渣水泥中SO3的含量不得超过4.0%。

矿渣水泥的细度以筛余表示，其在80μm方孔筛上的筛余不大于10%或在45μm方孔筛上的筛余不大于30%。

矿渣水泥按强度分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R这6个强度等级，各龄期的强度要求列于表2.9中。

2.矿渣水泥的特性

矿渣水泥与硅酸盐水泥相比具有以下特性：

（1）抗溶出性腐蚀及抗硫酸盐腐蚀能力强。矿渣水泥中因掺入了较多的矿渣，熟料相对较少，C3S和C3A含量也相对地减少，而且水化过程中析出的Ca（OH）2与矿渣作用，生成稳定的水化硅酸钙与水化铝酸钙，使水泥石中的Ca（OH）2降低，提高了抗溶出性腐蚀的能力。另外，矿渣水泥中，容易受到硫酸盐腐蚀的铝酸三钙含量大大降低，故有较强的抗硫酸盐腐蚀的能力。因此，矿渣水泥适用于水下、地下工程及海港工程。

（2）水化热低。由于矿渣水泥熟料减少，水化时发热量较高的C3S和C3A含量也相对减少。因此，矿渣水泥的水化热低，可用于大体积混凝土工程。

（3）早期强度较低，后期强度增长率大。由于矿渣水泥中凝结硬化快的C3S和C3A含量少，且矿渣中的活性SiO2与Al2O3和Ca（OH）2反应，在常温下是比较缓慢的，故早期硬化慢、强度低，但在硬化后期（28天以后），由于混合材料中大量活性氧化物与熟料水化时析出的Ca（OH）2产生二次反应，使水化硅酸钙凝胶数量增多，使水泥石强度不断增长，最后甚至超过同强度等级的硅酸盐水泥的强度。

（4）环境温度对凝结硬化的影响大。矿渣水泥在低温下凝结硬化慢，一般冬季施工不宜采用矿渣水泥，如采用此种水泥，必须加强养护，采取保温措施。矿渣水泥在湿热条件下，矿渣中的活性SiO2与Al2O3和Ca（OH）2反应加快，其强度增长超过硅酸盐水泥，故适用于蒸汽养护的混凝土构件。

（5）保水性差，易泌水。水泥浆能将一定量拌和水保留起来的性能，称为保水性。当水量超过保水能力时，一部分水从水泥浆中析出，这种析出水分的性质称为泌水性。矿渣不易磨细，且亲水性差，故矿渣水泥保水性差，易泌水。这样在混凝土中容易造成渗水通道及水囊，水分蒸发后形成孔隙，降低混凝土密实性、均匀性。所以，矿渣水泥不宜用于有抗渗要求的混凝土工程。

（6）干缩较大。水泥浆在干燥空气中硬化时，由于水分蒸发，体积有微小的收缩，称为干燥收缩，简称干缩。矿渣水泥由于保水性差，故干缩大，使用时注意加强早期潮湿养护。

（7）抗冻、耐磨性差。因矿渣水泥保水性差、干缩较大等原因，矿渣水泥抗冻性及耐磨性均较硅酸盐水泥差。因此，不宜用于承受冻融交替作用的部位，特别是严寒地区水位经常变化部位及高速挟砂水流冲刷部位。

（8）易碳化。矿渣水泥石中Ca（OH）2浓度较低，因而碳化速度快。碳化后的混凝土碱度降低，易使钢筋生锈，影响混凝土结构的耐久性。因此，矿渣水泥适合水下混凝土工程。

（9）耐热性强。由于矿渣水泥硬化后，Ca（OH）2含量低，矿渣本身玻璃质结构耐火，因此矿渣水泥具有较高的耐热性，可配制耐热混凝土，适用于制作冶炼车间、锅炉房等工程（温度不高于200℃）。

另外，矿渣水泥与钢筋的黏结力强也是其性能之一。矿渣水泥也是我国水泥的主要品种之一，产量占水泥总产量的40%以上。

2.2.2.3　火山灰质硅酸盐水泥

火山灰质硅酸盐水泥，简称火山灰水泥，代号为P·P，其组分应符合表2.5的规定。该种水泥产量不大。

火山灰水泥对细度、凝结时间、体积安定性和强度等级的划分及各强度等级水泥的强度要求与矿渣水泥相同。火山灰水泥的氧化镁含量应小于6.0%，SO3的含量不得超过3.5%。

火山灰水泥的抗软水侵蚀能力、水化热、强度及其增长速度、环境温度对凝结硬化的影响、碳化性能等与矿渣水泥基本相同。

火山灰水泥的抗冻性和耐磨性比矿渣水泥更差，干缩比矿渣水泥更大，不宜用于路面或长期处于干燥环境中的混凝土工程。

火山灰水泥泌水少，且水化产物有体积膨胀现象，故抗渗性能好。

2.2.2.4　粉煤灰硅酸盐水泥

粉煤灰硅酸盐水泥，简称粉煤灰水泥，代号为P·F，其组分应符合表2.5的规定。该种水泥产量不大。

粉煤灰水泥对细度、凝结时间、体积安定性、强度等级划分及各龄期强度要求与矿渣水泥相同。粉煤灰水泥的氧化镁含量应小于6.0%，SO3的含量不得超过3.5%。

粉煤灰水泥的性质与火山灰水泥十分相似，但也有其特性：

（1）粉煤灰水泥中的粉煤灰，多为圆球形的玻璃体，较致密，吸附水的能力小，在混凝土中能起润滑作用，故拌制的混凝土和易性好。

（2）粉煤灰水泥的比表面积较小，因而该水泥干缩性小，抗裂性较好。

（3）由于粉煤灰水泥具有水化热低、抗侵蚀性好、干缩小、抗裂性好等特点，所以特别适用于大体积混凝土工程。

2.2.2.5　复合硅酸盐水泥

复合硅酸盐水泥简称复合水泥，代号为P·C，其组分应符合表2.5的规定。

复合水泥的细度、凝结时间、体积安定性、强度等级划分及各龄期强度要求与矿渣水泥相同。复合水泥的MgO含量应小于6.0%，SO3的含量不得超过3.5%。

复合水泥的性能取决于所掺混合材料的品种、数量及相对比例。复合水泥的性能与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥相似，但由于复合水泥采用了复合混合材料，所以综合性能比矿渣水泥等好一些。复合水泥耐腐蚀性强，水化热小，抗渗性好，早期强度大于同强度等级的矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥，因此复合水泥的用途较其他掺混合材料的硅酸盐水泥更为广泛。近年来，复合水泥的产量在逐渐增加。

2.2.3　六种通用硅酸盐水泥的特性及应用

六种通用硅酸盐水泥的主要特性及适用范围见表2.10。

【案例2.1】　请分别为下列混凝土构件和工程选用合适的水泥品种（从六大通用硅酸盐水泥中选），并说明理由。

（1）一般房屋现浇混凝土梁、板、柱。

（2）采用蒸汽养护的混凝土预制构件。

（3）紧急抢修工程。

（4）大体积混凝土坝和大型基础工程。

（5）高温车间的混凝土工程。

（6）海港码头工程。

答：

（1）选普通水泥、硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。理由：一般房屋现浇混凝土梁、板、柱工程是一般混凝土工程，六大通用硅酸盐水泥均可选用，选用的水泥满足结构强度等要求即可。产量大的普通水泥、矿渣水泥、复合水泥尤其可优先选用。

（2）选矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。理由：蒸汽养护能加快强度增长速度并完善强度发展程度。

（3）选硅酸盐水泥。理由：凝结硬化快，强度发展快，早期强度高。

（4）选矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。理由：水化热较小，用于大体积和大型基础工程，可有效地预防混凝土温度裂缝。

（5）选矿渣水泥。理由：耐高温性较好。

（6）选矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。理由：耐腐蚀性好。