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第第5章章 水泥水泥 5.6 掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥 掺混合材料的硅酸盐水泥是由硅酸盐熟料，掺入适量的混合材料和石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料。掺混合材料的硅酸盐水泥种类较多，主要有普通硅酸盐水泥、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、石灰石硅酸盐水泥等。在水泥生产过程中，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。加入混合材料，可以在水泥生产过程中节约能源，综合利用工业废料，降低成本，同时能够改善水泥的某些性能。混合材料按其性能可分为活性混合材料和非活性混合材料两大类。常用的非活性混合材料有磨细石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣及其他与水泥矿物成分不起反应的工业废渣等。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。常温下，加水拌和后不能与水泥、石灰或石膏发生化学反应的混合材料称为非活性混合材料，也称为填充性混合材料。非活性混合材料加入水泥中能够提高水泥产量、降低强度等级、降低水泥生产成本、减少水化热、改善耐腐蚀性和和易性等。常温下，加水拌和后能与水泥、石灰或石膏发生化学反应，生成具有一定水硬性的胶凝产物的混合材料称为活性混合材料。因此，常用石灰、石膏等作为激发剂来促使活性混合材料的潜在反应能力。掺入活性混合材料可产生与非活性混合材料类似的作用，但活性混合材料的掺量较大，其改善水泥性质的作用更显著，当其活性激发后可使水泥后期强度大幅提高。粉煤灰是从燃煤火力发电厂的烟道气体中收集的粉尘，又称为飞灰。主要成分为 SiO2:和 A12O3，一般为呈玻璃态的实心或空心的球状颗粒，表面结构致密。粉煤灰的颗粒大小与形状对其活性有很大的影响，颗粒越细，密实球体形玻璃体含量越高，活性越高，标准稠度需水量越低。粒化高炉矿渣主要化学成分为 CaO、SiO2和 A12O3，另外还有少量的 MgO、FeO、MnO 等。矿渣中的 CaO 在高温冷却过程中能与 SiO2和 A12O3结合成具有水硬性的硅酸二钙和铝酸钙，对矿渣活性有利。但含量太高，熔体粘度低，则不利于玻璃体的形成，矿渣活性反而降低。SiO2属于活性成分，但含量较高时在冷却过程中形成低碱性的硅酸钙，使得矿渣活性降低。A12O3在矿渣中一般形成铝酸钙或铝硅酸钙，对矿渣活性有利。火山灰质的混合材料是泛指以活性 SiO2和活性 A12O3为主要成分的活性混合材料。结构上的特点是疏松多孔，内比表面积大，易吸水，但由于品种多，其活性也有较大的差别。活性混合材料，它们与水拌合后，不发生水化及凝结硬化，但在氢氧化钙饱和溶液中，常温下会发生显著的水化反应。生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙是具有水硬性的水化物。式中 x、y 值取决于混合材料的种类，石灰和活性 SiO2及活性 Al2O3之间的比例，环境温度以及作用的时间等。对于掺常用混合材料的硅酸盐水泥，x、y 值一般为 1 或稍大于 1，即生成的水化物与硅酸盐水泥水化物相比，的碱度降低，为低碱性的水化物。活性 SiO2和 Ca(OH)2相互作用形成无定形水化硅酸钙，再经过较长一段时间后，逐渐地转变为凝胶或微晶体。活性 Al2O3与Ca(OH)2作用形成水化铝酸钙。当液相中有石膏存在时，水化铝酸钙与石膏反应生成水化硫铝酸钙。可以看出，氢氧化钙和石膏的存在使活性混合材料的潜在活性得以发挥。它们起着激发水化、促进凝结硬化的作用，故称为活性混合材料的激发剂。常用的激发剂有碱性激发剂（如石灰）和硫酸盐激发剂（如石膏）两类。掺活性混合材料的水泥与水拌合后，首先是水泥熟料水化，然后是水泥熟料的水化物 Ca(OH)2与活性混合材料中的 SiO2及 Al2O3进行水化反应，一般称为二次水化反应。因此，掺入较多的混合材料会使水泥的水化速度减慢，所以其早期强度较低；由于熟料用量较少，其水化热也较低；另一方面，又降低了水泥石中的 Ca(OH)2含量，对水泥的其他性能亦有较大影响。掺用的混合材料的种类不同，其水化反应也有差异。xCa(OH)2+SiO2+mH2O xCaOSiO2 nH2O yCa(OH)2+Al2O3+aH2O yCaOAl2O3 bH2O 不同品种的通用硅酸盐水泥性能也有较大差别，几种通用硅酸盐水泥的性能特点及其适用范围在这张表中做了详细的总结。硅酸盐水泥凝结正常，硬化快，早期强度与后期强度均高。适用于重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程。耐冻性、耐磨性好。适用于冬季施工以及严寒地区遭受反复冻融的工程。水化过程放热量大。不宜用于大体积混凝土工程。由于硅酸盐水泥水化产物中 Ca(OH)2的含量较多，耐软水腐蚀和耐化学腐蚀性较差，不适用于受流动的或有水压的软水作用的工程，也不适用于受海水及其他腐蚀介质作用的工程。硅酸盐水泥石受热达 200300时，水化物开始脱水，强度开始下降。当温度达到 500600时，氢氧化钙分解，强度明显下降；当温度达到 7001000时，强度降低更多，甚至完全破坏。因此，硅酸盐水泥不适用于耐热要求较高的工程。由于硅酸盐水泥石中的 Ca(OH)2含量多，抗碳化性好，因此，用硅酸盐水泥配制的混凝土对钢筋避免生锈的保护作用强。硅酸盐水泥的干燥收缩小，不易产生干缩裂纹，适用于干燥的环境中。普通水泥是在硅酸盐水泥熟料的基础上掺入 15以内的混合材料，虽然掺入的数量不多，但扩大了强度等级范围，对硅酸盐水泥的性能有一定的改善，更利于工程的选用。与硅酸盐水泥相比，早期硬化稍慢，水化热略有降低，强度稍有下降；抗冻性、耐磨性、抗碳化性能略有降低；耐腐蚀性能稍好。普通水泥比硅酸盐水泥应用范围更广，目前是我国最常用的一种水泥，广泛用于各种工程建设中。矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥都是在硅酸盐水泥熟料基础上掺入较多的活性混合材料，再加上适量石膏共同磨细制成的。由于活性混合材料的掺量较多，且活性混合材料的化学成分基本相同，主要是活性氧化硅和活性氧化铝，因此它们的大多数性质和应用相同或相近，即这三种水泥在许多情况下可替代使用。但与硅酸盐水泥或普通水泥相比，有明显的不同。又由于不同混合材料结构上的不同，它们相互之间又具有各自的特性，这些性质决定了它们使用上的特点和应用。复合水泥的特性主要与混合材料的品种与掺量有关。复合水泥的性能在以矿渣为主要混合材料时，其性能与矿渣水泥接近；而当以火山灰质材料为主要混合材料时，则接近火山灰水泥的性能。因此，在复合水泥包装袋上应标明主要混合材料的名称。