普通砂浆常用原材料-水泥篇

 水泥做为普通砂浆材料的组成之一，起着至关重要的作用，赋予砂浆强度。目前P.O42.5水泥广泛用于预拌砂浆生产，少数使用P.C32.5水泥和P.S.A32.5水泥。下面介绍一下水泥的基础知识。

1. 水泥

   水泥定义：细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称为水泥。

   水泥按用途及性能分为：

(1)通用水泥: 一般土木建筑工程通常采用的水泥。通用水泥主要是指：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。
(2)专用水泥:专门用途的水泥。如：G级油井水泥，道路硅酸盐水泥。
(3)特性水泥:某种性能比较突出的水泥。如：快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥。

1.1 水泥的基本组成

水泥的性能主要决定于熟料质量，优质熟料应该具有合适的矿物组成和良好的岩相结构。熟料品质与矿物组成密切相关，但水泥厂常规的化学分析结果却是用各种元素的氧化物来表示。在水泥行业通常习惯按表4-1简写形式来表示各种氧化物和熟料矿物。

表1-1 水泥熟料化学成分与矿物成分的简写形式

硅酸盐水泥熟料主要矿物特性如下：

1）  硅酸三钙

硅酸三钙是熟料主要矿物，其含量通常为50%左右。C₃S水化较快，粒径为40～50µm的C₃S颗粒水化28d，其水化程度可达70%左右，所以C₃S强度发展比较快，早期强度高，且强度增进率较大，28d强度可达一年强度的70%～80%。就28d或一年的强度来说，在四种矿物中最高。C₃S水化凝结时间正常，水化热较高。

2）硅酸二钙

硅酸二钙在熟料中以β型存在，其含量一般为20%左右，是硅酸盐水泥熟料的主要矿物之一。β-C₂S水化较慢，28d龄期仅水化20%左右，凝结硬化缓慢，早期强度较低，但28d以后强度仍然较快增长，在一年后可以超过C₃S，β-C₂S水化热较小。

3）  铝酸三钙

熟料中C₃A含量在7%～15%之间。C₃A水化迅速，放热量大，凝结时间很快，如不加石膏缓凝剂，易使水泥速凝。C₃A硬化也很快， 3d强度就已经大部分发挥出来，故早期强度较高，但绝对值不高，以后几乎不再增长，甚至倒缩。C₃A含量高的水泥浆体干缩变形大，抗硫酸盐性能差。

4）铁铝酸四钙

实际上是熟料中铁相连续固溶体的代称，含量为10%～18%。C₄AF的水化速度在早期介

于C₃A与C₃S之间，但随后的发展不如C₃S。它的强度类似铝酸三钙，但后期还能不断增长，类似于C₂S。C₄AF的抗冲击性能和抗硫酸盐性能较好，水化热较C₃A低。

1.2 水泥的性能要求

国家标准对水泥的物理性能要求一般有如下项目：

1）  凝结时间

水泥浆体的凝结时间对工程施工具有重要意义。根据国家标准（GB/T1346）规定，凝结时间用维卡仪进行测定。在研究水泥凝结过程时，还可以通过测试电导率或水化放热速率等方法。

凝结时间分初凝和终凝。初凝为水泥加水拌和至标准稠度净浆开始失去可塑性所经历的时间；终凝则为浆体完全失去可塑性并开始产生强度所经历的时间。

水泥的凝结时间与水泥品种有关，一般来说，掺混合材的水泥凝结时间较缓慢；凝结时间随水灰比增加而延长，因此砂浆、混凝土的实际凝结时间往往比用标准稠度净浆所测得的凝结时间要长得多；此外环境温度升高，水化反应加速，凝结时间缩短，所以在炎热季节或高温条件下施工时，须注意凝结时间的变化。

    硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于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初凝不小于45min，终凝不大于600min。

2）  强度

水泥强度是评价水泥质量的重要指标。水泥强度测定必须严格遵守国家标准规定的方法。测定水泥强度一方面可以确定水泥的强度等级以评定和对比水泥的质量，另一方面可作为设计混凝土和砂浆配合比时的强度依据。

3）体积安定性

体积安定性不良是指已硬化水泥石产生不均匀的体积变化现象。它会使构件产生膨胀裂缝，降低建筑物质量。

4）细度

水泥的细度对水泥安定性、需水量、凝结时间及强度有较大的影响。水泥颗粒粒径愈细，与水起反应的表面积愈大，水化愈快，其早期强度和后期强度愈高，但粉磨能耗愈大，因此应控制水泥在合理的细度范围。

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示，不小于300m²/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以筛余表示，80μm方孔筛筛余不大于10%或45μm方孔筛筛余不大于30%。

1.3 水泥物理检验试验设备

   1)检测凝结时间试验设备

水泥净浆搅拌机、水泥凝结时间测定仪、水泥标准养护箱。

   2）水泥强度试验设备

水泥胶砂搅拌机、水泥胶砂振实台、水泥标准养护箱、电动抗折机、压力试验机。

   3）体积安定性试验设备

水泥净浆搅拌机、沸煮箱、直尺、水泥标准养护箱。

   4）细度试验设备

水泥细度负压筛。

1.4 水泥的水化

水泥与水的反应称为水化，水化形成的新固相物质统称为水化产物。在水泥水化过程中，水泥颗粒（硅酸三钙C₃S、硅酸二钙C₂S、铝酸三钙C₃A、铁铝酸四钙C₄AF）经过分解、扩散、溶解等一系列化学物理过程形成水化产物。

水泥与水混合后数分钟，在水泥颗粒表面形成水化硅酸钙（CSH）胶体和氢氧化钙（CH）晶体等成分组成的凝胶膜。这种凝胶膜由于水分渗人膜内形成渗透压而产生破裂，膜外水分因此继续渗人膜内，与水泥水化颗粒内核直接接触，产生新的凝胶。凝胶一方面使原有的凝胶膜增厚，减缓了水化速度，另一方面进入水溶液中，将水泥颗粒互相联系起来。如此反复循环，膜体增厚，膜外则形成网状凝胶结构。随着时间的推移，水化反应以越来越慢的速度进行，直至水泥浆完全硬化。

    水泥的凝结和硬化，是一个复杂的物理化学过程，其根本原因在于构成水泥熟料的矿物成分本身的特性。

    C₃S水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应速度快，形成早期强度并产生早期水化热。

2C₃S+11H→C₃S₂H₈+3CH

    C₂S水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的速度慢，对后龄期砂浆强度的发展起关键作用。其水化热释放缓慢，产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物。

2C₂S+9H→C₃S₂H₈+CH

C₃A水化生成水化铝酸钙晶体。该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量，最终转化为水石榴石（C₃AH₆）。

在有石膏存在的情况下，C₃A水化的最终产物与石膏掺入量有关。最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石。钙矾石难溶于水，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。若石膏在C₃A完全水化前耗尽，则钙矾石与C₃A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙。

C₃A + 3CSH₂ + 26H → C₃A.3C.H₃₂（钙矾石）

2C₃A + C₃A.3C.H₃₂ + 4H→ 3C₃A.C.H₁₂（单硫铝酸钙）

    C₄AF在有石膏或没有石膏时形成如C₃A一样的一组水化产物，但反应较慢且放出的热量也较少。C₄AF绝不会发生引起瞬凝的快速水化，石膏对C₄AF的缓凝作用比C₃A更强烈。铁盐相组分的变化仅仅影响水化反应的速率，如铁离子含量增高，水化作用变得更慢。

    水泥水化形成的各种水化产物的性质很不相同，每一种矿物的性质都将影响水泥浆体的性质。

1.5  水化机理

    目前提出的硅酸盐水泥的水化机理有两种。完全溶解水化机理描述的水化过程：无水熟料矿物溶解在水中形成离子，这些离子在溶液中形成水化物；由于水化产物的溶解度较低，最终从过饱和溶液中析出。因此，完全溶解机理认为，水泥的水化是原有矿物成分的完全重新组合。另一种水化机理——局部反应机理或固相水化机理则认为，反应直接发生在未水化水泥熟料矿物的表面，而熟料矿物不会进入溶液。水泥早期，水化主要以完全溶解机理为主；水化后期，由于溶液中离子的迁移受阻，剩余水泥颗粒的水化则主要按固相反应机理进行。

水泥主要技术指标

    水泥主要技术指标列于表1-2.

表1-2 水泥技术指标