新型建筑材料 课件 第6章 水泥及辅助胶凝材料

第六章

水泥及辅助胶凝材料新型工程材料2026/1/242第六章水泥及辅助胶凝材料1234概述通用硅酸盐水泥特种水泥辅助胶凝材料水泥的问题和发展方向CONTENTS52026/1/243第六章水泥及辅助胶凝材料1234概述通用硅酸盐水泥特种水泥辅助胶凝材料水泥的问题和发展方向CONTENTS52026/1/2446.1概述

土木工程中用来将散粒材料（如砂、石等）或块状材料（如砖、砌块、石材等）粘结成为整体的材料，可统称为胶凝材料。胶凝材料有机胶凝材料无机胶凝材料※气硬性胶凝材料，不能在水中硬化，但能在空气中或其他条件下硬化，如石灰、石膏、镁质胶凝材料等，气硬性胶凝材料一般只适用于干燥环境中，而不宜用于潮湿环境，更不能用于水中。※水硬性胶凝材料，拌水后既能在空气中硬化，又能在水中硬化并具有强度，常见的水硬性胶凝材料有水泥等。2026/1/2456.1概述

水泥是与适量水混合后经过一系列物理化学作用，由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒状材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。

作为水硬性胶凝材料，水泥浆体不仅能在空气中硬化，还能在水中硬化保持并继续增长其强度。作为胶凝材料组分，水泥与骨料、水可制成各种混凝土及其构件，也可用于配制砂浆等。按水硬性物质，水泥可分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥等系列。其中，硅酸盐系列水泥产量最大、应用最广泛。而按其用途和性能，水泥可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。2026/1/246第六章水泥及辅助胶凝材料1234概述通用硅酸盐水泥特种水泥辅助胶凝材料水泥的问题和发展方向CONTENTS52026/1/2476.2通用硅酸盐水泥

18世纪后半期，人们用石灰石与定量的黏土共同磨细混匀，经过煅烧制成由人工配料的水硬性石灰，形成了硅酸盐水泥生产的雏形。

波特兰水泥中含有较多的硅酸钙，不仅能在空气中硬化，也能在水中硬化，而且强度很高。随着现代科技和工业发展的需要，近30多年来又陆续出现了硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥﹑铁铝酸盐水泥等品种，从而使水硬性胶凝材料发展到更多类别。

我国水泥工业可以追溯到1889年于唐山建立了第一座水泥厂—唐山细棉土厂。2026/1/2486.2通用硅酸盐水泥6.2.1硅酸盐水泥的生产及主要熟料组成根据《通用硅酸盐水泥》（GB175-2023）规定，以硅酸盐水泥熟料和适量石膏，及0~5%粒化高炉矿渣或石灰石磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥。硅酸盐水泥分为两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号为P·I。在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5%的粒化高炉矿渣或石灰石混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号为P·Ⅱ。随着工业生产的发展，综合利用工业废渣已是水泥生产中的重大任务之一。其综合利用的主要途径包括：（1）代替部分主要原料，如用粉煤灰或煤矸石灰渣代替部分黏土；（2）作混合材，如粒化高炉矿渣﹑预处理粉煤灰等；（3）作添加剂，如矿化剂、助磨剂等也多采用工业废渣；（4）利用含有特种成分的工业废渣生产特种水泥、节能水泥等。2026/1/2496.2通用硅酸盐水泥6.2.1硅酸盐水泥的生产及主要熟料组成生料在水泥窑内的煅烧通常要经历生料的干燥与脱水、碳酸盐的分解、固相反应、液相的形成与熟料的烧结烧及熟料的冷却等5个阶段，可简单概括为“两磨一烧”图6-2硅酸盐水泥基本生产流程图6-3水泥回转窑示意图

图6-4水泥熟料粉磨设备2026/1/24106.2通用硅酸盐水泥6.2.1硅酸盐水泥的生产及主要熟料组成表6-4硅酸盐水泥熟料矿物特性在这四种矿物中，C3S和C2S称为硅酸盐矿物，二者之和的质量分数约占总量的75%~82%，因此称为硅酸盐水泥。而C3A和C4AF二者仅占18%～25%，称为熔剂矿物。除了主要的熟料矿物外，硅酸盐水泥中还有少量的游离氧化钙（f-CaO）、游离氧化镁（f-MgO）、含碱矿物以及玻璃体等，总量一般不超过10%。2026/1/24116.2通用硅酸盐水泥6.2.1硅酸盐水泥的生产及主要熟料组成

C3S是熟料主要的强度矿物，水化速度快，水化热较高，水化产物的收缩率较大，水化会释放出大量的Ca(OH)2。随着C3S增加，水泥的抗压强度比抗折强度更快地增长，水泥脆性系数（压折比）增大，抗裂性变差。

C2S的水化速度很慢，水化热低，收缩率比C3S小，抗侵蚀性能好，强度发展慢，早期强度很低，约一年后与C3S持平。

C3A水化凝结速度最快，是水泥石产生早强的主要矿物，但C3A强度绝对值不高，而且后期产生强度倒缩现象。水化热大且集中，水化后因为层间水的蒸发以及形成的水化产物在转型过程中体积缩小而产生较大的收缩。此外C3A需水量较大，对水泥拌合物的流动性不利，C3A含量高，与高效减水剂的相容性会变差，水泥石的抗硫酸盐侵蚀性也会变差。2026/1/24126.2通用硅酸盐水泥6.2.1硅酸盐水泥的生产及主要熟料组成

与C3A相比，C4AF不仅有较高的早期强度，而且后期强度还能有所增长，C4AF对抗折强度的贡献远大于抗压强度，即脆性系数低，抗裂性好。C4AF的另一个重要作用是生成凝胶状铁酸，使水泥石具有较大的变形能力。

水泥熟料是由各种不同特性的矿物组成的混合物。因此，可通过调整生产生料的成分来改变熟料矿物含量的比例，从而使水泥的性质发生相应的变化。如提高C3S含量，可制得高强水泥；提高C3S和C3A含量，可制得快硬水泥；降低C3A和C3S含量，提高C2S含量，可制得中、低热水泥；提高C4AF含量，降低C3A含量，可制得道路水泥等。2026/1/24136.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化1.硅酸盐水泥的水化

水泥颗粒与水接触后，熟料矿物与水的作用称为水化。硅酸三钙和硅酸二钙水化生成的水化硅酸钙不溶于水，硅酸三钙与水作用时，反应较快，水化放热量大；而硅酸二钙则反应较慢，水化放热量小，产物中氢氧化钙也较少。铝酸三钙和铁铝酸四钙水化生成的水化铝酸钙为立方晶体，在氢氧化钙饱和溶液中还能与氢氧化钙进一步反应，生成六方晶体的水化铝酸四钙。铝酸三钙与水的反应速度极快，水化放热量很大；而铁铝酸四钙与水作用时，反应也较快，水化放热量相对较少，生成的水化铁酸一钙溶解度很小，呈胶体微粒析出，最后形成凝胶。2026/1/24146.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化2026/1/24156.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化图6-9硅酸盐水泥的水化放热曲线

规定水泥的凝结时间在施工中具有重要意义。为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥的初凝时间不能过短。施工完毕后，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝时间不能太长。

水泥凝结时间的影响因素有很多，主要有：熟料中铝酸三钙含量高，石膏掺量不足，使水泥快凝；水泥越细，水泥的细度越小，水化作用越快，凝结越快；水灰比越小，凝结时的温度越高，凝结越快；混合材料掺量大、水泥过粗等都会使水泥凝结缓慢。2026/1/24166.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化2.水泥的凝结硬化过程硅酸盐水泥的凝结硬化过程，一般按水化反应速度和物理化学的主要变化，分为四个阶段，如表6-5所示。表6-5水泥凝结硬化阶段（1）初始反应期。水泥加水拌和后，未水化的水泥颗粒分散在水中，成为水泥浆体。水泥颗粒的水化从其表面开始。水和水泥一接触，水泥颗粒表面的熟料矿物与水反应，形成相应的水化物并溶于水中。2026/1/24176.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化（a）分散在水中的水泥颗粒（b）在水泥颗粒表面形成水化物膜层（c）膜层逐渐增厚并互相连接

（凝结）（d）水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）图6-10水泥凝结硬化过程示意2026/1/24186.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化（2）潜伏期。此种作用继续下去，使水泥颗粒周围的溶液很快达到水化产物的饱和或过饱和状态。由于各种水化产物的溶解度都很小，继续水化的产物以细分散状态的胶体颗粒析出，附在水泥颗粒表面，形成凝胶膜包裹层。在水化初期，水化物不多，包有水化物膜层的水泥颗粒之间还是分离着的，水泥浆具有可塑性。水泥颗粒不断水化，水化物膜层逐渐增厚，减缓了外部水分的渗入和水化物向外扩散的速度，使水化反应在一段时间变得缓慢。（3）凝结期。随着水化反应的不断深入，膜层内部的水化物不断向外突出，最终导致膜层破裂，水化又重新加速。水泥颗粒间的空隙逐渐缩小，而包有凝胶体的颗粒则逐渐接近，以致相互接触，接触点的增多形成了空间网状结构。凝聚结构的形成，使水泥浆开始失去可塑性，此为水泥的初凝，但这时还不具有强度。2026/1/24196.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化（4）硬化期。以上过程不断地进行，固态的水化物不断增多并填充颗粒间的空隙，毛细孔越来越少，结晶体和凝胶体互相贯穿形成的凝聚—结晶网状结构不断加强，结构逐渐紧密。水泥浆体完全失去可塑性，达到能担负一定荷载的强度。水泥表现为终凝，并开始进入硬化阶段[图6-10（d）]。水泥进入硬化期以后，水化速度逐渐减慢，水化物随时间的增长而逐渐增加，扩展到毛细孔中，使结构更加致密，强度相应提高。3.影响水泥凝结硬化的主要因素

水泥的凝结硬化过程，也就是水泥强度发展的过程。为了正确使用水泥，必须了解水泥水化硬化的影响因素，以便采取合理有效的措施，调节水泥的性能。2026/1/24206.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化（1）熟料矿物组成：矿物组成是影响水泥凝结硬化的主要内因。（2）石膏掺量：水泥粉磨时掺入适量石膏，可调节水泥的凝结硬化速度。若不掺石膏或石膏掺量不足时，水泥会发生瞬凝现象。（3）细度：水泥颗粒粉磨得越细，总表面积越大，与水接触时的水化反应面积也越大，其水化速度越快，凝结硬化也越快。（4）温度和湿度：温度对水泥的凝结硬化有着明显的影响。提高温度可使水泥水化反应加快，强度增长加快；相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增长较缓慢。湿度是保证水泥水化的一个必备条件，水泥凝结硬化的实质是水泥的水化过程。因此，在缺乏水的干燥环境中，水化反应是不能正常进行的，硬化也将停止；而潮湿环境下的水泥石，能保持足够的水分进行水化和凝结硬化，生成的水化物进一步填充毛细孔，促进了强度的不断增长。2026/1/24216.2通用硅酸盐水泥6.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化（5）养护时间：水泥的水化是从表面开始向内部逐渐深入进行的，随着时间的发展，水泥的水化程度不断增加，水化产物也不断地增加并填充毛细孔，使毛细孔孔隙率减少，凝胶孔孔隙率逐渐增大。（6）龄期：是指水泥在正常养护条件下所经历的时间。只要维持适当的温度与湿度，水泥的水化将不断进行。其强度在几个月、几年甚至几十年后还会继续增长。水泥强度的增长规律为：在水泥水化作用的最初几天内强度增长最为迅速，如7d的强度可达28d强度的70%左右，28天以后的强度增长明显减缓。2026/1/24226.2通用硅酸盐水泥6.2.3硅酸盐水泥的技术性质1.细度细度是指水泥颗粒的粗细程度，颗粒越细，与水反应的表面积就越大，因而水化较快且较完全，早期强度高，后期强度可能倒缩。国家标准中规定水泥的细度可用筛析法和比表面积法（勃氏法）检验。比表面积法采用勃氏透气仪测定，是根据一定量的空气通过一定孔隙率和厚度的水泥层时，所受阻力不同而引起流速的变化来测定水泥的比表面积，比表面积越大，表示水泥颗粒越细。2.标准稠度用水量标准稠度用水量的大小对水泥的一些技术性能，如凝结时间、体积安定性等的测定值有较大的影响。2026/1/24236.2通用硅酸盐水泥6.2.3硅酸盐水泥的技术性质3.凝结时间凝结时间分为初凝和终凝。初凝为水泥加水拌和起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝为水泥加水拌和起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。水泥凝结时间的影响因素很多，主要有：熟料中铝酸三钙含量高﹑石膏掺量不足，使水泥快凝；水泥的细度愈细，水化作用愈快，凝结愈快；水灰比愈小，凝结时的温度愈高，凝结愈快；混合材料掺量大、水泥过粗等，都会使水泥凝结缓慢。4.安定性水泥安定性是指水泥浆体硬化后其体积变化的均匀性。如果水泥的体积安定性不良，水泥硬化后将产生不均匀的体积变化，会导致水泥制品膨胀性裂缝，降低工程质量，甚至引起严重事故。2026/1/24246.2通用硅酸盐水泥6.2.3硅酸盐水泥的技术性质

引起水泥体积安定性不良的原因主要是由于水泥熟料中所含的游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）引起的。5.强度及强度等级水泥的强度是水泥的重要技术指标。根据测定结果，将硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R，62.5和62.5R等八个强度等级。水泥按3d强度分为普通型和早强型两种，其中代号R表示早强型水泥。水泥的强度主要取决于水泥的矿物组成和细度。在混凝土中应用，并非强度越高越好。当代混凝土需要开裂敏感性低的水泥。任何水泥基材料的强度主要取决于水胶比。6.水化热水泥在水化过程中放出的热，称为水泥的水化热。水泥矿物进行水化时，铝酸三钙放热量最大，速度也快，硅酸三钙放热量稍低，硅酸二钙放热量最低，速度也慢。水泥细度越细，水化反应越容易进行，因此，水化放热量越大，放热速度也越快。2026/1/24256.2通用硅酸盐水泥6.2.3硅酸盐水泥的技术性质冬季施工时，水化热有利于水泥的正常凝结硬化。对大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土构筑物，由于水化热积聚在内部不易散失，内部温度常上升到50~60℃，内外温度差所引起的应力，可使混凝土产生裂缝，因此水化热对大体积混凝土是有害因素，在大体积混凝土中不宜采用水化热较高或放热较快的水泥。7.碱8.不溶物9.烧失量10.氯离子11.密度和堆积密度。2026/1/24266.2通用硅酸盐水泥6.2.4硅酸盐水泥的特性与应用硅酸盐水泥具有以下特点：（1）凝结硬化快、强度高硅酸盐水泥中含有较多的熟料，硅酸三钙含量多，水泥的早期强度和后期强度均较高。适用于早期强度要求较高的工程及冬季施工的工程，地上、地下重要结构物及高强混凝土和预应力混凝土工程。（2）抗冻性好硅酸盐水泥采用较低的水灰比并经充分养护，可获得较低孔隙率的水泥石，具有较高的密实度。因此，适用于严寒地区遭受反复冻融的混凝土工程。（3）耐腐蚀性差硅酸盐水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙较多，耐软水及耐化学腐蚀能力差，故不适用于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程；也不适用于受海水、矿物水、硫酸盐等作用的工程。2026/1/24276.2通用硅酸盐水泥（4）耐热性差硅酸盐水泥石中的水化产物在250~300℃时会产生脱水现象，强度开始下降，当温度达到700~1000℃时，水化产物分解，水泥石的结构几乎完全破坏，所以硅酸盐水泥不适用于有耐热﹑高温要求的混凝土工程。（5）耐磨性好硅酸盐水泥强度高，耐磨性好，适用于道路、地面等对耐磨性要求高的工程。（6）碱度高、抗碳化能力强碳化是指水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙的过程。碳化会使水泥石内部碱度降低，从而使其中的钢筋发生锈蚀。（7）水化热大硅酸盐水泥石中含有大量的硅酸三钙和铝酸三钙，水化时放热速度快且放热量大，用于冬季施工可避免冻害，但高水化热对大体积混凝土工程不利，所以不适用于大体积混凝土工程。2026/1/24286.2通用硅酸盐水泥6.2.5通用硅酸盐水泥的二次水化

通用硅酸盐水泥在与水接触后，硅酸盐水泥熟料迅速和水反应生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙，这是通用硅酸盐水泥的一次水化过程，水泥熟料水化生成的氢氧化钙与掺入的石膏分别作为碱性激发剂和硫酸盐激发剂，与混合材的活性成分如活性氧化硅、活性氧化铝等发生二次水化反应，不断生成新的水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙及水化硫铁酸钙等水化产物，这为通用硅酸盐水泥的二次水化过程

通用硅酸盐水泥中由于掺入了混合材，熟料矿物含量降低，而且水化反应分两步进行，第二步水化反应从时间上滞后，致使通用硅酸盐水泥凝结硬化速度较慢，早期强度较低，但后期由于二次水化反应的产物大大增加，使强度增长较快，甚至超过硅酸盐水泥。2026/1/24296.2通用硅酸盐水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止1.水泥石的腐蚀（1）软水侵蚀

当水泥石受到工业冷凝水、蒸馏水、天然的雨水、雪水以及含重碳酸盐很少的河水﹑湖水等“软水”作用时，水泥石中的氢氧化钙不断溶解，又会引起水化硅酸盐、水化铝酸盐的分解，最后变成无胶结能力的低碱性硅酸凝胶和氢氧化铝，水泥石孔隙增多，强度下降，甚至导致崩溃。这种侵蚀首先源于氢氧化钙的溶蚀，又称溶出性侵蚀。2026/1/24306.2通用硅酸盐水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止（2）盐类腐蚀

在水中通常溶有大量的盐类，某些溶解于水中的盐类会与水泥石相互作用产生置换反应，生成一些易溶或无胶结能力或产生膨胀的物质，从而使水泥石结构破坏。最常见的盐类腐蚀是硫酸盐腐蚀与镁盐腐蚀。1）硫酸盐腐蚀在海水、湖水、盐沼水、地下水、某些工业污水中，常含有钾﹑钠、铵的硫酸盐，它们与水泥石中的氢氧化钙起置换反应生成硫酸钙，硫酸钙再与水泥石中的固态水化铝酸钙反应生成钙矾石。2）镁盐腐蚀。在海水及地下水中常含有大量的镁盐，主要是硫酸镁及氯化镁。它们与水泥石中的氢氧化钙起复分解反应，生成的氢氧化镁松软而无胶结能力，氯化钙易溶于水，二水石膏则引起硫酸盐的破坏作用。因此，硫酸镁对水泥石起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用。2026/1/24316.2通用硅酸盐水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止（3）酸类腐蚀众所周知，水泥石和混凝土都是碱性材料，酸会和氢氧化钙反应，破坏水泥石。1）碳酸腐蚀首先，二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用生成碳酸钙：Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O其次，生成的碳酸钙再与含碳酸的水作用转变成重碳酸钙，这是一个可逆反应：CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2生成的重碳酸钙易溶于水。若水中含有较多的碳酸，超过其平衡浓度时，上式反应向右进行，因而水泥石中的氢氧化钙，通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失，进而导致其他水化物分解，使水泥石结构破坏；若水中的碳酸不多，低于平衡浓度时，并不起腐蚀破坏作用。2026/1/24326.2通用硅酸盐水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止2）一般酸的腐蚀。在工业废水、地下水、沼泽水中常含有无机酸和有机酸，工业窑炉中的烟气常含有二氧化硫，遇水后即成亚硫酸。（4）氯离子侵蚀

外界环境中的氯离子通过混凝土保护层到达混凝土—钢筋界面并逐渐积聚，使钢筋表面溶液中的氯离子浓度逐渐增大，最终达到临界浓度，使钢筋发生腐蚀。氯离子侵入混凝土的方式有以下4种：1）扩散作用：由于混凝土内部存在氯离子浓度差异，氯离子自高浓度的部位向低浓度的部位移动称为扩散作用。2）毛细管作用：在干湿交替条件下，混凝土表层含氯离子的盐水向混凝土内部干燥部分移动。3）渗透作用：在水压力作用下，盐水向压力较低的方向移动称为渗透。2026/1/24336.2通用硅酸盐水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止4）电化学迁移：混凝土中孔隙液存在电位差时，孔隙液中的氯离子会由高电位处向低电位处移动。（5）强碱腐蚀水泥石本身具有较高的碱度，因此碱类溶液如浓度不大时一般是无害的。但铝酸盐含量高的水泥石遇到强碱（如氢氧化钠）作用后也会被腐蚀而破坏。除了上述四种典型的腐蚀类型外，对水泥石有腐蚀作用的还有一些其他物质，如糖、氨盐﹑动物脂肪、含环烷酸的石油产品等。2026/1/24346.2通用硅酸盐水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止2.水泥石腐蚀的防止：（1）根据侵蚀环境特点，合理选择水泥品种，提高水泥的抗腐蚀能力。（2）提高水泥石的密实度，改善水泥石结构的抗腐蚀能力。（3）加做保护层，避免介质的腐蚀作用。2026/1/24356.2通用硅酸盐水泥6.2.7水泥的风化与存储

水泥的储存和运输，主要是防止受潮。不同生产厂、品种、强度等级和出厂日期的水泥应分别储运，不得混杂，避免错用、混用，并应先存先用，不可储存过久（1）水泥的风化水泥在储运过程中，易吸收空气中的水分和二氧化碳，使水泥颗粒表面水化甚至碳化，丧失胶凝能力，强度大为下降，这种现象就称为水泥的风化。（2）水泥的储存水泥一般应入库存放。水泥仓库应保持干燥。2026/1/24366.2通用硅酸盐水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止（3）受潮水泥的处理水泥受潮的程度不同，强度降低的程度不同，应区别情况恰当处理。1）水泥无结块，结粒情况，测定烧失量小于5%，说明水泥尚未受潮，可按原强度等级使用。2）水泥有松块、结小的球粒情况，用手捏可成粉末，但无硬块，烧失量为4%~6%，说明水泥开始受潮，强度损失不大，约在一个强度等级内。应将松块、小球粒压成粉末，同时加强搅拌，经试验按实际强度可使用到强度要求低的工程中。3）水泥已部分结成硬块或外部结成硬块内部尚有粉末状，烧失量为6%~8%，这表明水泥已严重受潮，强度约损失50%左右。应筛除硬块，将松块压碎成粉末，经试验按实际强度可用于砂浆等非受力部位。4）结块坚硬，无粉末状，烧失量大于8%，说明该水泥活性已丧失，不能按胶凝材料使用，而只能重新粉磨后用作混合材料。2026/1/2437第六章水泥及辅助胶凝材料1234概述通用硅酸盐水泥特种水泥辅助胶凝材料水泥的问题和发展方向CONTENTS52026/1/24386.3特种水泥6.3.1白色硅酸盐水泥

特种水泥是指具有某些独特性能，适合特定用途或能发挥特殊作用并赋予建筑物特别功能的水泥品种。我国习惯上将硅酸盐水泥、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六大品种称为通用水泥。除此之外，把其他水泥品种都归于特种水泥的范畴，目前有60多个品种。

凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分，氧化铁含量很少的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料称为白色硅酸盐水泥，简称白水泥，代号P·W。2026/1/24396.3特种水泥6.3.1白色硅酸盐水泥2.白水泥的技术性质（1）细度：45μm方孔筛筛余不大于30.0%。（2）凝结时间：初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min。（3）体积安定性：用沸煮法检验必须合格，同时熟料中氧化镁含量不宜超过5.0%，如水泥经压蒸安定性试验合格，则熟料中氧化镁含量允许放宽到6.0%。水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%。（4）强度：按3d、28d的强度值将白水泥划分为32.5、42.5和52.5三个强度等级。白水泥具有强度高、色泽洁白等特点，在建筑装饰工程中常用来配制彩色水泥浆，用于建筑物内、外墙的粉刷及天棚、柱子的粉刷，还可用于贴面装饰材料的勾缝处理；配制各种彩色砂浆用于抹灰，如常用于水刷石、斩假石等，模仿天然石材的色彩、质感，具有较好的装饰效果；配制彩色混凝土，制作彩色水磨石等。2026/1/24406.3特种水泥6.3.2中、低热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥1、以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏﹐磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料，称为中热硅酸盐水泥，简称中热水泥，代号P·MH。2、以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏﹐磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热硅酸盐水泥，简称低热水泥，代号P·LH。3、以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入粒化高炉矿渣﹑适量石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热矿渣硅酸盐水泥，简称低热矿渣水泥，代号P·SLH。2026/1/24416.3特种水泥6.3.3抗硫酸盐水泥抗硫酸盐水泥是指对于硫酸盐侵蚀具有较强抵抗能力的水泥。与通用水泥相比，主要是限制了这种水泥熟料矿物组成中铝酸三钙和硅酸三钙的含量，使侵入水泥石结构的硫酸盐难以产生破坏性的“水泥杆菌”。按抗硫酸盐侵蚀程度，分为中抗硫酸盐硅酸盐水泥和高抗硫酸盐硅酸盐水泥两类。1、以特定矿物组成的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏磨细制成的具有抵抗中等浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为中抗硫酸盐硅酸盐水泥，简称中抗硫酸盐水泥，代号P·MSR。2、以特定矿物组成的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏磨细制成的具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为高抗硫酸盐硅酸盐水泥，简称高抗硫酸盐水泥，代号P·HSR。2026/1/24426.3特种水泥6.3.4铝酸盐水泥铝酸盐水泥是以铝矾土和石灰石为原料，经煅烧（或熔融状态）得到以铝酸钙为主，氧化铝含量大于50%的熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料，俗称高铝水泥。它是一种快硬、高强、耐腐蚀、耐热的水泥，又称矾土水泥。1.性质与应用（1）快凝（2）耐热性强早强，但长期强度降低幅度大（3）水化热高，放热快（4）耐硫酸盐腐蚀性强（5）耐碱性差（6）可与石膏配合使用2026/1/24436.3特种水泥6.3.5膨胀和自应力水泥

1.膨胀水泥的主要性能：（1）降低或预防混凝土收缩开裂（2）省工省料、缩短工期且耐久性好；（3）新型膨胀水泥早期强度高，后期强度增长较大，长久强度稳定上升；（4）膨胀水泥配制的混凝土因内部建立有膨胀自应力，与钢筋产生更强的握裹力；（5）不含氯盐，对钢筋无锈蚀。

2.膨胀水泥的分类1>按用途分类：不论补偿收缩或预应力混凝土，一般都需在一定限制下工作，以便混凝土硬化后，由限制物所贮存的能量使混凝土建立不同的受压状态。从使用角度看，做如下分类：配制补偿收缩混凝土用的膨胀水泥和配制自应力混凝土用的自应力水泥。2026/1/24446.3特种水泥6.2.6水泥石的腐蚀与防止2>按引起的化学反应分类：以形成钙矾石相位膨胀组分的膨胀水泥；利用氧化钙水化的膨胀水泥；利用氧化镁水化的膨胀水泥；利用金属氧化的膨胀水泥；复合膨胀剂。3>按水泥熟料矿物构成分类：以硅酸盐水泥为基础的膨胀剂；以高铝水泥为基础的膨胀水泥；以硫铝酸盐水泥熟料为基础的膨胀水泥；以铁铝酸盐水泥熟料为基础的膨胀水泥；以高铝矿渣为基础的膨胀水泥。3.膨胀水泥的主要用途硅酸盐膨胀水泥：主要是用于制造防水砂浆和防水混凝土，用于加固构造、浇筑机器底座或固结地脚螺栓，并可用于接缝及修补工程，但禁止在有硫酸盐侵蚀的水中工程中使用。2026/1/24456.3特种水泥低热微膨胀水泥：主要用于较低水化热和要求补偿收缩的混凝土、大体积混凝土，也可用于要求抗渗和抗硫酸盐侵蚀的工程。硫铝酸盐膨胀水泥：主要用于浇筑构件节点及应用于抗渗和补偿收缩的混凝土工程中。自应力水泥：主要用于自应力钢筋混凝土压力管及其配件。6.3.6油井水泥油井水泥是石油、天然气勘探和开采时，油气井固井处理的专用水泥品种。1.油井水泥的性能流动性好：水泥浆具有较低的稠度，较高的沉降稳定性和较低的游离水含量，；凝结时间适宜，对不同井温、井压条件，水泥浆体有较长的稠化时间，保证固井结束后能快速凝结，且初凝和终凝时间间隔短；浆体密度范围适宜，以保证各种岩层构造的固井施工需要；浆体强度发挥较快，固井施工结束后浆体迅速硬化，并保证长期稳定；硬化浆体密封性好，不透气、不透水，且对各类侵蚀介质具有良好的抗蚀能力。2026/1/2446第六章水泥及辅助胶凝材料1234概述通用硅酸盐水泥特种水泥辅助胶凝材料水泥的问题和发展方向CONTENTS52026/1/24476.4辅助胶凝材料6.4.1粉煤灰1.粉煤灰定义与分类在燃煤发电厂燃炉中，挥发性物质和碳充分燃烧，大多数矿物杂质形成灰并随尾气排出。粉煤灰颗粒在燃烧炉中为熔融态，但在离开燃烧区后，熔融态粉煤灰被迅速冷却，固化成球体、玻璃质颗粒。有些熔融物结块成底灰，但绝大多数还是形成燃灰排出，这就是所谓的粉煤灰。粉煤灰按收集方式不同，分为静电收尘灰和机械收尘灰两种。静电收尘灰颗粒细、质量好。机械收尘灰颗粒较粗、质量较差。经磨细处理的称为磨细灰，未经加工的称为原状灰。化学成分上，有高钙灰（C类，一般CaO>10%）和低钙灰（F类，CaO<10%）之分。2026/1/24486.4辅助胶凝材料6.4.1粉煤灰2.粉煤灰三大效应：我国前辈学者沈丹申教授经过多年研究提出粉煤灰应用于混凝土中具有三大效应。（1）活性效应：粉煤灰火山灰活性，其反应的过程主要是受扩散控制的溶解反应，早期粉煤灰微珠表面溶解，反应生成物沉淀在颗粒的表面上，后期Ca2+继续通过表层和沉淀的水化产物层向芯部扩散。（2）形态效应：粉煤灰颗粒中绝大多数为玻璃微珠，是一种表面光滑的球形颗粒。由于粉煤灰玻璃微珠的滚珠作用，粉煤灰在混凝土中有减水作用，这将有利于减少混凝土的单位用水量，从而减少多余水在混凝土硬化后所形成的直径较大的孔隙。2026/1/24496.4辅助胶凝材料6.4.1粉煤灰影响混凝土工作性能的因素主要是粉煤灰的细度。粉煤灰颗粒越细，球形颗粒含量越高，则需水量就越少。（3）微骨料填充效应：

粉煤灰还具有微骨料填充效应，能产生致密势能，可以减少硬化混凝土的有害孔的比例，有效提高混凝土的密实性。由于粉煤灰在混凝土中活性填充行为的综合效果，粉煤灰通常有致密作用。2026/1/24506.4辅助胶凝材料6.4.1粉煤灰3.粉煤灰对混凝土水密性和界面的影响

钢筋混凝土结构对锈蚀、碱—骨料膨胀、硫酸盐侵蚀或其他化学侵蚀的抵抗能力主要取决于混凝土的水密性。水密性的主要影响因素为拌和用水量﹑矿物掺合料的品种和用量、养护及混凝土抗裂性。

界面过渡区的水胶比高于水泥浆体的水胶比，且由应力引发的微裂缝首先在界面过渡区形成，因而是混凝土中的薄弱环节。界面过渡区的微裂缝不仅决定着混凝土的力学性能，也决定着恶劣环境条件下混凝土的抗渗性和耐久性。

总之，由于粉煤灰的颗粒堆积效应，减水效应及火山灰效应，粉煤灰混凝土的界面过渡区逐渐消失，对提高混凝土的抗裂性和耐久性非常有利。2026/1/24516.4辅助胶凝材料6.4.1粉煤灰4.粉煤灰对混凝土性能的影响

粉煤灰的颗粒大多是球形的玻璃珠，优质粉煤灰由于其“滚珠”的作用，可以改善混凝土拌合物的和易性，减少混凝土单位体积用水量，减小硬化后水泥浆体干缩，提高混凝土的抗裂性。图6-19显示了随着粉煤灰掺量增加坍落度损失随之减小的规律。图6-19粉煤灰掺量对混凝土坍落度影响在混凝土中掺入粉煤灰后，随着粉煤灰掺量的增加，在一定掺加比例下，可以通过降低水胶比而保证早期强度不降低，而后期强度逐渐增加。粉煤灰对混凝土的强度有三重影响：减少用水量、增大粉体胶结料体积和通过长期火山灰反应提高后期强度。2026/1/24526.4辅助胶凝材料6.4.1粉煤灰

碱-骨料反应（Alkali-AggregateReaction,AAR）导致混凝土的膨胀和开裂。当混凝土中掺入粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的碱反应，能够防止这种过度的膨胀。可见，粉煤灰对抑制混凝土中的碱-骨料反应是有利的。图粉煤灰掺量对砂浆90d膨胀率的影响在混凝土中掺加适量粉煤灰，可以显著降低混凝土的温度升高，改善混凝土亚微结构，并有利于后期强度的发展，提高混凝土的耐久性。2026/1/24536.4辅助胶凝材料6.4.1粉煤灰5.粉煤灰在混凝土中应用的问题与技术要点：第一，优质粉煤灰可以改善拌合物工作性，但坍落度太大时，粉煤灰颗粒易上浮发生泌浆；第二，大掺量时在较低气温下凝结缓慢，早期表层强度较低；第三，早期孔隙率大，湿养护不够，碳化问题较突出，且表层混凝土失水影响水化，强度偏低，回弹值偏低；第四，对水敏感，在保湿欠缺的条件下，因内部黏度增加，阻碍持续泌水而会加剧塑性开裂。为克服粉煤灰在应用时可能出现的这些问题，其在混凝土中应用的技术要点是：（1）对于中低等级混凝土，在满足施工条件下，坍落度值要尽可能小。（2）注意不要过度振捣。（3）要降低水胶比，掺量越大，水胶比要越低，以保证掺加粉煤灰混凝土的强2026/1/24546.4辅助胶凝材料6.4.2磨细矿渣粉（4）注意及时有效的养护并保证足够的湿养护时间。浇筑后开始覆盖养护保证不失水。湿养护时间也很重要，最好养护14d，且至少7d，总之要养护到混凝土实现较高抗渗性的龄期。这对于避免塑性开裂，控制早期碳化，提高混凝土面层质量意义重大。1.磨细矿渣粉定义矿渣是在炼铁炉中浮于铁水表面的熔渣，排除时喷水急冷而粒化，得到水淬矿渣，生产矿渣水泥和磨细矿渣用的都是这种粒状渣。矿渣的活性比粉煤灰高，矿渣既可充当混合材用于制备水泥，也可作为矿物掺合料代替水泥。2026/1/24556.4辅助胶凝材料

矿渣的主要化学组成为CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3等。矿渣的化学成分和粉煤灰不同，CaO含量很高，一般在40%以上，SiO2含量也较高，但Al2O3含量较低。2.磨细矿渣的化学成分和物理性质图C-S-A三元相图

磨细矿渣细度对混凝土性能影响很大，矿渣微粉的颗粒级配、粒径分布，颗粒形貌等特征参数与水泥基材料的流动性、密实性及力学性能也都有密切的关系。3.磨细矿渣对混凝土性能的影响

磨细矿渣在碱激发、硫酸盐激发或复合激发下具有反应活性和自硬性，生成低钙型的水化硅酸钙凝胶，在水泥水化过程中激发、提高水泥水化的速率，改善混凝土的微结构，从而显著地改善并提高混凝土的强度和耐久性能。2026/1/24566.4辅助胶凝材料磨细矿渣加入混凝土后，混凝土的凝结时间会延长。颗粒较粗的磨细矿渣易导致混凝土的泌水增大。若磨细矿渣的比表面积大于水泥的，则泌水就会减少。磨细矿渣的比表面积越大，减少泌水的效果越加明显。

磨细矿渣细度粗细直接影响磨细矿渣的增强效果，原则上磨细矿渣细度越细则效果越好，但要求过细则对混凝土体积稳定性会造成负面影响。图

不同混凝土的强度发展磨细矿渣对混凝土抗渗性的改善主要是由于改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了骨料界面黏结力，从而使混凝土的抗渗性能和抗冻融性能有一定提高。从抗裂性的角度出发，掺加量应该在70%以上。磨细矿渣与粉煤灰复掺与磨细矿渣单掺相比，明显减小混凝土干缩值，混凝土等级越高减小幅度越大。2026/1/24576.4辅助胶凝材料用磨细矿渣替代部分硅酸盐水泥，可改善混凝土的抗硫酸盐性。其原因主要是：（1）随着磨细矿渣的加入，混凝土拌合物中的CA含量降低，矿渣的取代率越大，CA含量降低得越多。（2）由于形成水化硅酸钙，可溶性氢氧化钙减少，这样减少了形成硫酸钙的条件。（3）抗硫酸盐腐蚀在很大程度上取决于混凝土的渗透性，掺加S95级以上磨细矿渣，混凝土抗渗性提高，从而防止了侵蚀性硫酸盐侵入而提高了混凝土的抗硫酸盐性能。综上所述，磨细矿渣是混凝土中非常有效的矿物掺合料，掺入磨细矿渣﹐可以降低混凝土成本，同时大幅度提高混凝土强度、施工性能，提高了混凝土耐久性，抑制了碱-骨料反应。2026/1/24586.4辅助胶凝材料6.4.3硅灰1.硅灰的定义

硅灰是铁合金厂在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道收集的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料。北欧各国将硅灰又称为凝聚硅灰，在美国和加拿大称为硅灰，也有人称之为微硅粉。

硅灰混凝土多用于有特殊要求的混凝土工程，如高强度﹑高抗渗﹑高耐久性，耐侵蚀性﹑耐磨性及对钢筋无侵蚀的混凝土中。2.硅灰的物理性质和化学成分（1）颜色：呈白色或灰白（2）物理性能：2026/1/24596.4辅助胶凝材料6.4.3硅灰（3）化学成分

三种硅灰均为灰白色粉末，密度为2.1~2.2g/cm3，三种硅灰的颗粒组成和比表面积接近，平均粒径0.1~0.2μm，约80%颗粒的粒径在4μm以下，比表面积为15000~20000m2/kg。3.硅灰对混凝土性能的影响由于硅灰颗粒细小，比表面积大，具有SiO2纯度高、高火山灰活性等物理化学特点。把硅灰作为矿物掺合料加入混凝土中，必须配以高效减水剂，方可保证混凝土的和易性。硅粉使用时会引起早期收缩过大的问题，一般为胶凝材料总量的5%~10%，通常与其他矿物掺合料复合使用。2026/1/24606.4辅助胶凝材料硅灰混凝土的早期强度高。硅灰颗粒很细小，可以填塞水泥颗粒之间的空隙。颗粒密堆积，可以减少泌水，减少毛细孔并减小平均孔径，密实结构。关于硅灰对混凝土抗冻性的影响，国内外的大量研究表明，在等量取代的情况下，掺量小于15%的混凝土，其抗冻性基本相同，有时还会提高。碱-骨料反应是骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。但掺量超过20%会明显降低硅灰混凝土的抗冻性。当向混凝土中掺入硅灰后，硅灰和水泥中的碱反应，能够防止这种过度的膨胀。2026/1/24616.4辅助胶凝材料6.4.4石灰石粉

石灰石粉一般是以生产石灰石碎石和机制砂时产生的细砂和石屑为原料，通过进一步粉磨制成的粒径不大于10μm的细粉，因为在混凝土中具有良好的减水和分散效应而被关注和应用。图

石灰石粉、粉煤灰和水泥颗粒的区间分布含量

大量研究表明石灰石粉不完全是一种惰性掺合料，可以生成三碳水化铝酸钙和单碳水化铝酸钙。随着高细粉磨技术的进步，利用石灰石粉作为混凝土掺合料已具备实施条件。超细石灰石粉具有减水增塑效果，可明显改善混凝土工作性能。2026/1/24626.4辅助胶凝材料6.4.5沸石岩粉1.沸石岩粉定义天然沸石岩即沸石凝灰岩，是在长期压力、温度和水作用下一部分已经发生沸石化的凝灰岩。天然沸石岩的沸石含量差异很大，低的有30%，高的可达90%。沸石岩粉是天然沸石岩磨细而成，颜色为白色，具有很大的内表面积。2.沸石岩粉的特性沸石岩是火山灰质铝硅酸盐矿物，化学成分以SiO2为主，占60%左右，Al2O3占15%~20%。沸石具有良好的热稳定性、耐酸性、导电性、化学反应的催化裂化性、耐腐蚀性和低堆积密度等性能特点。2026/1/24636.4辅助胶凝材料3.沸石粉的火山灰活性反应水泥水化产物中氢氧化钙晶体在高碱性的孔溶液中沉淀下来，当沸石粉在高碱性的溶液中受到OH-的侵蚀，其格架状构造开始分解：通常认为，以无定形和玻璃态为主的物质比晶态的物质活性高。与一般活性火山灰质材料不同，天然沸石粉是一种微细结晶矿物，其活性却很高。而将沸石粉经500~600℃焙烧，变成玻璃态的沸石后，其增强效果比烧前要差，这说明沸石矿物结构改变后活性下降。沸石的粉磨细度对活性的影响也较大，磨细后沸石的表面能及表面活性很大，且经机械粉磨破碎，粉体表面反应活化点增多，火山灰活性得到进一步提高。沸石粉的活性正是因为活性成分SiO2和Al2O3与水泥水化过程中释放的氢氧化钙发生反应，使其转化为水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙。2026/1/24646.4辅助胶凝材料6.4.6偏高岭土超细粉

偏高岭土是以高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）为原料，在适当温度下（600～900℃）经脱水、分解，一部分形成无定形二氧化硅和氧化铝；另一部分仍是无水铝硅酸盐结晶。偏高岭土的主要成分是无定形二氧化硅和氧化铝，其含量达到90%以上，特别是氧化铝含量比较高。

偏高岭土作为一种活性微细掺合料除了具有火山灰效应，还有填充效应，使孔隙变小，界面趋于密实，使水泥石与骨料界面的黏结力增强。同时，由于偏高岭土具有较高的比表面积，亲水性好，加入混凝土中，可改善混凝土拌合物的黏聚性和保水性，避免发生泌水现象。2026/1/24656.4辅助胶凝材料6.4.7铁尾矿微粉铁尾矿微粉是以铁矿在采矿或选矿过程中产生的尾矿为主要原料，经粉磨至规定细度的粉体材料。铁尾矿粉在胶凝材料体系中的填充效应主要表现为铁尾矿粉填充在水泥浆体的空隙中，使胶凝材料浆体结构更为密实，孔隙率降低，孔隙尺寸减小，细化孔径，达到改善孔结构的效果；同时可以提高浆体和混凝土的强度。铁尾矿作为一种大量排放的工业固体废弃物，同时具有一定的经济效益、环保效益和矿产资源持续供给的作用，所以如何有效利用铁尾矿是人们主要的研究方向。将具有一定细度的铁尾矿粉作为矿物掺合料应用于混凝土中，可充分发挥铁尾矿粉颗粒特性的“填充效应”和“形态效应”。2026/1/24666.4辅助胶凝材料6.4.7铁尾矿微粉将铁尾矿作为混凝土掺合料不仅缓解了铁尾矿堆存的压力，还促进了混凝土产业的发展。铁尾矿作为混凝土掺合料的研究的展望主要有以下两个方面：（1）加强铁尾矿混凝