其他品种水泥

其他品种水泥

为了满足各种工程的不同需要，在硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的基础上，已生产了许多品种的水泥。——按水泥的用途及性能可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。本章主要介绍与工程建设密切相关的某些特性水泥和专用水泥。

第一节快硬高强水泥随着现代工程的日益发展，在很多情况下，常要求水泥具有相应的快凝、快硬性能。如军事抢修工程、路面、机场修补等。近20年来，水泥在快硬和高强方面，都有重大突破。在快硬方面，已发展了超早强水泥，能在5～20min硬化，硬化1h的抗压强度可达10～30MPa。在类型上，除了硫铝酸钙型和氟铝酸钙型快硬水泥外，还发明了超快硬外加剂。在高强方面水泥标号已可以超过100MPa以上。一、快硬水泥目前，快硬水泥主要有快硬硅酸盐水泥，以及前章论述的硫铝酸盐型快硬水泥和氟铝酸盐型快硬水泥。此外也可用超快硬外加剂提高通用水泥的早期强度。（一）快硬硅酸盐水泥定义：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的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成具有早期强度增进率较高的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥）。快硬水泥的标号以3天抗压强度来表示，分为325、375、425三个标号。为了提高水泥的早期强度，一般熟料矿物中C3S含量达50%～60%，C3A含量为8%～14%。快硬水泥的强度要求见表8-1水泥的比表面积对其强度，特别是早期强度的影响很大，见下表。水泥标号抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）1d3d1d3d32537542514.716.718.632.537.542.53.43.94.45.45.96.3水泥比表面积（cm2/g）抗压强度（MPa）1d3d7d28d29804540630010.525.326.127.943.744.038.647.852.643.653.361.2快硬水泥的水化热较高，早期干缩率大。在储存运输过程中易风化，一般储存期不应超过一个月。快硬水泥的水泥石比较致密，其不透水性和抗冻性常优于普通水泥。

快硬硅酸盐水泥主要用于抢修工程、军事工程以及预应力钢筋混凝土构件。（二）快硬剂采用快硬剂使水泥获得超快硬特性，是水泥工业的一项新进展。日本的QT快硬剂、我国的SH快硬剂和NX快硬剂为常用水泥应用于特殊工程开辟了广阔前景。QT快硬剂的生产：主要原料为烧矾土和生石灰，按适当配比在电炉中于1500℃熔融，经淬冷后烘干磨细，加入适量磨细无水石膏和激发剂，即成QT快硬剂。下表为某QT的化学成分（%）。不溶物CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3其他0.842.62.223.90.70.228.31.3QT的主要矿物组成为C12A7和CaSO4，和硅酸盐水泥混合加水水化后，其主要的水化产物为水化硫铝酸钙AFt和水化硅酸钙C-S-H以及氢氧化钙。12h前的强度，主要依靠钙矾石的生成；12h后，阿利特水化形成的C-S-H凝胶才能对强度发挥作用。下表为25%QT与75%硅酸盐水泥混合后的砂浆强度（水灰比为0.45）。龄期1h2h3h抗压强度（MPa）9.815.218.6NX促硬剂可使水泥的小时强度达10MPa以上。见表8-5。由NX配制的超快硬水泥在低温下可以正常硬化，如下表所示。

而52.5强度等级的硅酸盐水泥在5℃下硬化，24h尚难凝结，3d才能脱模。掺有NX的超快硬水泥实际上在-10℃左右也能正常硬化。掺有促硬剂的超快硬水泥可以用于快速施工工程、紧急抢修工程、冬季施工工程，抗渗堵漏工程及地下工程等。

二、高强水泥（一）高标号硅酸盐水泥生产高标号硅酸盐水泥的主要工艺措施是烧制高强度的硅酸盐水泥熟料，提高水泥的粉磨细度以及适当增加石膏掺量。表8-7为高标号水泥的强度龄期8h12h16h1d3d7d28d90d抗折强度（MPa）6.88.59.210.611.014.114.815.1抗压强度（MPa）28.342.453.469.298.4103.9116.5128.8

（二）特种高强水泥目前的特种高强水泥的理论基础均基于T.C.Powers的胶孔材料理论：水泥石的强度主要决定于水泥的水化程度和水灰比（孔隙率）。1、热压高强水泥美国D.M.Roy采用大幅度地降低成型时的水灰比和总孔隙率的途径，使水泥石的孔隙率仅为1.78%，水泥石强度高达652MPa。

2、宏观无缺陷水泥（MDF水泥）由英国帝国化学公司和牛津大学的Birchall推出的一种新型高强水泥。MDF是将某些聚合物按一定比例加入到水泥与水的系统中进行混合，随后进行高效剪切搅拌而获得塑性较高的混合物。该混合物可通过挤压或其他成型技术制成制品。MDF的生产工艺过程中，采用低的水/固比，选用适宜的水泥品种，控制水泥的颗粒分布，施加适当的成型压力和选择合适的养护温度等都会对MDF材料的最终性能产生一定影响。MDF水泥具有优异的工程应用性能，除了力学性能大幅度改善外，在电学、磁学、声学、低温使用性能上都具有广阔的开发前景。如孔隙率为1%、密度为2.5g/cm3的MDF水泥的抗压强度可达300MPa，抗折强度达150-240MPa，弹性模量为5×104MPa，热膨胀为9.7μm/（m·k)。在MDF水泥材料制造过程中，由于有机聚合物的加入，增加了水泥浆体的和易性，因此可以大大减少水胶比，并在强力剪切搅拌、挤压下排出材料中的气孔。由于孔隙率和孔径的减少，材料的强度，尤其是抗折强度得以提高。聚合物在材料中主要起减水、增塑、填充孔隙等作用。关于MDF水泥的高强机理，以及聚合物与水泥间是否存在化学反应，不同学者基于自己的研究提出了各自的观点。——Birchall等采用SEM方法研究了MDF水泥浆体的微观结构，并将其与普通水泥浆体进行比较，观察到两者的主要差别在于宏观缺陷上，MDF水泥基本上消除了宏观缺陷（大的孔隙）。两种水泥浆体在低水灰比的情况下，其结构是相似的。用SEM检查样品的断裂表面、残余熟料颗粒的形貌、内部水化产物以及氢氧化钙晶体等，所以这些都是相似的。——唐明述教授等认为：水泥和聚合物的抗折强度均小于100MPa，而MDF水泥的抗折强度却大大高于此值。说明必然存在聚合物与水泥两相的复合增强作用，他们研究了聚丙烯酸衍生物与Ca,Al,Fe,Si离子的红外反应活性，得到了化学反应的信息，并通过X射线分析认为，在所研究的体积内形成了Ca和Al的聚羧酸盐。研究结果表明，在这类MDF水泥中，存在着包括界面化学反应在内的较为复杂的复合增强作用。3、高密超细匀质水泥（DSP水泥）

继Birchall之后，美、苏、日等都相应开展研究，并推出了与此相似的DSP水泥，（含有超细颗粒均匀分布的致密材料）。即在硅酸盐水泥中掺入20%～25%的硅灰，同时采用高效减水剂将水灰比降到0.12～0.15，可使水泥石的抗压强度达到200～270MPa。另外，还有纤维增强水泥，水泥-聚合物-纤维三元复合材料等。水泥基材料在高强方面已有了突破性进展，其强度和韧性可与钢材相近，但其质量比钢材轻，耐腐蚀性能比钢材好。

第二节抗硫酸盐硅酸盐水泥定义：凡以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得的以硅酸钙为主的特定矿物组成的熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料，称为抗硫酸盐硅酸盐水泥，简称抗硫酸盐水泥。水泥石中引起硫酸盐腐蚀的两大因素：——氢氧化钙和水化铝酸钙。因此，水泥的抗硫酸盐性在很大程度上决定于水泥熟料的矿物组成及其相对含量。下图为不同熟料矿物组成配制的砂浆，在硫酸镁溶液中的膨胀情况。

试验表明，C3S或C2S中掺有C3A后，其膨胀率迅速增加。所以，从矿物组成方面提高水泥抗硫酸盐侵蚀的措施：（一）降低C3A含量，相应提高C4AF的含量。（二）降低C3S的含量，相应增加C2S的含量。所以，抗硫酸盐水泥熟料中C3A和C3S的含量必须加以限制。GB748规定，C3S和C3A的计算矿物含量分别不应超过50%和5%。C3A+C4AF的含量应小于22%。--------------这样生产出的熟料矿物组成一般为：C3S=40%～45%、C3S+C2S=77%～80%、C3A=2%～4%、C4AF=15%～18%、f-CaO＜0.5%。

抗硫酸盐水泥的标号分为325和425两个标号。见下表水泥标号抗折强度（MPa）抗压强度（MPa）3d7d28d3d7d28d3252.53.65.411.818.632.54253.34.56.315.724.542.5抗硫酸盐水泥适用于一般受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、隧涵、引水、道路和桥梁基础等工程。在我国，抗硫酸盐水泥已广泛应用于有硫酸盐侵蚀的工程，如成昆铁路的隧道工程、青海盐湖筑路工程、新疆公路工程以及一些海港工程等等。抗硫酸盐水泥一般可抵抗SO42-离子浓度不超过2500mg/L的纯硫酸盐的腐蚀。如果环境侵蚀水中SO42-离子浓度过高，则要用高抗硫酸盐水泥。高抗硫酸盐水泥熟料中铝酸三钙含量不大于2%，硅酸三钙含量不大于35%。高抗硫酸盐水泥可抗SO42-离子浓度为（1～2）×104mg/L，但这种水泥的早期强度较低，具有后期强度增进率高的特点。抗硫酸盐水泥具有较低的水化热，其他性能如胀缩、抗渗、弹性模量、抗冻等与硅酸盐水泥相似。

第三节膨胀水泥普通硅酸盐水泥在空气中硬化，通常都将产生收缩。一般收缩率平均在0.02%～0.03%，180天的收缩率平均在0.04～0.06%因此，水泥混凝土成型后，由于收缩内部会产生微裂缝而使其一系列性能下降。当用膨胀水泥配制混凝土时，在硬化过程中产生一定数值的膨胀，就可以克服或改善上述缺点。根据膨胀值和用途的不同，膨胀水泥可分为：收缩补偿水泥和自应力水泥两类。——收缩补偿水泥：膨胀值较低，限制膨胀时所产生的压应力，大致能抵消干缩所引起的拉应力，主要用以减少或防止混凝土的干缩裂缝。——自应力水泥：膨胀值较高，足以使干缩后的混凝土仍有较大的自应力，用以配制各种自应力混凝土。习惯上通常将补偿收缩的水泥称为膨胀水泥，用以配制自应力混凝土的膨胀水泥则称为自应力水泥。

一、制取膨胀水泥的工艺原理主要有三种方法：1、在水泥中掺入一定量的在特定温度下煅烧制得的氧化钙（生石灰），氧化钙水化时产生体积膨胀。2、在水泥中掺入一定量的在特定温度下煅烧制得的氧化镁（菱苦土），氧化镁水化时产生体积膨胀。3、在水泥浆体水化硬化过程的某一适当时机形成钙矾石，产生体积膨胀。由于氧化钙和氧化镁的水化膨胀性能不够稳定，较难控制。所以，在实际上得到广泛应用的是以钙矾石作为膨胀源的各种膨胀水泥。关于钙矾石产生膨胀的机理，存在着不同的假说，尚处在不断探索之中。——拉福姆理论：在高浓度的Ca(OH)2溶液中，钙矾石是通过固相反应形成，大量水进入结构中从而引起膨胀。但近代的研究表明，在低浓度的Ca(OH)2溶液中形成的钙矾石也会膨胀。（钙矾石的分布状态不同）——梅塔（P.K.Mehta)的理论：只有凝胶状的钙矾石粒子才是产生膨胀的根源。带负电荷的钙矾石粒子吸引周围的极性水分子，从而引起颗粒间的斥力，造成体系的膨胀。——我国国家建筑材料科学研究院的研究认为：只要溶液内有适当浓度的钙离子、铝酸盐和硫酸盐离子，能形成一定数量的钙矾石，就能产生膨胀。无论是分散状的钙矾石还是辐射状的都具有使浆体膨胀的能力。只不过前者分散填充在原来充水的空间，而后者以原始固相为依托，彼此交叉搭接，具有更为显著的膨胀能力。在一般情况下，铝酸盐离子由C3A、CA、C12A7、CA2等铝酸钙提供，二水石膏或无水石膏提供硫酸盐离子，硅酸钙水化提供钙离子。而无水硫铝酸钙则可同时提供上述各种离子。以钙矾石作为膨胀源的膨胀水泥可以分为三类：1、以硅酸盐水泥熟料为基材2、以高铝水泥熟料为基材3、以硫铝酸盐熟料为基材每一类别又可包括若干品种，见下表。

二、几个主要品种膨胀水泥的制造方法及性能

1、硅酸盐膨胀水泥和自应力水泥以适当比例的普通硅酸盐水泥、高铝水泥和天然二水石膏磨制而得的膨胀性的水硬性胶凝材料。普通硅酸盐水泥为强度组分，高铝水泥和二水石膏为膨胀组分。强度组分与膨胀组分必须协调。若水泥的强度发展过快，则膨胀值变小（自应力值变小）；若膨胀过大，则强度下降，甚至破坏。

硅酸盐膨胀水泥一般的配比为：普通硅酸盐水泥77～81%；高铝水泥12～14%；二水石膏7～9%（SO3<5%）.硅酸盐自应力水泥一般的配比为：普通硅酸盐水泥67～73%；高铝水泥12～15%；二水石膏15～18%。硅酸盐自应力水泥主要用于制造自应力混凝土压力管，采用离心成型工艺，成型后在80～90℃下蒸汽养护1.5～2h。70%的石膏已化合，剩余SO3为1.5～2.1%，强度达10～20MPa，然后水养护10天。剩余石膏与水化铝酸钙化合成钙矾石，产生自应力，每1%SO3可产生自应力值1.5～2.5MPa,10d后，要求剩余SO3在0.6%以下。硅酸盐自应力水泥其基本组成和性能相当于国外的M型膨胀水泥。2、浇注水泥（无收缩快硬水泥）是一种改性硅酸盐水泥，它是由优质硅酸盐水泥熟料、二水石膏和膨胀剂组成。浇注水泥的膨胀剂是采用经特定温度下煅烧所得并粉磨至特定细度的磨细生石灰或其他类型的膨胀剂。浇注水泥具有硬化快、早期强度高、后期强度继续增长等特点，还有微膨胀和不收缩性能。广泛应用于建筑工程中，现浇混凝土工程的接缝，机械设备安装的灌浆及一般的抢修、补强工程等。

第四节白色和彩色水泥白色和彩色水泥主要用于建筑装饰工程，可配制成彩色混凝土。具有价格低廉、耐久性好，能使装饰工程机械化等优点。一、白色硅酸盐水泥——是由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏磨细制成。（表8-15为白水泥熟料的组成）一般将Fe2O3的含量控制在0.5%以下，熟料即呈白色。

白色水泥的生产工艺与普通硅酸盐水泥相似，但原材料的选择以及磨机、输送设备的使用需仔细。为了提高水泥的白度，要采用立即喷水冷却。另外可将熟料在特殊的设备内进行漂白处理，将含Fe2O3的矿物还原为颜色较浅的含Fe3O4或FeO的矿物。还可在生料中加入适量的NaCl、CaCl2等氯化物。但此法只在湿法生产时有效。为了保护水泥的白度，粉磨熟料时加入的石膏应含杂质较少，同时水泥磨得越细，则白度越高。二、彩色水泥彩色水泥的制造方法有两种：一种是混合法，将着色剂以干式混合的方式混入白色水泥中，或在粉磨白色水泥和硅酸盐水泥时掺入着色剂。另一种是直接烧制法，是在水泥生料中掺入适量着色物质，煅烧成彩色熟料，然后磨制成彩色硅酸盐水泥。混合法常用的着色剂有氧化铁、二氧化锰、氧化铬等，要求对光和大气的耐久性好，不溶于水，分散性好，并能耐碱，对水泥石不起破坏作用。

第五节砌筑水泥在建筑施工中常用的砂浆标号一般为5.0MPa和2.5MPa。根据国标规定：凡由活性混合材加入适量的硅酸盐水泥熟料和石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料，总称为砌筑水泥。——以矿渣为主要组分的砌筑水泥，称为矿渣砌筑水泥，其矿渣掺入量不得少于70%；——以火山灰质混合材为主要组分的砌筑水泥，称为火山灰质砌筑水泥，其混合材的掺入量不得少于50%；——以粉煤灰为主要组分的砌筑水泥，称为粉煤灰砌筑水泥，其混合材的掺入量不得少于40%。三种混合材允许相互代替。砌筑水泥分为三个标号，即125、175、225号。砌筑水泥适用于工业与民用建筑的砌筑砂浆，内墙抹面砂浆及基础垫层等。

第六节

油井水泥定义：专用于油井、气井等固井工程的水泥，又称堵塞水泥。油井随着井深的增加，井底的温度和压力相应地不断提高。有的油井，井深达到7000米以上，井底温度可达200℃，井底压力高达125MPa。因此，高温高压对水泥各种性质的影响，是油井水泥生产和使用时的最主要的问题。