水泥☆ 知識點
1.矽酸鹽水泥熟料的礦物組成、特性、凝結硬化的過程、技術性質及應用。
2.普通矽酸鹽水泥、礦渣矽酸鹽水泥、火山灰矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥、復合矽酸鹽水泥組成、技術性質及應用。
★ 要求
掌握：1.矽酸鹽水泥熟料的礦物組成、特點、技術性質及標準要求、檢測方法。
2.其他通用水泥的特點（與矽酸鹽水泥相比較）、工程中的應用。
了解：1.水泥的生產原料、生產過程及它們對水泥效能的影響。
2.水泥的凝結硬化過程及機理。
水泥屬於水硬性膠凝材料，是建築工程中最為重要的建築材料之一，工程中主要用於配製混凝土、砂漿和灌漿材料。
水泥的品種繁多，按其礦物組成，水泥可分為矽酸鹽系列、鋁酸鹽系列、硫酸鹽系列、鐵鋁酸鹽系列、氟鋁酸鹽系列等。按其用途和特性又可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥。
通用水泥是指目前建築工程中常用的六大水泥，即矽酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥、礦渣矽酸鹽水泥、火山灰矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥、復合矽酸鹽水泥；專用水泥是指有專門用途的水泥，如砌築水泥、大壩水泥、道路水泥、油井水泥等；而特性水泥是指具有與常用水泥不同的特性，多用於有特殊要求的工程，主要品種有快硬矽酸鹽水泥、快凝矽酸鹽水泥、抗硫酸鹽水泥、膨脹水泥、白色矽酸鹽水泥等。
水泥品種雖然很多，但矽酸鹽系列水泥是產量最大、應用範圍最廣的，因此，本章對矽酸鹽系列水泥作重點介紹，對其他水泥只作一般的介紹。
1.矽酸鹽水泥的定義
凡由矽酸鹽水泥熟料、0%～5%石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料，稱為矽酸鹽水泥(即國外通稱的波特蘭水泥)。根據是否摻入混合材料將矽酸鹽水泥分兩種型別，不摻加混合材料的稱為i型矽酸鹽水泥，代號p.i；在矽酸鹽水泥粉磨時摻加不超過水泥質量5%石灰石或粒化高爐礦渣混合材料的稱ⅱ型矽酸鹽水泥，代號p.
ⅱ。矽酸鹽水泥是矽酸鹽水泥系列的基本品種，其他品種的矽酸鹽水泥都是在矽酸鹽水泥熟料的基礎上，摻入一定量的混合材料制得，因此要掌握矽酸鹽系列水泥的效能，首先要了解和掌握矽酸鹽水泥的特性。
2.矽酸鹽水泥的原料及生產
生產矽酸鹽水泥的原料主要有石灰質原料、粘土質原料兩大類，此外再配以輔助的鐵質和矽質校正原料。其中石灰質原料主要提供cao，它可採用石灰石、石灰質凝灰岩等；粘土質原料主要提供sio2、al2o3及少量的fe2o3，它可採用粘土、粘土質頁岩、黃土等；鐵質校正原料主要補充fe2o3，可採用鐵礦粉、黃鐵礦渣等；矽質校正原料主要補充sio2，它可採用砂岩、粉砂岩等。
矽酸鹽水泥生產過程是將原料按一定比例混合磨細，先制得具有適當化學成分的生料，再將生料在水泥窯（迴轉窯或立窯）中經過1400～1450℃的高溫煅燒至部分熔融，冷卻後而得矽酸鹽水泥熟料，最後再加適量石膏（不超過水泥質量5%的石灰石或粒化礦渣）共同磨細至一定細度即得p.i（p.ⅱ）型矽酸鹽水泥。
水泥的生產過程可概括為「兩磨一燒」，其生產工藝流程如圖4.1所示。
圖4.1 矽酸鹽水泥生產示意圖
3.矽酸鹽水泥熟料礦物組成及特性
生料開始加熱時，自由水分逐漸蒸發而乾燥，當溫度上公升到500～800℃時，首先是有機物被燒盡，其次是粘土分解形成無定型的sio2及al2o3，當溫度到達800～1000℃時，石灰石進行分解形成cao，並開始與粘土中sio2、al2o3，及fe2o3發生固相反應，隨溫度的公升高，固相反應加速，並逐漸生成2cao·sio2、3cao·al2o3及4cao·al2o3·fe2o3。當溫度達到1300℃時，固相反應結束。這時在物料中仍剩餘一部分cao未與其他氧化物化合。
當溫度從1300℃公升至1450℃再降到1300℃，這是燒成階段，這時的3cao·al2o3及4cao·al2o3·fe2o3燒至部分熔融狀態，出現液相，把剩餘的cao及部分2cao·sio2溶解於其中，在此液相中，2cao·sio2吸收cao形成3cao·sio2。此燒成階段至關重要，需達到較高的溫度並要保持一定的時間，否則，水泥熟料中3cao·sio2含量低，游離cao含量高，對水泥的效能有較大的影響。
矽酸鹽水泥熟料礦物成分及含量如下：
矽酸三鈣3cao·sio2，簡寫c3s，含量45%～60%；
矽酸二鈣2cao·sio2，簡寫c2s，含量15%～30%；
鋁酸三鈣3cao·al2o3，簡寫c3a，含量6%～12%；
鐵鋁酸四鈣4cao·al2o3·fe2o3，簡寫c4af，含量6%～8%。
在以上的礦物組成中，矽酸三鈣和矽酸二鈣的總含量大約佔75%以上，而鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的總含量僅佔25%左右，矽酸鹽佔絕大部分，故名矽酸鹽水泥。除上述主要熟料礦物成分外，水泥中還有少量的游離氧化鈣、游離氧化鎂，其含量過高，會引起水泥體積安定性不良。水泥中還含有少量的鹼（na2o、k2o），鹼含量高的水泥如果遇到活性骨料，易產生鹼-骨料膨脹反應。
所以水泥中游離氧化鈣、游離氧化鎂和鹼的含量應加以限制。
各種礦物單獨與水作用時，表現出不同的效能，詳見表4.1。
表4.1 矽酸鹽水泥熟料礦物特性
各熟料礦物的強度增長情況如圖4.2所示。水化熱的釋放情況如圖4.3所示。
圖4.2 不同熟料礦物的強度增長曲線圖
圖4.3 不同熟料礦物的水化熱釋放曲線圖
由表4-1及圖4-2、4-3可知，不同熟料礦物單獨與水作用的特性是不同的。
1）矽酸三鈣的水化速度較快，早期強度高，28天強度可達一年強度的70%～80%；水化熱較大，且主要是早期放出，其含量也最高，是決定水泥性質的主要礦物。
2）矽酸二鈣的水化速度最慢，水化熱最小，且主要是後期放出，是保證水泥後期強度的主要礦物，且耐化學侵蝕性好。
3）鋁酸三鈣的凝結硬化速度最快（故需摻入適量石膏作緩凝劑），也是水化熱最大的礦物。其強度值最低，但形成最快，3天幾乎接近最終強度。但其耐化學侵蝕性最差，且硬化時體積收縮最大。
4）鐵鋁酸四鈣的水化速度也較快，僅次於鋁酸三鈣，其水化熱中等，且有利於提高水泥抗拉（折）強度。
水泥是幾種熟料礦物的混合物，改變礦物成分間比例時，水泥性質即發生相應的變化，可製成不同效能的水泥。如增加c3s含量，可製成高強、早強水泥（我國水泥標準規定的r型水泥）。若增加c2s含量而減少c3s含量，水泥的強度發展慢，早期強度低，但後期強度高，其更大的優勢是水化熱降低。
若提高c4af的含量，可製得抗折強度較高的道路水泥。
4.矽酸鹽水泥的水化與凝結硬化
水泥與適量的水拌合後，最初形成具有可塑性的漿體，隨著水化反應的進行，水泥漿體逐漸變稠失去可塑性，但尚不具有強度，這一過程稱為水泥的「凝結」。隨後凝結了的水泥漿體開始產生強度，並逐漸發展成為堅硬的水泥石，這一過程稱為「硬化」。水泥的水化貫穿凝結、硬化過程的始終，在幾十年齡期的水泥製品中，仍有未水化的水泥顆粒。
水泥的水化、凝結、硬化過程如圖4.4所示。
圖4.4 水泥的水化、凝結與硬化示意圖
(1)水泥的水化反應
水泥加水後，熟料礦物開始與水發生水化反應，生成水化產物，並放出一定的熱量，其反應式如下
3cao·sio2 + 6h2o → 3cao·2sio2·3h2o + 3ca(oh)2
矽酸三鈣水化矽酸鈣（凝膠體） 氫氧化鈣（晶體）
2(2cao·sio2)+ 4h2o → 3cao·2sio2·3h2o + ca(oh)2
矽酸二鈣水化矽酸鈣（凝膠體） 氫氧化鈣（晶體）
3cao·al2o3 + 6h2o → 3cao·al2o3 ·6h2o
鋁酸三鈣水化鋁酸鈣（晶體）
4cao·al2o3·fe2o3+ 7h2o → 3cao·al2o3 ·6h2o + cao·fe2o3·h2o
鐵鋁酸四鈣水化鋁酸鈣（晶體） 水化鐵酸鈣（凝膠體）
在四種熟料礦物中，c3a的水化速度最快，若不加以抑制，水泥的凝結過快，影響正常使用。為了調節水泥凝結時間，在水泥中加入適量石膏共同粉磨，石膏起緩凝作用，其機理為：熟料與石膏一起迅速溶解於水，並開始水化，形成石膏、石灰飽和溶液，而熟料中水化最快的c3a的水化產物3cao·al2o3 ·6h2o在石膏、石灰的飽和溶液中生成高硫型水化硫鋁酸鈣，又稱鈣礬石，反應式如下
3cao·al2o3 ·6h2o + 3(caso4·2h2o) + 19h2o → 3cao·al2o3·3caso4·31h2o
水化鋁酸鈣石膏水化硫鋁酸鈣（鈣礬石晶體）
鈣礬石是一種針狀晶體，不溶於水，且形成時體積膨脹1.5倍。鈣礬石在水泥熟料顆粒表面形成一層較緻密的保護膜，封閉熟料組分的表面，阻滯水分子及離子的擴散，從而延緩了熟料顆粒，特別是c3a的水化速度。
加入適量的石膏不僅能調節凝結時間達到標準所規定的要求，而且適量石膏能在水泥水化過程中與c3a生成一定數量的水化硫鋁酸鈣晶體，交錯地填充於水泥石的空隙中，從而增加水泥石的緻密性，有利於提高水泥強度，尤其是早期強度的發揮。但如果石膏摻量過多，會引起水泥體積安定性不良。
矽酸鹽水泥主要水化產物有：水化矽酸鈣凝膠體、水化鐵酸鈣凝膠體，氫氧化鈣晶體、水化鋁酸鈣晶體和水化硫鋁酸鈣晶體。在完全水化的水泥石中，水化矽酸鈣約佔50%，氫氧化鈣約佔25%。
(2)矽酸鹽水泥的凝結與硬化
水泥的凝結硬化是個非常複雜的物理化學過程，可分為以下幾個階段。
水泥顆粒與水接觸後，首先是最表層的水泥與水發生水化反應，生成水化產物，組成水泥—水—水化產物混合體系。反應初期，水化速度很快，不斷形成新的水化產物擴散到水中，使混合體系很快成為水化產物的飽和溶液。此後，水泥繼續水化所生成的產物不再溶解，而是以分散狀態的顆粒析出，附在水泥粒子表面，形成凝膠膜包裹層，使水泥在一段時間內反應緩慢，水泥漿的可塑性基本上保持不變。
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