3.2 混合材料及掺有混合材料的硅酸盐水泥
3.2.1 混合材料
为了能改善硅酸盐水泥的某些性能，调节水泥强度等级，增加品种，提高产量，降低成本，扩大水泥的使用范围，在水泥生产时，所掺入的天然或人工矿物材料，称为混合材料。按其是否与水泥可发生化学反应分为活性混合材料和非活性混合材料。在硅酸盐水泥中掺入一定量的混合材料，不仅具有显著的技术经济效益，同时可以综合利用大量工业废渣，具有环保和节能的重要意义。
1.活性混合材料
活性混合材料是天然或人工的矿物质材料，经粉磨加水后，本身不硬化或硬化很慢，但与其他胶凝材料（石灰、水泥、石膏）与水拌和后，不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化，并具有一定的强度，这类物质即称为活性混合材料。其水化反应式如下：
xCa(OH)2+SiO2+mH2O—→xCaO·SiO2 ·nH2O
xCa(OH)2+Al2O3+mH2O—→yCaO·Al2O3 ·nH2O
将活性混合材料掺入硅酸盐水泥中与水拌和后，首先开始反应的是硅酸盐水泥熟料的水化，其部分水化产物为氢氧化钙。进而活性混合材料在激发剂氢氧化钙、石膏的作用下发生水化反应（称为二次水化反应）。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。二次水化反应的速度较慢，受温度影响敏感。温度高时，水化速度加快，强度增长迅速；反之，水化减慢，强度增长也随之缓慢下来。反应式中的x、y值取决于混合材料的种类、石灰和活性氧化硅及活性氧化铝的比例、环境温度以及作用所延续的时间等；m一般为1或稍大；n值一般为1～2.5。
在活性混合材料的水化反应中，可以看出，活性混合材料的活性是在氢氧化钙和石膏作用下才激发出来的，故称它们为活性混合材料的激发剂，氢氧化钙称为碱性激发剂，石膏称为硫酸盐激发剂。
水泥中常用的活性混合材料有以下三种：
（1）粉煤灰。从火力发电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉尘，称粉煤灰。从粉煤灰的化学成分来看，粉煤灰属于火山灰质混合材料一类，但粉煤灰结构致密，性质与火山灰质混合材料有所不同，化学成分以SiO2、Al2O3为主，并含有少量Fe2O3、CaO。
（2）粒化高炉矿渣。高炉冶炼生铁时所得以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物，经骤冷粒化后的产品称为粒化高炉矿渣。它属冶金行业高炉冶炼生铁时的工业废渣，是目前国内水泥工业中用量最大、质量最好的活性混合材料。但若是经慢冷（缓慢冷却）后的产品则呈块状或细粉状，不具有活性，属非活性混合材料。高炉矿渣的化学成分主要有CaO、SiO2、Al2O3，占到总量的90%以上。
（3）火山灰质混合材料。凡天然的或人工的以活性氧化硅和活性氧化铝为主要成分的矿物质材料，本身磨细加水拌和并不硬化，但与气硬性石灰混合后再加水拌和，不但能在空气中硬化而且能在水中继续硬化的，称为火山灰质混合材料。火山灰质混合材料的化学成分以SiO2、Al2O3为主，其含量占70%左右，而CaO含量较低。按其成因分为天然的和人工的两类。天然的火山灰质混合材料有火山灰、硅藻土、凝灰岩、浮石等；人工的火山灰质混合材料有煅烧的煤矸石、烧黏土、烧页岩、煤渣等。
火山灰质混合材料结构上的特点是疏松多孔，内比表面积大，易反生反应。
以上常用的三种活性混合材料均应符合国家标准规定的水泥活性混合材料的技术要求，具体规定有《用于水泥中的粒化高炉矿渣》（GB/T 203—2008）、《用于水泥中的火山灰质混合材料》（GB/T 2847—2005）和《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）。
2.非活性混合材料
非活性混合材料磨成细粉与石灰加水拌和后，不能或很少生成具有水硬性的水化产物。常用的非活性混合材料有磨细的石英砂、石灰石、黏土、慢冷矿渣、黏土、黄土、不符合技术要求的粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料及粉煤灰等。它们与水泥成分不起化学作用或化学作用很小，掺入硅酸盐水泥中仅起提高水泥产量、调节水泥强度等级和减少水化热等作用。当采用高强度等级水泥拌制强度较低的砂浆或混凝土时，可掺入非活性混合材料以代替部分水泥，起到降低成本及改善砂浆或混凝土和易性的作用，因此，又称为填充性混合材料。
对于非活性混合材料的品种要求主要是应具有足够的细度，不含或极少含对水泥有害的杂质。
3.2.2 普通硅酸盐水泥
1.定义
普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）代号P·O。普通硅酸盐水泥是在硅酸盐水泥熟料中掺入大于5%，且不大于20%的活性混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量8%的非活性混合材料来代替。
2.技术要求
（1）细度要求比表面积不小于300m2/kg。
（2）初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。
（3）体积安定性经沸煮法检验必须合格。
（4）MgO含量不得超过5.0%，如果水泥经压蒸安定性试验合格，则MgO含量允许放宽到6.0%。
（5）SO3含量不得超过3.5%。
（6）普通硅酸盐水泥根据3d和28d的抗压强度、抗折强度划分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。其不同龄期的强度应符合表3.5的规定。
3.基本性能与应用
普通硅酸盐水泥的成分中，由于混合材料掺量较少，故其性质与硅酸盐水泥基本相同，略有差异。其在应用方面与硅酸盐水泥也基本相同，并且有一些硅酸盐水泥不能应用的地方普通硅酸盐水泥也可以用，这使得普通硅酸盐水泥成为建筑行业应用面最广，使用量最大的水泥品种，广泛用于制作各种砂浆和混凝土。
与硅酸盐水泥相比，主要特性及应用如下：
（1）强度略低。普通硅酸盐水泥水化反应速度快，早期和后期强度都高。可用于现浇混凝土楼板、梁、柱、预制混凝土构件。也可用于预应力混凝土结构，高强混凝土工程。
（2）水化热大、抗冻性好。由于普通硅酸盐水泥水化反应速度快，硅酸三钙和硅酸二钙的含量高，因此，水化热较大，有利于冬季施工。但由于水化热较大，不宜用于大体积的混凝土工程。普通硅酸盐水泥结构密实，抗冻性好。适合于严寒地区遭受反复冻融的工程及抗冻性要求较高的工程，如大坝的溢流面、混凝土路面工程。
（3）干缩小、耐磨性较好。普通硅酸盐水泥硬化时干缩小，不易产生干缩裂缝。可用于干燥环境工程。由于干缩小，表面不易起粉，因此耐磨性较好，可用于道路工程中。
（4）抗碳化性较好。普通硅酸盐水泥在水化后，水泥石中含有较多的氢氧化钙，碳化时水泥的碱度下降少，对钢筋的保护作用强，可用于空气中二氧化碳浓度较高的环境中，如热处理车间等。
（5）耐腐蚀性差。普通硅酸盐水泥水化后，含有大量的氢氧化钙和水化铝酸钙，因此，其耐软水和耐化学腐蚀性差，不能用于海港工程、抗硫酸盐工程。
（6）不耐高温。当水泥石处在高温时，水泥石中的水化硅酸钙开始脱水，造成水泥石强度降低，甚至破坏，所以普通硅酸盐水泥不适合于温度高于250℃的混凝土工程，如工业窑炉和高温炉基础。
3.2.3 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥
1.定义
（1）矿渣硅酸盐水泥。简称矿渣水泥，分为两种，代号分别为P·S·A和P·S·B。
P·S·A型水泥是在硅酸盐水泥熟料中掺入大于20%，且不大于50%的粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
P·S·B型水泥是在硅酸盐水泥熟料中掺入大于50%，且不大于70%的粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
矿渣水泥中粒化高炉矿渣的含量允许用符合要求的活性混合材料、非活性混合材料或窑灰中的任一种代替。其代替数量不得超过水泥质量的8%。
矿渣硅酸盐水泥是中国目前产量最大的水泥品种，与普通硅酸盐水泥相比，矿渣硅酸盐水泥的颜色较浅，相对密度较小，水化热较低，耐蚀性和耐热性较好，但泌水性较大，抗冻性较差，早期强度较低，后期强度增进率较高，因此需要较长的养护期。矿渣水泥可用于地面、地下、水中各种混凝土工程，也可用于高温车间的建筑，但不宜用于要求早期强度高、受冻融循环影响、干湿交替影响的工程。
（2）火山灰质硅酸盐水泥。简称火山灰水泥，代号P·P。火山灰质硅酸盐水泥是在硅酸盐水泥熟料中掺入大于20%，且不大于40%的火山灰质混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
与普通水泥相比，火山灰质硅酸盐水泥相对密度小，水化热低，耐蚀性好，需水性（使水泥浆体达到一定流动性时所需要的水量）和干缩性较大，抗冻性较差，早期强度低，但后期强度发展较快，环境条件对火山灰水泥的水化和强度发展影响显著，潮湿环境有利于水泥强度发展。火山灰水泥一般适用于地下、水中及潮湿环境的混凝土工程，不宜用于干燥环境、受冻融循环和干湿交替以及需要早期强度高的工程。
（3）粉煤灰硅酸盐水泥。简称粉煤灰水泥，代号P·F。粉煤灰水泥是在硅酸盐水泥熟料中掺入大于20%，且不大于40%的粉煤灰混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
粉煤灰硅酸盐水泥除具有火山灰质硅酸盐水泥的特性外（如早期强度虽低，但后期强度增进率较大，水化热较低等），还具有需水性及干缩性较小，和易性、抗裂性和抗硫酸盐侵蚀性好等性能。适用于大体积水工建筑，也可用于一般工业和民用建筑。
2.技术要求
（1）细度要求80μm方孔筛筛余不得超过10%或45μm方孔筛筛余不得超过30%。
（2）初凝时间不早于45min，终凝时间不迟于10h。
（3）氧化镁含量不得超过6.0%。
（4）矿渣水泥中SO3含量不得超过4.0%，粉煤灰水泥和火山灰水泥中SO3含量不得超过3.5%。
（5）体积安定性经沸煮法检验必须合格。
（6）矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥按3d和28d的抗压强度、抗折强度分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5，52.5R六个强度等级，不同龄期的强度应符合表3.5的规定。
3.基本性能与应用
矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥在生产时都是在硅酸盐水泥熟料中掺加了较多的混合材料，使得这三种水泥中水泥熟料大为减少。由于活性混合材料能与水泥中的水化产物发生二次反应，因此这三种水泥具有许多共性。但因三种水泥中所掺加混合材料的品种及数量有所不同，所以它们又具有各自的特性。
（1）三种水泥的共性：
1）早期强度低、后期强度发展高。掺大量混合材料的水泥凝结硬化慢，早期强度低，但硬化后期，随着二次水化反应水硬性物质数量的增多，水泥石强度不断增长，最后可以赶上甚至超过同强度等级的硅酸盐水泥。因早期强度较低，不适合用于早期强度要求高的混凝土工程，如冬季施工、现浇混凝土工程等。
2）对温度敏感。在蒸汽养护高温高湿环境中，活性混合材料参与的二次反应会加速进行，强度提高幅度较大。此类水泥在湿热条件下，其强度增长超过硅酸盐水泥，所以此类水泥适用于蒸汽养护的混凝土构件。
3）耐腐蚀性好。此类水泥中熟料相对较少，C3S和C3A含量也相对减少，而且水化过程中析出的氢氧化钙与活性混合材料发生二次反应，使水泥石中的氢氧化钙降低，使得抗软水、抗酸、抗盐侵蚀的能力明显提高。此类水泥适合用于有硫酸盐、镁盐、软水等腐蚀作用的环境，如水工、海港、码头等混凝土工程。
4）水化热低。由于此类水泥中熟料含量较少，水化放热高的硅酸三钙、铝酸三钙矿物含量也相对减少，且二次反应速度慢，所以此类水泥水化热低，适合用于大体积混凝土工程。但不宜用于冬季施工工程。
5）抗冻性差、耐磨性差。与硅酸盐水泥相比，此类水泥抗冻性、耐磨性差。因此，不宜用于承受反复冻融作用的工程，特别是不宜用于严寒地区水位经常变化部位及高速挟沙的水流冲刷部位。
6）抗碳化性较差。此类水泥石中氢氧化钙浓度较低，抗碳化能力差，易使钢筋生锈，影响混凝土结构的耐久性，故不宜用于重要钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土工程；也不宜用于CO2含量高的工业厂房，如铸造、翻砂车间。
（2）三种水泥各自的特性：
1）矿渣硅酸盐水泥难以磨细，泌水性较大，干缩性较大，不适合用于有抗冻性要求的混凝土工程。由于矿渣的耐火性强，适合用于有耐热要求（温度不高于200℃）的混凝土工程，如冶炼车间、锅炉房等工程。
2）火山灰质硅酸盐水泥，颗粒较细，疏松多孔，内比表面积大，需水量大，泌水性较小，在潮湿环境下养护时，可以产生较多的水化产物，所以水泥石结构致密，抗渗性强。此种水泥适合用于有抗渗性要求的混凝土工程。但处于干燥环境中时，所吸水分蒸发，硬化时会产生较大的干缩，因此不适合用于长期干燥环境中的混凝土工程，也不宜用于有耐磨性要求的混凝土工程。
3）粉煤灰硅酸盐水泥，颗粒细且呈球形，比表面积小，结构比较致密且稳定，对水的吸附能力小，在混凝土中能起润滑作用，故拌制的混凝土和易性好。这种水泥干缩性较小，抗裂性好；该水泥泌水较快，容易引起失水裂缝，所以施工过程中，要适当增加抹面次数，在硬化早期宜加强养护，以保证粉煤灰水泥混凝土强度的正常发展。粉煤灰水泥早期强度和水化热比矿渣水泥和火山灰质水泥的早期强度和水化热还要低，特别适用于大体积混凝土工程以及地下和海港工程等。
3.2.4 复合硅酸盐水泥
1.定义
复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P·C。复合硅酸盐水泥是在硅酸盐水泥熟料中掺入了两种或两种以上符合标准规定的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。
2.技术要求
同火山灰水泥和粉煤灰水泥的技术要求。
3.基本性能与应用
复合硅酸盐水泥由于掺入了两种以上的混合材料，起到了互相取长补短的作用，其效果大大优于只掺一种混合材料的水泥。其早期强度接近于普通水泥，而其他性能优于矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥，因而复合水泥更加扩大了混合材料的使用范围，其用途也更为广泛，是一种很有发展前途的水泥。
复合水泥的性能与所掺主要混合材料的品种有关。如以矿渣为主要混合材料，其性质与矿渣水泥接近；如以火山灰质材料为主要混合材料，其性质与火山灰水泥接近。使用复合水泥时，应当了解水泥中主要混合材料的品种，为此，标准规定在包装袋上要标明主要混合材料的名称。
3.2.5 通用硅酸盐水泥的应用
以上介绍的六种水泥，包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥统称为通用水泥，是土木建筑工程中用途最广、用量最大的水泥品种。为了便于对比学习，正确选择使用水泥，将其主要特性列于表3.6中。
表3.6 通用水泥的主要特性
六种通用水泥的矿物组成不尽相同，所以各有其特性。在工程应用中，根据工程所处的环境条件、建筑物的特点及混凝土所处部位，正确选择水泥品种尤为重要。通用水泥的选用见表3.7。
水泥强度等级的选用原则应根据混凝土的性能要求来考虑。高强度等级的水泥适用于配制高强度等级的混凝土或对早强有特殊要求的混凝土；低强度等级的水泥适用于配制低强度等级的混凝土或配制砌筑砂浆等。水泥强度等级越高，其抗冻性及耐磨性越好。
表3.7 通用水泥的选用
续表
3.2.6 通用水泥的包装与保管
1.包装
水泥的包装分为袋装（质量要求）和散装，袋装水泥每袋净含量50kg，且不少于标志质量的98%，随机抽取20袋，总质量不得少于1000kg。其他包装形式由供需双方协商确定，但有关袋装质量要求必须符合上述原则。
水泥包装袋上应清楚标明：执行标准、水泥品种、代号、强度等级、生产者名称、生产许可证标志（QS）及编号、出厂编号、包装日期、净含量。包装袋两侧应根据水泥的品种采用不同的颜色印刷水泥名称和强度等级。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥采用红色，矿渣硅酸盐水泥采用绿色，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采用黑色或蓝色。
散装水泥发运时应提交与袋装标志相同内容的卡片。
2.保管
水泥储运保管时要防潮、防水和防漏；不同生产厂、不同品种、不同强度等级和不同出厂日期的水泥要分别存放；水泥不得和石灰、石膏、化肥等粉状物混存同一仓库内，散装水泥须分库储存；存放袋装水泥时，地面垫板要离地30cm，四周离墙30cm；袋装水泥的堆放高度不得超过10袋，最多不超过15袋；储存时要按照到货先后，依次堆放，先存先用，一般存放时间不超过3个月，存放期越长，强度降低值也越大，通常存放3个月以上的水泥，其强度降低10%～20%，超过3个月的水泥须重新试验，确定其标号，按其实际强度使用。如果水泥受潮后，要视受潮程度作出处理，具体见表3.8。
表3.8 受潮水泥的鉴别、处理和使用
