4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥

4.2.1 混合材料

为了改善水泥的某些性能，调节水泥强度等级，节约水泥熟料，提高水泥产量，降低成本，扩大水泥的适用范围，在硅酸盐水泥中掺入一定量的混合材料。凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，均属掺混合材料的硅酸盐水泥。按掺混合材料的品种和数量不同，可分为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥。

混合材料是指在水泥生产过程中，掺入磨细的天然或人工矿物质材料。混合材料根据矿物材料的性质，可分为活性混合材料和非活性混合材料。

1.活性混合材料

在常温条件下，能与水泥中水化产物氢氧化钙发生反应的混合材料，称为活性混合材料。活性混合材料本身没有水硬性或水硬性很弱，但在石灰或石灰与石膏共同作用下，则具有较强的水硬性。

（1）粒化高炉矿渣。高炉炼铁时的熔渣经急冷处理而成的质地疏松、多孔的细小颗粒，称为粒化高炉矿渣。矿渣的主要化学成分是CaO、SiO₂、Al₂O₃，其含量在90%以上，还有少量的MgO、FeO和一些硫化物。以CaO、Al₂O₃含量高而SiO₂含量低者活性较大，质量较好。矿渣的活性不仅取决于化学成分，而且在很大程度上取决于内部结构。矿渣熔体在淬冷成粒时，阻止了熔体向结晶结构转变而形成玻璃体，因此具有潜在水硬性。即粒化高炉矿渣在有少量激发剂的情况下，其浆体具有水硬性。

（2）火山灰质混合材料。火山灰质混合材料是指具有火山灰性质的物质，其本身没有水硬性，但将其磨细后，能与Ca（OH）₂反应生成有胶凝性的水化产物而产生强度的材料。

火山灰质混合材料按化学成分与矿物结构不同可分为以下几类：

1）烧黏土质材料。如烧黏土、煤渣、煤矸石、页岩渣等，主要活性成分为Al₂O₃。

2）火山灰玻璃质材料。以SiO₂为主要成分，含有一定量的Al₂O₃和少量的K₂O、Na₂O。它是高温熔体，经不同程度的急速冷却而成。其活性决定于化学成分和冷却速度，并与玻璃体含量有关。属于此类材料的有火山灰、凝灰岩、浮石。

3）含水硅酸质材料。此类材料的主要活性成分为无定形的含水硅酸SiO₂·12H₂O，如硅藻土、硅藻石、蛋白石及硅质渣等。

（3）粉煤灰。粉煤灰是指从火力发电厂燃烧烟气中收集起来的灰粉。以SiO₂和Al₂O₃为主要化学成分，含有少量的CaO，具有火山灰的性质。粉煤灰以玻璃体含量多、颗粒细、含碳量低质量为好。粉煤灰不经磨细，可直接掺入水泥或混凝土中。为了加速粉煤灰的开发和利用，国家制定了相应的标准，故将其单列为一类活性混合材料。

2.非活性混合材料

在常温条件下，不能与水泥中水化产物氢氧化钙发生反应的混合材料，称为非活性混合材料。这类材料本身不具有或具有微弱的水硬性或火山灰性，与水泥矿物成分不起化学反应，将其掺入硅酸盐水泥中，主要起调节水泥强度等级，增加水泥产量及降低水化热作用，故又称为填充性混合材料。

常用的非活性混合材料有石英砂、砂岩、黏土、黄土等。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，也可作非活性混合材料。

4.2.2 掺混合材料的硅酸盐水泥

1.普通硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、6%～20%的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号P·O。其组分应符合表4.6的规定。

（1）普通水泥的技术要求。

1）细度：比表面积不小于300m²/kg。

2）凝结时间：普通水泥初凝不小于45min，终凝不大于600min。

3）体积安定性：普通水泥的体积安定性、氧化镁含量、三氧化硫含量等技术要求与硅酸盐水泥相同。

4）强度等级：普通水泥分42.5、42.5R、52.5、52.5R等四个强度等级，各龄期的强度要求列于表4.7中。

（2）普通水泥的性质。普通水泥的性质与硅酸盐水泥接近，但由于掺入了少量混合材料，与同强度等级硅酸盐水泥相比，早期硬化速度稍慢，3d强度稍低，抗冻与耐磨性也稍差。

（3）普通水泥的应用。普通硅酸盐水泥的应用范围与硅酸盐水泥的应用范围基本相同。

2.矿渣硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥），代号P·S。按粒化高炉矿渣的掺量分为A、B两种，即代号分别为P·S·A和P·S·B，其组分应符合表4.6的规定。

（1）矿渣水泥的技术标准。矿渣水泥的凝结时间、体积安定性的要求与普通硅酸盐水泥相同。

矿渣水泥的细度以筛余百分率表示，其在80μm方孔筛上的筛余百分率不大于10%或在45μm方孔筛上的筛余百分率不大于30%。

矿渣水泥按强度不同，可分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等6个强度等级，各龄期的强度要求列于表4.8中。

（2）矿渣水泥的特性。矿渣水泥与硅酸盐水泥相比具有以下特性：

1）抗溶出性腐蚀及抗硫酸盐腐蚀能力强。矿渣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Ca（OH）₂与矿渣作用，生成稳定的水化硅酸钙与水化铝酸钙，使水泥石中的Ca（OH）₂降低，提高了抗溶出性腐蚀的能力。另外，矿渣水泥中，容易受到硫酸盐腐蚀的水化铝酸三钙大大降低，故有较强的抗硫酸盐腐蚀的能力。因此，矿渣水泥适用于水下、地下工程及海港工程。

2）水化热低。由于矿渣水泥熟料减少，水化时发热量较高的C₃S和C₃A含量也相对减少。因此，矿渣水泥的水化热低，宜用于大体积混凝土工程。

3）早期强度较低，后期强度增长率大。由于矿渣中的活性SiO₂与Al₂O₃和Ca（OH）₂反应，在常温下是比较缓慢的，故早期硬化慢、强度低，但在硬化后期（28d以后），由于混合材料中大量活性氧化物与熟料水化时析出的Ca（OH）₂产生二次反应，使水化硅酸钙凝胶数量增多，使水泥石强度不断增长，最后甚至超过同强度等级硅酸盐水泥的强度。

4）环境温度对凝结硬化的影响较大。矿渣水泥在低温下凝结硬化慢，一般冬季施工不宜采用矿渣水泥，如采用此种水泥，必须加强养护，采取保温措施。矿渣水泥在湿热条件下，其强度增长超过硅酸盐水泥，故适用于蒸汽养护的混凝土构件。

5）保水性差，易泌水。水泥浆能将一定量拌和水保留起来的性能，称为保水性。当水量超过保水能力时，一部分水从水泥浆中析出，这种析出水分的性质称为泌水性。

矿渣不易磨细，且亲水性差，故矿渣水泥保水性差，易泌水。这样在混凝土中容易造成毛细管通路及水囊，水分蒸发后形成孔隙，降低混凝土均匀性。所以，矿渣水泥不宜用于有抗渗要求的混凝土工程。

6）干缩较大。水泥浆在空气中硬化时，由于水分蒸发，体积有微小的收缩称为干缩。矿渣水泥由于保水性差，故干缩大，使用时注意加强早期养护。

7）抗冻、耐磨性差。矿渣水泥抗冻性及耐磨性均较硅酸盐水泥差。因此，不宜用于承受冻融交替作用的部位，特别是严寒地区水位经常变化部位及高速挟砂的水流冲刷部位。

8）易碳化。矿渣水泥石中Ca（OH）₂浓度较低，因而碳化速度快。碳化后的混凝土碱度降低，易使钢筋生锈，影响混凝土结构的耐久性。

9）耐热性强。由于矿渣水泥硬化后，Ca（OH）₂含量低，矿渣本身又是耐火掺和料，因此矿渣水泥具有较高的耐热性，可配制耐热混凝土，适用于制作冶炼车间、锅炉房等工程（温度不高于200℃）。

3.火山灰质硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号P·P。其组分应符合表4.6的规定。

火山灰水泥对细度、凝结时间、体积安定性和强度等级的划分及各强度等级水泥的强度要求与矿渣水泥相同。

火山灰水泥的抗软水侵蚀能力、水化热、强度及其增长速度、环境温度对凝结硬化的影响、碳化性能等与矿渣水泥基本相同。

火山灰水泥的抗冻和耐磨性比矿渣水泥差，干缩比矿渣水泥大，不宜用于路面或长期处于干燥环境中的混凝土工程。

火山灰水泥需水量大，一般不泌水，抗渗性能好。

4.粉煤灰硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥），代号P·F。其组分应符合表4.6的规定。

粉煤灰水泥对细度、凝结时间、体积安定性、强度等级划分及各龄期强度要求与矿渣水泥相同。

粉煤灰水泥的性质与火山灰水泥十分相似，但也有其特性：

粉煤灰水泥中的粉煤灰，多为圆球形的玻璃体，较致密，吸附水的能力小，在混凝土中能起润滑作用，故拌制的混凝土和易性好。

粉煤灰水泥的比表面积较小，因而该水泥干缩性小，抗裂性较好。

由于粉煤灰水泥具有水化热低、抗侵蚀性好、干缩性小、抗裂性好等特点，所以特别适用于大体积混凝土工程。

5.复合硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P·C。其组分应符合表4.6的规定。

复合水泥的细度、凝结时间、体积安定性、强度等级划分及各龄期强度要求与矿渣水泥相同。

复合水泥的性能取决于所掺混合材料的品种、数量及相对比例。复合水泥由于采用了复合混合材料，所以综合性能好，耐腐蚀性强，水化热小，抗渗性好，早期强度大于同强度等级的矿渣水泥、火山灰质水泥和粉煤灰水泥。因此，复合水泥的用途较其他水泥更为广泛。

6.6种通用硅酸盐水泥的特性及应用

6种水泥的特性及适用范围见表4.9。

通用硅酸盐水泥的选用参见表4.10。