3.3 掺混合材料的硅酸盐水泥

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于掺混合材料的硅酸盐水泥。在硅酸盐水泥熟料中掺加一定量的混合材料，能改善水泥的性能，增加水泥品种，提高产量，调节水泥的强度等级，扩大水泥的使用范围。掺混合材料的硅酸盐水泥有普通硅酸盐水泥、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。

3.3.1 混合材料的种类

用于水泥中的混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料两大类。

1.活性混合材料

磨成细粉掺入水泥后，能与水泥水化产物的矿物成分起化学反应，生成水硬性胶凝材料，凝结硬化后具有强度并能改善硅酸盐水泥的某些性质，称为活性混合材料。常用活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰。

（1）粒化高炉矿渣。粒化高炉矿渣是炼铁高炉的熔融矿渣经急速冷却而成的质地疏松、多孔的颗粒状材料。粒化高炉矿渣中的活性成分，主要是活性Al₂O₃和SiO₂，即使在常温下也可与Ca（OH）₂起化学反应并产生强度。在含CaO较高的碱性矿渣中，因其中还含有2CaO·SiO₂等成分，故本身具有弱的水硬性。

（2）火山灰质混合材料。这类材料是具有火山灰活性的天然的或人工的矿物质材料，火山灰、凝灰岩、硅藻石、烧黏土、煤渣、煤矸石渣等都属于火山灰质混合材料。这些材料都含有活性的Al₂O₃和SiO₂，经磨细后，在Ca（OH）₂的碱性作用下，可在空气中硬化，而后在水中继续硬化增加强度。

（3）粉煤灰。是发电厂锅炉用煤粉做燃料，从其烟气中排出的细颗粒废渣，称为粉煤灰。粉煤灰中含有较多的活性Al₂O₃、SiO₂，与Ca（OH）₂化合能力较强，具有较高的活性。

上述的活性混合材料都含有大量活性的Al₂O₃和SiO₂，它们在Ca（OH）₂溶液中，会发生水化反应，在饱和的Ca（OH）₂溶液中水化反应更快，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙：

XCa(OH)₂+SiO₂+mH₂O=XCaO·SiO₂·nH₂O

YCa(OH)₂+Al₂O₃+mH₂O=YCaO·Al₂O₃·nH₂O

当液相中有CaSO₄·2H₂O存在时，将与CaO·Al₂O₃·nH₂O反应生成水化硫铝酸钙。水泥熟料的水化产物Ca（OH），以及水泥中石膏具备了使活性混合材料发挥活性的条件。即Ca（OH）₂和CaSO₄·2H₂O起着激发水化、促进水泥硬化的作用，故称为激发剂。常用的激发剂有碱性激发剂和硫酸盐激发剂两类。硫酸盐激发剂的激发作用必须在有碱性激发剂的条件下，才能充分发挥。

2.非活性混合材料

经磨细后加入水泥中，不具有活性或活性很微弱的矿质材料，称为非活性混合材料。它们掺入水泥中仅起提高产量、调节水泥强度等级，节约水泥熟料的作用，这类材料有磨细石英砂、石灰石、黏土、慢冷矿渣及各种废渣。此类混合材料中，质地较坚实的有石英岩、石灰岩等磨成的细粉；质地较松软的有黏土、黄土等。另外，凡不符合技术要求的粒化高炉矿渣及火山灰质混合材料，可加以磨细作为非活性混合材料。

3.3.2 普通硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、6%～15%的混合材料及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。

国家标准对普通硅酸盐水泥的技术要求如下：

（1）细度。筛孔尺寸为80μm的方孔筛的筛余不得超过10%，否则为不合格。

（2）凝结时间。初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。

（3）等级。根据抗压和抗折强度，将普通硅酸盐水泥划分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个等级。

普通硅酸盐水泥由于混合材料掺量较少，其性质与硅酸盐水泥基本相同，略有差异，主要表现为：①早期强度略低；②耐腐蚀性稍好；③水化热略低；④抗冻性和抗渗性好；⑤抗炭化性略差；⑥耐磨性略差。

3.3.3 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.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。水泥中粒化高炉矿渣掺量按质量百分比计为20%～70%，允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣，代替数量不得超过水泥质量的8%，替代后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20%。

矿渣硅酸盐水泥的水化分两步进行，首先是熟料矿物的水化，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙等水化物，其次是Ca（OH）₂起着碱性激发剂的作用，与矿渣中的活性Al₂O₃和活性SiO₂作用生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化物，两种反应交替进行又相互制约。矿渣中的C₂S也和熟料中的C₂S一样参与水化作用，生成水化硅酸钙。

矿渣硅酸盐水泥中的石膏，一方面可以调节水泥的凝结时间；另一方面又是矿渣的激发剂，与水化铝酸钙起反应，生成水化硫铝酸钙。故矿渣硅酸盐水泥中的石膏掺量可以比硅酸盐水泥的多一些，但若掺量过多，会降低水泥的质量，故SO₃的含量不得超过4%。

2.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。水泥中火山灰质混合材料掺量按质量百分比计为20%～50%。

火山灰质硅酸盐水泥的水化、硬化过程及水化产物与矿渣硅酸盐水泥相类似。水泥加水后，先是熟料矿物的水化，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙等水化物，其次是Ca（OH）₂起着碱性激发剂的作用，再与火山灰质混合材料中的活性Al₂O₃和活性SiO₂作用生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化物。火山灰质混合材料品种多，组成与结构差异较大，虽然各种火山灰水泥的水化、硬化过程基本相同，但水化速度和水化产物等却随着混合材料、硬化环境和水泥熟料的不同而发生变化。

3.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。水泥中粉煤灰掺量按质量百分比计为20%～40%。

粉煤灰硅酸盐水泥的水化、硬化过程与矿渣硅酸盐水泥相似，但也有不同之处。粉煤灰的活性组成主要是玻璃体，这种玻璃体比较稳定而且结构致密，不易水化。在水泥熟料水化产物Ca（OH）₂的激发下，经过28天到3个月的水化龄期，才能在玻璃体表面形成水化硅酸钙和水化铝酸钙。

3.3.4 掺混合料的硅酸盐水泥的强度等级与技术要求

矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥按照我国现行标准《矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥》（GB 1344—1999）规定，其强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个等级，各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表3.6中的数值，其他技术性能的要求见表3.7。

3.3.5 矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥特性与应用

1.三种水泥的共性

（1）凝结硬化慢，早期强度低，后期强度增长较快。三种水泥的水化过程较硅酸盐水泥复杂。首先是水泥熟料矿物与水反应，所生成的氢氧化钙和掺入水泥中的石膏分别作为混合材料的碱性激发剂和硫酸盐激发剂；与混合材料中的活性氧化硅、氧化铝进行二次化学反应。由于三种水泥中熟料矿物含量减少，而且水化分两步进行，所以凝结硬化速度减慢，不宜用于早期强度要求较高的工程。

（2）水化热较低。由于水泥中熟料的减少，使水泥水化时发热量高的C₃S和C₃A含量相对减少，故水化热较低，可优先使用于大体积混凝土工程，不宜用于冬季施工。

（3）耐腐蚀能力好，抗碳化能力较差。这类水泥水化产物中Ca（OH）₂含量少，碱度低，故抗碳化能力较差，对防止钢筋锈蚀不利，不宜用于重要的钢筋混凝土结构和预应力混凝土。但抗溶出性侵蚀、抗盐酸类侵蚀及抗硫酸盐侵蚀的能力较强，宜用于有耐腐蚀要求的混凝土工程。

（4）对温度敏感，蒸汽养护效果好。这三种水泥在低温条件下水化速度明显减慢，在蒸汽养护的高温高湿环境中，活性混合材料参与二次水化反应，强度增长比硅酸盐水泥快。

（5）抗冻性、耐磨性差。与硅酸盐水泥相比较，由于加入较多的混合材料，用水量增大，水泥石中孔隙较多，故抗冻性、耐磨性较差，不适用于受反复冻融作用的工程及有耐磨要求的工程。

2.三种水泥各自的特点

（1）矿渣水泥。由于矿渣水泥硬化后氢氧化钙的含量低，矿渣又是水泥的耐火掺料，所以矿渣水泥具有较好的耐热性，可用于配制耐热混凝土。同时，由于矿渣为玻璃体结构，亲水性差，因此矿渣水泥保水性差，易生产泌水、干缩性较大，不适用于有抗渗要求的混凝土工程。

（2）火山灰水泥。火山灰质水泥需水量大，在硬化过程中的干缩较矿渣水泥更为显著，在干热环境中易产生干缩裂缝。因此，火山灰水泥不适用于干燥环境中的混凝土工程，使用时必须加强养护，使其在较长时间内保持潮湿状态。

火山灰质水泥颗粒较细，泌水性小，故具有较高的抗渗性，适用于有一般抗渗要求的混凝土工程。

（3）粉煤灰水泥。粉煤灰水泥的主要特点是干缩性比较小，甚至比硅酸盐水泥及普通水泥还小，因而抗裂性较好；由于粉煤灰的颗粒多呈球形微粒，吸水率小，所以粉煤灰水泥的需水量小，配制的混凝土和易性较好。

3.3.6 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。水泥中混合材料总掺加量按质量百分比计应大于15%，但不超过50%。允许用不超过8%的窑灰代替部分混合材料；掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。

复合硅酸盐水泥中掺入两种或两种以上的混合材料，可以明显地改善水泥的性能，克服了掺加单一混合材料水泥的弊端，有利于水泥的使用与施工。复合硅酸盐水泥的性能一般受所用混合材料的种类、掺量及比例等因素的影响，早期强度高于矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥，大体上的性能与上述三种水泥相似，适用范围较广。

按照国家标准《复合硅酸盐水泥》（GB 12958—1999）的规定，水泥熟料中氧化镁的含量、三氧化硫的含量、细度、安定性、凝结时间等指标与《矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥》（GB 1344—1999）相同。复合硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级，各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表3.8数值。