3.5 硅酸鹽水泥

水泥是一種粉末狀材料，當它與水或適當的鹽溶液混合后，在常溫下經過一定的物理化學作用，能由漿體狀逐漸凝結硬化，并且具有強度，同時能將砂、石等散粒材料或磚、砌塊等塊狀材料膠結為整體。水泥是一種良好的礦物膠凝材料，它與石灰、石膏、水玻璃等氣硬性膠凝材料不同，不僅能在空氣中硬化，而且在水中能更好地硬化，并保持和發展其強度。因此，水泥是一種水硬性膠凝材料。

水泥是制造各種形式的混凝土、鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土構筑物的最基本組成材料，也常用于配制砂漿，以及用作灌漿材料等。水泥在國民經濟建設中起著十分重要的作用，不僅大量用于工業和民用建筑，還廣泛用于道路、橋梁、鐵路、水利和國防工程中，素有“建筑業的糧食”之稱。水泥的品種很多，按其主要水硬性礦物名稱可分為硅酸鹽系水泥、鋁酸鹽系水泥、硫鋁酸鹽系水泥、鐵鋁酸鹽系水泥、磷酸鹽系水泥等，其中在土木工程中生產量最大、應用最廣的是硅酸鹽系水泥。本節主要介紹硅酸鹽系水泥，并在此基礎上簡要介紹其他品種水泥。硅酸鹽系水泥是以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料、一定量的混合材料和適量石膏共同磨細而成。按其性能和用途不同，又可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類。通用水泥是指大量用于一般土木建筑工程中的水泥，專用水泥和特性水泥是指用于各類有特殊要求的工程中的水泥。

3.5.1 硅酸鹽水泥的生產和礦物組成

硅酸鹽水泥（PortlandCement，故常稱為波特蘭水泥）分為兩種類型：不摻加混合材料的稱Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號P.Ⅰ；在硅酸鹽水泥熟料粉磨時摻加不超過水泥熟料質量5%的石灰石或粒化高爐礦渣混合材料的稱Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號P.Ⅱ。硅酸鹽水泥是硅酸鹽系水泥的一個基本品種。其他品種的硅酸鹽類水泥，都是在此基礎上加入一定量的混合材料，或者適當改變水泥熟料的成分而形成的。

1．硅酸鹽水泥生產工藝

生產硅酸鹽水泥的原料主要是石灰質原料（如石灰石、白堊等）和黏土質原料（如黏土、黃土和頁巖等）兩類，一般常配以輔助原料（如鐵礦石、砂巖等）。石灰質原料主要提供CaO，黏土質原料主要提供SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3，輔助原料常用以校正Fe2O3或SiO2的不足。

硅酸鹽水泥的生產過程分為制備生料、煅燒熟料、粉磨水泥3個主要階段，該生產工藝過程如下：石灰質原料和黏土質原料按適當的比例配合，有時為了改善燒成反應過程還加入適量的鐵礦石和礦化劑，將配合好的原材料在磨機中磨成生料，然后將生料入窯煅燒成熟料。以適當成分的生料，煅燒至部分熔融得到的以硅酸鈣為主要成分的物料稱為硅酸鹽水泥熟料。

熟料再配以適量的石膏，或根據水泥品種要求摻入混合材料，入磨機磨至適當細度，即制成水泥。整個水泥生產工藝過程可概括為“兩磨一燒”，如圖3.4所示。

水泥生料的配合比例不同，將直接影響硅酸鹽水泥熟料的礦物成分比例和主要技術性能，水泥生料在窯內的燒成（煅燒）過程，是保證水泥熟料質量的關鍵。水泥生料的燒成，在達到1000℃時各種原料完全分解出水泥中的有用成分，主要為氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）、三氧化二鐵（Fe2O3），其中，在800℃左右少量分解出的氧化物已開始發生固相反應，生成鋁酸一鈣、少量的鐵酸二鈣及硅酸二鈣。在900～1100℃時鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣開始形成；1100～1200℃時大量形成鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，硅酸二鈣生成量最大；1300～1450℃時，鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣呈熔融狀態，產生的液相把CaO及部分硅酸二鈣溶解于其中，在此液相中，硅酸二鈣吸收CaO化合成硅酸三鈣。這是煅燒水泥的最關鍵一步，物料必須在高溫下停留足夠的時間，使物料中游離的氧化鈣被吸收掉，以保證水泥熟料的質量。燒成的水泥熟料經過迅速冷卻，即得水泥熟料顆粒。

2．硅酸鹽水泥熟料的礦物組成

硅酸鹽水泥熟料的主要礦物有以下4種，其礦物組成及含量的大致范圍見表3.5。

表3.5中前兩種礦物稱為硅酸鹽礦物，一般占總量的75%～82%；后兩種礦物稱為熔劑礦物，一般占總量的18%～25%。這4種礦物成分的主要特征如下：

（1）C3S的水化速率較快，水化熱較大，且主要在早期放出；強度最高，且能不斷得到增長，是決定水泥強度高低的最主要礦物。

（2）C2S的水化速率最慢，水化熱最小，且主要在后期放出；早期強度不高，但后期強度增長率較高，是保證水泥后期強度的最主要礦物。

（3）C3A的水化速率極快，水化熱最大，且主要在早期放出，硬化時體積減縮也最大；早期強度增長率很快，但強度不高，而且以后幾乎不再增長，甚至降低。

（4）C4AF的水化熱速率較快，僅次于C3A，水化熱中等，強度較低；脆性較其他礦物為小，當含量增多時，有助于水泥抗拉強度的提高。

水泥熟料的抗壓強度隨時間的增長情況如圖3.5所示。由上述可知，幾種礦物成分的性質不同，它們在熟料中的相對含量改變時，水泥的技術性質也隨之改變。例如，要使水泥具有快硬高強的性能，應適當提高熟料中C3S及C3A的相對含量；若要求水泥的水化放熱量較低，可適當提高C2S及C4AF的含量而控制C3S及C3A的含量。因此，掌握硅酸鹽水泥熟料中各礦物成分的含量及特性，就可以大致了解該水泥的性能特點。

除以上4種主要礦物成分外，硅酸鹽水泥中尚有少量其他成分，常見的有氧化鎂（MgO）、三氧化硫（SO3）、游離氧化鈣（f-CaO）、堿等。

3.5.2 硅酸鹽水泥的水化和凝結硬化

1．硅酸鹽水泥熟料礦物的水化

水泥顆粒與水接觸，在其表面的熟料礦物立即與水發生水解或水化作用（也稱為水泥的水化）形成水化產物，同時放出一定熱量。其反應式如下：

（1）3CaO·SiO2的水化。

（2）2CaO·SiO2的水化。

（3）3CaO·Al2O3的水化。

在水及Ca（OH）2飽和溶液中：

在石膏、氧化鈣同時存在的條件下：

（4）4CaO·Al2O3·Fe2O3的水化。

熟料各單礦物在水化過程中表現出的特性見表3.6。

硅酸三鈣水化很快，生成的水化硅酸鈣幾乎不溶于水，而立即以膠體微粒析出，并逐漸凝聚稱為凝膠。在電子顯微鏡下可以觀察到，水化硅酸鈣是大小與膠體相同的、結晶較差的、薄片狀或纖維狀顆粒，稱為C-S-H凝膠。水化生成的氫氧化鈣在溶液中的濃度很快達到過飽和，并呈六方晶體析出。水化鋁酸三鈣為立方晶體，在氫氧化鈣飽和溶液中，它能與氫氧化鈣進一步反應，生成六方晶體的水化鋁酸四鈣。

為了調節水泥的凝結時間，水泥中摻有適量石膏。水化時，鋁酸三鈣和石膏反應生成高硫型水化硫鋁酸鈣（稱為鈣礬石，CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O，以AFt表示）和單硫型水化硫鋁酸鈣（CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O，以AFm表示）。生成的水化硫鋁酸鈣是難溶于水的針狀晶體。

綜上所述，如果忽略一些次要的和少量的成分，則硅酸鹽水泥與水作用后，生成的主要水化產物有：水化硅酸鈣和水化鐵酸鈣凝膠、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體。在充分水化的水泥石中以質量分數論，C-S-H凝膠約占70%, Ca（OH）2約占20%，鈣礬石和單硫型水化硫鋁酸鈣約占70%。

2．硅酸鹽水泥的凝結硬化

硅酸鹽水泥用適量的水調和后，最初形成具有可塑性的漿體，隨著時間的增長，失去可塑性（但尚無強度），這一過程稱為初凝，開始具有強度時稱為終凝。由初凝到終凝的過程稱為水泥的凝結。隨著水化進程的推移，水泥漿凝固成具有一定的機械強度并逐漸發展而成為堅固的人造石—水泥石，這一過程稱為“硬化”。水泥的凝結和硬化是人為劃分的，實際上是一個連續變化的復雜的物理化學過程。水泥的凝結硬化一般按水化反應速率和水泥漿體結構特征分為：初始反應期、潛伏期、凝結期和硬化期4個階段，見表3.7。

（1）初始反應期。

水泥與水接觸后立即發生水化反應，C3S水化生成的Ca（OH）2溶于水中，溶液pH值迅速增大至13左右，當溶液達到過飽和后，Ca（OH）2開始結晶析出。同時暴露在顆粒表面的C3A溶于水，并與溶于水的石膏反應，生成鈣礬石結晶析出，附著在水泥顆粒表面。這一階段大約經過10min，約有1%的水泥發生變化。

（2）潛伏期。

在初始反應期之后，有1～2h的時間，由于水泥顆粒表面形成水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石晶體構成的膜層阻止了與水的接觸，使水化反應速度很慢，這一階段水化放熱小，水化產物增加不多，水泥漿體仍保持塑性。

（3）凝結期。

在潛伏期中，由于水緩慢穿透水泥顆粒表面的包裹膜，與熟料礦物成分發生水化反應，而水化生成物穿透膜層的速度小于水分滲入膜層的速度，形成滲透壓，導致水泥顆粒表面膜層破裂，使暴露出來的礦物進一步水化，從而結束了潛伏期。水泥水化產物體積約為水泥體積的2.2倍，生成的大量的水化產物填充在水泥顆粒之間的空間里，水的消耗與水化產物的填充使水泥漿體逐漸變稠直至失去可塑性而凝結。

（4）硬化期。

在凝結期以后，進入硬化期，水泥水化反應繼續進行使結構更加密實，但放熱速度逐漸下降，水泥水化反應越來越困難。在適當的溫度、濕度條件下，水泥的硬化過程可持續若干年。水泥漿體硬化后形成堅硬的水泥石，水泥石是由凝膠體、晶體、未水化完的水泥顆粒及固體顆粒的毛細孔所組成的不勻質結構體。水泥凝結硬化過程示意圖如圖3.6所示。

水泥硬化過程中，最初的3d強度增長幅度最大，3d到7d強度增長率有所下降，7d到28d強度增長率進一步下降，28d強度基本達到最高水平，28d以后強度雖然還會繼續發展，但強度增長率卻越來越小。

3．影響硅酸鹽水泥凝結硬化的主要因素

（1）水泥組成成分的影響。

水泥的礦物組成成分及各組分的比例是影響水泥凝結硬化的最主要因素。如前所述，不同礦物成分單獨和水起反應時所表現出來的特點是不同的。水泥中如提高C3A的含量，將使水泥的凝結硬化加快，同時水化熱也大。一般來講，若在水泥熟料中摻加混合材料，將使水泥的抗侵蝕性提高，水化熱降低，早期強度降低。

（2）石膏摻量。

石膏稱為水泥的緩凝劑，主要用于調節水泥的凝結時間，是水泥中不可缺少的組分。水泥熟料在不加入石膏的情況下與水拌合后會立即產生凝結，同時放出熱量。其主要原因是由于熟料中的C3A很快溶于水中，生成一種促凝的鋁酸鈣水化物，使水泥不能正常使用。石膏起緩凝作用的機理是：水泥水化時，石膏很快與C3A作用并產生難溶于水的水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），它沉淀在水泥顆粒表面形成保護膜，從而阻礙了C3A的水化反應并延緩了水泥的凝結時間。

石膏的摻量太少，緩凝效果不顯著，但過多地摻入石膏因其本身會生成一種促凝物質，反而使水泥快凝。適宜的石膏摻量主要取決于水泥中C3A的含量和石膏中SO3的含量，同時也與水泥細度及熟料中SO3的含量有關。石膏摻量一般為水泥質量的3%～5%。如果水泥中石膏摻量超過規定的限量，還會引起水泥強度降低，嚴重時會引起水泥體積安定性不良，使水泥石產生膨脹性破壞。所以國家標準規定，硅酸鹽水泥中SO3總計不得超過水泥總質量的3.5%。

（3）水泥細度的影響。

水泥顆粒的粗細直接影響水泥的水化、凝結硬化、強度及水化熱等。這是因為水泥顆粒越細，總表面積越大，與水的接觸面積越大，因此水化迅速，凝結硬化也相應增快，早期強度也高。但水泥顆粒過細，易與空氣中的水分及二氧化碳反應。致使水泥不宜久存，過細的水泥硬化時產生的收縮亦較大；水泥磨的越細，能耗越多，成本越高。因此，水泥顆粒的粒徑應控制在合適的范圍內。

（4）養護條件（溫度、濕度）的影響。

養護環境有足夠的溫度和濕度，有利于水泥的水化和凝結硬化過程及早期強度發展。如果環境十分干燥，水泥中的水分蒸發導致水泥不能充分水化，同時硬化也將停止，嚴重時會使水泥石發生裂縫。通常情況下，養護時溫度升高，水泥的水化加快，早期強度發展也快。若在較低的溫度下硬化，雖強度發展較慢，但最終強度不受影響。但當溫度低于0℃以下時，水泥的水化停止，強度不但不增長，甚至會因水結冰而導致水泥石結構破壞。實際工程中，常通過蒸汽養護，壓蒸養護來加快水泥制品的凝結硬化過程。

（5）養護齡期的影響。

水泥的水化硬化是較長時期內不斷進行的過程，隨著水泥顆粒內各熟料礦物水化程度的提高，凝膠體不斷增加，毛細孔不斷減少，使水泥石的強度隨齡期增長而增加。實踐證明，水泥一般在28d內強度發展較快，28d后發展緩慢。

（6）拌合用水量的影響。

在水泥用量不變的情況下，增加拌合用水量，會增加硬化水泥石中的毛細孔，降低水泥石的強度，同時延長水泥的凝結時間。所以，在實際工程中，水泥混凝土調整流動性大小時，在不改變水灰比的情況下，常增減水和水泥的用量。為了保證混凝土的耐久性，有關標準規定了最小水泥用量。

（7）外加劑的影響。

硅酸鹽水泥的水化、凝結硬化受水泥熟料中C3S、C3A含量的制約，凡對C3S和C3A的水化能產生影響的外加劑，都能改變硅酸鹽水泥的水化、凝結硬化性能。如加入促凝劑（CaCl2、Na2SO4等）能促進水泥水化硬化，提高早期強度。相反，摻加緩凝劑（木鈣糖類等）會延緩水泥的水化、硬化，影響水泥早期強度的發展。

（8）儲存條件的影響。

儲存不當，會使水泥受潮，顆粒表面發生水化而結塊，嚴重降低強度。即使良好的儲存，在空氣中的水分和CO2作用下，水泥也會發生緩慢水化和碳化，經3個月，強度通常降低10%～20%、6個月降低15%～30%、1年后將降低25%～40%，所以水泥的有效儲存期為3個月，不宜久存。

3.5.3 水泥石的結構及其影響因素

如圖3.7所示，水泥漿硬化后的水泥石是由未水化的水泥顆粒A，凝膠體的水化產物B，結晶體的水化產物C，以及未被水泥顆粒和水化產物所填滿的原充水空間D（毛細孔或毛細孔水）及凝膠體中的孔E（凝膠孔）所組成。因此，水泥石是多相（固相、液相、氣相）多孔體系。水泥石的工程性質取決于水泥石的結構組成，即取決于水化物的類型和相對含量，以及孔的大小、形狀和分布狀態等。例如，當水泥的品種一定時，則水化產物的類型也是確定的，這時，水泥石的強度主要取決于水化產物的相對含量（可用水化程度表示）和孔隙的數量、大小、形狀及分布狀態。后者與拌合時用水量的多少（可用水膠比—即拌合時的用水量與水泥用量之比表示）密切相關。圖3.8為兩種不同水膠比的水泥凈漿 [圖3.8（a）的水膠比為0.4，圖3.8（b）的水膠比為0.7]，處于不同水化程度時水泥石結構的組成示意圖。由圖3.8可知：同一水膠比的水泥漿，水化程度越高，則水泥石結構中水化物越多，而毛細孔和未水化水泥的量相對減少 [圖3.8（a）中A線和B線]，因而水泥石結構密實、強度高、耐久性好（水化程度高的B線）；對水化程度相同而水膠比不同的水泥石結構而言 [圖3.8（b）中B和B1]，則水膠比大的漿體（B1）毛細孔所占的比例相對增加，因此，該水泥石的強度和耐久性下降。為了提高水泥石的強度和耐久性，應盡可能減少水泥石中的孔隙含量。因此，降低水膠比，提高水泥漿或混凝土成型時的密實度，以及加強養護等是非常重要的。

由于水泥石的強度與水化產物的數量有關，在相同水泥品種及水膠比下，水化物質數量是隨水化時間（齡期）延長而增加的，一般在28d內增長較快，以后漸慢，3個月以后則更緩慢。此外，水化過程還與水化時環境的溫度和濕度有關，若水泥處于干燥環境，漿體中水分蒸發完畢后，則水泥無法繼續水化，因而強度也不再增長。因此，混凝土工程在澆灌后2～3周內必須加強灑水養護，以保證水化時所必需的水分，使水泥得到充分的水化。溫度對水泥凝結硬化的影響也很大，溫度越高，凝結硬化的速度越快。因此，采用蒸汽養護是加速凝結硬化的方法之一。當溫度較低時，凝結速度比較緩慢，當溫度為0℃以下時，硬化將完全停止，并可能遭受冰凍破壞。因此，冬季施工時需要采取保溫等措施。

綜上所述，在水泥品種一定時，影響水泥石結構強度的主要因素有水膠比、水化時間（齡期）、水化環境的溫度和濕度以及施工方法（成型時的振實程度）等。

3.5.4 硅酸鹽水泥的技術要求

《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）對硅酸鹽水泥的主要技術性質要求如下。

1．細度

細度是指水泥顆粒粗細的程度，它是影響水泥需水量、凝結時間、強度和安定性能的重要指標。顆粒愈細，與水反應的表面積愈大，因而水化反應的速度愈快，水泥石的早期強度愈高，但硬化體的收縮也愈大，且水泥在儲運過程中易受潮而降低活性。因此，水泥細度應適當，根據《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）規定，硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的細度用透氣式比表面儀測定，要求其比表面積應大于300m2/kg。

2．凝結時間

《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）規定：硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45min，終凝時間不大于390min。

凝結時間是指水泥從加水開始到失去流動性，即從可塑狀態發展到開始形成固體狀態所需的時間，分為初凝和終凝。初凝時間為水泥從開始加水拌合起至水泥漿開始失去可塑性所需的時間；終凝時間是從水泥開始加水拌合起至水泥漿完全失去可塑性，并開始產生強度所需的時間。根據國家標準《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346—2011）規定，凝結時間用維卡儀進行測定。在研究水泥凝結過程時，還可以采用測電導率或水化放熱速率等方法。

水泥漿體的凝結時間對工程施工具有重要意義。一般要求混凝土攪拌、運輸、澆搗在初凝之前完成。因此水泥初凝時間不宜過短；當施工完畢則要求盡快硬化并具有強度，故終凝時間不宜太長。水泥的凝結時間與水泥品種有關。一般來說，摻混合材料的水泥凝結時間較緩慢；凝結時間隨水灰比增加而延長，因此混凝土和砂漿的實際凝結時間，往往比用標準稠度水泥凈漿所測得的要長得多；此外環境溫度升高，水化反應加速，凝結時間縮短，所以在炎熱季節或高溫條件下施工時，須注意凝結時間的變化。

3．強度

水泥強度是表明水泥力學性能的重要指標，它與水泥的礦物組成、水泥細度、水膠比大小、水化齡期和環境溫度等密切相關。國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）》（GB/T 17671—1999）規定，采用膠砂法測定水泥強度，又根據3d強度分為普通型和早強型。該法是由按質量計的一份水泥、三份ISO標準砂，用0.5的水灰比拌制的一組塑性膠砂，制成40mm×40mm×160mm的試件，試件連模一起在濕氣中養護24h后，再脫模放在標準溫度（20±3）℃的水中養護，分別測定3d和28d抗壓強度和抗折強度。硅酸鹽水泥強度等級分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R共6個等級。水泥強度等級按規定齡期的抗壓強度和抗折強度來劃分，各強度等級水泥的各齡期強度不得低于表3.8的數值。

4．體積安定性

體積安定性不良是指已硬化的水泥石產生不均勻的體積變化現象。它會使構件產生膨脹裂縫，降低建筑物質量。

引起體積安定性不良的原因有以下幾個方面：

（1）f-CaO過量。

由于熟料燒成工藝上的原因，使熟料中含有較多的過燒f-CaO，其水化活性低，在水泥硬化后才進行下述反應：

CaO+H2O—→Ca（OH）2

該反應固相體積膨脹97%，引起不均勻的體積變化會導致水泥石開裂。國家標準規定用沸煮法檢驗水泥體積安定性。其方法是將水泥凈漿試餅或雷氏夾試件煮沸3h，用肉眼觀察試餅未發現裂紋，用直尺檢查沒有彎曲，或測得雷氏夾試件膨脹量在規定值內，則該水泥體積安定性合格，反之為不合格。沸煮法的原理是通過沸煮加速f-CaO水化，檢驗其體積變化現象。當試餅法與雷氏夾法結果有爭議時，以雷氏夾法為準。

（2）f-MgO過量。

水泥中的f-MgO形成結晶方鎂石時，其晶體結構致密，水化比f-CaO更為緩慢，要幾個月甚至幾年才明顯水化，形成氫氧化鎂時體積膨脹將導致水泥石安定性不良。由于MgO的水化作用比游離石灰更為緩慢，所以必須采用壓蒸法才能檢驗它的危害程度。由于國家標準中對MgO的含量已有限制，所以一般可不做這項檢驗。

（3）石膏摻量過多。

水泥中摻有石膏作為調凝劑或作為混合材的活性激發劑，當石膏摻量過多時，在水泥硬化后還會繼續與固態水化鋁酸鈣反應生成高硫型水化硫鋁酸鈣，體積約增大1.5倍，也會引起體積安定性不良。檢驗SO3的危害作用用浸水法，由于國家標準中對SO3的含量已有限制，所以一般可不做這項檢驗。

5．氧化鎂、三氧化硫、堿及不溶物含量

熟料中氧化鎂含量偏高是導致水泥長期安定性不良的因素之一。熟料中部分氧化鎂固溶于各種熟料礦物和玻璃體中，這部分氧化鎂并不引起安定性不良，真正造成安定性不良的是熟料中粗大的方鎂石晶體。同理，礦渣等混合材料中的氧化鎂若不以方鎂石結晶形式存在，對安定性也是無害的。因此，國際上有的國家水泥標準規定用壓蒸安定性試驗合格來限制氧化鎂的危害作用是合理的。但我國目前尚不普遍具備做壓蒸安定性的試驗條件，故用規定氧化鎂含量作為技術要求。國家標準規定硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥的MgO質量分數必須小于5.0%，若水泥壓蒸安定性合格允許MgO質量分數小于6.0%，其他品種水泥國家標準另有規定。

水泥中的SO3主要來自石膏，SO3過量將造成水泥體積安定性不良。國家標準是通過限定水泥SO3含量控制石膏摻量，國家標準規定礦渣水泥中SO3質量分數不得超過4.0%，其他種類水泥中SO3質量分數不得超過3.5%。

若水泥中堿含量過高，當選用含有活性SiO2的集料配制混凝土時，會產生堿集料反應，嚴重時會導致混凝土不均勻膨脹破壞。由此而造成的危害，越來越引起人們的重視，因此國家標準將堿含量亦列入技術要求。根據我國的實際情況，國家標準規定：水泥中堿含量按Na2O+0.658K2O計算值來表示，若使用活性集料，用戶要求提供低堿水泥時，水泥中的堿質量分數應不大于0.6%或由雙方商定。

水泥中的不溶物來自熟料中未參與礦物形成反應的黏土和結晶SiO2，是熟料煅燒不均勻、化學反應不完全的標志。一般回轉窯熟料不溶物小于0.5%、立窯熟料小于1.0%，國家標準規定Ⅰ型硅酸鹽水泥中不溶物不得超過0.75%、Ⅱ型不得超過1.5%。

6．水化熱

水泥的水化反應是放熱反應，其水化過程放出的熱稱為水泥的水化熱。水泥的水化熱對混凝土工藝有多方面意義。水化熱對大體積混凝土為有害的因素，由于水化熱積蓄在內部，造成內外溫差，形成不均勻應力導致開裂，但水化熱對冬季混凝土施工是有益的，可促進水泥水化進程。

水泥的水化放熱量及放熱速率與水泥的礦物組成有關，根據熟料單礦物水化熱測定結果，可測算得硅酸鹽熟料中4種主要礦物的水化放熱速率。由于水泥的水化熱具加和性，所以可根據水泥熟料礦物組成含量，估算水泥水化熱。對于硅酸鹽水泥，在水化3d齡期內水化放熱量大致為總放熱量的50%,7d齡期為75%，而3個月可達90%。由此可見，水泥的水化放熱量大部分在3～7d內放出，以后逐漸減少。各水泥礦物的水化熱及放熱速率比較見表3.9。

C3A＞C3S＞C4AF＞C2S

水泥水化放熱量和放熱速率還與水泥細度、混合材種類和數量有關。水泥細度愈細，水化反應加速，水化放熱速率亦增大。摻混合材可降低水泥水化熱和放熱速率，因此大體積混凝土應選用摻混合材量較大的水泥。

7．標準稠度及其用水量

在測定水泥凝結時間、體積安定性等性能時，為使所測結果有準確的可比性，規定在試驗時所使用的水泥凈漿必須以標準方法（按GB 1346規定）測試，并達到統一規定的漿體可塑性稠度，即標準稠度。水泥凈漿標準稠度需水量，是指拌制水泥凈漿時為達到標準稠度所需的加水量。它以水與水泥質量之比的百分數表示。

8．燒失量

水泥中燒失量的大小，一定程度上反映熟料燒成質量，同時也反映了混合材摻量是否適當，以及水泥風化的情況。國家標準對燒失量規定如下：Ⅰ型硅酸鹽水泥燒失量不得大于3.0%, Ⅱ型硅酸鹽水泥不得大于3.5%，普通水泥應小于5.0%。由于礦渣水泥中的燒失量不能反映上述情況，因此不予規定。

3.5.5 硬化水泥石的化學腐蝕與防護

水泥制品在一般使用條件下，具有較好的耐久性，但在某些侵蝕介質（軟水、含酸或鹽的水等）作用下，強度降低甚至造成建筑物結構破壞，這種現象稱為水泥石的腐蝕。

水泥石就其本身而言，由于硅酸鹽水泥熟料水化后生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣等水化產物。在一般情況下，這些水化產物是穩定的，但在某些條件下也可能不穩定，會發生化學變化，從而引起水泥石結構破壞。水泥石被環境水侵蝕的原因有以下幾點：

（1）氫氧化鈣及其他成分，能一定程度地溶解于水，特別是軟水。

（2）氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等都是堿性物質，若環境水中有酸類或某些鹽類時，能與其發生化學反應，若新生成的化合物易溶于水或無膠結力，或因結晶膨脹而引起內應力，都將導致水泥石結構的破壞。

3.5.5.1 常見的化學腐蝕及其作用

1．軟水侵蝕

不含或僅含少量重碳酸鹽（含HCO-3的鹽）的水稱為軟水，如雨水、蒸餾水、冷凝水及部分江水、湖水等。當水泥石長期與軟水接觸時，水化產物將按其穩定存在所必需的平衡氫氧化鈣（鈣離子）濃度的大小，依次逐漸溶解或分解，從而造成水泥石的破壞，這就是溶出性侵蝕。

在各種水化產物中，Ca（OH）2的溶解度最大，因此首先溶出，這樣不僅增加了水泥石的孔隙率，使水更容易滲入，而且由于Ca（OH）2濃度降低，還會使水化產物依次發生分解，如高堿性的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等分解成為低堿性的水化產物，并最終變成膠凝能力很差的產物。在靜水及無壓力水的情況下，由于周圍的軟水易為溶出的氫氧化鈣所飽和，使溶出作用停止，所以對水泥石的影響不大；但在流水及壓力水的作用下，水化產物的溶出將會不斷地進行下去，水泥石結構的破壞將由表及里地持續發生。當水泥石與環境中的硬水接觸時，水泥石中的氫氧化鈣與重碳鹽酸發生反應：

Ca（OH）2+Ca（HCO3）2—→2CaCO3+2H2O

生成的幾乎不溶于水的碳酸鈣積聚在水泥石的孔隙內，形成致密的保護層，可阻止外界水的繼續侵入，從而阻止水化產物的溶出。

2．鹽類侵蝕

某些溶解于水中的鹽類會與水泥石相互作用發生置換反應，生成一些易溶或無膠結能力或產生膨脹的物質，從而使水泥石結構破壞。最常見的鹽類侵蝕是硫酸鹽侵蝕與鎂鹽侵蝕。硫酸鹽侵蝕是由于水中溶有一些易溶的硫酸鹽，它們與水泥石中的氫氧化鈣反應生成硫酸鈣，硫酸鈣再與水泥石中的固態鋁酸鈣反應生成鈣礬石，體積膨脹約1.5倍，使水泥石結構破壞，其反應式是：

3CaO·Al2O3·6H2O+3（CaSO4·2H2O）+20H2O—→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

鈣礬石呈針狀晶體，常稱其為“水泥桿菌”。若硫酸鈣濃度過高，也可能直接在孔隙中生成二水石膏結晶，產生體積膨脹而導致水泥石結構破壞。

鎂鹽侵蝕主要是氯化鎂或硫酸鎂與水泥石中氫氧化鈣起復分解反應，生成無膠結能力的氫氧化鎂及易溶于水的氯化鈣或生成石膏導致水泥石結構破壞，其反應式為

MgCl2+Ca（OH）2—→Mg（OH）2+CaCl2

MgSO4+Ca（OH）2+2H2O—→CaSO4·2H2O+Mg（OH）2

可見，硫酸鎂對水泥石的侵蝕包含鎂鹽與硫酸鹽的雙重作用。

在海水、湖水、鹽沼水、地下水、某些工業污水及流經高爐礦渣或煤渣的水中常含鉀、鈉、銨等硫酸鹽；在海水及地下水中常含有大量的鎂鹽，主要是硫酸鎂和氯化鎂。

3．酸類侵蝕

（1）碳酸侵蝕。

在某些工業污水和地下水中常溶解有較多的二氧化碳，這種水對水泥石的侵蝕作用稱為碳酸侵蝕。首先，水泥石中的Ca（OH）2與溶有CO2的水反應，生成不溶于水的碳酸鈣；接著碳酸鈣又繼續與碳酸水反應生成易溶于水的碳酸氫鈣。反應式為

Ca（OH）2+CO2+H2O—→CaCO3+2H2O

CaCO3+CO2+H2O—→Ca（HCO3）2

當水中含有較多的碳酸，上述反應向右進行，從而導致水泥石中的Ca（OH）2不斷地轉變為易溶的Ca（HCO3）2而流失，進一步導致其他水化產物的分解，使水泥石結構遭到破壞。

（2）一般酸侵蝕。

水泥的水化產物呈堿性，因此酸類對水泥石一般都會有不同程度的侵蝕作用，其中侵蝕作用最強的是無機酸中的鹽酸、氫氟酸、硝酸、硫酸及有機酸中的醋酸、蟻酸和乳酸等，它們與水泥石中的Ca（OH）2反應后的生成物，或者易溶于水，或者體積膨脹，都對水泥石結構產生破壞作用。例如：鹽酸和硫酸分別于水泥石中的Ca（OH）2作用：

2HCl+Ca（OH）2—→CaCl2+2H2O

H2SO4+Ca（OH）2—→CaSO4+2H2O

反應生成的氯化鈣易溶于水，生成的石膏繼而又產生硫酸鹽侵蝕作用。

4．強堿侵蝕

水泥石本身具有相當高的堿度，因此弱堿溶液一般不會侵蝕水泥石，但是，當鋁酸鹽含有較高的水泥石遇到強堿（如氫氧化鈉）作用后會被腐蝕破壞。氫氧化鈉與水泥熟料中未水化的鋁酸三鈣作用，生成易溶的鋁酸鈉：

3CaO·Al2O3+6Na（OH）—→3Na2O·Al2O3+3Ca（OH）2

當水泥石被氫氧化鈉浸潤后又在空氣中干燥，與空氣中的二氧化碳作用生成碳酸鈉，它在水泥石毛細孔中結晶沉積，會使水泥石脹裂。

除了上述4種典型的侵蝕類型外，糖、氨、鹽、動物脂肪、純酒精、含環烷酸的石油產品等對水泥石也有一定的侵蝕作用。在實際工程中，水泥石的腐蝕常常是幾種侵蝕介質同時存在、共同作用所產生的；但固體化合物不會對水泥石產生侵蝕，侵蝕性介質必須呈溶液狀且濃度大于某一臨界值。水泥的耐蝕性可用耐蝕系數定量表示。耐蝕系數是指同一齡期下，水泥試體在侵蝕性溶液中養護的強度與在淡水中養護的強度之比，比值越大，水泥耐蝕性越好。

3.5.5.2 硬化水泥石的防腐措施

從以上對侵蝕作用的分析可以看出，水泥石被腐蝕的基本內因包括兩方面：一是水泥石中存在易被腐蝕的組分，如Ca（OH）2與3CaO·Al2O3；二是水泥石本身不致密，有很多毛細孔通道，侵蝕性介質易于進入其內部。因此，針對具體情況可采取下列措施防止水泥石的腐蝕。

（1）根據侵蝕介質的類型，合理選用水泥品種。

如采用水化產物中Ca（OH）2含量較少的水泥，可提高對多種侵蝕作用的抵抗能力；采用鋁酸三鈣含量低于5%的水泥，可有效抵抗硫酸鹽的侵蝕；摻入活性混合材料，可提高硅酸鹽水泥抵抗多種介質的侵蝕作用。

（2）提高水泥石的密實度。

水泥石或混凝土的孔隙率越小，抗滲透能力越強，侵蝕介質越難進入，侵蝕作用越小。在實際工程中，可采用多種措施提高混凝土與砂漿的密實度。

（3）設置隔離層或保護層。

當侵蝕作用較強或上述措施不能滿足要求時，可在水泥制品（混凝土、砂漿等）表面設置耐腐蝕性高且不透水的隔離層或保護層。

3.5.6 硅酸鹽水泥的特性與應用

1．凝結硬化快，強度高

硅酸鹽水泥中含有較多的熟料，硅酸三鈣多，水泥的早期強度和后期強度均較高。適用于早期強度要求較高的工程及冬期施工的工程，地上、地下重要結構物及高強混凝土和預應力混凝土工程。

2．抗凍性好

硅酸鹽水泥采用較低的水膠比并經充分養護，可獲得較低孔隙率的水泥石，具有較高的密實度。因此，適用于嚴寒地區遭受反復凍融的混凝土工程。

3．耐腐蝕性差

硅酸鹽水泥石的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣較多，耐軟水及耐化學腐蝕能力差，故不適用于經常與流動的淡水接觸及有水壓作用的工程；也不適用于受海水、礦物水、硫酸鹽等作用的工程。

4．耐熱性差

水泥石中的一些重要組成部分在高溫下會發生脫水和分解，使水泥石的強度下降以至破壞。當受熱溫度為100～200℃時，由于尚存的游離水能繼續發生水化，混凝土的密實度進一步增加，能使水泥石的強度有所提高，且混凝土的導熱系數相對較小，故短時間內受熱混凝土不會破壞。但當溫度較高且受熱時間較長時，水泥中的水化產物Ca（OH）2分解為CaO，如再遇到潮濕的環境時，CaO熟化體積膨脹，使混凝土遭到破壞。因此，硅酸鹽水泥不宜應用于有耐熱性要求的混凝土工程中。

5．耐磨性好

硅酸鹽水泥強度高，耐磨性好，適用于道路、地面等對耐磨性要求高的工程。

6．堿度高、抗碳化能力強

碳化是指水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣的過程。碳化會使水泥石內部堿度降低，從而使其中的鋼筋發生銹蝕。其機理可解釋為：鋼筋混凝土中的鋼筋如處于堿性環境中，在其表面會形成一層灰色的鈍化膜，保護其中的鋼筋不被銹蝕。碳化會使水泥石逐漸由堿性變為中性，當中性深度到達鋼筋表面時，鋼筋失去堿性保護而銹蝕，導致結構承載能力下降，甚至破壞。硅酸鹽水泥由于密實度高且堿度高，故抗碳化能力強，所以適合于重要的鋼筋混凝土結構、預應力混凝土工程以及二氧化碳含量高的環境。

7．水化熱大

硅酸鹽水泥石中含有大量的硅酸三鈣和鋁酸三鈣，水化時放熱速度快且放熱量大，用于冬期施工可避免凍害，但高水化熱對大體積混凝土工程不利，所以，它不適用于大體積混凝土工程。

8．干縮小

硅酸鹽水泥在硬化過程中，形成大量的水化硅酸鈣凝膠體，使水泥石密實，游離水分少，不易產生干縮裂紋，可用于干燥環境中的混凝土工程。