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硅酸盐水泥与铝酸盐水泥的对比研究

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　摘要：对硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的组成、性能指标和水化机理进行了分析，对比二者性能差异对其应用范围进行了区别。
　　关键词：硅酸盐水泥；铝酸盐水泥；组成；性能；水化机理；应用
　　
　　1前言
　　
　　水泥是加水能搅拌和成塑性浆体，可胶结砂石等材料，并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料，是基建工程的主要原材料之一，具有原材料广泛、防火、适应性强和应用方便等优点[1]，广泛应用于工农业、国防、交通、城市建设等工程，在代钢代木等方面具有技术经济上的优越性，对保证国家建设和提高人民生活水平具有重要意义。水泥种类繁多，根据国家标准的命名原则，按其主要水硬性矿物名称可分为硅酸盐系、铝酸盐系、硫铝酸盐系等系列品种，也可按其用途和性能分为通用水泥、专用水泥以及特性水泥三大类，不同的水泥具有其特有的用途。本文主要对硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的组成、性能特点、水化机理和应用进行了较为详细的对比研究，对二者在工程的选用具有一定得指导意义。
　　
　　2硅酸盐水泥与铝酸盐水泥对比研究
　　
　　在目前已投入应用的百余种水泥中，应用最广泛的是硅酸盐系水泥和铝酸盐系水泥，其中又以硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的应用最为普遍。由于组成成分和水化机理的不同，这两种水泥具有截然不同的特性，其应用范围也大不相同。
　　2.1硅酸盐水泥
　　在水泥诸品种中，硅酸盐水泥是应用最广和研究最多的。按国家标准《GB175-2008》规定：凡由硅酸盐水泥熟料、0-5%的石灰石或粒化矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料为硅酸盐水泥。其矿物组成主要是：硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）。其中硅酸三钙和硅酸二钙是主要的，占70%以上[2]。上述几种矿物主要是依靠原料中提供的CaO（62-68%）、SiO2（20-24%）、Al2O3（4-7%）和Fe2O3（2.5-6.5%）等在高温下互相作用而形成的。
　　硅酸盐水泥分为二类：不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号为P·Ⅰ；在熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号为P·Ⅱ，其主要技术要求如表1所示[3]。
　　当水泥加水拌和后，在水泥颗粒表面立即发生水化反应，水化产物溶于水中，接着，水泥颗粒又重新暴露出新的表面，继续与水反应，如此不断，使水泥颗粒周围的溶液很快成为水化产物的饱和溶液，见图1（a）。在溶液达到饱和后，水泥继续水化生成的产物就不能再溶解，就有许多细小分散状态的颗粒析出，形成凝胶体，见图1（b）。随着水化的继续进行，新生胶粒不断增加，凝胶体逐渐变浓，水泥浆逐渐凝结，凝胶体中的氢氧化钙将逐渐转变为结晶，见图1（c）。结晶贯穿于凝胶体中，形成具有一定强度的水泥石，见图1（d）。随着硬化时间的延续，水泥颗粒内部未能水化部分将继续水化，使晶体逐渐增多，凝胶体逐渐密实，水泥石就具有越来越高的胶结力和强度。另外，当水泥在空气中凝结硬化时，其表面水化形成的氢氧化钙会与空气中的二氧化碳作用，生成碳酸钙薄层。
　　通过上述过程可以看出，硅酸盐水泥的水化反应是从颗粒表面逐渐深入到内层的，开始进行较快，随后由于水泥颗粒表层生成了凝胶膜，其水分的渗入也就越来越困难，水化作用也就越来越慢。一般水泥在开始的3-7天内，水化、水解速度快，强度增长亦较快，大致在28天内可以完成这个过程的基本部分，以后则显著减慢，强度增长亦极为缓慢。实践证实若完成水泥的水化和水解全过程，需要几年、几十年的时间[4]。
　　在常用的水泥品种中，硅酸盐水泥标号较高，常用于重要结构中的高强度混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土工程；抗冻性好，适用于冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程；干缩性好，耐磨性好，不易产生裂缝，可用于干燥环境下的地面及路面工程。
　　但同时硅酸盐水泥也存在一定的不足：（1）硬化后含有较多的氢氧化钙，抗软水侵蚀和抗化学侵蚀性差，不适用于空气中CO2含量较高的环境，不宜用于受流动的软水和有水压作用的工程，也不宜用于受海水和矿物水作用的工程；（2）水化过程中放出大量的热，不宜用于大体积混凝土工程；（3）耐腐蚀性差，不宜用于经常与流动淡水或硫酸盐等腐蚀性介质接触的工程；（4）耐热性差，不宜用于有耐热要求的工程[5]。
　　2.2铝酸盐水泥
　　铝酸盐水泥是以矾土或含铝废渣为主要原料、烧制成以铝酸盐矿物或铝酸盐复合矿物为基本组成的水泥，代号为CA，主要矿物组成为铝酸一钙（CaO·Al2O3）和二铝酸一钙（CaO·2Al2O3），主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和少量的MgO、TiO2等[6]。
　　铝酸盐水泥按Al2O3含量百分数可以分为四类：CA-50、CA-60、CA-70和CA-80。其化学成分及主要物理性能指标如表3、4所示。
　　表3铝酸盐水泥的化学成分（GB201-2000）
　　①当用户需要时，生产厂应提供结果和测定方法
　　表4铝酸盐水泥物理性能指标
　　①当用户需要时，生产厂应提供结果
　　铝酸盐水泥的水化作用主要是铝酸一钙的水化过程，其水化反应随温度而不同：当温度<20℃时，其主要水化产物为CaO·Al2O3·10H2O；当温度在20-30℃时，主要水化产物为2CaO·Al2O3·8H2O；当温度>30℃时，主要水化产物为3CaO·Al2O3·6H2O。CA2的水化与CA基本相同，但水化速率较慢。另外，C12A7的水化反应很快，也生成C2AH8，C2AS与水作用则极为微弱，可视为惰性矿物，少量的C2S则生成水化硅酸钙凝胶。
　　水化物CAH10或C2AH8为针状或片状晶体，互相结成坚固的结晶连生体，形成晶体骨架。同时所生成的氢氧化铝凝胶填塞于骨架空间，结构致密，使水泥初期强度能得到迅速增长，而以后强度增长不显著。CAH10和C2AH8随着时间延长逐渐转化为较稳定的C3AH6，此过程随着环境温度的上升而加速，其结果游离水从水泥石内析出，孔隙增大，同时C3AH6本身强度较低，晶体间结合差，因而使水泥石的强度大为下降，引起长期强度下降，特别在湿热环境中，强度降低显著（后期强度可比最高强度值降低40%以上）。
　　由于其特有的水化机理，铝酸盐水泥具有与硅酸盐水泥不同的特点，在应用范围上也存在一定区别：（1）水化热大，与一般高强度硅酸盐水泥大致相同，但放热速率特别快，且放热集中，1d内即可放出水化热总量的70-80%；（2）耐高温性好，可用于1000℃以下的耐热构筑物；（3）耐硫酸腐蚀性强，抗腐蚀性高于抗硫酸盐水泥；（4）硬化后不含铝酸三钙，不析出游离的氢氧化钙，且硬化后结构致密，对矿物水的侵蚀作用有很高的抵抗性;（5）属早强型水泥，其1d强度可达3d强度的80%以上，3d强度便可达到普通硅酸盐水泥28d的水平，后期强度增长不显著，主要用于工期紧急的工程和抢修工程。
　　
　　3结论
　　
　　硅酸盐水泥和铝酸盐水泥作为应用最为普遍的水泥品种，其重要性不言而喻。但是由于其成分、水化机理不同，使他们的性能存在较大差异，进而导致应用范围的不同。硅酸盐水泥标号高、抗冻性好、干缩性好、耐磨性好、不易产生裂缝，常用于重要结构中的高强度混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土工程，且适用于冬季施工、严寒地区遭受反复冻融的工程和干燥环境下的地面工程。铝酸盐水泥放热速率特别快、耐高温性好、耐硫酸腐蚀性强、不析出游离的氢氧化钙、早期强度高，可用于耐热构筑物、腐蚀性环境、矿物水侵蚀环境、工期紧急的工程和抢修工程等。不同的水泥优缺点也不同，适用范围不同，因此在工程施工过程中，明确水泥应用范围，正确合理的选用水泥品种对保证工程质量具有十分重要的作用。
　　
　　参考文献：
　　[1]吴中伟，廉惠珍. 高性能混凝土[M]. 北京：中国铁道出版社，1999.
　　[2]张亚苗.对硅酸盐水泥技术指标的几点分析[J]. 山西建筑，2009, 12(35):169-170.
　　[3]袁润章. 胶凝材料学（第二版）[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，1996.
　　[4]沈春林. 聚合物水泥防水涂料[M]. 北京：化学工业出版社，2003.
　　[5]李连生，郭芳芳. 硅酸盐水泥的主要性能和应用[J]. 应用能源技术，2007(4):10-11.
　　[6]张宇震. 中国铝酸盐水泥的生产与发展[J]. 水泥，2003(7):42-45.