摘 要：對(duì)硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的組成、性能指標(biāo)和水化機(jī)理進(jìn)行了分析，對(duì)比二者性能差異對(duì)其應(yīng)用范圍進(jìn)行了區(qū)別。

　　關(guān)鍵詞：硅酸鹽水泥；鋁酸鹽水泥；組成；性能；水化機(jī)理；應(yīng)用

　　1前言

　　水泥是加水能攪拌和成塑性漿體，可膠結(jié)砂石等材料，并能在空氣和水中硬化的粉狀水硬性膠凝材料，是基建工程的主要原材料之一，具有原材料廣泛、防火、適應(yīng)性強(qiáng)和應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國防、交通、城市建設(shè)等工程，在代鋼代木等方面具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，對(duì)保證國家建設(shè)和提高人民生活水平具有重要意義。水泥種類繁多，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的命名原則，按其主要水硬性礦物名稱可分為硅酸鹽系、鋁酸鹽系、硫鋁酸鹽系等系列品種，也可按其用途和性能分為通用水泥、專用水泥以及特性水泥三大類，不同的水泥具有其特有的用途。本文主要對(duì)硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的組成、性能特點(diǎn)、水化機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的對(duì)比研究，對(duì)二者在工程的選用具有一定得指導(dǎo)意義。

　　2硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥對(duì)比研究

　　在目前已投入應(yīng)用的百余種水泥中，應(yīng)用最廣泛的是硅酸鹽系水泥和鋁酸鹽系水泥，其中又以硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的應(yīng)用最為普遍。由于組成成分和水化機(jī)理的不同，這兩種水泥具有截然不同的特性，其應(yīng)用范圍也大不相同。

　　2.1硅酸鹽水泥

　　在水泥諸品種中，硅酸鹽水泥是應(yīng)用最廣和研究最多的。按國家標(biāo)準(zhǔn)《GB175-2008》規(guī)定：凡由硅酸鹽水泥熟料、0-5%的石灰石或?；V渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料為硅酸鹽水泥。其礦物組成主要是：硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）。其中硅酸三鈣和硅酸二鈣是主要的，占70%以上[2]。上述幾種礦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%）等在高溫下互相作用而形成的。

　　硅酸鹽水泥分為二類：不摻加混合材料的稱Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號(hào)為P·Ⅰ；在熟料粉磨時(shí)摻入不超過水泥質(zhì)量5%的石灰石或?；郀t礦渣混合材料的稱Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號(hào)為P·Ⅱ，其主要技術(shù)要求如表1所示[3]。

　　當(dāng)水泥加水拌和后，在水泥顆粒表面立即發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物溶于水中，接著，水泥顆粒又重新暴露出新的表面，繼續(xù)與水反應(yīng)，如此不斷，使水泥顆粒周圍的溶液很快成為水化產(chǎn)物的飽和溶液，見圖1（a）。在溶液達(dá)到飽和后，水泥繼續(xù)水化生成的產(chǎn)物就不能再溶解，就有許多細(xì)小分散狀態(tài)的顆粒析出，形成凝膠體，見圖1（b）。隨著水化的繼續(xù)進(jìn)行，新生膠粒不斷增加，凝膠體逐漸變濃，水泥漿逐漸凝結(jié)，凝膠體中的氫氧化鈣將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶，見圖1（c）。結(jié)晶貫穿于凝膠體中，形成具有一定強(qiáng)度的水泥石，見圖1（d）。隨著硬化時(shí)間的延續(xù)，水泥顆粒內(nèi)部未能水化部分將繼續(xù)水化，使晶體逐漸增多，凝膠體逐漸密實(shí)，水泥石就具有越來越高的膠結(jié)力和強(qiáng)度。另外，當(dāng)水泥在空氣中凝結(jié)硬化時(shí)，其表面水化形成的氫氧化鈣會(huì)與空氣中的二氧化碳作用，生成碳酸鈣薄層。

　　通過上述過程可以看出，硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)是從顆粒表面逐漸深入到內(nèi)層的，開始進(jìn)行較快，隨后由于水泥顆粒表層生成了凝膠膜，其水分的滲入也就越來越困難，水化作用也就越來越慢。一般水泥在開始的3-7天內(nèi)，水化、水解速度快，強(qiáng)度增長亦較快，大致在28天內(nèi)可以完成這個(gè)過程的基本部分，以后則顯著減慢，強(qiáng)度增長亦極為緩慢。實(shí)踐證實(shí)若完成水泥的水化和水解全過程，需要幾年、幾十年的時(shí)間[4]。

　　在常用的水泥品種中，硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)較高，常用于重要結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程；抗凍性好，適用于冬季施工及嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融的工程；干縮性好，耐磨性好，不易產(chǎn)生裂縫，可用于干燥環(huán)境下的地面及路面工程。

　　但同時(shí)硅酸鹽水泥也存在一定的不足：（1）硬化后含有較多的氫氧化鈣，抗軟水侵蝕和抗化學(xué)侵蝕性差，不適用于空氣中CO2含量較高的環(huán)境，不宜用于受流動(dòng)的軟水和有水壓作用的工程，也不宜用于受海水和礦物水作用的工程；（2）水化過程中放出大量的熱，不宜用于大體積混凝土工程；（3）耐腐蝕性差，不宜用于經(jīng)常與流動(dòng)淡水或硫酸鹽等腐蝕性介質(zhì)接觸的工程；（4）耐熱性差，不宜用于有耐熱要求的工程[5]。

　　2.2鋁酸鹽水泥

　　鋁酸鹽水泥是以礬土或含鋁廢渣為主要原料、燒制成以鋁酸鹽礦物或鋁酸鹽復(fù)合礦物為基本組成的水泥，代號(hào)為CA，主要礦物組成為鋁酸一鈣（CaO·Al2O3）和二鋁酸一鈣（CaO·2Al2O3），主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和少量的MgO、TiO2等[6]。

　　鋁酸鹽水泥按Al2O3含量百分?jǐn)?shù)可以分為四類：CA-50、CA-60、CA-70和CA-80。其化學(xué)成分及主要物理性能指標(biāo)如表3、4所示。

　　表3鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分（GB201-2000）

　?、佼?dāng)用戶需要時(shí)，生產(chǎn)廠應(yīng)提供結(jié)果和測(cè)定方法

　　表4鋁酸鹽水泥物理性能指標(biāo)

　?、佼?dāng)用戶需要時(shí)，生產(chǎn)廠應(yīng)提供結(jié)果

　　鋁酸鹽水泥的水化作用主要是鋁酸一鈣的水化過程，其水化反應(yīng)隨溫度而不同：當(dāng)溫度<20℃時(shí)，其主要水化產(chǎn)物為CaO·Al2O3·10H2O；當(dāng)溫度在20-30℃時(shí)，主要水化產(chǎn)物為2CaO·Al2O3·8H2O；當(dāng)溫度>30℃時(shí)，主要水化產(chǎn)物為3CaO·Al2O3·6H2O。CA2的水化與CA基本相同，但水化速率較慢。另外，C12A7的水化反應(yīng)很快，也生成C2AH8，C2AS與水作用則極為微弱，可視為惰性礦物，少量的C2S則生成水化硅酸鈣凝膠。

　　水化物CAH10或C2AH8為針狀或片狀晶體，互相結(jié)成堅(jiān)固的結(jié)晶連生體，形成晶體骨架。同時(shí)所生成的氫氧化鋁凝膠填塞于骨架空間，結(jié)構(gòu)致密，使水泥初期強(qiáng)度能得到迅速增長，而以后強(qiáng)度增長不顯著。CAH10和C2AH8隨著時(shí)間延長逐漸轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的C3AH6，此過程隨著環(huán)境溫度的上升而加速，其結(jié)果游離水從水泥石內(nèi)析出，孔隙增大，同時(shí)C3AH6本身強(qiáng)度較低，晶體間結(jié)合差，因而使水泥石的強(qiáng)度大為下降，引起長期強(qiáng)度下降，特別在濕熱環(huán)境中，強(qiáng)度降低顯著（后期強(qiáng)度可比最高強(qiáng)度值降低40%以上）。

　　由于其特有的水化機(jī)理，鋁酸鹽水泥具有與硅酸鹽水泥不同的特點(diǎn)，在應(yīng)用范圍上也存在一定區(qū)別：（1）水化熱大，與一般高強(qiáng)度硅酸鹽水泥大致相同，但放熱速率特別快，且放熱集中，1d內(nèi)即可放出水化熱總量的70-80%；（2）耐高溫性好，可用于1000℃以下的耐熱構(gòu)筑物；（3）耐硫酸腐蝕性強(qiáng)，抗腐蝕性高于抗硫酸鹽水泥；（4）硬化后不含鋁酸三鈣，不析出游離的氫氧化鈣，且硬化后結(jié)構(gòu)致密，對(duì)礦物水的侵蝕作用有很高的抵抗性;（5）屬早強(qiáng)型水泥，其1d強(qiáng)度可達(dá)3d強(qiáng)度的80%以上，3d強(qiáng)度便可達(dá)到普通硅酸鹽水泥28d的水平，后期強(qiáng)度增長不顯著，主要用于工期緊急的工程和搶修工程。

　　3結(jié)論

　　硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥作為應(yīng)用最為普遍的水泥品種，其重要性不言而喻。但是由于其成分、水化機(jī)理不同，使他們的性能存在較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)用范圍的不同。硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)高、抗凍性好、干縮性好、耐磨性好、不易產(chǎn)生裂縫，常用于重要結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程，且適用于冬季施工、嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融的工程和干燥環(huán)境下的地面工程。鋁酸鹽水泥放熱速率特別快、耐高溫性好、耐硫酸腐蝕性強(qiáng)、不析出游離的氫氧化鈣、早期強(qiáng)度高，可用于耐熱構(gòu)筑物、腐蝕性環(huán)境、礦物水侵蝕環(huán)境、工期緊急的工程和搶修工程等。不同的水泥優(yōu)缺點(diǎn)也不同，適用范圍不同，因此在工程施工過程中，明確水泥應(yīng)用范圍，正確合理的選用水泥品種對(duì)保證工程質(zhì)量具有十分重要的作用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]吳中偉，廉惠珍. 高性能混凝土[M]. 北京：中國鐵道出版社，1999.

　　[2]張亞苗.對(duì)硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)的幾點(diǎn)分析[J]. 山西建筑，2009, 12(35):169-170.

　　[3]袁潤章. 膠凝材料學(xué)（第二版）[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1996.

　　[4]沈春林. 聚合物水泥防水涂料[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

　　[5]李連生，郭芳芳. 硅酸鹽水泥的主要性能和應(yīng)用[J]. 應(yīng)用能源技術(shù)，2007(4):10-11.

　　[6]張宇震. 中國鋁酸鹽水泥的生產(chǎn)與發(fā)展[J]. 水泥，2003(7):42-45.