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三、水泥
(一)水泥的定义与分类
水泥是一种无机、粉末状材料，密度为3.0～3.2g/cm3，堆积密度900～1300kg/m3。水泥与水拌合能形成具有流动性、可塑性的浆体(称为水泥浆)，随着时间的延长，水泥浆体经自身的物理化学作用，由可塑性的浆体变成坚硬的固体，具有一定的强度，并能将块状或颗粒状材料胶结成为整体。水泥不仅能在空气中凝结硬化，产生强度，而且能在水中硬化，并能很好地保持和发展强度，因此水泥属于水硬性胶凝材料。水泥可按下述方法分类。
1.按照用途与性能分类
将水泥分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。通用水泥指一般土木建筑工程中通常使用的水泥。主要包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合水泥六个品种，通常称为六大品种水泥。专用水泥指有专门用途的水泥，例如油井水泥、大坝水泥、砌筑水泥、道路水泥等。特性水泥指某种性能比较突出的水泥，例如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥等等。
2.按照主要水硬性物质分类
分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以火山灰性或潜在水硬性材料及其他活性材料为主要组分的水泥。
水泥的种类、品种繁多，从生产量和工程实际使用量来看，硅酸盐类水泥是使用最普遍、产量最多、占主导地位的水泥品种。
(二)硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥
1.定义
(1)硅酸盐水泥。以适当成分的生料烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的粒状产物称为硅酸盐水泥熟料。按照国家标准GBl75―1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的规定，凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%的石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥分两类，不掺任何混合材料、仅由硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的水泥叫做I型硅酸盐水泥，代号P?I;在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叫做Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P?Ⅱ。
(2)普通硅酸盐水泥。凡由硅酸盐水泥熟料、6%～15%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。掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过10%的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时，最大掺量不得超过水泥质量的10%。
可见，硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥都是以硅酸盐水泥熟料为基本材料，掺入适量的石膏及其他混合材料磨细制成的，两种水泥成分十分接近，其性质也基本相同。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥是其他硅酸盐类水泥的基础，在工程中使用也最普遍。
2.硅酸盐水泥的原材料与生产工艺
(1)硅酸盐水泥的原材料。生产硅酸盐水泥熟料的原材料主要是石灰质原料和粘土质原料两大类。此外，为了满足水泥熟料矿物组成的要求，通常还要加入第三种甚至第四种校正原料，对生料的成分进行调整，这部分原料称为校正原料或辅助原料。校正原料的作用是调整配料中某种氧化物的含量，有硅质材料、铝质材料和铁质材料三种。
(2)生产工艺。硅酸盐水泥的生产工艺流程可概括为“两磨一烧”，即生料的制备(磨细)、熟料的煅烧和水泥的粉磨与包装三大部分。煅烧是生产过程的核心部分，未煅烧之前将原材料破碎、磨细、合理配合并均匀地混合所得到的矿物质混合物叫做生料。将生料在窑内经高温煅烧所获得的颗粒状物质叫做熟料，将熟料与石膏、混合材料一起磨细所得到的粉末状材料叫做水泥。
3.硅酸盐水泥的水化与凝结硬化
水泥加水拌合成为可塑性的浆体，叫做水泥浆。随着时间的延长，水泥浆将逐渐失去塑性，并开始产生强度，变成坚硬的具有一定强度和粘结力的固体，称为水泥石。这种形态及性能的变化来自于水泥的水化反应。
(1)水泥的水化反应。水泥加水拌合后，其中的各矿物成分将与水发生化学反应，称为水化反应。水化反应所生成的物质称为水化产物(或称为水化物)。水泥的水化反应为放热反应，伴随着水化反应的进行，生成各水化产物的同时，将放出热量，称为水化热，通常用单位质量的水泥完全水化所放出的热量表示。
(2)水泥的凝结硬化。水泥加水拌合形成水泥浆体，开始具有流动性和可塑性。随着时间的延长，浆体将逐渐失去流动性，变为具有一定强度和固定形状的固体，这一过程称为水泥的凝结硬化。水泥的凝结和硬化实际上是一个连续进行的过程，为了分析问题方便，常常人为地将其划分为凝结和硬化两个阶段。由加水拌合时起至水泥浆失去流动性并具有一定的塑性强度这一阶段称为凝结，由水泥浆失去可塑性发展成为具有一定机械强度的水泥石的过程叫做硬化。
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4.硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥的技术性质
水泥是混凝土的重要原材料之一，对混凝土的性能具有决定性的影响。为了保证混凝土材料的性能满足工程要求，国家标准对水泥的各项性能指标有严格的规定，出厂的水泥必须经检验符合这些性能要求;同时在工程中使用水泥之前，还要按照规定对水泥的一些性能进行复试检验，以确保工程质量。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的技术性质如下。
(1)不溶物。不溶物指水泥中用盐酸或碳酸钠溶液处理而不溶的部分，不溶成分的含量可以作为评价水泥在制造过程中烧成反应是否完全的指标。国家标准中规定I型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%;Ⅱ型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50%。
(2)烧失量。烧失量是指将水泥在950℃土50℃温度的电炉中加热15min的重量减少率。这些失去的物质主要是水泥中所含有的水分和二氧化碳，根据烧失量可以大致判断水泥的吸潮及风化程度。国家标准中规定I型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.0%;Ⅱ型硅酸盐水泥中烧失量不得大于3.5%;普通硅酸盐水泥中烧失量不得大于5.0%。
(3)细度。指水泥颗粒的粗细程度，直接影响水泥的活性和强度，同时又影响水泥的生产成本和易保存性。颗粒越细，与水反映的表面积大，水化速度快，早期强度高，但硬化收缩较大，且粉磨时能耗大，成本高。而颗粒过粗，又不利于水泥火性的发挥，且强度低。水泥细度的表示方法，一是采用一定孔径的标准筛进行筛分，用筛余百分率表示水泥颗粒的粗细程度;二是用比表面积，即单位质量的水泥所具有的总的表面积来表示。按照国家标准GBl75―1999的规定，硅酸盐水泥的细度用比表面积表示，要求比表面积大于300(m2/kg);普通硅酸盐水泥及其他掺混合材料的水泥用0.080mm方孔筛的筛余百分率表示，不得超过10.0%。
(4)标准稠度需水量。标准稠度需水量指水泥浆体达到规定的标准稠度时的用水量占水泥质量的百分比。标准稠度用水量对水泥的性质没有直接的影响，只是水泥与水拌合达到某一规定的稀稠程度时需水量的客观反映，在测定水泥的凝结时间和安定性等性质时需要拌制标准稠度的水泥浆，所以是为了进行水泥技术性质检验的一个准备性指标。一般硅酸盐水泥的标准稠度用水量为26%～30%。
(5)凝结时间。凝结时间是指水泥从加水拌合开始到失去流动性，即从可塑状态发展到固体状态所需要的时间，是影响混凝土施工难易程度和速度的重要性质。水泥的凝结时间分初凝时间和终凝时间，初凝时间是指自水泥加水时起至水泥浆开始失去可塑性和流动性所需的时间;终凝时间是指水泥自加水时起至水泥浆完全失去可塑性、开始产生强度所需的时间。在水泥浆初凝之前，要完成混凝土的搅拌、浇筑、成型、振实等工序，需要有较充足的时间比较从容地进行施工，因此水泥的初凝时间不能太短;为了提高施工效率，在成型之后需要尽快增长强度，以便拆除模板，进行下一步施工，所以水泥的终凝时间不能太长。按照国家标准规定，硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h;普通水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。水泥初凝时间不合要求，该水泥作废;终凝时间不合要求，视为不合格。
(6)安定性。所谓安定性是指水泥浆体在凝结硬化过程中体积变化的均匀性，也叫做体积安定性。如果在由可塑性浆体变为坚硬固体的过程中体积变化过于激烈，则将造成结构体内部组织破坏，产生缺陷，影响构件的性能。所以对水泥的安定性有严格要求。
引起水泥安定性不良的原因是熟料中含有过量的游离氧化钙或游离氧化镁，以及在水泥粉磨时掺入的石膏超量等。
(7)强度。强度是水泥的重要力学性能指标，是划分水泥强度等级的依据。水泥的强度不仅反映硬化后水泥凝胶体自身的强度，而且还要反映胶结能力。所以检验水泥强度的试件不采用水泥净浆，而是加入细骨料，与水、水泥一起拌制成砂浆，制作胶砂试件。并且，由于水泥的胶结强度不仅仅取决于水泥浆体，还与骨料的粒径、粒形、级配及表面状态等性质有关，为了去除由于骨料因素对水泥胶结能力的影响，测定水泥强度使用的细骨料采用统一监制的标准砂。按照水泥;水：标准砂=450(g)：225(g)：1350(g)的数量称取水泥、水和标准砂，拌制水泥胶砂并制作试件，试件尺寸为40mm×40mm×l60mm，24h脱模后放入20℃±2℃的水中养护，分别测定3d、28d龄期的抗折、抗压强度，作为确定水泥强度等级的依据。表2-2-6列出了硅酸盐水泥和普通硅酸盐的强度等级及其相应的3d、28d强度值，通过胶砂强度试验测得的水泥各龄期的强度值均不得低于表中相应强度等级所要求的数值，按照此原则确定所检测的水泥的强度等级。