第3章 水泥 【主要内容】 本章主要介绍通用硅酸盐水泥的分类、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性、水泥的水化和凝结硬化、性能及选用等。同时对其他品种硅酸盐水泥、非硅酸盐系水泥、新型胶凝材料的主要性能及其应用进行简要介绍。 【重点难点】 本章教学重点在于通用硅酸盐水泥的矿物组成、性能及选用原则，水泥性能指标及检测方法，水泥石的腐蚀及预防等。教学难点在于水泥熟料矿物的水化及凝结硬化、水泥性能与选用等。 水泥是能与水发生物理化学作用，使其由可塑性浆体硬化成坚硬的人造石材的一种粉末状水硬性胶凝材料。粉末状的水泥与水混合后，经过一系列物理化学过程，能够在空气中或水中凝结硬化，而由可塑性浆体逐渐变成坚硬的石状体，并可将砂石等散状材料胶结成整体。 水泥是目前土木工程建设中最重要的材料之一，它在各种工业与民用建筑、道路与桥梁、水利与水电、海洋与港口、矿山及国防等工程中广泛应用。水泥在这些工程中可用于制作各种混凝土与钢筋混凝土构件用于构筑物和建筑物，并可用于配制各种砂浆及其他各种胶结材料等。 土木工程中应用的水泥品种众多，按其化学成分可分为通用硅酸盐水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、铁铝酸盐系水泥等，其中以通用硅酸盐水泥的应用最为广泛。 水泥按用途与性能也可划分为通用水泥、专用水泥及特性水泥三类。通用水泥是指一般土木工程中大量使用的水泥，如硅酸盐水泥、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硅酸盐水泥等。专用水泥是指专门用途的水泥，如砌筑水泥、道路硅酸盐水泥等。特性水泥则是指某种性能比较突出的水泥，如白色硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、硅酸盐膨胀水泥等。通常又把专用水泥和特性水泥合称为特种水泥。 3.1通用硅酸盐水泥 通用硅酸盐水泥（common Portland cement）是以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。 3.1.1通用硅酸盐水泥的种类及其生产 1. 通用硅酸盐水泥的种类 根据现行国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的规定，按照混合材料的品种和掺量的不同可分为硅酸盐水泥、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硅酸盐水泥六大品种。通用硅酸盐水泥的各品种水泥代号和组分应符合表31的规定。 第3章水泥 3.1通用硅酸盐水泥 表31通用硅酸盐水泥各品种代号及组分 ％ 品种代号 组分 熟料+石膏粒化高 炉矿渣火山灰质 混合材料粉煤灰石灰石 硅酸盐水泥 P·Ⅰ100 P·Ⅱ ≥95≤5 ≥95≤5 普通硅酸盐水泥P·O≥80且<95>5且≤20① 矿渣硅酸盐水泥 P·S·A≥50且<80>20且≤50② P·S·B≥30且<50>50且≤70② 火山灰质硅酸盐水泥P·P≥60且<80>20且≤40③ 粉煤灰硅酸盐水泥P·F≥60且<80>20且≤40④ 复合硅酸盐水泥P·C≥50且<80>20且≤50⑤ 注： ① 本组分材料为符合标准的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%且符合标准的非活性混合材料或不超过水泥质量5%且符合标准的窑灰代替。 ② 本组分材料为符合《用于水泥中的粒化高炉矿渣 》（GB/T 203—2008）或《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉 》（GB/T 18046—2017）的活性混合材料，其中允许用不超过水泥质量8%且符合标准的活性混合材料或符合标准的非活性混合材料或符合标准的窑灰中的任一种材料代替。 ③ 本组分材料为符合《用于水泥中的火山灰质混合材料》（GB/T 2847—2005）的活性混合材料。 ④ 本组分材料为符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）的活性混合材料。 ⑤ 本组分材料为由两种（含）以上符合标准的活性混合材料或（和）符合标准的非活性混合材料组成，其中允许用不超过水泥质量8%且符合标准的窑灰代替。掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。 2. 通用硅酸盐水泥生产 通用硅酸盐水泥的生产有三大步骤： 水泥生料的制备、水泥熟料的烧成和水泥成品的磨制，参见图31。其生产过程可简称为“两磨一烧”： ①将石灰质原料、黏土质原料和少量铁质校正材料以适当比例混合，经粉磨得到水泥生料； ②将水泥生料在熟料烧成窑进行约1450℃高温煅烧，得到水泥熟料； ③ 熟料中加入石膏和不同种类、不同比例的混合材料粉磨，可得到不同品种的通用硅酸盐水泥（Ⅰ型硅酸盐水泥生产时不需加入混合材料）。 水泥的生料成分在煅烧窑（主要有回转窑、立窑）中经过干燥、预热、分解、烧成和冷却等五个阶段，并产生一系列物理化学变化而形成所需要的熟料矿物成分，其中烧成阶段是水泥熟料矿物形成的关键，其煅烧温度（常控制在1300～1450℃）、煅烧时间、煅烧过程中的混合均匀性等对于熟料的质量具有重要的影响。为了调节水泥的凝结时间，水泥中必须掺有适量石膏。 图31通用硅酸盐水泥生产工艺过程 水泥熟料各成分的大致比例为CaO占62%～67%，SiO2占20%～24%，Al2O3占4%～7%，Fe3O4占2.5%～5.0%。在生产水泥的各种原料中，石灰石主要提供形成水泥熟料主要矿物成分所需的CaO，黏土主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3等，不足的Fe3O4成分由校正原料如铁矿粉来补充。此外，为改善水泥的烧成性能或使用性能，有时还可掺加少量的添加剂（如萤石等）。不同的水泥化学成分构成是决定水泥产品性能的主要因素。 3.1.2通用硅酸盐水泥的组成材料 1. 硅酸盐水泥熟料 硅酸盐水泥熟料是由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得，以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。其中硅酸钙矿物不小于66%，氧化钙和氧化硅质量比不小于2.0。硅酸盐水泥熟料主要由四种矿物组成，其名称和含量范围见表32。 表32水泥熟料的主要矿物组成 矿 物 成 分基本化学组成矿 物 简 称一般含量范围 硅酸三钙3CaO·SiO2C3S36%～60% 硅酸二钙2CaO·SiO2C2S15%～37% 铝酸三钙3CaO·Al2O3C3A7%～15% 铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10%～18% 在这四种矿物中，C3S、C2S称为硅酸盐矿物，一般占熟料总量的75%～82%，C3A、C4AF称为熔剂矿物，通常占熟料总量的18%～25%。硅酸盐水泥熟料除上述主要组成外，尚含有少量以下成分。 （1） 游离态氧化镁（MgO）。原料中带入的杂质属有害成分，含量多时会使水泥体积安定性不良。为此，国家标准对通用硅酸盐水泥中的MgO最大含量加以规定，超过限值时任何工程中不得使用。 （2） 游离氧化钙 （fCaO）。在煅烧过程中未能化合而残存下来的呈游离态CaO，如果它的含量较高，则由于其滞后的水化并产生结晶膨胀而导致水泥石开裂，甚至破坏，造成水泥体积安定性不良。通常熟料中其含量应严格控制在2% 以下。 （3） 含碱矿物。含碱矿物是指含有Na2O和K2O及其盐类的物质，当其含量较高时，一旦遇有活性骨料就容易产生碱骨料膨胀反应。 2. 石膏 （1） 天然石膏： 应符合《天然石膏》（GB/T 5483—2008）中规定的G类或M类二级（含）以上的石膏或混合石膏。 （2） 工业副产石膏： 以硫酸钙为主要成分的工业副产物。采用前应经过试验证明对水泥性能无害。 当水泥中石膏掺量适当时，可以调节水泥的凝结时间达到适当的时间而不影响其他性能； 但当石膏掺入量过高时，就会使其在硬化过程产生体积不均匀的变化而使其结构破坏。为此，国家标准对通用硅酸盐水泥中SO3的含量限值进行了规定，超过限值时不得在工程中使用。 3. 混合材料 混合材料是生产水泥时为改善水泥的性能、调节水泥的强度等级而掺入的人工或天然矿物材料。除 P·I 型硅酸盐水泥之外，其他通用硅酸盐水泥品种都掺有适量的混合材料，这些混合材料与水泥熟料共同磨细后，可使水泥获得不同的技术性能。硅酸盐水泥熟料中掺入大量混合材料制成的水泥，不仅可调节水泥强度等级、增加产量、降低成本，还可调整水泥的性能，扩大水泥品种，满足不同工程的需要。 按照混合材料在水泥中的性能表现不同，可分为活性混合材料、非活性混合材料和窑灰，其中活性混合材料用量最大。 1） 活性混合材料 磨细的混合材料与石灰、石膏或硅酸盐水泥混合后，其混合物加水拌和后可产生某些化学反应， 生成有一定胶凝性的物质，且具有水硬性，这种混合材料称为活性混合材料。符合《用于水泥中的粒化高炉矿渣》（GB/T 203—2008）、《用于水泥 、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046—2017）、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）、《用于水泥中的火山灰质混合材料》（GB/T 2847—2005）等标准要求的粒化高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、火山灰质混合材料都属于活性混合材料，通常可采用石灰、石膏等作为激发剂来促使活性混合材料的潜在反应能力。 （1） 粒化高炉矿渣。 在高炉冶炼生铁时，将浮在铁水表面的熔融物，经急冷处理而成的粒径为 0.5～5mm 的疏松颗粒材料称为粒化高炉矿渣。由于多采用水淬方法进行急冷处理，故又称水淬矿渣。水淬矿渣为以玻璃体为主的矿物，其中玻璃体含量达80%以上，因此储有较大的化学潜能，其主要化学成分为CaO、SiO2和Al2O3等，另外还含有少量的MgO、Fe2O3 及其他杂质。 （2） 火山灰质混合材料。 火山灰质混合材料按其成因可分为天然的和人工的两类。天然的火山灰质混合材料包括火山灰（火山喷发形成的碎屑）、凝灰岩（由火山灰沉积而成的岩石）、浮石（火山喷出时形成的玻璃质多孔岩石）、沸石（凝灰岩经环境介质作用而形成的一种以含水铝硅酸盐矿物为主的多孔岩石）、硅藻土（由极细的硅藻介壳聚集、沉积而成）等。人工的火山灰质混合材料包括燃烧过的煤矸石、烧页岩、烧黏土和炉渣等。火山灰质混合材料的活性成分主要是活性SiO2和活性Al2O3，国家标准《用于水泥中的火山灰质混合材料》（GB/T 2847—2005）规定，其活性经试验检验必须合格，即掺加30%火山灰质混合材料的硅酸盐水泥与该硅酸盐水泥的28d抗压强度比（据《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》（GB/T 12957—2005））不得低于65%。为防止有害杂质对水泥性能的影响，水泥用火山灰质混合材料中的SO3含量不得超过3%； 对于人工的火山灰质混合材料还要求其烧失量不得超过10%。此外，火山灰质混合材料的放射性物质含量也必须符合相应的规定。 （3） 粉煤灰。 粉煤灰是火力发电厂等以煤粉为燃料的燃煤炉烟道气体中所收集的粉末。根据国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）的规定，粉煤灰按煤种可分为两类： 由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰为F类粉煤灰； 由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰为C类粉煤灰，其氧化钙含量一般大于10％。根据上述主要质量指标，用作水泥混合材料的粉煤灰的理化性能应满足表33的要求。 表33水泥活性混合材料用粉煤灰理化性能 项目技 术 要 求 烧失量/% F类粉煤灰 C类粉煤灰≤8.0 含水量/% F类粉煤灰 C类粉煤灰≤1.0 三氧化硫质量分数/% F类粉煤灰 C类粉煤灰≤3.5 游离氧化钙质量分数/% F类粉煤灰≤1.0 C类粉煤灰≤4.0 安定性雷氏夹沸煮后增加距离/mmC类粉煤灰≤5.0 强度活性指数/% F类粉煤灰 C类粉煤灰≤70.0 密度/（g/cm3) F类粉煤灰 C类粉煤灰≤2.6 三氧化硫、三氧化二铝和三氧化二铁总质量分数/% F类粉煤灰 C类粉煤灰 ≥70 ≥50 2） 非活性混合材料 凡不具有活性或活性很低的人工或天然的矿质材料经粉磨而成的细粉，掺入水泥中无不利影响的材料称为非活性混合材料。水泥中掺加非活性混合材料后可调节水泥的性能和强度等级、降低水化热，并增加水泥产量。常用的非活性混合材料有石灰岩、砂岩经磨细而成的细粉，其中石灰石中的Al2O3含量应不大于2.5%。此外，凡活性指标未达到规定要求的粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料及粉煤灰等均可作为非活性混合材料使用。 3） 窑灰 窑灰是从水泥回转窑窑尾废气中收集的粉尘，使用时须符合《掺入水泥中的回转窑窑灰》（JC/T 742—2009）的相关规定。 4. 助磨剂 水泥粉磨时允许加入助磨剂提高粉磨效率，其加入量不超过水泥质量的0.5％，性能符合《水泥助磨剂》（JC/T 667—2011）的规定。助磨剂的使用会将一定量的氯盐带入水泥，影响水泥的性能。 3.1.3通用硅酸盐水泥的技术要求 1. 化学指标 为保证水泥的使用质量，需要控制水泥中有害的化学成分，要求有害化学成分不超过一定的限量。如果超过最大允许限值，则意味着对水泥性能和质量可能产生有害或潜在的影响。按照现行标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的要求，通用硅酸盐水泥的化学指标应按照《水泥化学分析方法》（GB/T 176—2017）进行试验，检验结果应符合表34的规定，不符合其中任何一项技术要求的为不合格品。 表34通用硅酸盐水泥的化学指标 ％ 品种代号不溶物烧失量三氧化硫氧化镁氯离子 硅酸盐水泥 P·I≤0.75≤3.0 P·Ⅱ≤1.50≤3.5 普通硅酸盐水泥P·O≤5.0≤3.5≤5.0① 矿渣硅酸盐水泥 P·S·A P·S·B≤4.0 ≤6.0② 火山灰质硅酸盐水泥P·P 粉煤灰硅酸盐水泥P·F 复合硅酸盐水泥P·C ≤3.5≤6.0② ≤0.06③ 注： ① 如果水泥压蒸试验合格，则水泥中氧化镁的含量（质量分数）允许放宽至6.0%; ② 如果水泥中氧化镁的含量（质量分数）大于6.0%，需进行水泥压蒸安定性试验并合格; ③ 当有更低要求时，该指标由买卖双方协商确定。 （1） 不溶物。不溶物是指经盐酸处理后的残渣，再以氢氧化钠溶液处理，经盐酸中和过滤后所得的残渣经高温灼烧所剩的物质。不溶物含量高对水泥质量有不良影响。 （2） 烧失量。烧失量是用来限制石膏和混合材料中杂质的，以保证水泥质量。水泥煅烧不佳或受潮后，均会导致烧失量增加。烧失量测定是以水泥试样在900~1500℃下灼烧15~20min，冷至室温称量。如此反复灼烧，直至恒重。 （3） 三氧化硫含量。水泥中的三氧化硫主要是在生产时为调节凝结时间加入石膏而带来的； 也可能是煅烧熟料时加入石膏矿化剂而带入熟料中的。适量石膏虽能改善水泥性能（如提高水泥强度，降低收缩性，改善抗冻、耐蚀和抗渗性等），但石膏超过一定量后，水泥性能会变坏，甚至引起硬化水泥石体积膨胀，导致结构破坏。我国现行标准GB 175—2007规定： 矿渣硅酸盐水泥中三氧化硫含量不得超过3.5%； 其他通用硅酸盐水泥中三氧化硫含量不得超过4.0％。 （4） 氧化镁含量。在水泥熟料中，常含有少量未与其他矿物结合的游离氧化镁，这种多余的氧化镁是高温时形成的方镁石，它水化为氢氧化镁速度很慢，常在水泥硬化以后才开始水化，在水化时产生体积膨胀，可导致水泥石结构产生裂缝甚至破坏，是引起水泥安定性不良的原因之一。我国现行国家标准GB 175—2007规定： 硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥中氧化镁含量不得超过5.0%，如果水泥经压蒸安定性试验合格，氧化镁含量允许放宽到6.0%； 其他通用硅酸盐水泥（不包括B型矿渣硅酸盐水泥）中氧化镁含量不得超过6.0%，大于6.0%时，需进行水泥压蒸安定性试验并合格。 （5） 氯离子。水泥原材料或水泥助磨剂的使用都可能使水泥中存在一定量的氯盐，水泥中氯离子超过一定含量时会使混凝土中的钢筋产生锈蚀，对混凝土结构造成很大的破坏。我国现行国家标准GB 175—2007规定： 氯离子含量不得超过0.06％，当有更低要求时，该指标由买卖双方共同协商确定。 2. 碱含量（选择性指标） 碱含量主要从水泥生产原材料带入，尤其是黏土中带入，碱含量高有可能产生碱骨料反应（见4.3.4节）。水泥中碱含量 用Na2O+0.658K2O计算值表示，按照GB/T 176—2007进行试验检验。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方共同协商确定。 3. 物理指标 1） 凝结时间 凝结时间是水泥从加水开始到水泥浆体失去可塑性所需的时间。根据水泥加水至不同的物理状态可分为初凝和终凝。从加水拌和起至水泥浆开始失去塑性所需的时间称为初凝； 自加水拌和至水泥浆完全失去塑性并开始有一定结构强度所需的时间称为终凝。 通常为保证水泥浆在较长时间内保持流动性，要求水泥的初凝不宜过早，以满足工程施工操作所需的时间； 为使水泥混凝土或砂浆等在成型完毕后能尽快完成凝结硬化并产生强度，水泥的终凝也不宜过迟，以便于下一道工序及早施工。国家标准GB 175—2007规定： 水泥的凝结时间应根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》（GB/T 1346—2011）进行试验，通用硅酸盐水泥初凝不小于45min； 硅酸盐水泥终凝不大于390min，其他品种的通用硅酸盐水泥终凝不大于600min； 初凝和终凝有一项指标不符合要求的为不合格品。 2） 安定性 水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积均匀变化的性能。水泥硬化后若产生不均匀的体积变化则称为体积安定性不良，水泥体积安定性不良会使水泥混凝土或砂浆结构产生不均匀的膨胀性破坏（如变形、开裂或溃散），甚至引起严重工程事故。造成水泥安定性不良的原因主要是由于其熟料矿物组成中含有过多的游离氧化钙或游离氧化镁，以及水泥中石膏超量等所致。它们的共同特点是参与水化过程的时机太晚，通常要在水泥凝结硬化后一段时间后才开始慢慢水化，且水化时产生体积膨胀，从而引起不均匀的体积变化而使硬化水泥石结构破坏。 为防止工程中采用安定性不良的水泥，通常在使用前应严格检验其安定性。根据不同的影响因素可采用不同的检验方法。 （1） 对于由游离氧化钙引起的水泥安定性不良，可根据GB/T 1346—2011采用试饼法或雷氏法检验。其中，试饼法是将标准稠度的水泥净浆做成试饼经恒沸3h后，用肉眼观察其外观状态。若未发现裂纹，用直尺检查也没有弯曲现象时，则称为安定性合格； 反之，则为不合格。雷氏法是测定水泥浆在雷氏夹中经硬化后的沸煮膨胀值，当两个试件经沸煮后的雷氏膨胀测定值的平均值不大于5mm时，即判为该水泥安定性合格； 反之，则为不合格。 （2） 由于游离氧化镁的水化作用比游离氧化钙更加缓慢，当怀疑游离氧化镁过量时，必须根据《水泥压蒸安定性试验方法》（GB/T 750—1992）用压蒸法检验其危害作用。当水泥中石膏超量等因素造成SO2-4含量过多时，多余的硫酸盐将与已固化的水化铝酸钙作用生成水化硫铝酸钙晶体，且体积明显膨胀（约1.5倍），从而造成硬化水泥石结构的开裂破坏。由于氧化镁和过量硫酸盐的危害作用不易快速检验，故在水泥生产中必须严加控制。 3） 强度 水泥的强度是评定其质量的重要指标。国家标准规定，采用《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）测定水泥强度，其用水量按0.50水灰比和胶砂流动度不小于180mm来确定； 当流动度小于180mm时，须以0.01的整倍数递增的方法将水灰比调整至胶砂流动度不小于180mm。胶砂制备后，其流动度试验按《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419—2005）进行。 通用硅酸盐水泥各品种的强度等级根据水泥胶砂强度试验测定结果确定，按照水泥3d强度的不同又分为普通型和早强型（有代号R）两种。通用硅酸盐水泥不同龄期的强度应符合表35的规定，各龄期强度指标全部满足规定值者为合格，否则为不合格。 表35通用硅酸盐水泥强度等级 MPa 品种强 度 等 级 抗压强度抗折强度 3d28d3d28d 硅酸盐水泥 42.5≥17.0 42.5R≥22.0≥42.5 ≥3.5 ≥4.0≥6.5 52.5≥23.0 52.5R≥27.0≥52.5 ≥4.0 ≥5.0≥7.0 62.5≥28.0 62.5R≥32.0≥62.5 ≥5.0 ≥5.5≥8.0 普通硅酸盐水泥 42.5≥17.0 42.5R≥22.0≥42.5 ≥3.5 ≥4.0≥6.5 52.5≥23.0 52.5R≥27.0≥52.5 ≥4.0 ≥5.0≥7.0 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 32.5≥10.0 32.5R≥15.0≥32.5 ≥2.5 ≥3.5≥5.5 42.5≥15.0 42.5R≥19.0≥42.5 ≥3.5 ≥4.0≥6.5 52.5≥21.0 52.5R≥23.0≥52.5 ≥4.0 ≥4.5≥7.0 4） 细度（选择性指标） 细度是指水泥颗粒的粗细程度，它是影响水泥性能的主要因素之一。水泥细度通常采用筛析法（见《水泥细度检验方法筛析法》（GB/T 1345—2005））或比表面积法（勃氏法，见《水泥比表面积测定方法勃氏法》（GB/T 8074—2008））测定。筛析法以80μm方孔筛或45μm方孔筛的筛余来表示其细度； 比表面法则以1kg水泥所具有的总表面积（m2）来表示其细度。 为满足工程对水泥性能的要求，国家标准GB 175—2007规定： 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示，且不小于300m2/kg； 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硅酸盐水泥以筛余表示，80μm方孔筛筛余不大于10%或45μm方孔筛筛余不大于30%。 3.1.4通用硅酸盐水泥的水化与凝结硬化 水泥加适量水拌和后，立即发生化学反应，水泥的各组分开始溶解并产生复杂的物理、化学与力学变化，可称之为水泥的水化。随着反应的进行，可形成具有可塑性的水泥浆体并逐渐失去流动能力，最终凝结硬化成为具有一定强度的坚硬材料。从水泥加水搅拌开始到水泥浆体失去塑性的过程称为凝结，此时水泥浆体还不具备强度； 随着水泥水化反应的继续进行，凝结的水泥浆体产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬水泥石的过程称为硬化。凝结硬化实际上是一个连续复杂的物理化学变化过程，水泥水化是其凝结硬化的前提，而凝结硬化则是水泥水化的结果。 1. 通用硅酸盐水泥的水化 1） 熟料矿物的水化特性 因为通用硅酸盐水泥中 在使用过程中不同矿物成分的主要水化、凝结与硬化特性有较大差异，所以水泥的凝结硬化性能主要取决于其熟料的主要矿物成分及其相对含量。各种水泥熟料矿物水化所表现的特性见表36，各水泥熟料矿物强度增长曲线如图32所示。 表36四种主要矿物成分的水化、凝结与硬化特性 性 能 指 标 熟 料 矿 物 C3SC2SC3AC4AF 水化速率快慢最快快，仅次于C3A 凝结硬化速率快慢最快快 28d水化热多少最多中 强度 早期高低低低 后期高高低低 （1） 在水泥熟料的四种主要矿物成分中，C3S的水化速率较快，水化热较大，其水化物主要在早期产生。因此，其早期强度最高， 图32各水泥熟料矿物强度增长曲线 且能不断得到增长，通常是决定水泥强度等级高低的最主要矿物。 （2） C2S的水化速率最慢，水化热最小，其水化产物和水化热主要表现在后期； 它对水泥早期强度贡献很小，但对后期强度的增长至关重要。因此，它是保证水泥后期强度增长的主要矿物。 （3） C3A的水化速率极快，水化热也最集中； 由于其水化产物主要在早期产生，因此对水泥的凝结与早期（3d以内）的强度影响最大，硬化时所表现的体积减缩也最大。尽管C3A可促使水泥的早期强度增长很快，但其实际强度并不高，而且后期几乎不再增长，甚至会使水泥的后期强度有所降低。 （4） C4AF是水泥中水化速率较快的成分，仅次于C3A。其水化热中等，抗压强度较低，但抗折强度相对较高。 因为水泥是由上述几种不同矿物按照不同比例构成的，而且它们各自的性质也有很大的差别，当它们在水泥中的相对含量改变时，水泥的技术性质也随之改变。例如，要使水泥具有快硬高强的性能，应适当提高水泥熟料中C3S及C3A的相对含量； 若要求水泥的发热量较低，可适当提高C2S及C4AF的含量而控制C3S及C3A的含量。因此，掌握通用硅酸盐水泥熟料中各矿物成分的含量及特性，就可以大致了解水泥的性能特点。 水泥在凝结硬化过程中，因水化反应所放出的热量称为水泥的水化热，通常以kJ/kg为单位表示。水化放热量和放热速度不仅影响其凝结硬化速度，而且由于热量的积蓄还会影响施工和工程质量，如有利于低温环境中的施工，不利于大体积结构的体积稳定等。因此，对于某些大体积混凝土工程，如大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土构筑物，水化热积聚在内部不易发散，内外部温差可达50～60℃及以上，并引起较大的应力，甚至导致混凝土开裂等破坏，因此不宜采用发热量较大的水泥，而应采用低热水泥。而对于冬期施工等低温环境的工程，采用较高水化热的水泥，可利用其自身的热量来促进凝结硬化的速度。 水泥水化热的多少不仅取决于矿物成分，而且还与水泥细度、水泥中掺混合材料及外加剂的品种和掺量等有关。水泥细度越细，水化反应越容易进行，其水化放热量越多，放热速度也越快。 2） 水泥熟料单矿物的水化反应 通用硅酸盐水泥加水拌和后，各熟料矿物的水化反应如下。 （1） 硅酸三钙（C3S）水化。 C3S在常温下的水化反应生成水化硅酸钙（CSH凝胶）和氢氧化钙。其水化反应如下： 3CaO·SiO2+nH2OxCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2 水化硅酸钙为凝胶体，微观结构是纤维状。C3S水化速率很快，水化放热量大，生成的水化硅酸钙凝胶构成具有很高强度的空间网络结构。水化生成的氢氧化钙以晶体形态析出。 （2） 硅酸二钙（C2S）的水化。C2S的水化与C3S相似，但水化速度慢很多。其水化反应如下： 2CaO·SiO2+nH2OxCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2 所形成的水化硅酸钙在形貌方面与C3S水化生成的无太大区别，故也称为CSH凝胶。但氢氧化钙生成量比C3S水化生成的少，且结晶比较粗大。 （3） 铝酸三钙（C3A）的水化。C3A的水化迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大，先生成介稳状态的水化铝酸钙，常温下的典型水化反应如下： 6(CaO·Al2O3)+27H2O4(CaO·Al2O3)·19H2O+2(CaO·Al2O3)·8H2O C4AH19是一种不稳定水化物，在低于85％相对湿度时，会脱水最终转化为水石榴石（C3AH6）。 在有石膏的情况下，C3A水化的最终产物与其石膏掺入量有关。最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用AFt表示。若石膏在C3A完全水化前耗尽，则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙（AFm）。石膏量掺量不足时，C3A水化会使水泥发生瞬凝