矽酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥的對比研究
General 更新 2024年05月25日
摘 要：對矽酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的組成、效能指標和水化機理進行了分析，對比二者效能差異對其應用範圍進行了區別。
關鍵詞：矽酸鹽水泥；鋁酸鹽水泥；組成；效能；水化機理；應用
1前言
水泥是加水能攪拌和成塑性漿體，可膠結砂石等材料，並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、適應性強和應用方便等優點[1]，廣泛應用於工農業、國防、交通、城市建設等工程，在代鋼代木等方面具有技術經濟上的優越性，對保證國家建設和提高人民生活水平具有重要意義。水泥種類繁多，根據國家標準的命名原則，按其主要水硬性礦物名稱可分為矽酸鹽系、鋁酸鹽系、硫鋁酸鹽系等系列品種，也可按其用途和效能分為通用水泥、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。本文主要對矽酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的組成、效能特點、水化機理和應用進行了較為詳細的對比研究，對二者在工程的選用具有一定得指導意義。
2矽酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥對比研究
在目前已投入應用的百餘種水泥中，應用最廣泛的是矽酸鹽系水泥和鋁酸鹽系水泥，其中又以矽酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的應用最為普遍。由於組成成分和水化機理的不同，這兩種水泥具有截然不同的特性，其應用範圍也大不相同。
2.1矽酸鹽水泥
在水泥諸品種中，矽酸鹽水泥是應用最廣和研究最多的。按國家標準《GB175-2008》規定：凡由矽酸鹽水泥熟料、0-5%的石灰石或粒化礦渣、適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料為矽酸鹽水泥。其礦物組成主要是：矽酸三鈣（3CaO·SiO2）、矽酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）。其中矽酸三鈣和矽酸二鈣是主要的，佔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。
當水泥加水拌和後，在水泥顆粒表面立即發生水化反應，水化產物溶於水中，接著，水泥顆粒又重新暴露出新的表面，繼續與水反應，如此不斷，使水泥顆粒周圍的溶液很快成為水化產物的飽和溶液，見圖1（a）。在溶液達到飽和後，水泥繼續水化生成的產物就不能再溶解，就有許多細小分散狀態的顆粒析出，形成凝膠體，見圖1（b）。隨著水化的繼續進行，新生膠粒不斷增加，凝膠體逐漸變濃，水泥漿逐漸凝結，凝膠體中的氫氧化鈣將逐漸轉變為結晶，見圖1（c）。結晶貫穿於凝膠體中，形成具有一定強度的水泥石，見圖1（d）。隨著硬化時間的延續，水泥顆粒內部未能水化部分將繼續水化，使晶體逐漸增多，凝膠體逐漸密實，水泥石就具有越來越高的膠結力和強度。另外，當水泥在空氣中凝結硬化時，其表面水化形成的氫氧化鈣會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，矽酸鹽水泥的水化反應是從顆粒表面逐漸深入到內層的，開始進行較快，隨後由於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，水化、水解速度快，強度增長亦較快，大致在28天內可以完成這個過程的基本部分，以後則顯著減慢，強度增長亦極為緩慢。實踐證實若完成水泥的水化和水解全過程，需要幾年、幾十年的時間[4]。
在常用的水泥品種中，矽酸鹽水泥標號較高，常用於重要結構中的高強度混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土工程；抗凍性好，適用於冬季施工及嚴寒地區遭受反覆凍融的工程；幹縮性好，耐磨性好，不易產生裂縫，可用於乾燥環境下的地面及路面工程。
但同時矽酸鹽水泥也存在一定的不足：（1）硬化後含有較多的氫氧化鈣，抗軟水侵蝕和抗化學侵蝕性差，不適用於空氣中CO2含量較高的環境，不宜用於受流動的軟水和有水壓作用的工程，也不宜用於受海水和礦物水作用的工程；（2）水化過程中放出大量的熱，不宜用於大體積混凝土工程；（3）耐腐蝕性差，不宜用於經常與流動淡水或硫酸鹽等腐蝕性介質接觸的工程；（4）耐熱性差，不宜用於有耐熱要求的工程[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、燒製成以鋁酸鹽礦物或鋁酸鹽複合礦物為基本組成的水泥，代號為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含量百分數可以分為四類：CA-50、CA-60、CA-70和CA-80。其化學成分及主要物理效能指標如表3、4所示。
表3鋁酸鹽水泥的化學成分（GB201-2000）
①當用戶需要時，生產廠應提供結果和測定方法
表4鋁酸鹽水泥物理效能指標
①當用戶需要時，生產廠應提供結果
鋁酸鹽水泥的水化作用主要是鋁酸一鈣的水化過程，其水化反應隨溫度而不同：當溫度<20℃時，其主要水化產物為CaO·Al2O3·10H2O；當溫度在20-30℃時，主要水化產物為2CaO·Al2O3·8H2O；當溫度>30℃時，主要水化產物為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則生成水化矽酸鈣凝膠。
水化物CAH10或C2AH8為針狀或片狀晶體，互相結成堅固的結晶連生體，形成晶體骨架。同時所生成的氫氧化鋁凝膠填塞於骨架空間，結構緻密，使水泥初期強度能得到迅速增長，而以後強度增長不顯著。CAH10和C2AH8隨著時間延長逐漸轉化為較穩定的C3AH6，此過程隨著環境溫度的上升而加速，其結果遊離水從水泥石內析出，孔隙增大，同時C3AH6本身強度較低，晶體間結合差，因而使水泥石的強度大為下降，引起長期強度下降，特別在溼熱環境中，強度降低顯著（後期強度可比最高強度值降低40%以上）。
由於其特有的水化機理，鋁酸鹽水泥具有與矽酸鹽水泥不同的特點，在應用範圍上也存在一定區別：（1）水化熱大，與一般高強度矽酸鹽水泥大致相同，但放熱速率特別快，且放熱集中，1d內即可放出水化熱總量的70-80%；（2）耐高溫性好，可用於1000℃以下的耐熱構築物；（3）耐硫酸腐蝕性強，抗腐蝕性高於抗硫酸鹽水泥；（4）硬化後不含鋁酸三鈣，不析出遊離的氫氧化鈣，且硬化後結構緻密，對礦物水的侵蝕作用有很高的抵抗性;（5）屬早強型水泥，其1d強度可達3d強度的80%以上，3d強度便可達到普通矽酸鹽水泥28d的水平，後期強度增長不顯著，主要用於工期緊急的工程和搶修工程。
3結論
矽酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥作為應用最為普遍的水泥品種，其重要性不言而喻。但是由於其成分、水化機理不同，使他們的效能存在較大差異，進而導致應用範圍的不同。矽酸鹽水泥標號高、抗凍性好、幹縮性好、耐磨性好、不易產生裂縫，常用於重要結構中的高強度混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土工程，且適用於冬季施工、嚴寒地區遭受反覆凍融的工程和乾燥環境下的地面工程。鋁酸鹽水泥放熱速率特別快、耐高溫性好、耐硫酸腐蝕性強、不析出遊離的氫氧化鈣、早期強度高，可用於耐熱構築物、腐蝕性環境、礦物水侵蝕環境、工期緊急的工程和搶修工程等。不同的水泥優缺點也不同，適用範圍不同，因此在工程施工過程中，明確水泥應用範圍，正確合理的選用水泥品種對保證工程質量具有十分重要的作用。
參考文獻：
[1]吳中偉，廉惠珍. 高效能混凝土[M]. 北京：中國鐵道出版社，1999.
[2]張亞苗.對矽酸鹽水泥技術指標的幾點分析[J]. 山西建築，2009, 12***35***:169-170.
[3]袁潤章. 膠凝材料學（第二版）[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，1996.
[4]沈春林. 聚合物水泥防水塗料[M]. 北京：化學工業出版社，2003.
[5]李連生，郭芳芳. 矽酸鹽水泥的主要效能和應用[J]. 應用能源技術，2007***4***:10-11.
[6]張宇震. 中國鋁酸鹽水泥的生產與發展[J]. 水泥，2003***7***:42-45.
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關鍵詞：矽酸鹽水泥；鋁酸鹽水泥；組成；效能；水化機理；應用
1前言
水泥是加水能攪拌和成塑性漿體，可膠結砂石等材料，並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、適應性強和應用方便等優點[1]，廣泛應用於工農業、國防、交通、城市建設等工程，在代鋼代木等方面具有技術經濟上的優越性，對保證國家建設和提高人民生活水平具有重要意義。水泥種類繁多，根據國家標準的命名原則，按其主要水硬性礦物名稱可分為矽酸鹽系、鋁酸鹽系、硫鋁酸鹽系等系列品種，也可按其用途和效能分為通用水泥、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。本文主要對矽酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的組成、效能特點、水化機理和應用進行了較為詳細的對比研究，對二者在工程的選用具有一定得指導意義。
2矽酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥對比研究
在目前已投入應用的百餘種水泥中，應用最廣泛的是矽酸鹽系水泥和鋁酸鹽系水泥，其中又以矽酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的應用最為普遍。由於組成成分和水化機理的不同，這兩種水泥具有截然不同的特性，其應用範圍也大不相同。
2.1矽酸鹽水泥
在水泥諸品種中，矽酸鹽水泥是應用最廣和研究最多的。按國家標準《GB175-2008》規定：凡由矽酸鹽水泥熟料、0-5%的石灰石或粒化礦渣、適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料為矽酸鹽水泥。其礦物組成主要是：矽酸三鈣（3CaO·SiO2）、矽酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）。其中矽酸三鈣和矽酸二鈣是主要的，佔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。
當水泥加水拌和後，在水泥顆粒表面立即發生水化反應，水化產物溶於水中，接著，水泥顆粒又重新暴露出新的表面，繼續與水反應，如此不斷，使水泥顆粒周圍的溶液很快成為水化產物的飽和溶液，見圖1（a）。在溶液達到飽和後，水泥繼續水化生成的產物就不能再溶解，就有許多細小分散狀態的顆粒析出，形成凝膠體，見圖1（b）。隨著水化的繼續進行，新生膠粒不斷增加，凝膠體逐漸變濃，水泥漿逐漸凝結，凝膠體中的氫氧化鈣將逐漸轉變為結晶，見圖1（c）。結晶貫穿於凝膠體中，形成具有一定強度的水泥石，見圖1（d）。隨著硬化時間的延續，水泥顆粒內部未能水化部分將繼續水化，使晶體逐漸增多，凝膠體逐漸密實，水泥石就具有越來越高的膠結力和強度。另外，當水泥在空氣中凝結硬化時，其表面水化形成的氫氧化鈣會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，矽酸鹽水泥的水化反應是從顆粒表面逐漸深入到內層的，開始進行較快，隨後由於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，水化、水解速度快，強度增長亦較快，大致在28天內可以完成這個過程的基本部分，以後則顯著減慢，強度增長亦極為緩慢。實踐證實若完成水泥的水化和水解全過程，需要幾年、幾十年的時間[4]。
在常用的水泥品種中，矽酸鹽水泥標號較高，常用於重要結構中的高強度混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土工程；抗凍性好，適用於冬季施工及嚴寒地區遭受反覆凍融的工程；幹縮性好，耐磨性好，不易產生裂縫，可用於乾燥環境下的地面及路面工程。
但同時矽酸鹽水泥也存在一定的不足：（1）硬化後含有較多的氫氧化鈣，抗軟水侵蝕和抗化學侵蝕性差，不適用於空氣中CO2含量較高的環境，不宜用於受流動的軟水和有水壓作用的工程，也不宜用於受海水和礦物水作用的工程；（2）水化過程中放出大量的熱，不宜用於大體積混凝土工程；（3）耐腐蝕性差，不宜用於經常與流動淡水或硫酸鹽等腐蝕性介質接觸的工程；（4）耐熱性差，不宜用於有耐熱要求的工程[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、燒製成以鋁酸鹽礦物或鋁酸鹽複合礦物為基本組成的水泥，代號為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含量百分數可以分為四類：CA-50、CA-60、CA-70和CA-80。其化學成分及主要物理效能指標如表3、4所示。
表3鋁酸鹽水泥的化學成分（GB201-2000）
①當用戶需要時，生產廠應提供結果和測定方法
表4鋁酸鹽水泥物理效能指標
①當用戶需要時，生產廠應提供結果
鋁酸鹽水泥的水化作用主要是鋁酸一鈣的水化過程，其水化反應隨溫度而不同：當溫度<20℃時，其主要水化產物為CaO·Al2O3·10H2O；當溫度在20-30℃時，主要水化產物為2CaO·Al2O3·8H2O；當溫度>30℃時，主要水化產物為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則生成水化矽酸鈣凝膠。
水化物CAH10或C2AH8為針狀或片狀晶體，互相結成堅固的結晶連生體，形成晶體骨架。同時所生成的氫氧化鋁凝膠填塞於骨架空間，結構緻密，使水泥初期強度能得到迅速增長，而以後強度增長不顯著。CAH10和C2AH8隨著時間延長逐漸轉化為較穩定的C3AH6，此過程隨著環境溫度的上升而加速，其結果遊離水從水泥石內析出，孔隙增大，同時C3AH6本身強度較低，晶體間結合差，因而使水泥石的強度大為下降，引起長期強度下降，特別在溼熱環境中，強度降低顯著（後期強度可比最高強度值降低40%以上）。
由於其特有的水化機理，鋁酸鹽水泥具有與矽酸鹽水泥不同的特點，在應用範圍上也存在一定區別：（1）水化熱大，與一般高強度矽酸鹽水泥大致相同，但放熱速率特別快，且放熱集中，1d內即可放出水化熱總量的70-80%；（2）耐高溫性好，可用於1000℃以下的耐熱構築物；（3）耐硫酸腐蝕性強，抗腐蝕性高於抗硫酸鹽水泥；（4）硬化後不含鋁酸三鈣，不析出遊離的氫氧化鈣，且硬化後結構緻密，對礦物水的侵蝕作用有很高的抵抗性;（5）屬早強型水泥，其1d強度可達3d強度的80%以上，3d強度便可達到普通矽酸鹽水泥28d的水平，後期強度增長不顯著，主要用於工期緊急的工程和搶修工程。
3結論
矽酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥作為應用最為普遍的水泥品種，其重要性不言而喻。但是由於其成分、水化機理不同，使他們的效能存在較大差異，進而導致應用範圍的不同。矽酸鹽水泥標號高、抗凍性好、幹縮性好、耐磨性好、不易產生裂縫，常用於重要結構中的高強度混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土工程，且適用於冬季施工、嚴寒地區遭受反覆凍融的工程和乾燥環境下的地面工程。鋁酸鹽水泥放熱速率特別快、耐高溫性好、耐硫酸腐蝕性強、不析出遊離的氫氧化鈣、早期強度高，可用於耐熱構築物、腐蝕性環境、礦物水侵蝕環境、工期緊急的工程和搶修工程等。不同的水泥優缺點也不同，適用範圍不同，因此在工程施工過程中，明確水泥應用範圍，正確合理的選用水泥品種對保證工程質量具有十分重要的作用。
參考文獻：
[1]吳中偉，廉惠珍. 高效能混凝土[M]. 北京：中國鐵道出版社，1999.
[2]張亞苗.對矽酸鹽水泥技術指標的幾點分析[J]. 山西建築，2009, 12***35***:169-170.
[3]袁潤章. 膠凝材料學（第二版）[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，1996.
[4]沈春林. 聚合物水泥防水塗料[M]. 北京：化學工業出版社，2003.
[5]李連生，郭芳芳. 矽酸鹽水泥的主要效能和應用[J]. 應用能源技術，2007***4***:10-11.
[6]張宇震. 中國鋁酸鹽水泥的生產與發展[J]. 水泥，2003***7***:42-45.
矽酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥的對比研究