1824年、英國人Joseph Aspdin獲得第一個波特蘭水泥專利。經(jīng)歷一百多年的發(fā)展，形成了龐大的硅酸鹽水泥系列。按中國的水泥分類方法，分為通用水泥系列和特種水泥系列。通用水泥包括硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。特種水泥包括油井水泥、大壩水泥、快硬水泥、抗硫酸鹽水泥和白水泥等等。硅酸鹽水泥系列的主要特征是熟料礦物組成以C3S為主，該礦物決定了硅酸鹽水泥的基本性能，如強度發(fā)展規(guī)律等。硅酸鹽水泥是當今世界上最主要的建筑用膠結(jié)構(gòu)材料，總產(chǎn)量達12億噸左右。

　　1908年在法國發(fā)表了鋁酸鹽水泥的專利，并于1908年首先進行工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成包括膨脹水泥、自應力水泥和耐火水泥在內(nèi)的鋁酸鹽水泥系列，該系列水泥的特征是其熟料礦物組成以CA為主，由此而賦予水泥具有早強耐火等特殊性能。現(xiàn)在鋁酸鹽水泥主要用于耐高溫澆注材料。在建筑上由于發(fā)現(xiàn)其后期強度倒縮而不再使用。

　　二十世紀70年代，在中國發(fā)明了硫鋁酸鹽水泥。80年代又首創(chuàng)了鐵鋁酸鹽水泥的工業(yè)生產(chǎn)。如果說，我們把硅酸鹽水泥系列產(chǎn)品通稱為第一系列水泥，把鋁酸鹽水泥系列產(chǎn)品通稱第二系列水泥。那么，我們可以把硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥以及它們派生的其它水泥品種通稱為第三系列水泥。該系列水泥的礦物組成特征是含有大量的C4A3 礦物。以此與其它系列水泥相區(qū)別。并構(gòu)成了第三系列水泥的早強、高強、高抗?jié)B、高抗凍、耐蝕、低堿和生產(chǎn)能耗低等基本特點。第三系列水泥在中國已得到廣泛應用。

二、第三系列水泥簡介

　　第三系列水泥是由中國建筑材料科學研究院研制成功的新品種水泥系列。它主要包括硫鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽兩大類。該兩類水泥分別于1981年和1987年獲國家創(chuàng)造發(fā)明二等獎。

1、熟料的化學成分改礦物組成

　　第三系列水泥熟料化學成分屬于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元系統(tǒng)。熟料主要礦物為C4A3 、C2S和C4AF。兩大類水泥在成分上的主要差別是熟料中Al2O3/Fe2O3比和C4A3 與C4AF兩個礦物的含量不同。如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽水泥熟料化學成分與礦物組成

　　第三系列水泥生產(chǎn)裝備與硅酸鹽水泥基本相似。其熟料煅燒裝備現(xiàn)在主要發(fā)展 f2.5×45m帶立筒預熱器,臺時產(chǎn)量穩(wěn)定在9～10噸。比煅燒硅酸鹽水泥熟料時產(chǎn)量提高20%左右。

　　水泥配料采用三種原料：石灰石、礬土（鐵礬土或礬土）和石膏（天然硬石膏或二水石膏）。也可采用相應成分的廢渣替代。

　　熟料煅燒與硅酸鹽水泥差別較大。熟料煅燒溫度較硅酸鹽水泥低100℃～150℃。（硫鋁酸鹽水泥熟料燒成溫度為1350℃。而鐵鋁酸鹽水泥熟料為1300℃）。熟料主要靠固相反應形成。煅燒熟料時無需特意掛窯皮。該系列水泥熟料疏松多孔，硫鋁酸鹽酸鹽熟料呈灰色，與硅酸鹽水泥熟料顏色相似。

3、品種

　　第三系列水泥通過調(diào)節(jié)熟料、石膏和混合材的摻量，可以獲得若干個性能各異的水泥品種。目前生產(chǎn)的水泥品種有：

（1）硫鋁酸鹽水泥類

　　快硬硫鋁酸鹽水泥、高強硫鋁酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應力硫鋁酸鹽水泥、低堿硫鋁酸鹽水泥等5個品種。

（2）鐵鋁硫鹽水泥類

　　快硬鐵鋁酸鹽水泥、高強鐵鋁酸鹽水泥、自應力鐵鋁酸鹽水泥等4個水泥品種。

4、同屬第三系列的硫鋁酸鹽水泥和鐵鋁酸鹽水泥，其熟料主要礦物均為C4A3 ，所以在性能上有許多類似之處：早強、高強、高抗?jié)B、高抗凍、耐腐蝕等，并可在很大范圍內(nèi)調(diào)整其膨脹性能。更可貴的是由于水泥中堿含量和水化液相的PH值均較硅酸鹽水泥低得多，所以不會發(fā)生因堿骨料反應而導致混凝土開裂的現(xiàn)象。

　　由于兩類水泥熟料所含鐵相量有很大差別，所以性能上有許多不同之外。硫鋁酸鹽水泥水化液相堿度較低，對玻璃纖維腐蝕作用很小。

　　鐵鋁酸鹽水泥水化液相堿度較高，水化產(chǎn)物中的凝膠體除鋁膠外，還有大量的鐵膠。這些水化特征使水泥石具有許多優(yōu)良性能。鐵鋁酸鹽水泥混凝土表面不會發(fā)生起砂，抗海水沖刷和抗腐蝕性能優(yōu)良。其自應力水泥自由膨脹比所有自應力水泥都小。其膨脹穩(wěn)定期也較短?，F(xiàn)將目前已大量工業(yè)化生產(chǎn)的幾種水泥的性能及用途介紹如下。

（1）快硬硫鋁酸鹽和快硬鐵鋁酸鹽水泥

A. 主要性能

　?、僭鐝姼邚娦阅埽涸搩煞N快硬水泥不僅有較高的早期強度，而且有不斷增長的后期強度。同時具有滿足使用要求的凝結(jié)時間。12h～1d抗壓強度可達35～50 MPa；抗折強度可達6.5～7.5 MPa。3d抗壓強度可達50～70 MPa；抗折強度可達7.5～8.5 MPa。根據(jù)3d水泥膠砂抗壓強度確定水泥標號。目前市場出售的水泥標量為425＃、525＃、625＃ 三種。該兩種水泥已有10～20年的生產(chǎn)歷史。從5～10年水泥和混凝土長期強度結(jié)果可以看出，隨養(yǎng)護齡期的增長，強度不斷增長，最高強度可達100 MPa。

　?、诟呖箖鲂阅埽涸搩煞N快硬水泥均表現(xiàn)出極好的抗凍性。它具有以下幾個特點：a.在0℃～10℃低溫下使用，早期強度是硅酸鹽水泥的5～8倍。b.在0℃～-20℃負溫下使用，加入少量防凍劑，混凝土入模溫度維持在5℃以上，則可正常施工?；炷?～7d強度可達設計標號的70～80%。c.在正負溫交替情況下施工，對后期強度增長影響不大。實驗室200次凍融循環(huán)，混凝土強度損失不明顯。抗凍標號可達200＃以上。

　　③耐蝕性能：該兩種水泥對海水、氯鹽（NaCl、MgCl2）、硫酸鹽（Na2SO4、MgSO4、(NH4)2SO4）、尤其是它們的復合鹽類（MgSO4+ NaCl）等，均具有極好的耐蝕性。快硬鐵鋁酸鹽水泥的耐蝕性優(yōu)于快硬硫鋁酸鹽水泥。從2年耐腐蝕實驗室結(jié)果可以看出，耐蝕系數(shù)均大于1，明顯優(yōu)于高抗硫硅酸鹽水泥和高鋁水泥。

　?、芨呖?jié)B性能：該兩種水泥的水泥石結(jié)構(gòu)較致密，因此混凝土抗?jié)B性是同標號硅酸鹽水泥混凝土的2～3倍。

　?、蒌摻钿P蝕：該兩種水泥由于水化液相堿度不同，鋼筋銹蝕情況不完全一樣。快硬硫鋁酸鹽水泥由于堿度低（pH＜12），鋼筋表面形不成鈍化膜，因此對保護鋼筋不利。在早期拌合的混凝土中，由于含有較多的空氣和水分，因此使混凝土鋼筋早期有輕微銹蝕。隨著齡期增長，空氣和水分逐漸減少和消失。因混凝土結(jié)構(gòu)致密所以后期銹蝕情況無明顯發(fā)展。實驗室混凝土鋼筋埋件和水泥制品長期齡觀察結(jié)果（10年）均證明了這一點。如果在混凝土中加入少量堿性外加劑（NaNO2等）和高強硫鋁酸鹽水泥，則早期也完全無銹蝕。對于快硬鐵鋁酸鹽水泥，由于水泥水化液相堿度較高（pH＞12），鋼筋表面形成類似硅酸鹽水泥混凝土的鈍化膜。極化曲線快速測定和實驗室常規(guī)檢驗均表明、快硬鐵鋁酸鹽水泥對鋼筋無銹蝕。綜上所述，該兩種快硬水泥耐久性均較好。

B.主要用途

　?、俣臼┕すこ蹋涸谖覈A北、東北和西北等寒冷地帶的冬季施工，普遍采用上述兩種快硬水泥。例如，北京香山飯店、海洋局大樓、天津新車站、齊齊哈爾市鐵路橋、新疆烏魯木齊市人大會堂、青藏鐵路橋等重要工程的關鍵部位。尤其是我國南級考查站的長城站和中山站其中建筑材料均采用快硬硫鋁酸鹽水泥。

　　②搶修和搶建工程：主要用于公路、機場和橋梁的修補和搶建。例如北京西直門、三元立交橋和朝陽門立交橋的接頭和疊合橋面，均達到搶速度爭時間的目的。最近對這些橋梁考察的結(jié)果表明，其抗凍性、抗鹽腐蝕性和抗堿骨料反應，明顯優(yōu)于相鄰的硅酸鹽水泥。福建東山島，利用6小時潮差趕潮水施工，采用快硬鐵鋁酸鹽水泥抑建防波堤取得圓滿成功。其抗海水沖刷能力和強度均是硅酸下車水泥望塵莫及的。

　?、叟渲茋娚浠炷粒翰捎蒙鲜龆N快硬水泥，配以專用速凝劑，配制噴射混凝土，于1981年至1983年在河北吳莊、引灤入津工程、三家店和峰峰礦務局三礦隧道等地工程使用效果良好。強度發(fā)展快，回彈率大幅度降低，及時起到支護圍巖的作用。因此，加快了掘進速度、防止坍塌、確保施工安全和工程質(zhì)量。

　　④生產(chǎn)水泥制品和混凝土預制構(gòu)件：利用上述兩種快硬水泥生產(chǎn)電桿、軌枕等可以大大縮短蒸養(yǎng)時間或取消蒸養(yǎng)，從而達到加快模具周轉(zhuǎn)和節(jié)能的目的確。而且這種制品和構(gòu)件抗腐蝕能力強，特別適用于鹽堿地。最近北京市政第四構(gòu)件廠采用快硬鐵鋁酸鹽水泥生產(chǎn)立交橋的大型預制梁柱，取消蒸養(yǎng)，生產(chǎn)工藝簡化，大幅節(jié)省能源，生產(chǎn)速度提高了三倍。

（2）高強鐵鋁酸鹽水泥和高強硫鋁酸鹽水泥

　　該兩種高強水泥除具有上述兩種相應的快硬水泥各種優(yōu)良性能外，主要的特點是高強。其12h～1d抗壓強度可達60～80MPa；抗折強度可達8～9 MPa。3d抗壓強度可達100～120 MPa；抗折強度可達10～12MPa。

　　高強鐵鋁酸鹽水泥主要用于配制C60以上的高標號混凝土和生產(chǎn)C80以上的高強管柱。高強硫鋁酸鹽水泥主要用于大水灰比的礦井巷旁充填材料。在水灰比為2.5條件下（水/固體積比9/1），配以合適的外加劑，2h抗壓強度可達1.0MPa以上。在煤礦井下充填，要代替預留煤柱。達到節(jié)省煤資源和安全生產(chǎn)的目的。

（3）膨脹硫鋁酸鹽水泥和膨脹鐵鋁酸鹽水泥

　　根據(jù)水泥的自由膨脹大小，上述兩種水泥又分成兩級：微膨脹和膨脹水泥。微膨脹水泥凈漿28d自由膨脹0.1～0.5%、自應力值0.5～1.5MPa。膨脹水泥28d自由膨脹0.5～1%，自應力值1.5～3.0 MPa。其最大特點是：①強度高：微膨脹水泥強度與快硬水泥相似。膨脹水泥較快硬水泥的早強（12h～1d）略低，后期強度相似。②抗?jié)B性和耐腐蝕性優(yōu)于快硬水泥，抗?jié)B標號可達B40。③在干空氣下（或自然條件下），自應力值保留率較高，一般可達50%。市場上出售的微膨脹和膨脹水泥有兩個標號425＃和525＃。

　　上述兩種水泥砂漿和混凝土，主要用于補償收縮混凝土和抗?jié)B工程。例如北京石油化工總廠f51.9×5.8m大型儲水池。唐山地區(qū)油庫和定縣石油公司的非金屬油罐的防滲砂漿層，采用微膨脹硫鋁酸鹽水泥，均取得較好的使用效果。天津市科委地下室防水層，采用微膨脹鐵鋁酸鹽水泥效果十分理想。制膨脹水泥還常用于澆注大型機床底座。

（4）自應力硫鋁酸鹽水泥和自應力鐵鋁酸鹽水泥

　　該兩種自應力水泥與自應力硅酸鹽水泥比較，具有自由膨脹較小，自應力值較高的特點。與自應力鋁酸鹽水泥相比，具有穩(wěn)定期較短的特點。同時具有快硬水泥高抗?jié)B、耐腐蝕等優(yōu)點。目前市場出售的自應力水泥有兩個等級：35＃、45＃。

　　自應力水泥主要用于生產(chǎn)f100～600mm自應力水泥壓力管。目前我國有80%的自應力壓力管廠采用自應力鐵鋁酸鹽水泥，少數(shù)制管廠采用自應力鐵鋁酸鹽水泥、自應力硅酸鹽水泥和自應力鋁酸鹽水泥。上述兩種自應力水泥每年用量約11萬噸。大部分壓力管用作輸水管。1978年，在勝利油田試輔過f300mm和f400mm的輸油管。1985年實地考察，使用效果良好。

（5）低堿硫鋁酸鹽水泥（或稱GRC專用水泥）

　　硫鋁酸鹽水泥熟料水化液堿度較低（固/液為1/10，pH約11.5），采用該熟料配制低堿水泥，水化液pH約10.5。該種水泥對玻璃纖維腐蝕性很小，因此玻璃纖維與該種水泥復合，纖維強度保留率可穩(wěn)定在70～90%。上述兩種材料復合生產(chǎn)的玻璃纖維增強水泥制品，其理論計算壽命可超過50年。市場上銷售的水泥有兩個標號：425＃和525＃。

　　采用低堿硫鋁酸鹽水泥和抗堿玻璃纖維復合生產(chǎn)纖維增強水泥制品，這是目前較理想的新型建筑材料和制品。主要用于生產(chǎn)內(nèi)、外復合墻板和各種異型構(gòu)件、波瓦、網(wǎng)架板、衛(wèi)生盒予間、各種通風管道、浴盆以及各種建筑小品。

　　綜上所述，根據(jù)硫鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽兩大類水泥性能特點和使用效果，我們認為在建筑工程、水泥制品和預應力混凝土構(gòu)件中選用快硬、高強和自應力鐵鋁酸鹽水泥較好。對于GRC水泥制品和高水充填材料，采用低堿、快硬和高強硫鋁酸鹽水泥較好。

三、發(fā)展前景

　　在特種水泥推廣過程中，通常遇到連續(xù)性、大批量生產(chǎn)與間隙性、小批量使用之間的矛盾，從而造成在實驗室研究出的水泥品種很多，但能工業(yè)化長期生產(chǎn)的卻寥寥無幾。因此在工業(yè)發(fā)達國家，為使水泥混凝土具有某種特殊性能，主要是采用在大批量生產(chǎn)的硅酸鹽水泥中摻加外加劑的辦法，然而，這種方法有一定局限性。在很多情況下不能達到用戶所要求的性能，還必須走燒制特定礦物組成熟料的技術道路。

　　在我國，資源分布廣，動力便宜，水泥工業(yè)在較小規(guī)模下生產(chǎn)仍有經(jīng)濟價值，所以具有改變熟料礦物組成來發(fā)展特種水泥的良好社會條件?，F(xiàn)在，中國有300多臺直徑小于3m的小回轉(zhuǎn)窯，由制造硅酸鹽水泥改產(chǎn)特種水泥，已成為這些小窯較好的技術改造途徑之一。

　　第三系列水泥在中國已成功地應用于各種建筑工程（尤其是冬季施工工程）、海港工程、地下工程，各種水泥制品和預制構(gòu)件，如水泥壓力管、高強樁、大型梁柱以及各種GRC制品。廣闊的使用范圍為水泥常年均衡生產(chǎn)提供了條件，很好地解決了生產(chǎn)與使用的矛盾。

　　目前，我們正在進一步開發(fā)其用途，隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展，第三系列水泥的市場將愈來愈大。現(xiàn)在已經(jīng)開始批量出口，在國際市場上有很強的競爭力。特定的社會條件使中國的第三系列水泥具有良好的發(fā)展前景。