CN113816639A - 一种硫铝酸盐水泥基速凝剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋工程建筑行业的土层或岩石的钻进技术领域,具体提供一种海洋工程混凝土用的硫铝酸盐水泥基速凝剂及其制备方法和应用。硫铝酸盐水泥基速凝剂包括硫铝酸盐水泥熟料、氟石膏、铝酸钠、碳酸钠和硫酸铝,其中,硫铝酸盐水泥熟料、氟石膏、铝酸钠、碳酸钠和硫酸铝的质量比为(50~70):(10~20):(5~10):(5~10):(10~20)。本发明的硫铝酸盐水泥基速凝剂具有较好的速凝效果,初凝时间可短至3min,终凝时间可短至6min;且力学性能好,1d的抗压强度可高达10MPa以上,28d抗压强度比可高达90%以上。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程建筑行业的土层或岩石的钻进技术领域,具体涉及一种硫铝酸盐水泥基速凝剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前,随着海洋开发、土层或岩石的钻进、石油钻井和化工、海底隧道、跨海大桥等大型海洋工程的建设,海洋工程的混凝土耐久性问题称谓各界关注的焦点。其中,海洋工程的混凝土耐久性问题的关键之一是保证混凝土具有速凝快硬的特点,在海洋工程混凝土的原材料组分中,速凝剂是实现其速凝快硬的主要组分,而且对后期的服役性能也有重要的影响。根据速凝剂的碱含量,可分为有碱速凝剂和无碱速凝剂,其中无碱速凝剂因其碱含量少,对喷射混凝土的28d抗压强度等后期性能影响较小,但其速凝快硬特点不如有碱速凝剂,生产成本高,加上掺量大,其使用成本高,因此很难推广应用;有碱速凝剂具有速凝效果好,掺量小,成本低等优点,但同时对28d抗压强度等后期性能影响较大。
因此,需要进一步研发新型海洋工程混凝土用速凝剂,使其既具有含碱量小,又具有对28d抗压强度等后期性能影响小,以及成本低等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硫铝酸盐水泥基速凝剂及其制备方法和应用,旨在研发一种速凝效果好,但28d抗压强度等后期性能影响小,以及成本低等特点的海洋工程混凝土用硫铝酸盐水泥基速凝剂。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种硫铝酸盐水泥基速凝剂,所述硫铝酸盐水泥基速凝剂包括硫铝酸盐水泥熟料、氟石膏、铝酸钠、碳酸钠和硫酸铝,其中,所述硫铝酸盐水泥熟料、所述氟石膏、所述铝酸钠、所述碳酸钠和所述硫酸铝的质量比为(50~70):(10~20):(5~10):(5~10):(10~20)。
如上所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,作为可选实施例,所述硫铝酸盐水泥熟料符合国家标准《硫铝酸盐水泥》GB20472-2006中附录A的技术要求,且比表面积不小于450m2/kg。
如上所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,作为可选实施例,所述氟石膏为硫酸与氟石制取氟化氢的副产品,且比表面积不小于450m2/kg。
如上所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,作为可选实施例,所述铝酸钠为市售偏铝酸钠,其质量纯度在80%以上。
如上所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,作为可选实施例,所述碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中一等品和/或合格品要求的工业碳酸钠。
如上所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,作为可选实施例,所述硫酸铝为符合化工行业标准《工业硫酸铝》HG/T 2225-2010中I类或II类硫酸铝固体粉末颗粒。
本发明还提出了一种硫铝酸盐水泥基速凝剂的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
将所述硫铝酸盐水泥基速凝剂的各原料组分按照配比分别称重计量;
将称重后的各原料组分加入至混料机中进行搅拌混合,得到硫铝酸盐水泥基速凝剂。
本发明还提出了一种硫铝酸盐水泥基速凝剂的应用,所述硫铝酸盐水泥基速凝剂应用于水泥中时,将所述硫铝酸盐水泥基速凝剂的各原料组分按照配比分别称重计量,然后将称重后的各原料组分加入至混料机中进行搅拌混合,得到硫铝酸盐水泥基速凝剂,之后将硫铝酸盐水泥基速凝剂加入至水泥中使用。
如上所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂的应用,作为可选实施例,所述硫铝酸盐水泥基速凝剂的加入量为所述水泥的4~8wt%。
如上所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂的应用,作为可选实施例,所述水泥为符合国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2020表1、表2和表3中的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的一种。
有益效果:
本发明的硫铝酸盐水泥基速凝剂具有较好的速凝效果,初凝时间可短至3min,终凝时间可短至6min;且力学性能好,1d的抗压强度可高达10MPa以上,28d抗压强度比(即掺速凝剂砂浆28d抗压强度与不掺速凝剂砂浆28d抗压强度的百分比,具体见国标JC 477-2005)可高达90%以上)。同时,本发明的硫铝酸盐水泥基速凝剂与各种硅酸盐水泥的匹配性较好,对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等均具有较好的适用性。将本发明的硫铝酸盐水泥基速凝剂应用于海洋工程的混凝土中,可以保证海洋工程的混凝土具有良好的耐久性,从而可以推广应用于海洋开发、土层或岩石的钻进、石油钻井和化工、海底隧道、跨海大桥等大型海洋工程的建设中。此外,本发明的硫铝酸盐水泥基速凝剂的制备方法对生产设备及人员要求低,生产周期短,生产成本低,全过程不产生三废,不影响环境。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。其中:
图1为本发明实施例提供的硫铝酸盐水泥基速凝剂的制备流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明针对目前海洋工程的混凝土有碱速凝剂存在的问题,提供一种速凝效果好,但28d抗压强度等后期性能影响小,以及成本低等特点的海洋工程混凝土用速凝剂,即为硫铝酸盐水泥基粉状速凝剂。该硫铝酸盐水泥基粉状速凝剂包括硫铝酸盐水泥熟料、氟石膏、铝酸钠、碳酸钠和硫酸铝,其中,硫铝酸盐水泥熟料、氟石膏、铝酸钠、碳酸钠和硫酸铝的质量比为(50~70):(10~20):(5~10):(5~10):(10~20)(比如质量比为50:10:5:5:10、50:15:5:5:10、50:15:7:5:10、50:15:7:7:10、50:15:7:7:15、50:20:10:10:20、60:10:5:5:10、60:15:7:7:15、70:10:5:5:10、70:15:7:7:15或70:15:10:10:20)。
本发明优选实施例中,硫铝酸盐水泥熟料符合国家标准《硫铝酸盐水泥》GB20472-2006中附录A的技术要求,且比表面积不小于450m2/kg。具体为:硫铝酸盐水泥熟料中,三氧化二铝含量不小于30.0wt%,二氧化硅含量不大于10.5wt%,硫铝酸盐水泥熟料的3d抗压强度不低于55.0MPa,且比表面积不小于450m2/kg。硫铝酸盐水泥熟料细度越小,水化速度越快,对缩短凝结时间和促进早期强度形成的作用越明显,选用该硫铝酸盐水泥熟料一是可以与硅酸盐水泥的水化形成相互促进的作用;二是硫铝酸盐水泥熟料可以在氟石膏、硫酸铝等的作用下加速水化生成钙矾石,从而缩短凝结时间,促进早期强度的形成。
本发明优选实施例中,氟石膏为硫酸与氟石制取氟化氢的副产品,且比表面积不小于450m2/kg。
本发明优选实施例中,铝酸钠(又称偏铝酸钠)为市售偏铝酸钠,其质量纯度在80%以上,这样可以保证速凝效果较为明显。
本发明优选实施例中,碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中一等品和/或合格品要求的工业碳酸钠。碳酸钠可以与硫酸铝反应生成二氧化碳,二氧化碳可以与硅酸盐水泥水化产物氢氧化钙反应生成碳酸钙,从而加速硅酸盐水泥的水化,缩短其凝结时间和促进早期强度的形成。
本发明优选实施例中,硫酸铝为符合化工行业标准《工业硫酸铝》HG/T2225-2010中I类或II类硫酸铝固体粉末颗粒。一方面,硫酸铝可以与碳酸钠反应生成二氧化碳,另一方面,硫酸铝可以为体系提供硫酸根离子和铝离子,从而促进体系钙矾石的生成。
本发明还提出了一种硫铝酸盐水泥基速凝剂的制备方法,如图1所示,本发明实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂的制备方法包括以下步骤:
将所述硫铝酸盐水泥基速凝剂的各原料组分按照配比分别称重计量;
将称重后的各原料组分加入至混料机中进行搅拌混合,得到硫铝酸盐水泥基速凝剂。
本发明还提出了一种硫铝酸盐水泥基速凝剂的应用,硫铝酸盐水泥基速凝剂应用于水泥中时,将硫铝酸盐水泥基速凝剂的各原料组分按照配比分别称重计量,然后将称重后的各原料组分加入至混料机中进行搅拌混合,按建材行业标准《喷射混凝土用速凝剂》(JC 477-2005)进行检验,检验合格后得到硫铝酸盐水泥基速凝剂,之后将硫铝酸盐水泥基速凝剂加入至水泥中使用。
其中水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的一种。
本发明具体实施例中,在硫铝酸盐水泥基速凝剂应用于各种硅酸盐水泥中时,硫铝酸盐水泥基速凝剂的加入量为4~8wt%(比如4wt%、5wt%、6wt%、7wt%或8wt%)。
下面通过具体实施例对本发明硫铝酸盐水泥基速凝剂及其制备方法和应用进行详细说明。
下面实施例中:
硫铝酸盐水泥熟料符合国家标准《硫铝酸盐水泥》GB20472-2006中附录A的技术要求,且比表面积不小于450m2/kg;
氟石膏为硫酸与氟石制取氟化氢的副产品,且比表面积不小于450m2/kg;
铝酸钠(又称偏铝酸钠)为市售偏铝酸钠,其质量纯度在80%以上;
碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中III类及以上的一等品和/或合格品要求的工业碳酸钠;
硫酸铝为符合化工行业标准《工业硫酸铝》HG/T 2225-2010中硫酸铝固体II类合格品及以上,颗粒粒径为不小于200目。
实施例1
本实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂的制备方法包括以下步骤:
(1)称取硫铝酸盐水泥熟料6000g,氟石膏1500g,铝酸钠1000g,碳酸钠500g和硫酸铝1000g。
(2)将称取后的硫铝酸盐水泥熟料、氟石膏、铝酸钠、碳酸钠和硫酸铝加入至混料机中混合均匀,经检验合格后得到硫铝酸盐水泥基速凝剂。
然后,分别采用不同的水泥,例如国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2020中表1、表2和表3的硅酸盐水泥(代号为P·I和P·II)、普通硅酸盐水泥(代号为P·O)、复合硅酸盐水泥(代号为P·C)、粉煤灰硅酸盐水泥(代号为P·F)和矿渣硅酸盐水泥(代号为P·S·A和P·S·B),按照建材行业标准《喷射混凝土用速凝剂》中的规定进行凝结时间的测试,其中水泥400g、硫铝酸盐水泥基速凝剂20g、水160g,测试结果见表1。
最后,分别采用不同的水泥,例如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥,按照建材行业标准《喷射混凝土用速凝剂》中的规定进行抗压强度的测试,其中水泥900g,标准砂1350g,硫铝酸盐水泥基速凝剂45g、水450g,测试结果见表1。
表1不同种类水泥的凝结时间和抗压强度测试结果
从表1可以看出,本实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂与各种硅酸盐水泥的匹配性好,在固定其掺量为5%时,对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等均具有较好的适用性。其中,本发明硫铝酸盐水泥基速凝剂对硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的速凝效果更好,其初凝时间均小于3min,终凝时间均小于6min,且力学性能更好,1d的抗压强度可高达10MPa以上,28d抗压强度比可高达90%以上。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于硫铝酸盐水泥基速凝剂原料组分用量及其掺量不同,即本实施例中硫铝酸盐水泥熟料6500g,氟石膏1300g,铝酸钠700g,碳酸钠500g和硫酸铝1000g,硫铝酸盐水泥基速凝剂的加入量为水泥的6%,其他操作与实施例1相同。
参照实施例1的测试方法,本实施例的测试结果见表2。
表2不同水泥的凝结时间和抗压强度测试结果
从表2可以看出,本实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂与各种硅酸盐水泥的匹配性好,在固定其掺量为6%时,对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等均具有较好的适用性。同样,对硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的速凝效果更好,其初凝时间均小于3min,终凝时间均小于6min,且力学性能更好,1d的抗压强度可高达10MPa以上,28d抗压强度比可高达90%以上。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于硫铝酸盐水泥基速凝剂的原料组分用量及其掺量不同,即本实施例中硫铝酸盐水泥熟料5500g,氟石膏1500g,铝酸钠1000g,碳酸钠500g和硫酸铝1500g,硫铝酸盐水泥基速凝剂的加入量为水泥的7%,其他操作与实施例1相同。参照实施例1的测试方法,本实施例的测试结果见表3。
表3不同水泥的凝结时间和抗压强度测试结果
从表3可以看出,本实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂与各种硅酸盐水泥的匹配性好,在固定其掺量为7%时,对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等均具有较好的适用性。其中,对硅酸盐水泥的速凝效果更好,其初凝时间均小于3min,终凝时间均小于6min,且力学性能更好,1d的抗压强度可高达10MPa以上,28d抗压强度比可高达90%以上。
实施例4
本实施例研究硫铝酸盐水泥熟料掺量对凝结时间和抗压强度测试的影响,具体为,固定速凝剂的掺量为水泥的6wt%,且固定氟石膏为1500g,铝酸钠为750g,碳酸钠为750g,硫酸铝为1500g,变化硫铝酸盐水泥熟料的量分别为5000g,6000g,7000g,采用硅酸盐水泥,对比观察硫铝酸盐水泥熟料掺量对凝结时间、1d抗压强度、28d抗压强度、28d抗压强度比的变化规律。其他操作与实施例1相同。参照实施例1的测试方法,本实施例的测试结果见表4。
表4硫铝酸盐水泥熟料掺量对凝结时间和抗压强度测试的影响
从表4可以看出,在固定其掺量为6%时,变化速凝剂组分中的硫铝酸盐水泥熟料的用量,发现其随着硫铝酸盐水泥熟料量的增加,硅酸盐水泥的初凝时间和终凝时间均越来越短,1d的抗压强度越来越大,28d抗压强度比也越来越大。
实施例5
本实施例研究碳酸钠掺量对凝结时间和抗压强度测试的影响,具体为,固定速凝剂的掺量为水泥的6wt%,且固定速凝剂组分中硫铝酸盐水泥熟料6000g,氟石膏为1500g,铝酸钠为750g,硫酸铝为1500g,变化碳酸钠的量分别为500g,750g,1000g,采用硅酸盐水泥,对比观察碳酸钠掺量对凝结时间、1d抗压强度、28d抗压强度、28d抗压强度比的变化规律。其他操作与实施例1相同。参照实施例1的测试方法,本实施例的测试结果见表5。
表5碳酸钠掺量对凝结时间和抗压强度测试的影响
从表5可以看出,在固定其掺量为6%时,变化速凝剂组分中的碳酸钠的用量,发现其随着碳酸钠量的增加,硅酸盐水泥的初凝时间和终凝时间均越来越短,1d的抗压强度越来越大,28d抗压强度比也越来越大。
对比例1
本对比例研究速凝剂中的某一组分对速凝效果的影响,其中,第一组(对应表6中编号1,后面依次类推)为固定速凝剂组分,即硫铝酸盐水泥熟料6000g,氟石膏为1500g,铝酸钠为750g,碳酸钠为750g,硫酸铝为1000g;第二组为去掉硫铝酸盐水泥熟料,即氟石膏为1500g,铝酸钠为750g,碳酸钠为750g,硫酸铝为1000g;第三组为去掉氟石膏,即硫铝酸盐水泥熟料6000g,铝酸钠为750g,碳酸钠为750g,硫酸铝为1000g;第四组为去掉铝酸钠,即硫铝酸盐水泥熟料6000g,氟石膏为1500g,碳酸钠为750g,硫酸铝为1000g;第五组为去掉碳酸钠,即硫铝酸盐水泥熟料6000g,氟石膏为1500g,铝酸钠为750g,硫酸铝为1000g;第六组为去掉硫酸铝,硫铝酸盐水泥熟料6000g,氟石膏为1500g,铝酸钠为750g,碳酸钠为750g;采用硅酸盐水泥,固定速凝剂掺量为6wt%时,对比观察速凝剂组分对凝结时间、1d抗压强度、28d抗压强度、28d抗压强度比的变化规律。其他操作与实施例1相同。参照实施例1的测试方法,本对比例的测试结果见表6。
表6速凝剂组分对凝结时间和抗压强度测试的影响
从表6中可以看出,当速凝剂中的某一组分缺少时,对凝结时间和1d抗压强度的值影响较大,其速凝效果相对较差,去掉某一组分后,初凝时间和终凝时间均延长,尤其是去掉硫铝酸盐水泥熟料和碳酸钠后,其初凝时间和终凝时间延长较为明显。同时,去掉某一组分后,其力学性能也相对下降,尤其是1d的抗压强度下降较为明显。
对比例2
本对比例研究速凝剂掺量对凝结时间和抗压强度测试的影响,具体为,固定速凝剂组分中硫铝酸盐水泥熟料6000g,氟石膏为1500g,铝酸钠为750g,碳酸钠为750g,硫酸铝为1000g,采用硅酸盐水泥,变化速凝剂掺量分别为0%,2%,4%,6%,8%,10%时,对比观察速凝剂掺量对凝结时间、1d抗压强度、28d抗压强度比的变化规律。其他操作与实施例1相同。参照实施例1的测试方法,本对比例的测试结果见表7。
表7速凝剂掺量对凝结时间和抗压强度测试的影响
从表7可以看出,随着速凝剂掺量的增加,初凝时间和终凝时间逐渐缩短,先逐渐缩短,后逐渐延长,其中在掺量为4wt%~8wt%之间时,凝结时间符合标准中规定的要求。但是,随着速凝剂掺量的增加,1d抗压强度和28d抗压强度比逐渐减小,其中1d的抗压强度均大于未掺速凝剂试样的抗压强度,28d的抗压强度比虽然逐渐减小,但也均符合标准中规定的要求。综合速凝剂掺量对凝结时间和抗压强度的影响,其速凝剂的掺量范围为4wt%~8wt%。
综上所述:本发明实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂具有较好的速凝效果,通过合理调配各组分的用量和速凝剂的掺量,其初凝时间可短至3min,终凝时间可短至6min;且力学性能好,1d的抗压强度可高达10MPa以上,28d抗压强度比可高达90%以上。同时,本发明实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂与各种硅酸盐水泥的匹配性较好,对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等均具有较好的适用性。将本发明实施例的硫铝酸盐水泥基速凝剂应用于海洋工程的混凝土中,可以保证海洋工程的混凝土具有良好的耐久性,从而可以推广应用于海洋开发、土层或岩石的钻进、石油钻井和化工、海底隧道、跨海大桥等大型海洋工程的建设中。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硫铝酸盐水泥基速凝剂,其特征在于,所述硫铝酸盐水泥基速凝剂包括硫铝酸盐水泥熟料、氟石膏、铝酸钠、碳酸钠和硫酸铝,其中,
所述硫铝酸盐水泥熟料、所述氟石膏、所述铝酸钠、所述碳酸钠和所述硫酸铝的质量比为(50~70):(10~20):(5~10):(5~10):(10~20)。
2.如权利要求1所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,其特征在于,所述硫铝酸盐水泥熟料符合国家标准《硫铝酸盐水泥》GB20472-2006中附录A的技术要求,且比表面积不小于450m2/kg。
3.如权利要求1所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,其特征在于,所述氟石膏为硫酸与氟石制取氟化氢的副产品,且比表面积不小于450m2/kg。
4.如权利要求1所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,其特征在于,所述铝酸钠为市售偏铝酸钠,其质量纯度在80%以上。
5.如权利要求1所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,其特征在于,所述碳酸钠为符合国标《工业碳酸钠》GB210-1992中一等品和/或合格品要求的工业碳酸钠。
6.如权利要求1所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂,其特征在于,所述硫酸铝为符合化工行业标准《工业硫酸铝》HG/T 2225-2010中I类或II类硫酸铝固体粉末颗粒。
7.一种如权利要求1~6中任一项所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
将所述硫铝酸盐水泥基速凝剂的各原料组分按照配比分别称重计量;
将称重后的各原料组分加入至混料机中进行搅拌混合,得到硫铝酸盐水泥基速凝剂。
8.一种如权利要求1~6中任一项所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂的应用,其特征在于,所述硫铝酸盐水泥基速凝剂应用于水泥中时,将所述硫铝酸盐水泥基速凝剂的各原料组分按照配比分别称重计量,然后将称重后的各原料组分加入至混料机中进行搅拌混合,得到硫铝酸盐水泥基速凝剂,之后将硫铝酸盐水泥基速凝剂加入至水泥中使用。
9.如权利要求8所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂的应用,其特征在于,所述硫铝酸盐水泥基速凝剂的加入量为所述水泥的4~8wt%。
10.如权利要求8所述的硫铝酸盐水泥基速凝剂的应用,其特征在于,所述水泥为符合国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2020表1、表2和表3中的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥中的一种。
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