《土木工程材料》课件 03水泥-土木工程材料

掺混合材料的硅酸盐水泥3.2内容提要3水泥铝酸盐水泥3.4硅酸盐水泥3.1常用水泥的选用与储运3.3其他品种水泥3.5重点和难点水泥的组分及其性质水泥的水化重点难点硅酸盐水泥的特性影响水泥性能的因素3水泥3水泥–3.1硅酸盐水泥思考硅酸盐水泥的四大矿物组成各有何特点？硅酸盐水泥的特性如何？影响硅酸盐水泥性能的因素有哪些？硅酸盐水泥的主要技术要求有哪些？3水泥–3.1硅酸盐水泥课程导入——三峡大坝

“世纪工程”三峡大坝在建设过程中使用了近500万吨的中热硅酸盐水泥，以避免大坝混凝土裂缝的产生。中热硅酸盐水泥是以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料。大量研究表明，使用中热硅酸盐水泥配制的混凝土质量优良，后期强度增长率大，自生体积变形多呈正值，满足三峡大坝的设计要求。大坝设计的要求是什么？对材料提出了什么样的要求？为什么采用中热硅酸盐水泥？还有其他的水泥可以满足要求吗？何谓水泥一种细磨材料，加入适量水后成为塑性浆体，不仅能在空气中硬化，而且在水中能更好地硬化，保持和发展强度，并且能把砂、石等材料牢固地粘结在一起，形成坚固的石状体的水硬性胶凝材料。水泥使用范围水泥是用量最大的一种建筑材料和工程材料，广泛用于建筑、水利、道路、石油、化工、军事工程中，素有“建筑业的粮食”之称。3水泥–3.1硅酸盐水泥约2000年前，希腊和古罗马人在建筑工程中使用了一种石灰和火山灰的混合物，它能在水中缓慢反应生成坚硬的固体，这是最早应用的水泥。水泥的产生3水泥–3.1硅酸盐水泥19世纪初，英、法等国将粘土化的石灰经烧结成为水硬性材料，称为天然水泥。这种水泥的烧成温度低，难以控制水泥成分。水泥的产生3水泥–3.1硅酸盐水泥1824年英国人阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物烧成一种水硬性的胶凝材料，它在凝结硬固后的颜色、外观和当时英国波特兰半岛出产的天然石灰石相近，故起名为波特兰水泥（Portlandcement）。水泥的产生3水泥–3.1硅酸盐水泥水泥种类主要水硬性物质主要品种硅酸盐水泥硅酸钙绝大多数通用水泥、专用水泥和特性水泥铝酸盐水泥铝酸钙高铝水泥、自应力铝酸盐水泥、快硬高强铝酸盐水泥等。硫铝酸盐水泥无水硫铝酸钙硅酸二钙有自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥等铁铝酸盐水泥铁相、无水硫铝酸钙、硅酸二钙有自应力铁铝酸盐水泥、膨胀铁铝酸盐水泥、快硬铁铝酸盐水泥等氟铝酸盐水泥氟铝酸钙、硅酸二钙氟铝酸盐水泥等以火山灰或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥活性二氧化硅活性氧化铝石灰火山灰水泥、石膏矿渣水泥、低热钢渣矿渣水泥等水泥的分类3水泥–3.1硅酸盐水泥按化学成分按性能和用途分水泥通用水泥特种水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等水泥的分类3水泥–3.1硅酸盐水泥何谓硅酸盐水泥？

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，称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的定义和分类3水泥–3.1硅酸盐水泥硅酸盐水泥：1.硅酸盐水泥（P·Ⅰ、P·Ⅱ）无、0~5%混合材2.普通硅酸盐水泥（P·O）5~20%混合材3.矿渣硅酸盐水泥（P·S）20~70%矿渣4.火山灰质硅酸盐水泥（P·P）20~40%火山灰质材料5.粉煤灰硅酸盐水泥（P·F）20~40%粉煤灰6.复合硅酸盐水泥（P·C）20~50%复合混合材硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料。粘土质原料主要为黏土或页岩，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。铁矿粉采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。原材料和生产工艺3水泥–3.1硅酸盐水泥石灰石黏土赤铁矿石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等。混合材料

包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。原材料和生产工艺3水泥–3.1硅酸盐水泥石膏粉煤灰矿渣硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺石灰石CaO+CO2粘土SiO2+Al2O3+Fe2O3水泥煅烧过程在窑内进行，水泥窑型主要有立窑和回转窑两种。石灰石粘土铁矿粉生料石膏硅酸盐水泥混合材料熟料按比例混合磨细1450℃煅烧磨细原材料和生产工艺3水泥–3.1硅酸盐水泥生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥两磨一烧生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥

生料进料气温料温生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥

干燥区自由水生料进料气温料温生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥

干燥区分解区自由水黏土矿

物分解石灰石

分解初始化合物形成生料进料气温料温生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥

干燥区分解区自由水黏土矿

物分解石灰石

分解初始化合物形成液相

形成C2S

形成生料进料气温料温生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥

干燥区分解区烧结区自由水黏土矿

物分解石灰石

分解初始化合物形成液相

形成C2S

形成C3S

形成生料进料气温料温生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥

干燥区分解区烧结区冷却区自由水黏土矿

物分解石灰石

分解初始化合物形成液相

形成C2S

形成C3S

形成生料进料熟料出料气温料温生产过程3水泥–3.1硅酸盐水泥熟料的矿物组成水泥熟料矿物硅酸二钙（15-30%）铁铝酸四钙（5-15%）游离氧化钙和氧化镁铝酸三钙（5-10%）硅酸三钙（50-70%）碱类及杂质2CaO•SiO2，C2S4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AFf－CaO和f－MgO3CaO•Al2O3，C3A3CaO•SiO2，C3S石灰石CaO+CO2粘土SiO2+Al2O3+Fe2O3水泥熟料的矿物组成3水泥–3.1硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应硅酸三钙C3S＋H==C-S-H＋CH硅酸二钙C2S＋H==C-S-H＋CH铝酸三钙C3A＋H==C3AH6铁铝酸四钙

C4AF＋H==C3AH6

＋CFH水化作用的主要产物为：水化硅酸钙C-S-H（约70%）氢氧化钙CH（约20%）水泥的水化3水泥–3.1硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应过程水泥的水化3水泥–3.1硅酸盐水泥未水化（0h）水泥颗粒水分熟料矿物的水化反应过程水泥的水化3水泥–3.1硅酸盐水泥未水化（0h）水化初期（0h~3h）水泥颗粒表面迅速溶解与水发生化学反应，水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，

随着水化反应的发展，膜层长厚并互相连接，浆体逐渐失去流动性，产生“初凝”。凝胶熟料矿物的水化反应过程水泥的水化3水泥–3.1硅酸盐水泥未水化（0h）水化初期（0h~3h）水化中期（3h~30h）水化硅酸钙（C－S－H）和氢氧化钙快速形成，浆体完全失去可塑性，并开始产生结构强度，即为“终凝”。凝胶晶体熟料矿物的水化反应过程水泥的水化3水泥–3.1硅酸盐水泥未水化（0h）水化初期（0h~3h）水化中期（3h~30h）水化后期（30h~）由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，水化产物不断填充毛细孔，网状结构不断加强，结构逐渐紧密，水泥浆体逐渐转变为具有一定强度的水泥石固体，即为“硬化”。未水化水泥颗粒毛细孔名称C3S(硅酸三钙)C2S(硅酸二钙)C3A(铝酸三钙)C4AF(铁铝酸四钙)含量(％)50～7015～307～155～15特性主要矿物，含量通常为50%左右。水化较快，28天达70%水化程度，强度发展较快，早期强度高，28天强度可达一年强度的70%。水化热较高。通常含量为20%，水化较慢，28天仅水化20%左右，凝结硬化缓慢，早期强度较低，但28天以后强度仍能较快增长，一年后强度超过C3S

。水化热较小。水化迅速，凝结硬化很快，如不加石膏做缓凝剂，会产生速凝。早期强度较高，后期强度不再增长，甚至倒退。水化速度在早期介于C3A与C3S之间，后期强度能继续增长，但不如C3S。水泥的水化3水泥–3.1硅酸盐水泥矿物名称C3SC2SC3AC4AF含量范围

（质量％）50～7015～307～155～15水化速度快慢最快快，仅次于C3A水化热多少最多中早期强度高低低低后期强度高高低低水泥的水化3水泥–3.1硅酸盐水泥水泥的水化热是指在水化过程中的放热量，单位为kJ/kg。水化热的高低与熟料矿物的相对含量有关。铝酸三钙、硅酸三钙的水化热高，而铁铝酸四钙、硅酸二钙的水化热较低。因此要降低水化热，可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量。水化热主要对大体积混凝土工程有影响。对于大体积混凝土工程，应选择水化热较低的水泥，或者采取特殊措施降低水化热的危害。水泥的水化热3水泥–3.1硅酸盐水泥大体积混凝土的水化热分析石膏的缓凝作用若水泥中无石膏存在时，C3A会使水泥瞬间产生凝结。为了控制C3A的水化和凝结硬化速度，就必须在水泥中掺入适石膏的缓凝原理C3A的水化后的产物将与石膏反应，在水泥颗粒表面生成难溶于水的钙矾石，阻碍C3A水化，从而起到延注意事项石膏掺量不能过多，否则不仅缓凝作用不大，还会引起水泥的体积安定性不良。水泥的凝结硬化3水泥–3.1硅酸盐水泥水泥颗粒表面生成的针状钙矾石A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化硅酸钙凝胶）；B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D——未水化的水泥颗粒水泥石的结构水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。水泥的凝结硬化3水泥–3.1硅酸盐水泥水泥石腐蚀的方式（1）软水侵蚀（2）盐类侵蚀（膨胀性化学腐蚀）（3）酸的腐蚀一般酸的腐蚀碳酸的腐蚀（4）强碱腐蚀防止水泥石腐蚀的措施水泥石的腐蚀及防止3水泥–3.1硅酸盐水泥水泥板表面的蚀坑如果你参与了青藏铁路的建设，你如何防止水泥石发生腐蚀？凝结硬化快，早期及后期强度均高。水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工程。耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。硅酸盐水泥的特性3水泥–3.1硅酸盐水泥小结硅酸盐水泥的四大矿物组成各有何特点？硅酸盐水泥的特性如何？影响硅酸盐水泥性能的因素有哪些？硅酸盐水泥的主要技术要求有哪些？3水泥–3.1硅酸盐水泥混合材料：为了改善水泥性能、提高水泥的产量，在生产时掺入的天然或人工矿物质材料。活性混合材料具有潜在水硬性或火山灰特性，或者兼具有潜在水硬性和火山灰特性的混合材料。粒化高炉矿渣；粉煤灰；火山灰质混合材料混合材料及其分类3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥粉煤灰矿渣混合材料：为了改善水泥性能、提高水泥的产量，在生产时掺入的天然或人工矿物质材料。活性混合材料非活性混合材料不具有潜在水硬性或质量活性指标不能达到规定要求的混合材料。如磨细石灰石粉、磨细石英砂等。混合材料及其分类磨细石灰石粉磨细石英砂3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥综合利用工业废渣，减少环境污染。提高水泥产量，降低水泥生产成本，获得较好的经济效益。有利于改善水泥的性能，如改善水泥的安定性，降低水泥水化热，提高混凝土的抗蚀能力。生产不同品种的水泥，满足各项工程建设的需要。添加混合材料的目的3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥熟料＋适量石膏＋20%～70%

粒化高炉矿渣20%～40%

粉煤灰20%～40%

火山灰质混合材料矿渣硅酸盐水泥（P·S）粉煤灰硅酸盐水泥（P·F）火山灰质硅酸盐水泥（P·P）磨细磨细磨细其它水泥20%～50%两种或两种以上混合材料复合硅酸盐水泥（P·C）磨细3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥主要特性（与硅酸盐水泥、普通水泥相比）三种水泥的共同特性凝结硬化较慢，早强强度较低，后期强度增长较快；水化热较低，放热速度慢；抗硫酸盐腐蚀和抗水性较好；蒸汽养护适应性好；抗冻性、耐磨性及抗碳化性能较差。三种水泥各自特性矿渣水泥的抗渗性较差，但耐热性好，可用于温度不高于200℃的混凝土工程中。火山灰水泥的抗渗性好，但干缩较大，不适用于长期处于干燥环境中的混凝土工程。粉煤灰水泥干缩小根据混合材的种类和掺量，复合硅酸盐水泥的特性总体上与上述三种水泥有不同程度的相似之处其它水泥3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥水泥组成成分的影响水泥细度的影响养护条件（温度、湿度）的影响龄期的影响拌合用水量的影响贮存条件的影响影响水泥性能的主要因素3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥强制性技术要求 1.凝结时间 2.体积安定性 3.强度及强度等级 4.氯离子含量 5.不溶物含量 6.烧失量选择性技术要求 1.细度 2.碱含量水泥的主要技术性质3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥凝结时间初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。水泥初凝时间不宜过早，终凝时间不宜过迟。国家标准GB175－2007规定：六大硅酸盐水泥的初凝时间均不得早于45min，硅酸盐水泥的终凝时间不得迟于390min，其他五类水泥的终凝时间不得迟于600min。水泥的主要技术性质3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥体积安定性定义：指水泥浆体硬化后体积变化的稳定性。水泥在硬化过程中体积变化不稳定，即为体积安定性不良。水泥安定性不良的原因：熟料中含有过量的游离氧化钙（f－CaO），或含有过量的游离氧化镁（f－MgO）；生产水泥时掺入的石膏过量。检测方法：由游离氧化钙引起的水泥安定性不良用试饼法或雷氏法检验。水泥的主要技术性质雷氏夹3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥强度及强度等级（1）检测方法国家标准规定，水泥和标准砂按1：3质量比混合，加入规定量的水（水灰比为0.50），经标准试验方法搅拌成型。制成40mm×40mm×160mm的标准试件，在标准条件（温度为20±1℃，相对湿度90％以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入20±1℃的水中养护）下养护。根据水泥品种不同，分别测定3d、28d的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。水泥的主要技术性质水泥胶砂振动台水泥胶砂抗折强度试验仪3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥（2）强度等级根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级。硅酸盐水泥的强度等级划分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R共六个等级。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d42.542.5R52.552.5R62.562.5R17.022.023.027.028.032.042.542.552.552.562.562.53.54.04.05.05.05.56.56.57.07.08.08.0R型为早强型，主要是3d强度较高。水泥的主要技术性质3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥氯离子含量国家标准规定：水泥中氯离子含量不得大于0.06％。当有更低要求时，由供需双方商定不溶物含量不溶物是指经盐酸和氢氧化钠溶液处理后，不能被溶解的残余物质。国家标准规定：Ⅰ型硅酸盐水泥不溶物不得超过0.75％；Ⅱ型硅酸盐水泥不溶物不得超过1.50％烧失量烧失量是指水泥经高温灼烧后质量的损失。国家标准规定：Ⅰ型硅酸盐水泥烧失量不得大于3.0％；Ⅱ型硅酸盐水泥烧失量不得大于3.5％；普通硅酸盐水泥烧失量不得大于5.0％水泥的主要技术性质3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥选择性技术要求——细度定义：细度是指水泥颗粒的粗细程度。对水泥凝结硬化的影响：直接影响其水化反应速度、活性和强度。检测方法：国家标准规定：水泥的细度用筛分析法和比表面积法来测定。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度为其比表面积不小于300m2/kg；其他四类水泥的细度为80μm方孔筛的筛余不大于10%，

45μm方孔筛的筛余不大于30%水泥的主要技术性质3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥选择性技术要求——碱含量定义：碱含量是指水泥中Na2O和K2O的含量。对水泥凝结硬化的影响：若水泥中碱含量过高，遇到有活性的骨料，易产生碱骨料反应，造成工程危害。国家标准规定：水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。若使用活性集料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60％或由供需双方商定水泥的主要技术性质3水泥–3.2掺混合材料的硅酸盐水泥思考3水泥–3.3常用水泥的选用与储运思考3水泥–3.4铝酸盐水泥铝酸盐水泥，也称矾土水泥或高铝水泥，是以铝矾土和石灰石为原料煅烧制得的水硬性胶凝材料，以铝酸钙为主要成分，氧化铝含量约为50%。不宜采用蒸汽养护早期强度增长快特性长期强度有降低的趋势水化热大，且放热速度快耐热性较高抗硫酸盐侵蚀性强，耐酸性好，但抗碱性极差思考快硬早强水泥的主要特性是什么？3水泥–3.5其他品种水泥成分和原理白色硅酸盐水泥的组成、性质与硅酸盐水泥基本相同，所不同的是在配料和生产过程中严格控制着色氧化物（Fe2O3、MnO、Cr2O3、TiO2等）的含量。彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥。它是用白水泥熟料，适量石膏和耐碱矿物颜料共同磨细而制成的。特点和应用利用白水泥和彩色水泥可以配制出颜色多样的水泥制品，可广泛地应用于建筑装修中。如制作彩色水磨石、饰面砖、锦砖、玻璃马赛克以及制作水刷石、斩假石、水泥花砖等。白色和彩色硅酸盐水泥3水泥–3.5其他品种水泥铝酸盐水泥定义以石灰岩和矾土为主要原料，配制成适当成分的生料，烧至全部或部分熔融所得以铝酸钙为主要矿物的熟料，经磨细而成的水硬性胶凝材料，代号CA。主要矿物成分铝酸一钙（CaO·Al2O3简写CA）凝结正常，硬化迅速，为铝酸盐水泥强度的主要来源。二铝酸一钙（CaO·2Al2O3简写CA2），其特点是凝结硬化慢，早期强度较低，后期强度高。此外还有少量水化极快、凝结迅速而强度不高的七铝酸十二钙（Ｃ12Ａ7）以及胶凝性极差的铝方柱石（C2AS）、六铝酸一钙（CA6）等矿物。快硬早强水泥3水泥–3.5其他品种水泥铝酸盐水泥的特性与应用早期强度很高，故适用于工期紧急的工程。抗硫酸盐腐蚀性好，但抗碱性极差。水化放热极快且放热量大，不得应用于大体积混凝土工程。耐热性好。高温下产生烧结作用，具有良好的耐高温性能，较高的强度，故适合耐热工程。长期强度降低较大，不适合长期承载