混凝土组成材料之水泥(1)

1、混凝土组成材料之水泥混凝土组成材料之水泥(1)(1) CementCement水泥的定义水泥的定义 凡细磨成粉末状，加入适量水后成为凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称水泥（称水泥（cementcement）。）。 用水泥基材料建造的早期建筑爱迭斯顿灯塔v最早采用具有水硬性胶凝材料制备混凝土最早采用具有水硬性胶凝材料制备混凝土的是中国人，而不是多少年来一直误认为的是中国人，而不是多少

2、年来一直误认为的古罗马人。据甘肃省考古研究所于的古罗马人。据甘肃省考古研究所于19801980年和年和19831983年考察，在该省秦安县的大地湾年考察，在该省秦安县的大地湾（黄河支流渭水之畔，西安以西约（黄河支流渭水之畔，西安以西约600600公公里处）先后发掘出两个大型住宅遗址，该里处）先后发掘出两个大型住宅遗址，该遗址的地坪系用混凝土建造，经测算距今遗址的地坪系用混凝土建造，经测算距今已有已有5 5千年，相当于千年，相当于“新石器时代新石器时代”。从。从大地湾发掘出的混凝土是用水硬性的水泥大地湾发掘出的混凝土是用水硬性的水泥所制成。这种水泥以礓石所制成。这种水泥以礓石一种富含碳一种富含碳

3、酸钙的粘土为原料煅烧而成。酸钙的粘土为原料煅烧而成。水泥按其用途和性能分类水泥按其用途和性能分类 v 通用水泥：通用水泥： 用于大量土木建筑工程一般用途的水泥，如硅用于大量土木建筑工程一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火酸盐水泥、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、复合硅酸山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。盐水泥等。 v 专用水泥：专用水泥： 指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥 v 特性水泥：特性水泥： 某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水某种性能比较突出的一类

4、水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。水泥按组成分类水泥按组成分类 硅酸盐系水泥硅酸盐系水泥 铝酸盐系水泥铝酸盐系水泥 硫酸盐系水泥硫酸盐系水泥 硫铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥 磷酸盐系水泥等磷酸盐系水泥等 目前，水泥品种已达目前，水泥品种已达100100余种，其中硅酸盐系余种，其中硅酸盐系水泥用途最广，本章即重点介绍。水泥用途最广，本章即重点介绍。本章内容本章内容1.11.1 水泥工业的现状及发展水泥工业的现状及发展1.21.2 硅酸盐水泥（波特兰水泥

5、）硅酸盐水泥（波特兰水泥） 1.31.3 掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥1.41.4 高铝水泥高铝水泥1.51.5 专用水泥专用水泥1.61.6 特性水泥特性水泥1.1 1.1 水泥工业的现状及发展水泥工业的现状及发展1.1.11.1.1 世界水泥发展状况世界水泥发展状况1.1.21.1.2 水泥生产方法的改进水泥生产方法的改进 1.1.31.1.3 我国水泥工业发展概况我国水泥工业发展概况 1.1.41.1.4 加入加入WTOWTO后我国国有水泥企业的挑战后我国国有水泥企业的挑战 1.1.1 1.1.1 世界水泥发展状况世界水泥发展状况 水泥是建筑工业水泥是建筑工业三大基本材料

6、之一三大基本材料之一（其它二者为钢材和（其它二者为钢材和木材），使用广，用木材），使用广，用量大。量大。 每吨水泥消耗的每吨水泥消耗的能量仅为钢材的能量仅为钢材的1/61/6。因此从节能出发，水因此从节能出发，水泥作为结构材料，受泥作为结构材料，受到人们更多的重视。到人们更多的重视。 1 16 620202828170170混凝土红砖钢材玻璃铝材每吨材料消耗能量比例世界水泥态势（一）世界水泥态势（一） 近近1010年来，发达国家由于各国经济发展速度减年来，发达国家由于各国经济发展速度减缓，生产成本增高和能源消耗、环保要求等各方缓，生产成本增高和能源消耗、环保要求等各方面原因，水泥生产呈现饱和及

7、缩减态势。面原因，水泥生产呈现饱和及缩减态势。 而与此同时，一些经济迅速发展中国家，水而与此同时，一些经济迅速发展中国家，水泥需求量不断增大，带动了那里的水泥工业的迅泥需求量不断增大，带动了那里的水泥工业的迅猛发展，特别是东亚、西南亚地区，猛发展，特别是东亚、西南亚地区，19981998年亚洲年亚洲国家生产的水泥几乎占到了世界水泥总量的国家生产的水泥几乎占到了世界水泥总量的60%60%以上。以上。世界水泥态势（二）世界水泥态势（二） 在此期间，发达国家的跨国公司和集团，利用在此期间，发达国家的跨国公司和集团，利用他们在水泥生产技术和装备制造方面的优势以及他们在水泥生产技术和装备制造方面的优势以

8、及在国际资本运作方面的实力，利用发展中国家丰在国际资本运作方面的实力，利用发展中国家丰富的原料资源、相对廉价的劳动力以及资金的相富的原料资源、相对廉价的劳动力以及资金的相对短缺，在国外发展自己的水泥基地，发展国际对短缺，在国外发展自己的水泥基地，发展国际水泥贸易取得比在本国更大的经济利益，甚至反水泥贸易取得比在本国更大的经济利益，甚至反销本国，满足本国的水泥消费需求。销本国，满足本国的水泥消费需求。 在这方面，日本、韩国表现得最为明显。欧洲在这方面，日本、韩国表现得最为明显。欧洲一些大公司半数以上产量是在国外生产的。这种一些大公司半数以上产量是在国外生产的。这种世界水泥生产和消费重心的改变趋势

9、，将是今后世界水泥生产和消费重心的改变趋势，将是今后一个时期的显著特点。一个时期的显著特点。 1.1.2 1.1.2 水泥生产方法的改进水泥生产方法的改进硅酸盐水泥的生产过程可以概括为硅酸盐水泥的生产过程可以概括为“两磨一两磨一烧烧” ” 。石灰石粘 土铁矿石生料磨熟料磨烧成设备水泥产品水泥水泥煅烧设备煅烧设备 生料进口生料进口熟料出口熟料出口生料进口熟料出口熟料出口立立窑窑模模型型回转窑模型回转窑模型水泥生产工艺按按生料的制备过程分类水泥生产工艺按按生料的制备过程分类湿湿法法干干法法 原料与水共入生料磨，料浆喂入回转窑煅烧。原料与水共入生料磨，料浆喂入回转窑煅烧。其优点是：其优点是：生料成分

10、易控制，产品质量高，原料生料成分易控制，产品质量高，原料磨房扬尘较少。磨房扬尘较少。缺点是：缺点是：能耗大，通常在能耗大，通常在6900 6900 kJ/kgkJ/kg（熟料）以下，其仅用于蒸发料浆水分的（熟料）以下，其仅用于蒸发料浆水分的热能就高达热能就高达2200kJ/kg2200kJ/kg（熟料），为熟料形成理（熟料），为熟料形成理论需热量的论需热量的2-32-3倍。倍。 生料为干粉，可采用立窑和回转窑生产。生料为干粉，可采用立窑和回转窑生产。其优点是：其优点是：能耗相对较低，能耗相对较低，但缺点是：但缺点是：生料粉生料粉不易混合均匀，粉状物料输送也不够简便，车不易混合均匀，粉状物料输送

11、也不够简便，车间内粉尘飞扬大等。间内粉尘飞扬大等。 新型干法生产工艺新型干法生产工艺 提高了干法窑的热效率，采用了原料预均化、提高了干法窑的热效率，采用了原料预均化、粉状物料均化与管道输送技术，入窑前生料的预粉状物料均化与管道输送技术，入窑前生料的预热及高效率收尘的研究取得了较大的进展。热及高效率收尘的研究取得了较大的进展。 2020世纪世纪7070年代出现了悬浮预热、窑外分解新年代出现了悬浮预热、窑外分解新技术、新工艺，使得熟料煅烧热耗降至技术、新工艺，使得熟料煅烧热耗降至3000kJ/ 3000kJ/ kgkg以下。新型干法生产取代了湿法，成为水泥生以下。新型干法生产取代了湿法，成为水泥生

12、产的基本方法。产的基本方法。 代表当代水泥生产技术水平的新型干法生产代表当代水泥生产技术水平的新型干法生产技术和装备，由于追求高效率、低能耗、技术和装备，由于追求高效率、低能耗、“零污零污染染”的环保措施，取得了显著的成就和进步。的环保措施，取得了显著的成就和进步。1.1.3 1.1.3 我国水泥工业发展概况我国水泥工业发展概况v 1886 1886年，河北年，河北唐山建立启新洋唐山建立启新洋灰公司，是我国灰公司，是我国最早的水泥厂。最早的水泥厂。v 19201920年，上海年，上海龙华镇建立了我龙华镇建立了我国第一台湿法水国第一台湿法水泥窑生产线。泥窑生产线。 1990 1994 1997

13、2000 200524.055.15.510.0约世界水泥产量的1/3约世界水泥产量的1/2我国水泥产量，亿吨2005、2006年全球水泥产量（年全球水泥产量（108 吨）前吨）前10名的国家名的国家 No.国家国家200520061中国中国10.00（10.6）11.00（12.4）2印度印度1.301.553美国美国0.991.014日本日本0.660.685韩国韩国0.500.526西班牙西班牙0.480.507俄罗斯俄罗斯0.450.548泰国泰国0.400.409巴西巴西0.390.3710意大利意大利0.380.46全球全球22.20（22.80）25.00（26.407）*括号内

14、为按我国公布的数据计算我国回转窑和立窑水泥占总产量的比重我国回转窑和立窑水泥占总产量的比重 1990199019911991199219921993199319941994回转窑水泥产量回转窑水泥产量（万吨（万吨/ /年）年） 6163616364006400634363436450645066006600占水泥总产量占水泥总产量 29.2629.2625.3425.3420.5820.5817.8017.8016.1016.10立窑水泥占总产量立窑水泥占总产量 70.3470.3474.6674.6679.4279.4281.9081.9085.2085.20 19981998年我国立窑总数

15、约年我国立窑总数约80008000台，其中机立窑约台，其中机立窑约60006000台，台，普立窑及土立窑分别约普立窑及土立窑分别约15001500台和台和500500台，后二者的水泥产量台，后二者的水泥产量占占12%12%。其中立窑水泥多采用。其中立窑水泥多采用F F、S S矿化剂，使水泥的强度和矿化剂，使水泥的强度和凝结时间出现波动，给建筑施工带来困难。凝结时间出现波动，给建筑施工带来困难。 我国水泥工业与世界先进水平的差距我国水泥工业与世界先进水平的差距 对比项对比项 世界先进水平世界先进水平 中国水平中国水平 备注备注 水泥立窑数量水泥立窑数量 发达国家没有发达国家没有 82518251

16、台台 1997 1997 新型干法新型干法生产能力比例生产能力比例 日本占日本占98.3%98.3%，意大利占意大利占96.5% 96.5% 10% 10% 1997 1997 水泥企业平均规模水泥企业平均规模 60 60万吨万吨 6 6万吨左右万吨左右 19981998水泥全员劳动水泥全员劳动生产率生产率 日本日本1368113681吨吨/ /人人 年年 全国平均全国平均290290吨吨/ /人人 年年 19981998 世界排名前世界排名前1010名水泥公司年产量均在名水泥公司年产量均在20002000万吨以上，万吨以上，瑞士的霍德班克公司的水泥产量高达瑞士的霍德班克公司的水泥产量高达83

17、008300万吨，而我国目万吨，而我国目前最大的海螺、渤海水泥集团生产规模仅在前最大的海螺、渤海水泥集团生产规模仅在500500万万-600-600万万吨左右。吨左右。 “十五”期间新型干法比例要超过20%，企业平均规模达20万吨。 我国水泥我国水泥98%98%仍以内销为主，原因是我国水仍以内销为主，原因是我国水泥质量次，在采用新标准前，出口的水泥符合中泥质量次，在采用新标准前，出口的水泥符合中国水泥标准，但同国外水泥相比存在四大问题。国水泥标准，但同国外水泥相比存在四大问题。v 细度细；细度细；v 凝结慢；凝结慢；v 早期强度低；早期强度低；v 均匀性差。均匀性差。1.2 1.2 硅酸盐水泥

18、（波特兰水泥）硅酸盐水泥（波特兰水泥）1.2.11.2.1 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 1.2.21.2.2 硅酸盐水泥的凝结硬化硅酸盐水泥的凝结硬化 1.2.31.2.3 硅酸盐水泥的性能硅酸盐水泥的性能 1.2.41.2.4 水泥石的腐蚀与防护水泥石的腐蚀与防护 1.2.51.2.5 硅酸盐水泥的应用与存放硅酸盐水泥的应用与存放硅酸盐水泥为什么又叫波特兰硅酸盐水泥为什么又叫波特兰水泥水泥? ? 1919世纪初期（世纪初期（1810-18251810-1825年），英国人年），英国人AspdinAspdin用人工用人工配合原料，再经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料。这配合原料，再经煅烧、磨细

19、以制造水硬性胶凝材料。这种胶凝材料凝结后的外观颜色与当时建筑上常用的英国种胶凝材料凝结后的外观颜色与当时建筑上常用的英国波特兰岛出产的石灰石相似，故称之为波特兰岛出产的石灰石相似，故称之为波特兰水泥波特兰水泥，我，我国称为国称为硅酸盐水泥硅酸盐水泥。Portland Cement Portland Cement Silicate CementSilicate Cement 硅酸盐水泥的构成和类别硅酸盐水泥的构成和类别硅酸盐水泥硅酸盐水泥 = = 水泥熟料水泥熟料 + + 石膏石膏 + + 混合材混合材P P （型硅酸盐水泥）型硅酸盐水泥）= = 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 + + 石膏石膏

20、+ O+ OP P （型硅酸盐水泥）型硅酸盐水泥）= = 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 + + 石膏石膏 + + 5%5%石灰石或石灰石或粒状高炉矿渣粒状高炉矿渣 1.2.1 1.2.1 硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥熟料 化学成分化学成分: CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2 矿物组成矿物组成：AliteC3S3CaO SiO2 3660%Belite C2S 2CaO SiO2 1537%，此二者，此二者75-82%； C3A 3CaO Al2O3 715% C4AF 4CaO Al2O3 Fe2O3 10-18%，此二者，此二者25%； f-CaO、MgO 10% 制备：制备： 石灰石、

21、粘土、铁矿粉石灰石、粘土、铁矿粉 生料生料 熟料熟料 生产方法有：干法、湿法、回转窑、立窑生产方法有：干法、湿法、回转窑、立窑1450 煅烧C C3 3S S的生成的生成L LL + CaOL + CaOC C3 3S + CaOS + CaOC C2 2S + CaOS + CaOC C2 2S S + + C C3 3S S1250207025702130C C2 2S SCaOCaOC C2 2S + CaO L CS + CaO L C3 3S SC C3 3S S从液相中析出，上述反从液相中析出，上述反应进行不完全，或降温过应进行不完全，或降温过程中程中C C3 3S S发生分解：发

22、生分解：C C3 3S CS C2 2S + CaOS + CaO将导致熟料中将导致熟料中f-CaOf-CaO量的量的增多，影响水泥的安定性。增多，影响水泥的安定性。 硅酸盐水泥熟料矿物的水化硅酸盐水泥熟料矿物的水化 2(3CaO 2(3CaO SiOSiO2 2) + 6 H) + 6 H2 2O = 3CaOO = 3CaO 2 2SiOSiO2 2 3 3H H2 2O + 3 Ca(OH)O + 3 Ca(OH)2 2 C-S-HC-S-H 2(2CaO 2(2CaO SiOSiO2 2) + 4 H) + 4 H2 2O = 3CaOO = 3CaO 2 2SiOSiO2 2 3 3

23、H H2 2O + Ca(OH)O + Ca(OH)2 2 C-S-HC-S-H 3CaO3CaO AlAl2 2O O3 3 + 6 H+ 6 H2 2O = 3CaOO = 3CaO AlAl2 2O O3 3 6H6H2 2O O 立方晶体立方晶体 4CaO 4CaO AlAl2 2O O3 3 FeFe2 2O O3 3 + 7 H+ 7 H2 2O = 3CaOO = 3CaO AlAl2 2O O3 3 6H6H2 2O + CaOO + CaO FeFe2 2O O3 3 H H2 2O O 各熟料矿物单独与水作用的性质各熟料矿物单独与水作用的性质 C C3 3S S C C2

24、2S S C C3 3A A C C4 4AF AF 凝结硬化速度凝结硬化速度28d28d水化放热量水化放热量强度强度干燥、收缩干燥、收缩 抗腐蚀能力抗腐蚀能力快快多多高高较大较大较差较差 慢慢少少早期低、后期高早期低、后期高小小好好最快最快最多最多低低最大最大最差最差 快快多多低低小小 最好最好熟料熟料单矿物水化程度单矿物水化程度 3 3天天7 7天天2828天天3 3月月6 6月月C C3 3A A 71.871.876.476.479.779.788.388.390.890.8C C3 3S S 33.233.242.342.365.565.592.292.293.193.1C C4 4

25、AF AF 64.364.366.066.068.868.886.586.589.489.4C C2 2S S 6.76.79.69.610.310.327.027.027.427.4C C3 3A A在水泥中的实际水化情况在水泥中的实际水化情况3CaO3CaO AlAl2 2O O3 3 + Ca(OH) + Ca(OH)2 2 + 12 H + 12 H2 2O = 4CaOO = 4CaO AlAl2 2O O3 3 13H13H2 2O O 水化极快，无强度，瞬时凝结。有石膏存在时：水化极快，无强度，瞬时凝结。有石膏存在时：4CaO4CaO AlAl2 2O O3 3 13H13H2

26、2O + 3 (CaSOO + 3 (CaSO4 4 2H2H2 2O) + 14 HO) + 14 H2 2O =O = 3CaO 3CaO AlAl2 2O O3 3 3CaSO3CaSO4 4 32H32H2 2O + Ca(OH)O + Ca(OH)2 2生成高硫型水化硫铝酸钙（生成高硫型水化硫铝酸钙（Aft)Aft)，即钙矾石，为针状晶，即钙矾石，为针状晶体，包围熟料颗粒，形成体，包围熟料颗粒，形成“保护膜保护膜”，延缓水化。当石，延缓水化。当石膏耗尽，而且膏耗尽，而且3CaO3CaO AlAl2 2O O3 3量较多时：量较多时：3CaO3CaO AlAl2 2O O3 3 3Ca

27、SO3CaSO4 4 32H32H2 2O + 2O + 2（3CaO3CaO AlAl2 2O O3 3）+ 4 H+ 4 H2 2O =O = 3 3（3CaO3CaO AlAl2 2O O3 3 CaSOCaSO4 4 12H12H2 2O O） 单硫型水化硫铝酸钙单硫型水化硫铝酸钙(Afm(Afm) )C C3 3A A水化产物水化产物实际参加反应的实际参加反应的CSHCSH2 2/C/C3 3A A摩尔比摩尔比水化产物水化产物3.03.03.0-1.03.0-1.01.01.01.01.00 0AftAftAft + AfmAft + AfmAfmAfmC C3 3A(CS,CH)H

28、A(CS,CH)H1212C C3 3AHAH6 6C C4 4AFAF在水泥中的实际水化情况在水泥中的实际水化情况4CaO4CaO AlAl2 2O O3 3 FeFe2 2O O3 3 + Ca(OH) + Ca(OH)2 2 + 22 H + 22 H2 2O = O = 2 4CaO2 4CaO (Al(Al2 2O O3 3,Fe,Fe2 2O O3 3) ) 13H13H2 2OO有石膏存在时，生成高硫型水化硫铝酸钙有石膏存在时，生成高硫型水化硫铝酸钙(Aft)(Aft)：4CaO4CaO AlAl2 2O O3 3 FeFe2 2O O3 3 + 2 Ca(OH) + 2 Ca(

29、OH)2 2 + 6 (CaSO + 6 (CaSO4 4 2H2H2 2O) + 50 HO) + 50 H2 2O =O = 2 3CaO 2 3CaO (Al(Al2 2O O3 3,Fe,Fe2 2O O3 3) ) 3CaSO3CaSO4 4 32H32H2 2OO当石膏耗尽，而且尚有当石膏耗尽，而且尚有4CaO4CaO (Al(Al2 2O O3 3,Fe,Fe2 2O O3 3) ) 13H13H2 2O O时，生成单时，生成单硫型水化硫铝酸钙硫型水化硫铝酸钙(Afm(Afm) )：24CaO24CaO (Al(Al2 2O O3 3,Fe,Fe2 2O O3 3) ) 13H1

30、3H2 2O + 3CaOO + 3CaO AlAl2 2O O3 3 3CaSO3CaSO4 4 32H32H2 2O =O = 33CaO 33CaO (Al(Al2 2O O3 3,Fe,Fe2 2O O3 3) ) CaSOCaSO4 4 12H12H2 2O + 2 Ca(OH)O + 2 Ca(OH)2 2 + 20 H + 20 H2 2O O 水泥水化产物水泥水化产物C C3 3S S的水化产物：的水化产物：C-S-H + Ca(OH)C-S-H + Ca(OH)2 2 C C2 2S S的水化产物：的水化产物：C-S-H + Ca(OH)C-S-H + Ca(OH)2 2C

31、C3 3A A和和C C4 4AFAF的水化产物：的水化产物：Aft + AfmAft + Afm在充分水化的水泥石中：在充分水化的水泥石中：v C-S-HC-S-H约占约占70%70%；v Ca(OH)Ca(OH)2 2约占约占20%20%；v Aft+AfmAft+Afm约约7%7%。 1.2.2 1.2.2 硅酸盐水泥的凝结硬化硅酸盐水泥的凝结硬化 水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为称为水泥的水泥的“凝结凝结”。随后产生明显的强度并逐。随后产生明显的强度并逐渐

32、发展而成为坚强的人造石渐发展而成为坚强的人造石水泥石，这一过水泥石，这一过程称为程称为水泥的水泥的“硬化硬化”。 图3-35 硅酸盐水泥在一定温度下水化时的放热曲线v水泥水化历程快速反应期、诱导期、加速期、减速期、结水泥水化历程快速反应期、诱导期、加速期、减速期、结束期束期v诱导前期（诱导前期（15min15min）：反应速度极快；）：反应速度极快；v诱导期（诱导期（2 24h)4h)：诱导期结束时水泥初凝：诱导期结束时水泥初凝v加速期（加速期（4 48h8h）：反应速度重新加快，大量水化产物生）：反应速度重新加快，大量水化产物生成，加速期结束时水泥终凝成，加速期结束时水泥终凝v减速期（减速期

33、（121224h24h） ：随大量水化产物的生成，反应速率：随大量水化产物的生成，反应速率降低，网络结构形成，强度逐渐提高。降低，网络结构形成，强度逐渐提高。v稳定期：反应速率很底，受扩散控制。稳定期：反应速率很底，受扩散控制。水泥凝结硬化过程示意图水泥凝结硬化过程示意图 (a) (b) (c) (d) 123 45631水泥颗粒； 2水分；3凝胶； 4晶体；5水泥颗粒的未水化内核；6毛细孔 (a)(a)分散在水中未水化的水分散在水中未水化的水泥颗粒；泥颗粒；(b)(b)在水泥颗粒表面形成水在水泥颗粒表面形成水化物膜层；化物膜层；(c)(c)膜层长大并互相连接膜层长大并互相连接（凝结）；（凝结

34、）；(d)(d)水化物进一步发展，填水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）充毛细孔（硬化）1.2.3 1.2.3 硅酸盐水泥的性能硅酸盐水泥的性能 细度细度 凝结时间；凝结时间； 强度；强度； 安定性；安定性； 化学减缩；化学减缩； 水化热。水化热。 细细 度度当水泥颗粒当水泥颗粒90m90m时几乎没有活性时几乎没有活性 40m40m时活性好时活性好磨的过细磨的过细电耗大，产量低，成本高电耗大，产量低，成本高 收缩大，易开裂收缩大，易开裂 水化速度过大，凝结硬化快水化速度过大，凝结硬化快国标要求硅酸盐水泥细度用比表面积表示国标要求硅酸盐水泥细度用比表面积表示300m300m2 2/kg/kg；其

35、它通用水泥用；其它通用水泥用0.08mm0.08mm筛筛余表示，要求不大于余表示，要求不大于10%10%现有细度的各种表示数值之间存在什么样的关系? 我们暂时把水泥颗粒看作都是圆球我们暂时把水泥颗粒看作都是圆球形的形的, ,再把一颗再把一颗80 80 mm的颗粒分成不同粒的颗粒分成不同粒径的小颗粒径的小颗粒, ,而总体积不变而总体积不变, ,其结果其结果: :v水泥的颗粒直径 80 45 30 20 10 5 3 2v (m)v总体积相同时 1 5.6 19 64 512 4096 18986 64000v 的颗粒数v表面积变化， 1 1.77 2.7 4 8 16 26.7 40颗粒大小与全

36、水化时间的关系颗粒大小与全水化时间的关系v硅酸盐水泥中各种矿物的水化速度是不同的硅酸盐水泥中各种矿物的水化速度是不同的, ,但从但从硅酸盐水泥的平均水化速度来论硅酸盐水泥的平均水化速度来论, ,一个颗粒的全水一个颗粒的全水化与水泥颗粒大小存在直接关系。有研究指出水泥化与水泥颗粒大小存在直接关系。有研究指出水泥水化深度水化深度d d与水化天数与水化天数t t的关系为的关系为: : d=2t d=2t0.250.25 这样不同粒径的水泥颗粒完全水化时间如下这样不同粒径的水泥颗粒完全水化时间如下: : 颗粒粒径 ，m 2 3 5 10 20 30 45 80 全水化时间，天 0.0625 0.316

37、 2.44 39 625 3164 16018 160000 2 m 2 m的颗粒在的颗粒在1.51.5小时就完全水化、小时就完全水化、3 m3 m的的7.57.5小时全部水化小时全部水化; ;而而10 m10 m的要的要3939天天, ,此时此时混凝土已不再专门养护了。混凝土已不再专门养护了。 45 m45 m的颗粒在水化一个月时大约水化了一的颗粒在水化一个月时大约水化了一半。可见从水泥的有效利用来说水泥中的主半。可见从水泥的有效利用来说水泥中的主要颗粒组成应在要颗粒组成应在3-30 (m )3-30 (m )为好。为好。水泥筛水泥筛余反映细度的灵敏性与所用筛孔尺寸有关余反映细度的灵敏性与所

38、用筛孔尺寸有关, ,发发展的趋势是展的趋势是45 m45 m代替代替80 m, 32 m80 m, 32 m代替代替45 m45 m; ;（2）凝结时间）凝结时间 加水拌和加水拌和可塑浆体具有流动性可塑浆体具有流动性初凝初凝稠硬浆体流动性消失稠硬浆体流动性消失终凝终凝硬化浆体强度增长硬化浆体强度增长诱导期凝结硬化初凝时间终凝时间GB175-1999GB175-1999规定，硅酸盐水泥初凝不早规定，硅酸盐水泥初凝不早于于45min45min，终凝时间不晚于，终凝时间不晚于6h30min6h30min。水泥浆体屈服值与凝结时间的关系水泥浆体屈服值与凝结时间的关系 屈服值钙矾石形成（或二水石膏形成）

39、初凝终凝C-S-H形成水化时间初凝时间取决于C3A、C4AF及C3S的水化；终凝时间主要受C3S水化控制。Ca2+、OH-Al(OH)4-SO42-C-S-HAftCSH2凝结时间的测定凝结时间的测定维卡仪维卡仪试针支架试杆圆模 试杆沉至底板试杆沉至底板3-5mm时，时，即为初凝状态；当下沉即为初凝状态；当下沉0.5mm，没有压痕时即为，没有压痕时即为终凝状态。终凝状态。 影响凝结时间的因素：影响凝结时间的因素： C3A含量；含量； 水泥的细度；水泥的细度； 水灰比；水灰比； 混合材掺量。混合材掺量。 水泥标准稠度用水量测定水泥标准稠度用水量测定1055075560试针支架试锥试模 凝结时间需

40、要凝结时间需要在标准稠度用水量在标准稠度用水量下测定。下测定。 试锥下降深度试锥下降深度为为28282mm2mm时的加时的加水量即为标准稠度水量即为标准稠度用水量。用水量。（3）强度）强度GB177-85GB177-85（旧标准）（旧标准） GB/T17671-1999 GB/T17671-1999 灰砂比灰砂比 1:2.5 1:2.5 1:3 1:3 水灰比水灰比 0.44-0.46 0.44-0.46 * * 0.5 0.5 标准砂粒径标准砂粒径/mm /mm 0.25-0.650.25-0.65，其中，其中0.25-0.40%0.25-0.40%占占60%60%，0.40-0.650.4

41、0-0.65占占40%40%0.08-2.00.08-2.0，其中，其中0.08-0.50.08-0.5，0.5-1.00.5-1.0，1.0-2.01.0-2.0各占各占1/3 1/3 试件受压面积试件受压面积/mm /mm 404062.5 62.5 404040 40 水泥胶砂强度检验方法（水泥胶砂强度检验方法（ISOISO法）（法）（GB/T17671-1999GB/T17671-1999） 4040160试体连模一起在湿气中（温度201，相对湿度不低于90%）养护24h，然后脱模在水中（201）养护，测定3d和28d强度。 试件尺寸硅酸盐水泥各龄期的强度要求硅酸盐水泥各龄期的强度要求

42、(GB175-1999)(GB175-1999) 强度等级强度等级 抗压强度（抗压强度（MPaMPa） 抗折强度（抗折强度（MPaMPa） 3d 3d 28d 28d 3d 3d 28d 28d 42.5 42.5 17.0 17.0 42.542.53.53.56.56.542.5R 42.5R 22.022.042.542.54.04.06.56.552.5 52.5 23.023.052.552.54.04.07.07.052.5R 52.5R 27.027.052.552.55.05.07.07.062.5 62.5 28.028.062.562.55.05.08.08.062.5R

43、62.5R 32.032.062.562.55.55.58.08.0三个强度等级、两种类型。R早强型（4 4）安定性）安定性 水泥在调水和凝结以后，必须不产生任何显水泥在调水和凝结以后，必须不产生任何显著的体积变化。体积安定性不良的水泥，有凝结著的体积变化。体积安定性不良的水泥，有凝结硬化过程中产生不均匀的膨胀，从而导致硬化浆硬化过程中产生不均匀的膨胀，从而导致硬化浆体的开裂。体的开裂。 f-CaOf-CaO、f-MgOf-MgO水化引起及水化引起及石膏掺量过多石膏掺量过多时，时，石膏与硬化体中的水化铝酸钙作用生成钙矾石，石膏与硬化体中的水化铝酸钙作用生成钙矾石，体积膨胀体积膨胀1.51.5倍

44、造成破坏。倍造成破坏。 安定性的检验方法安定性的检验方法 f-CaOf-CaO：沸煮法：沸煮法( (饼法饼法) )或雷氏法检验；或雷氏法检验； MgOMgO：216216，20atm20atm3h3h，试体膨胀率不超过，试体膨胀率不超过0.5%0.5%。因其检测烦琐，故规定。因其检测烦琐，故规定f-MgO5.0%f-MgO5.0%。 SOSO3 3：冷饼试验：将试饼置于潮湿环境或浸入水：冷饼试验：将试饼置于潮湿环境或浸入水中经过中经过28d28d或更长时间观察有无明显变形。其检测或更长时间观察有无明显变形。其检测烦琐，规定烦琐，规定SOSO3 33.5%1.3g/l1.3g/l，由于，由于Ca

45、(OH)Ca(OH)2 2的溶的溶解而侵蚀。解而侵蚀。 Ca(OH)Ca(OH)2 2 = Ca= Ca2+2+ + 2 OH + 2 OH- -K Kspsp=Ca=Ca2+2+OHOH- - 2 2v流水造成Ca(OH)2晶体的溶蚀，带来 孔隙率的增大 CSH凝胶需要足够的碱环境，随Ca(OH)2溶蚀，CSH分解自身CaO去补充，久而久之，水泥石孔隙率越来越大，结构破坏。 盐类侵蚀盐类侵蚀 硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀4CaO4CaO AlAl2 2O O3 3 12H12H2 2O + 3 CaSOO + 3 CaSO4 4 + 20 H + 20 H2 2O =O = 3CaO 3CaO Al

46、Al2 2O O3 3 3CaSO3CaSO4 4 31H31H2 2O + Ca(OH)O + Ca(OH)2 2体积膨胀体积膨胀1.51.5倍以上，破坏水泥石。倍以上，破坏水泥石。 镁盐侵蚀镁盐侵蚀MgSOMgSO4 4+ Ca(OH)+ Ca(OH)2 2+ 2H+ 2H2 2O = CaSOO = CaSO4 4 2H2H2 2O + Mg(OH)O + Mg(OH)2 2MgClMgCl2 2 + Ca(OH) + Ca(OH)2 2 = CaCl = CaCl2 2 + Mg(OH) + Mg(OH)2 2水泥杆菌，针状晶体酸类侵蚀酸类侵蚀2 HCl2 HCl + Ca(OH) +

47、 Ca(OH)2 2 = CaCl = CaCl2 2 + 2 H + 2 H2 2O OH H2 2SOSO4 4 + Ca(OH) + Ca(OH)2 2 = CaSO = CaSO4 4 2H2H2 2O O 防止措施防止措施 在水泥结构物表面设置防护层，如沥青防水在水泥结构物表面设置防护层，如沥青防水层，不透水的水泥喷浆层，塑料防水层等；层，不透水的水泥喷浆层，塑料防水层等； 提高水泥结构物的密实度，可减少腐蚀水的提高水泥结构物的密实度，可减少腐蚀水的渗透。渗透。 3.2.5 3.2.5 硅酸盐水泥的应用与存放硅酸盐水泥的应用与存放v 废品和不合格品废品和不合格品 v 应用应用v 存放

48、存放废品和不合格品废品和不合格品v 废品：废品：凡凡MgOMgO、SOSO3 3、初凝时间、安定性中任一、初凝时间、安定性中任一项不符合项不符合GB175-1999GB175-1999标准规定时，均为废品；标准规定时，均为废品；v 不合格品：不合格品：凡细度、终凝时间、不溶物和烧凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任一项不符合失量中的任一项不符合GB175-1999GB175-1999标准规定或混标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产

49、者名称和出厂编号不全的品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。也属于不合格品。 硅酸盐水泥的应用硅酸盐水泥的应用 硅酸盐水泥等级较高硅酸盐水泥等级较高高强度混凝土和预应高强度混凝土和预应力混凝土；力混凝土； 凝结硬化较快，耐冻性好凝结硬化较快，耐冻性好适用于要求凝结适用于要求凝结快，早期强度高，冬季施工及严寒地区遭受反复快，早期强度高，冬季施工及严寒地区遭受反复冻融工程；冻融工程； 水化热大，不宜用于大体积混凝土工程；水化热大，不宜用于大体积混凝土工程； 含较多含较多Ca(OH)Ca(OH)2 2，耐软水侵蚀和耐化学腐蚀性，耐软水侵蚀和耐化学腐蚀性差，不宜用于经常与流动的淡水

50、接触及有水压作差，不宜用于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程；也不适用于受海水、矿物水等作用的用的工程；也不适用于受海水、矿物水等作用的工程；工程； 受热温度不能高。受热温度不能高。 硅酸盐水泥的存放硅酸盐水泥的存放 在一般贮存条件下，经过在一般贮存条件下，经过3 3个月后，水泥强个月后，水泥强度约降低度约降低10-20%10-20%；经；经6 6个月后，约降低个月后，约降低15-30%15-30%；1 1年后，约降低年后，约降低25-40%25-40%。 这是由于水泥吸收空气中的水分和这是由于水泥吸收空气中的水分和COCO2 2使颗使颗粒表面水化甚至碳化，丧失胶凝能力。粒表面水化甚至碳化

51、，丧失胶凝能力。1.3 1.3 掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥1.3.11.3.1 水泥混合材料水泥混合材料（1 1）活性混合材料）活性混合材料 （2 2）非活性混合材料）非活性混合材料 2.3.22.3.2 掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥 3.3.1 3.3.1 水泥混合材料水泥混合材料 在制成水泥时，按国家标准规定，对于某在制成水泥时，按国家标准规定，对于某些品种，还允许掺入一定数量的天然的或人工制些品种，还允许掺入一定数量的天然的或人工制得的材料，其目的是为了得的材料，其目的是为了改善水泥的某些性质，改善水泥的某些性质，提高水泥的质量，降低成本。这种材料叫做混

52、合提高水泥的质量，降低成本。这种材料叫做混合材料。材料。水泥混合材料通常分为活性混合材料和非水泥混合材料通常分为活性混合材料和非活性混合材料。活性混合材料。 （1 1）活性混合材料）活性混合材料 与水调和后，本身不会硬化或硬化极为缓慢；与水调和后，本身不会硬化或硬化极为缓慢； 在在Ca(OH)Ca(OH)2 2或石膏等或石膏等“激发剂激发剂”作用下，可使作用下，可使其潜在活性得以发挥，具有水硬性；其潜在活性得以发挥，具有水硬性； 这种材料为玻璃态物质，其主要成分为活性这种材料为玻璃态物质，其主要成分为活性SiOSiO2 2和活性和活性AlAl2 2O O3 3。常见的活性混合材料有：。常见的活

53、性混合材料有： 粒状高炉矿渣（粒状高炉矿渣（granulated blast-furnace slaggranulated blast-furnace slag）；）； 火山灰（火山灰（pozzolanapozzolana）质混合材料；）质混合材料； 粉煤灰（粉煤灰（fly-ashfly-ash）活性材料激发剂类型活性材料激发剂类型碱性激发剂碱性激发剂硫酸盐激发剂硫酸盐激发剂石灰和硅酸盐水泥熟料石灰和硅酸盐水泥熟料 二水石膏或半水石膏，硫二水石膏或半水石膏，硫酸盐激发剂的激发作用必须在酸盐激发剂的激发作用必须在有碱性激发剂的条件下，才能有碱性激发剂的条件下，才能充分发挥。充分发挥。 活性混合材

54、料硬化机理活性混合材料硬化机理x Ca(OH)x Ca(OH)2 2 + SiO + SiO2 2 + m H + m H2 2O = xCaOO = xCaO SiOSiO2 2 mHmH2 2O O ( (活性活性SiOSiO2 2) ) (C-S-H)(C-S-H) 4 Ca(OH)4 Ca(OH)2 2 + Al + Al2 2O O3 3 + 13 H + 13 H2 2O = 4CaOO = 4CaO AlAl2 2O O3 3 13H13H2 2O O ( (活性活性AlAl2 2O O3 3) ) 4CaO4CaO AlAl2 2O O3 3 13H13H2 2O + 3(Ca

55、SOO + 3(CaSO4 4 2H2H2 2O) + 14 HO) + 14 H2 2O =O = 3CaO 3CaO AlAl2 2O O3 3 3CaSO3CaSO4 4 32H32H2 2O + Ca(OH)O + Ca(OH)2 2（2 2）非活性混合材料）非活性混合材料 与水泥成分不起化学作用（即无化学活性）或与水泥成分不起化学作用（即无化学活性）或化学作用很小；化学作用很小； 为结晶态物质，如磨细的石英砂、石灰石、粘为结晶态物质，如磨细的石英砂、石灰石、粘土、白云石、砂岩、慢冷矿渣及各种废渣等属于土、白云石、砂岩、慢冷矿渣及各种废渣等属于非活性混合材料；非活性混合材料； 非活性混

56、合材料掺入硅酸盐水泥中主要起调节非活性混合材料掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥等级、减少水化热、节约熟料用量的作用。水泥等级、减少水化热、节约熟料用量的作用。 普通硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥（ordinary portland cementordinary portland cement，代，代号号P.OP.O）：）：6-15%6-15%混合材；新标准拟放宽到混合材；新标准拟放宽到20%20% 矿碴硅酸盐水泥矿碴硅酸盐水泥（portland blastfurnace slag portland blastfurnace slag cementcement，代号，代号P.SP.S）：）：20-70%

57、20-70%粒化高炉矿渣；粒化高炉矿渣； 火山灰质硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥（portland pozzolana portland pozzolana cementcement，代号，代号P.PP.P）：）：20-50%20-50%火山灰质混合材；火山灰质混合材； 粉煤灰硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥（portland fly-ash cementportland fly-ash cement，代号代号P.FP.F）：）：20-40%20-40%粉煤灰；粉煤灰； 复合硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥（composite portland cementcomposite portland cement，代号代号P.CP.C）：）：15-50%15-50%混合材。混合材。3.3.2 3.3.2 掺混合材料的硅酸盐水泥掺混合材料的硅酸盐水泥按按DIN EN 197-1水泥的名称与组成水泥的名称与组成 水泥品种水泥品种除波特兰水泥熟料外的主要成分除波特兰水泥熟料外的主要成分品种品种名称名称缩写缩写种类种类质量质量CEM波特兰水泥波特兰水泥CEM0CEM 波特兰矿渣水泥波特兰矿渣水泥CEM /A-S矿渣矿渣620CEM /B-S2135波特兰硅灰水泥波特兰硅灰水泥CEM /A-D硅灰（硅灰（D）610波特兰火山灰水泥波特兰火山灰水泥CEM /A-P天然火山灰（天然火山灰（P）620CEM