土木工程材料,第三章水泥的介绍

1、第三章 水泥 3.1硅酸盐水泥 3.2其它品种水泥3.1 硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥的概念及其矿物组成 1、 定义：(GB175-1999)凡由硅酸盐水泥熟料、05石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（波兰特水泥）。不掺混合料的称型硅酸盐水泥，代号为P.。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为型水泥，代号P.。 2、硅酸盐水泥生产： 硅酸盐水泥的原料 主要是石灰质原料和粘土质原料。石灰质原料提供CaO，一般采用石灰石。粘土质原料提供SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3，多采用粘土、黄土等。如果选用的材料按一定比例配合后不

2、能满足化学组成时，则要掺加相应的校正原料，铁质校正原料补充Fe2O3，有铁粉、铁矿石，硅质校正原料补充SiO2,常采用砂岩、石英砂等。为改善煅烧条件，常常加入少量的矿化剂。将以上原料按一定比例混合后在磨机中磨成生料，将生料入窰煅烧即得熟料，熟料中加入适量的石膏（和混合料）在磨机中磨成细粉，即得水泥。3.1 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥生产的主要工艺流程石灰石粘土校正原料燃料石膏生料水泥混合材按比例混合磨细熟料煅烧1400-1450磨细3.1 硅酸盐水泥3、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙矿物组成3CaO.SiO22CaO.SiO23CaO.Al2O34CaO

3、.Al2O3Fe2O3简写式C3SC2SC3AC4AF矿物含量37%60%15%37%7%15%10%18%矿物特性硬化速度快慢最快快早期强度高低低中后期强度高高低低水化热大小最大中耐腐蚀性差好最差中 改变水泥熟料中矿物成份间的比例，可以制得不同性质的水泥品种，如提高硅酸三钙含量，可以制得高强水泥和早强水泥，提高硅酸二钙含量并降低硅酸三钙与铝酸三钙的含量，可制得低热水泥或大坝水泥。3.1 硅酸盐水泥二、硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化1、水化：、硅酸三钙 水泥熟料矿物中，硅酸三钙的含量最高。硅酸三钙与水作用时，反应较快，水化放热量大，生成水化硅酸钙及氢氧化钙。 2（3CaOSiO2）6H2O 3C

4、aO2SiO2 . 3H2O 3Ca（OH)2 硅酸三钙 （ C3S） 水化硅酸钙凝胶(C3S2H3) 氢氧化钙晶体 水化硅酸钙几乎不溶于水，立即以胶体微粒析出，并逐步凝聚称为凝胶。氢氧化钙呈六方晶体，易溶于水。、硅酸二钙 硅酸二钙与水作用时，反应较慢，水化放热较小，生成水化硅酸钙和氢氧化钙。 2（2CaOSiO2）4H2O 3CaO2SiO2 . 3H2O Ca（OH)2 硅酸二钙（ C2S) 水化硅酸钙凝胶(C3S2H3) 氢氧化钙晶体 3.1 硅酸盐水泥、铝酸三钙 铝酸三钙与水作用时，反应极快，水化放热最大，生成水化铝酸三钙，水化铝酸三钙为立方晶体，易溶于水。 3CaOAl2O3 6H2

5、O 3CaOAl2O3 . 6H2O 铝酸三钙 (C3A) 水化铝酸三钙晶体(C3AH6) 、铁铝酸四钙 铁铝酸四钙与水作用时，反应也较快，水化放热中等，生成水化铝酸三钙和水化铁酸钙，水化铁酸钙为凝胶。 4CaOAl2O3Fe2O3 7H2O 铁铝酸钙 (C4AF) 3CaOAl2O3 . 6H2O CaO. Fe2O3 . H2O 水化铝酸三钙 (C3AH6) 水化铁酸钙 (CFH) 在氢氧化钙饱和溶液中，水化铝酸三钙和水化铁酸钙还会与氢氧化钙发生二次反应，分别生成水化铝酸钙和水化铁酸四钙。3.1 硅酸盐水泥、石膏 水泥熟料在不加入石膏的情况下与水拌和后会立即产生凝结，为调节凝结时间，加入的

6、石膏量太少，缓凝作用不明显，加入过多，会引起水泥安定性不良，适宜的加入量为水泥质量的35。 加入的石膏与水化铝酸三钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，水化硫铝酸钙呈针状晶体，难溶于水。 3(CaSO42H2O) 3CaOAl2O3 25H2O 二水石膏 铝酸三钙（ C3S） 3CaOAl2O3 . 3CaSO4 .31H2O 高硫型水化硫铝酸钙(C3AS3H31) 忽略次要的和少量的成份，水泥完全水化后，水化硅酸钙占70，氢氧化钙占20，其余占10。3.1 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥的各种熟料矿物强度增长曲线抗压强度/MPa龄期/d07 289018036027020406080C C3 3S SC C

7、2 2S SC C3 3A AC C4 4AFAF3.1 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥的各种熟料矿物水化热曲线水化热/J.g-1龄期/d07 28901803602702505007501000C C3 3A AC C3 3S SC C2 2S SC C4 4AFAF3 3.1 硅酸盐水泥 2、凝结硬化分散在水中未水化的水泥颗粒在水泥表面形成的水合物膜层 水化开始时，水合物不多，水泥颗粒之间未相互粘连，水泥浆具有良好的塑性。随着水泥颗粒的不断水化，凝胶体膜层厚度不断增厚，水泥颗粒之间形成网状结构，水泥浆体逐渐失去塑性，开始凝结。随着水化反应不断进行，水化产物不断生产并填充颗粒间的空隙，使结构更加紧密

8、，水泥浆体逐渐产生强度。水泥水化反应是由颗粒表面逐步深入到颗粒内部，当水合物增多时，阻止了水分的进一步深入，水化反应愈来愈困难，经过长时间的水化后，仍有部分水泥颗粒未完全水化。膜层长大并相互连接（凝结）水合物进一步发展，填充毛细孔（硬化）3.1 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥的强度发展曲线抗压强度（）龄期/d0714286020601001803 40801201603.1 硅酸盐水泥 三、影响水泥凝结硬化的因素 1、细度 水泥颗粒越细，总表面积越大，与水接触的面积也越大，水化速度快，凝结硬化速度快。反之则慢。 2、石膏掺入量 一般由生产厂家根据水泥中铝酸三钙的含量和石膏中三氧化硫的含量，通过试验调整

9、。 3、养护时间 水泥中所有颗粒全部水化反应所需时间较长，一般在28天内强度发展较快，以后强度增长缓慢。但只要保持一定的温度、湿度环境，水泥强度的增长可以延续几十年。 4、温度、湿度 温度对水泥的凝结硬化有显著影响，提高温度可加速水化反应，使早期强度较快发展，但后期强度可能有所降低。当温度降至负温时，水化反应停止，由于水分冻结，导致水泥石冻裂，结构产生破坏。 水泥的水化反应及凝结硬化均应在水分充足的条件下进行。环境湿度大，水分不易蒸发，如果环境干燥，水分蒸发过快，当水分蒸发完后，水化反应无法进行，凝结硬化停止，还会在构件表面产生干缩裂纹。 3.1 硅酸盐水泥 四、硅酸盐水泥的技术性质（GB17

10、5-1999) 1、细度（水泥颗粒的粗细程度。细度大，凝结硬化速度快，强度增长快。但生产过程消耗的能量高，成本大，且在空气中硬化时收缩大。 ）2、标准稠度用水量（ 水泥净浆达到标准稠度时的用水量。）3、凝结时间（水泥净浆从加水至失去流动性所需的时间。初凝时间：水泥浆开始失去塑性所需的时间，45min；终凝时间：水泥浆完全失去塑性所需的时间，6.5h。） 4、体积安定性 （水泥凝结硬化过程中，体积变化的均匀程度。产生安定性不良的因素是水泥中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁以及石膏掺入量过高。安定性测定方法可以用雷氏法或试饼法。）3.1 硅酸盐水泥 五、强度与标号 硅酸盐水泥的强度取决于水泥熟料的

11、矿物成份和细度。水泥强度测定按水泥胶砂强度检验方法（GB177/T17671 1999)测定，将水泥、标准砂、水，按1：3：0.5，用规定方法制成规格为4040160mm的标准试件，在标准条件下养护，测定其3d、28d，根据3d，28d抗折强度和抗压强度将水泥分为42.5、52.5、62.5三个强度等级。3.1 硅酸盐水泥 六、碱含量 指水泥中Na2O。K2O的含量。1940年，美国首先发现并提出碱集料反应（AlkaliAggregateReaction，简称AAR）。 当水泥中的碱含量超过0.6%后，与混凝土中的活性集料砂石发生反应，生成物体积膨胀，造成混凝土开裂破坏。 碱含量（%）= Na

12、2O（%）+0.658K2O（%）七、水化热 水泥在水化过程中放出的热量。大部分水化热是在水化初期（7d内）放出的，以后逐渐减少。水泥水化热的大小和放热速度取决于水泥熟料的矿物组成和水泥细度。冬季施工时，水化热有利于水泥的凝结硬化。对于大体积混凝土结构，水化热大是不利的，由于混凝土内部的水化热不易散出，造成内外温差较大，引起温度应力，使混凝土产生裂缝。大体积混凝土应采用水化热较低的水泥。八、密度和堆积密度 硅酸盐水泥的密度为3.03.15g/cm3，通常采用3.1g/cm3。堆积密度通常采用1300kg/m3。 3.1 硅酸盐水泥 八、硅酸盐水泥的腐蚀与防止1、水泥石腐蚀的原因 （1）、软水腐

13、蚀（溶出性腐蚀） 水泥石长期在流水环境下（江河水、雨水），氢氧化钙不断地被溶出并由流水带走，水泥石中氢氧化钙的浓度逐步降低，引起其他水化物的进一步分解，水泥石的强度不断降低。经研究，氢氧化钙溶出5时，强度下降7，溶出24时，强度下降29。 （2）、盐类腐蚀 海水、地下水及某些工业废水中，含有镁盐、硫酸盐、氯盐、钾盐、钠盐，对水泥石有不同程度的腐蚀，尤其以硫酸盐、镁盐较为严重，其反应如下： Na2SO4 Ca（OH)2 2H2O CaSO4O 2H2O Na(OH) MgSO4 Ca（OH)2 2H2O CaSO4O 2H2O Mg(OH) MgCl2 Ca（OH)2 H2O CaCl2 Mg(

14、OH)2 2H2O 生成的硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙作用，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积比原体积增加1。5倍以上，产生膨胀破坏，通常称为水泥杆菌。氢氧化钠、氢氧化镁松软而无胶结力，氯化钙易溶于水。3.1 硅酸盐水泥 （3）、碳酸性腐蚀 水中溶解的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用生成碳酸钙： Ca（OH)2 CO2 H2O CaCO3 生成的碳酸钙再与含碳酸的水作用转变成为重碳酸钙，此反应为可逆反应；重碳酸钙溶于水而消失。氢氧化钙浓度降低，导致水泥石中其他水化产物的分解，使腐蚀进一步加剧。 CaCO3 CO2 H2O Ca（HCO3) （4）、一般酸类的腐蚀 地下水及某些工业废水中，含有无机

15、酸和有机酸，它们与氢氧化钙作用后的生产物，或易溶于水，或者体积膨胀，在水泥石中产生内应力而导致破坏。如盐酸、硫酸分别与水泥石中的氢氧化钙作用，其反应如下： 2HCl Ca（OH)2 CaCl4+ H2O H2SO4 Ca（OH)2 CaSO4.2H2O 生成的氯化钙易溶于水，硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙作用，生成高硫型水化硫铝酸钙，产生膨胀破坏。3.1 硅酸盐水泥 水泥腐蚀破坏的三种形态： （1)、溶失破坏 将水泥石中的矿物溶解并被水流带走。 (2)、离子交换 侵蚀性介质与水泥石中的矿物发生离子交换，生成易溶于水或是没有胶结能力的产物，破坏了原有的结构。 (3)、形成膨胀产物 在侵蚀性介质

16、作用下，所形成的盐类结晶体积增大产生内应力，导致膨胀性破坏。 水泥石的破坏的内部原因： （1）、水泥石中存在易被腐蚀的矿物成份，主要是氢氧化钙和水化铝酸钙。 （2）、水泥石本身不密实，存在很多毛细通道，侵蚀性介质容易进入水泥石内部。 2、防止水泥石腐蚀的方法 （1）、合理选择水泥品种； （2）、提高水泥石的密实度； （3）、为水泥结构增加保护层。3.1 硅酸盐水泥九、通用水泥通用水泥是用于一般土木建筑工程的水泥，除了前面介绍的硅酸盐水泥、还包括掺入混合材料后制成的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。1、非活性混合材料 定义：常温下，不能与氢氧

17、化钙或水泥发生水化反应的混合料。 作用：提高水泥产量，降低生产成本，调整水泥标号，减少水化热，改善水泥的耐腐蚀性及和易性。 品种：磨细的石灰石、石英砂、粘土慢冷矿渣及各种废渣。2、活性混合材料 定义：在常温下，能与氢氧化钙或水泥发生水化反应并生成相应的具有水硬性水化产物的材料。材料中含有活性氧化硅或活性氧化铝。 作用：具有非活性混合材的作用外，可以产生一定强度，明显改善水泥的性质。 品种：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材（浮石、火山灰、烧粘土、粉煤灰、煤渣、硅藻土等）。3.1 硅酸盐水泥3、三种水泥的特性 、矿渣水泥：由于硬化后氢氧化钙含量少，矿渣本身是高温耐火材料，矿渣水泥的耐热性好，可以用于2

18、00以下的混凝土工程中。矿渣对水的吸附能力差，所以矿渣水泥的保水性差，易产生泌水而造成连通孔隙，因此矿渣水泥抗渗性差，干燥收缩较大，不宜用于有抗渗要求的混凝土工程。 、火山灰水泥：火山灰混合材含有大量的微细孔隙，故保水性好，水化过程中产生大量水化硅酸钙凝胶，使火山灰水泥的水泥石结构比较致密，其抗渗性能较好。火山灰水泥在硬化过程中的干燥收缩现象比矿渣水泥更为显著，形成的水化硅酸钙凝胶会逐渐干燥，产生干缩裂缝。因此火山灰水泥不宜用于干燥环境中的混凝土工程。 、粉煤灰水泥：早期强度比矿渣水泥和火山灰水泥更低，但后期强度可以明显超过硅酸盐水泥。粉煤灰表面呈致密球形，吸水能力弱，标准稠度用水量小，干缩性

19、小，抗裂性能好，但保水性差，易使混凝土产生失水裂缝。粉煤灰水泥适用于大体积混凝土工程及地下、海港工程，承受荷载较晚的混凝土工程。3.1 硅酸盐水泥 4、复合硅酸盐水泥 1、定义：根据（GB129581999），凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上的混合材、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P.C。水泥中混合材料的总掺入量按质量百分比计为1550。允许用不超过8的窑灰、代替部分混合材料；掺矿渣时，混合材料的掺入量不得与矿渣水泥重复。 复合硅酸盐水泥中掺入了两种以上的混合材，克服了单一混合材的不足，其早期强度接近于普通水泥，其他性能优于矿渣水泥、火山灰水泥和粉

20、煤灰水泥。应用范围较广泛。 3.1 硅酸盐水泥 十、特种水泥 与通用水泥相比较，特性水泥是指某种性能比较突出的一类水泥。特性水泥品种繁多，这里仅对硅酸盐系特性水泥中的快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥作简要介绍。3.2 其它品种水泥 一、铝酸盐水泥 凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料称为铝酸盐水泥，代号CA。根据需要也可在磨制Al2O3含量大于68%的水泥时掺加适量的-Al2O3粉。它是一种快硬、高强、耐腐蚀、耐热的水泥。 但同时铝酸盐水泥硬化后由于晶体转化，长期强度下降幅度大(比早期最高强度下降约40)。因此，不宜用于长期承重的结构。未经试验，铝酸盐水泥不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出Ca(OH)2的材料混合使用，铝酸盐水泥水化过程遇到Ca(OH)2将出现“闪凝”无法施工，而且硬化后强度很低。3.2 其它品种水泥 二、硫铝酸盐水泥 将铝质原料（如矾土）、石灰质原料（如石灰石）