建筑材料4(史长莹)

1、黑龙江大学水利电力学院史长莹第4章 水 泥Cement4.1 概述水泥的特点水泥是一种粉末状材料，加水拌合均匀后形成的浆体不仅能够在干燥的环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或继续提高其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。4.1 概述按性能和用途分水 泥通用水泥专用水泥特性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石灰石硅酸盐水泥如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等4.1 概述按主要水硬性物质分水泥种类主要水硬性

2、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4.2 硅酸盐水泥4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成硅酸盐水泥的原材料生产硅酸盐水泥熟料的原材料 石

3、灰质原料 ：如石灰石等。 粘土质原料：主要为粘土，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。 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）。硅酸盐水泥的生产工艺“两磨一烧”工艺生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种 ；硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料加适量石膏、或者再加不超过5%的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成石灰石粘 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14

4、50煅烧磨细的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥分为：型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。煅烧步骤：1.生料的干燥与脱水；2.碳酸钙分解；3.固相反应；4.烧成阶段；5.熟料的冷却。1.生料的干燥与脱水：干燥阶段（水分的蒸发：100150），生料的脱水（预热带，500800，高岭石、蒙脱石及伊利石脱水，生成无定形的SiO2和Al2O3）2.碳酸钙分解（ 8001000 ）：生成CaO4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成3.固相反应（ 8001000 1300） ：CaO与SiO2、Fe2O3和Al2O3发生固相反应，随着温度的升高固相反应加速，逐步生成

5、2CaOSiO2（C2S）、3CaOAl2O3（C3A）和4CaOAl2O3Fe2O3（C4AF）。同时有部分CaO剩余4.烧成阶段（ 13001450 1300）：C3A与C4AF烧至熔融，将C2S与剩余的CaO反应生成3CaOSiO2（C3S） 煅烧水泥的关键！5.熟料的冷却：煅烧完成后，迅速冷却，得到熟料。4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成熟料的矿物组成水泥熟料矿物硅酸二钙铁铝酸四钙游离氧化钙和氧化镁铝酸三钙硅酸三钙SO32CaOSiO2，C2S4CaOAl2O3Fe2O3，C4AFfCaO和fMgO3CaOAl2O3，C3A3CaOSiO2，C

6、3S4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成水泥熟料矿物的主要特性 熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙含量范围（质量）376715307151018水化反应速度快慢最快快强 度高早期低，后期高低低（含量多时对抗折强度有利）水 化 热较高低最高中4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化凝结硬化的概念凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程；硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在

7、一定温度和湿度下可持续几十年。4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化熟料矿物的水化反应硅酸三钙2（3CaOSiO2）6H2O = 3CaO2SiO23H2O3Ca（OH）2硅酸二钙2（2CaOSiO2）4H2O = 3CaO2SiO23H2OCa（OH）2 铝酸三钙3CaOAl2O3H2O = 3CaOAl2O36H2O3CaOAl2O36H2O3（CaSO42H2O）19H2O = 3CaOAl2O33CaSO431H2O 铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O37H2O = 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化熟料矿物的水化反应过程水化初期

8、熟料矿物与水反应的速度较快，使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，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。 水化中期 以水化硅酸钙（CSH）和氢氧化钙的快速形成为特征。水化后期 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，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。 4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化A凝胶体（CSH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

9、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。 DABC4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质1.密度、堆积密度和各成分含量技术性质质 量 标 准密度，kg/m331003200堆积密度，kg/m313001600不溶物型：不溶物不得超过0.75；型：不溶物不得超过1.50烧失量型：烧失量不得大于3.0；型：烧失量不得大于3.5氧化镁水泥中氧化镁含量不宜超过5.0。如果水泥经压蒸法检验安定性合格，则水泥中氧化

10、镁含量可放宽至6.0三氧化硫3.5碱含量水泥中碱含量按Na2O0.658K2O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或由供需双方商定注：表中百分数均为质量百分数。4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质2.细度细度是指水泥颗粒的粗细程度。水泥颗粒的粗细，直接影响其水化反应速度、活性和强度。国家标准中规定，水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定。硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2/kg。筛析法http:/ 硅酸盐水泥的主要技术性质3.标准稠度用水量水泥净浆达到标准稠度时，所需的拌和水量，称为标准稠度用水量。水泥磨得越细，标准稠度用水量越大。当其他条件

11、相同时，水泥的标准稠度用水量越小越好。4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质4.凝结时间凝结时间 分为初凝时间和终凝时间。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GB1751999规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h。4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质5.体积安定性体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的均匀性。水泥在硬化过程中体积变化不均匀，即为体积安定性不良。http:/ 水泥安定性不良的原因： 熟料中含有过量的游离氧化钙（fCaO），或含有过量的游离氧化镁（fMgO）；

12、 生产水泥时掺入的石膏过量。 国家标准GB1751999规定，硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格。体积安定性不良的水泥严禁用于工程中。 4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质6.强度及强度等级（1）胶砂强度 按照国家标准规定，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40mm40mm160mm的标准试件，在标准条件下养护。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。http:/ 4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质（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.

13、5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R如下表所示共六个等级。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d42.542.5R52.552.5R62.562.5R17.022.023.027.028.032.042.542.552.552.562.54.05.05.07.07.08.08.0注：R型为早强型，主要是3d强度较高。4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质7.水化热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

14、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。 4.2.4 环境水对水泥石的侵蚀水泥石腐蚀的方式（1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）（2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀） 一般酸的腐蚀 碳酸性腐蚀（3）硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀）（4）镁盐腐蚀防止水泥石腐蚀的措施（1）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种。（2）提高混凝土的密实度。（3）在水泥石结构的表面设置保护层。硅酸盐水泥的特性及应用 凝结硬化快，早期及后期强度均高，适用于有早强要求的工程。 抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性

15、要求高的工程。 耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。 水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。 抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。 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。4.3混合材料及掺有混合材料的硅酸盐水泥4.3.1 混合材料 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（水硬性混合材料） 粒化高炉矿渣； 粉煤灰； 火山灰质混合材料非活性混合材料（填

16、充性混合材料）：如磨细石灰石粉、磨细石英砂等。4.3.2 普通硅酸盐水泥（代号PO）定义硅酸盐水泥熟料620的混合材料适量石膏技术性质要求（与硅酸盐水泥相比）相同点 MgO含量、SO3含量、初凝时间、安定性的技术要求相同。不同点 细度：80m方孔筛筛余量不超过10.0%； 终凝时间：不迟于10h； 烧失量：不得大于5.0%；4.3.2 普通硅酸盐水泥（代号PO） 强度等级：普通硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。各龄期的强度不低于下表的规定。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d32.532.5R42.542.5R5

17、2.552.5R11.016.016.021.022.026.032.532.542.542.552.53.54.04.05.06.57.07.04.3.2 普通硅酸盐水泥（代号PO）主要特性（1）早期强度略低，后期强度高。（2）水化热略低。（3）抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强。（4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。（5）耐磨性较好；耐热性能较好。应用普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同。4.3.3 矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥定义技术性质要求（与普通水泥相比）相同点 MgO含量、细度、凝结时间、安定性的技术要求相同。不同点熟料适量石膏20%80%粒化高

18、炉矿渣20%40%粉煤灰20%40%火山灰质混合材料矿渣水泥（PS）粉煤灰水泥（PF）火山灰水泥（PP）磨细磨细磨细4.3.3 矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥 三氧化硫含量：矿渣水泥不超过4.0；火山灰质水泥、粉煤灰水泥不得超过3.5。 强度等级：强度等级划分为32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R共六个等级。各龄期的强度要求见下表。 密度：水泥的密度为28003000kg/m3。强度等级抗压强度，MPa）抗折强度，MPa3d28d3d28d32.510.032.5R15.042.515.042.5R19.

19、042.54.06.552.521.052.54.07.052.5R23.04.3.3 矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥主要特性（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，抗裂性好。 4.3.4 复合硅酸盐水泥和石灰石硅酸盐水泥 复合

20、硅酸盐水泥（PC） 与硅酸盐水泥相比，由于掺入了两种或两种以上的混合材料，复合水泥的水化热较低；早期强度较高，其强度要求与普通水泥的强度要求相同。 石灰石硅酸盐水泥（PL）凡由硅酸盐水泥熟料和石灰石、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为石灰石硅酸盐水泥。石灰石硅酸盐水泥的技术要求应符合相应标准的规定。4.4 其它品种水泥4.4.1 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（CaOAl2O3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（C

21、aO2Al2O3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（127）以及胶凝性极差的铝方柱石（C2AS）、六铝酸一钙（CA6）等矿物。4.4.1 铝酸盐水泥铝酸盐水泥的水化与硬化 当温度低于30时，水化生成水化铝酸钙（CAH10）、水化铝酸二钙（C2AH8）、氢氧化铝凝胶（AH3）。铝酸盐水泥的硬化过程与硅酸盐水泥基本相似。CAH10、C2AH8都属六方晶系，其晶体呈片状或针状，互相交错攀附，重叠结合，可形成坚强的结晶共生体，使水泥获得很高的强度。氢氧化铝凝胶又填充于晶体骨架的空隙，所以能形成比较致密的结构。 当温度高

22、于30时，水化生成立方晶系的水化铝酸三钙（C3AH6）、氢氧化铝凝胶（AH3）。此时形成的水泥石孔隙率很大，强度较低。因而铝酸盐水泥不宜在高于30的条件下养护。OHOAlOHOAlCaOOHOAlCaO23223223238211)( 2水化铝酸二钙 氢氧化铝凝胶4.4.1 铝酸盐水泥铝酸盐水泥的技术要求 细度 比表面积不小于300 m2/kg或0.045mm筛余不大于20%。 凝结时间 按GB201-2000规定的标准稠度胶砂测得的凝结时间应符合如下要求：CA-50、CA-70、CA-80铝酸盐水泥的初凝时间不早于30min，终凝时间应不迟于6；CA-60铝酸盐水泥的初凝时间不早于60min

23、，终凝时间应不迟于18。 强度 铝酸盐水泥按照Al2O3含量分为四类。各类型铝酸盐水泥的不同龄期强度值不得低于GB201-2000的规定。 铝酸盐水泥受到高温作用时，由于产生了固相反应，烧结结合代替了水化结合，因而具有良好的耐高温性能。4.4.1 铝酸盐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。抗渗性、抗冻性好。抗硫酸盐腐蚀性好。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，不适合长期承载结构。4.4.2 道路硅酸盐水泥 定义 以道路硅酸盐水泥熟料，活性混合材料和适量石

24、膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为道路硅酸盐水泥，简称道路水泥。 技术要求 道路水泥中铝酸三钙含量不大于5.0，铁铝酸四钙含量不小于16.0，游离CaO含量不大于1.0 。 特性 道路硅酸盐水泥强度较高，特别是抗折强度高、耐磨性好、干缩率低，抗冲击性、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力比较好。 应用 适用于水泥混凝土路面、机场跑道、车站及公共广场等工程的面层混凝土中应用。4.4.3 中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥中热硅酸盐水泥 由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，称为中热硅酸盐水泥。低热矿渣硅酸盐水泥 由适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入矿渣、适量石膏，磨细制

25、成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热矿渣硅酸盐水泥，简称低热矿渣水泥。4.4.4 白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥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。白水泥和彩色水泥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。4.5 水泥的应用4.5.1 水泥的验收包装标志和数量的验收 包装标志的验收 包装有袋装和散装两种 袋装水泥在包装袋上应清楚地标明产品名称、代号、净含