建筑材料-第三章水泥

建筑材料学2第三章水泥主要内容概述硅酸盐水泥通用硅酸盐水泥其他系列水泥——铝酸盐水泥特性和

水泥——其他水泥Science

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Materials11/18Science

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Materials3第三章水泥基本要求掌握硅酸盐水泥的矿物组成与特性掌握硅酸盐水泥的技术性质、侵蚀与防止掌握通用水泥的性能特点及选用了解生产工艺、水化凝结硬化机理了解其它品种水泥2020/11/18Science

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Materials4☛

水泥的定义水泥（cement）是加水拌和成塑性浆体，能胶结砂石等适当材料并能在空气和水中（在水中更适合）硬化的粉状水硬性胶凝材料。概述2020/11/18Science

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Building，开1824年发明了波特兰水泥1889年于唐山建立了中国第一座水泥厂；1906年在唐山成立启新洋灰创了中国的水泥工业。☛

水泥的发展历史海螺水泥

（

）盾石水泥（唐山）祁连山水泥

（

）鼎鹿水泥（长春）秦岭水泥（陕西）华新水泥（>太行山水泥（河北）大同水泥（山西）沂州水泥（山东）红狮水泥（浙江）大连小野田水泥种类主要水硬性物质主要品种硅酸盐系水泥X硅酸钙C

S水泥绝大多数通用水泥、和特性水泥铝酸盐系水泥X铝酸钙C

A高铝水泥、自应力铝酸盐水泥、快硬高强铝酸盐水泥等。硫铝酸盐系水泥无水硫铝酸钙硅酸二钙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系水泥铁相、无水硫铝酸钙、硅酸二钙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系水泥氟铝酸钙、硅酸二钙氟铝酸盐水泥等通用水泥——六大水泥品种代号硅酸盐水泥P·IP·Ⅱ普通硅酸盐水泥P·O矿渣硅酸盐水泥P·S·AP·S·B火山灰质硅酸盐水泥P·P粉煤灰硅酸盐水泥P·F复合硅酸盐水泥P·C

凡由适当成分的生料烧至部分熔融获得的以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料、0%～5%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。两种类型P·ⅠP·Ⅱ不掺混合材硅酸盐水泥熟料粉磨时，加不超过水泥重5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料Science

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Materials2020/11/189第一节

硅酸盐水泥硅酸盐水泥定义之内涵p65Science

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Materials2020/11/1810一、硅酸盐水泥的生产和组成原材料石灰质材料（石灰、白垩）：CaO粘土质材料（粘土、黄土）：SiO2、Al2O3、Fe2O3

为原煅为料改烧改所善善化水学得煅成泥的烧分性熟条件料不能加，、满调足入加要入石少求强膏，度量作加矿为入级化缓少，剂凝量加剂，入。校如矿正莹石原物、料混（重如晶合硅石材尾藻。矿土、。黄铁矿渣）调整。Science

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Materials2020/11/1811生产工艺——“两磨一烧”Science

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Materials2020/11/1812生产工艺——“两磨一烧”干燥预热分解烧成冷却熟料生料2020/11/18132020/11/18Science

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Materials15硅酸盐水泥的组成硅酸盐水泥熟料石膏缓凝剂混合材料

适当成分的生料烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的产物，称为硅酸盐水泥熟料。1.熟料原料化学成分含量(%)矿物成分矿物化学式简式含量(%)CaO(C)62～67硅酸三钙3CaO_SiO2C3S37～60SiO2(S)19～24硅酸二钙2CaO_SiO2C2S15～37总含量70％以上，故称为硅酸盐水泥除四种主要矿物以外，还含有少量——游离氧化钙（f-CaO）游离氧化镁（f-MgO）碱（NaO和K2O）1.熟料安定性不良影响熟料煅烧（使f-Cao含量增加，从而导致水泥凝结时间缩短，安定性不良，强度下降）碱－骨料反应Science

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Materials2020/11/1817Science

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Materials2020/11/18182.石膏用于水泥调凝剂的可以是二水石膏（CaSO4·2H2O）或无水石膏（硬石膏CaSO4）或两者混合石膏。天然石膏，应是符合GB/T5483《石膏和硬石膏》中规定的二级（含）以上的石膏或混合石膏。工业副产品石膏，要求是以硫酸钙为主要成分的工业副产物；使用前应经过试验证明对水泥性能无害。

除P·I型水泥，其它硅酸盐系水泥品种均加入一定量混合材料。活性混合材料混合材料按其性能分为:非活性混合材料3.混合材料Science

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Materials2020/11/1819活性混合材料火山灰性潜在水硬性一种矿物质材料兼有火山灰性和潜在水硬性特点：不与水直接反应，但在激发剂存在情况下，能发生水化反应。主要活性成分：氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3有石灰，与石灰反应有激发剂(石膏、石灰、熟料、碱类)，自身水化Science

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Materials2020/11/18202020/11/1821粒化高炉矿渣（slag）：具有潜在水硬性高炉冶炼生铁时得到的以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后即为矿渣。

常用活性混合材料火山灰质混合材料（pozzolan）：具有火山灰性天然：火山灰、凝灰岩、浮石、硅藻土、蛋白石人工：粉煤灰、硅灰、烧页岩、烧粘土、煤矸石、

常用活性混合材料Science

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Materials2020/11/1822Science

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Materials2020/11/1823非活性混合材料在水泥中起填充作用而又不损害水泥性能的混合材料，又称惰性混合材料或填充性混合材料。磨细的石英砂、石灰石、粘土。不符合质量标准的活性混合材料可加以磨细作为非活性混合材料应用。二、硅酸盐水泥的水化和凝结硬化水化：水泥熟料矿物与水的作用凝结：水泥加水拌和发生水化反应逐渐失去可塑性但尚不具备强度过程较短暂，一般几个小时即可完成硬化：水泥水化到一定程度开始产生强度，并变为坚硬的水泥石长期过程，一定温、湿度下可持续几十年Science

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Materials2020/11/1824（一）水化（化学过程）x

CaO·y

SiO2·z

H2OCa(OH)2水化硅酸钙（C-S-H凝胶）氢氧化钙(CH）1.

C3S、C2S的水化C3S、C2S、C3A、

C4AF2+

H

OC3S2C

S单体矿物的水化Science

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Materials2020/11/18252020/11/18Science

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Materials27在水化初期，Ca(OH)2常呈薄的六方板状，随后长大变厚成叠片状。Hydration

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pure

C3Stime

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hydration:

10

mintime

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hydration:

40

mintime

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hydration:

2

htime

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hydration:

60

dC3S：水化速度很

快，水化热C2S：水化速度较

慢，水化热大，强度高小，强度早低后高

C3S和C2S水化过程的区别Science

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Materials2020/11/1829C2S

的CH生成量比C3S的少，结晶却粗大些。（一）水化（化学过程）2.

C3A的水化C3A与水反应迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大。常温下，C3A在纯水中的水化反应：2C3A+27H=C4AH19+C2AH8Science

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Materials2020/11/1830相对湿度低于85％C4AH13片状晶体，常温下处于介稳状态，有向C3AH6等轴晶体转化的趋势C4AH13+C2AH8=2C3AH6+9H水化铝酸钙晶型的转变，造成孔隙率增加，同时C3AH6本身强度较低，C3A水化后强度很低。2C3A+27H=C4AH19+C2AH82020/11/18Science

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Materials32C3A在Ca(OH)2饱和溶液中的水化反应：室温下稳定存在，数量增长很快C3A+CH+12H→C4AH13水泥浆体

碱性介质水泥浆体产生瞬时凝结的主要原因之一水泥粉磨时，需加入适量石膏以调整其凝结时间2020/11/18Science

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Materials33水化硫铝酸钙难溶于水，沉淀在熟料颗粒的周围，阻碍了水分的进入——起到了延缓水泥凝结的作用2020/11/18Science

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Materials343.C4AF的水化

与C3A相似，水化速率较C3A略慢，水化热、水化产物强度较低，即使单独水化也不会引起快凝。

C4AF在CH饱和溶液中水化——4C4AF

+

4CH

+

22H2O

→2[C4(AF)H13]（一）水化（化学过程）水化铝酸钙和水化铁酸钙的固溶体C-F-H水泥熟料单矿物的水化特性矿物组成C3SC2SC3AC4AF水化反应速率快慢最快中提高C3A和C3S的含量——快硬水泥提高C2S含量、降低C3A和C3S含量——低热水泥提高C2S

和C4AF、降低C3A含量——抗硫酸盐水泥2020/11/18Science

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Materials36熟料0～5%混合材石膏组成矿物组成水化产物C3AC3SC4AFC2SC-S-H（70%）CH（20%）C-F-HAFt(AFm)（7%）凝胶晶体（一）水化（化学过程）2020/11/18Science

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Materials38阶段1——初始反应期阶段2——潜伏期阶段3——凝结期阶段4——硬化期（二）凝结硬化（物理过程）4.硬化期：水泥水化继续进行，水化铁铝酸钙、水化铝酸钙固溶体C4(AF)H13(C-F-H)开始形成，硫酸根离子的耗尽使部分AFt转化为AFm。水泥凝结硬化过程示意可塑性浆体水泥颗粒表面矿物与水反应生成水化物，析出形成水化物膜层膜层增厚，水分不断减少，水泥颗粒接近水化产物填充空隙并将水泥颗粒连接在一起形成凝聚结构，开始失去可塑性，达到初凝。的水化产物生成，凝聚结构更加密实，完全失去可塑性，达到终凝。凝聚和晶体长大、共生、交错，产生强度水泥凝结硬化过程示意水泥石的结构多相多孔体系（三）水泥凝结硬化的影响因素熟料矿物组成水泥细度水泥颗粒细，与水水起反泥应浆的的水灰比凝结硬化速度加快表面积大，水化迅速而充分早期强度高凝结硬化较慢空隙多，降低强度水灰比(W/C)水泥初期水化反应充分但颗粒间距离远，相互连接形成凝聚结构所需的时间长↑Science

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Materials2020/11/1843混合材料保持水泥

度的措施，称水泥的养护较随断泥活性混合材料

的SiO2、Al2O3，当掺入硅酸盐水泥，并加水调和时，在Ca(OH)2、石膏等激发剂存在的条件下发生水化反应。特点：水化速度较慢

（二次水化）；水化产物中CH、水化铝酸钙少；C-S-H、Ft或AFm多；温度敏感性大，高温下反应很快。碱性激发剂硫酸盐激发剂Science

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Materials2020/11/1844Science

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Materials2020/11/1845主要内容一、硅酸盐水泥的生产和组成二、硅酸盐水泥的水化和凝结硬化三、硅酸盐水泥的技术性质和标准要求四、硅酸盐水泥的使用五、硅酸盐水泥的特性与应用（并第二节）矿物组成C3SC2SC3AC4AF水化反应速率水化放热量强度早期后期收缩性抗硫酸盐侵蚀性水泥熟料单矿物的水化特性密度细度需水性凝结时间安定性强度等级水化热化学组成强制性条款选择性条款基础性质GB175-2007

通用硅酸盐水泥国家标准三、硅酸盐水泥技术性质PⅠ、PⅡ：3.0～3.2

g/cm3PO：3.1

g/cm31.密度

检验方法：排油法

密度除与组成有关外，还与存放时间、环境以及熟

料煅烧状况有关。

密度主要用于计算混凝土和砂浆的配合比。绝对密度堆积密度松散堆积密度900～1200kg/m3紧密时可达1600kg/m3

堆积密度除与组成、细度有关外，主要取决于堆积的紧密程度。

堆积密度主要用于计算水泥的贮运量。1.密度标准筛的筛余比表面积粒度分布2.

细度——水泥颗粒的粗细程度定义表示80μm或45μm单位质量总表面积不同粒径颗粒占颗粒总量的百分数细度的检验方法比表面积测定仪原理——测量一定量空气通过具有一定空隙率和固定厚度的水泥层时，流速变化比表面积测定仪筛余百分数F负压筛析仪WF

Rt

100细度的检验方法GB175-2007——硅酸盐水泥：比表面积表示≥300

m2／kg水泥获得一定稠度所需水量多少的性质标准稠度标准稠度用水量通用水泥24%～30%3.

需水性定义水泥净浆以标准方法测试所达到的规定的浆体可塑性程度标准稠度用水量的检验方法GB／T1346-2011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法标准法维卡仪代用法调整水量法不变/固定水量法6mm±1mm标准法标准稠度用水量的检验方法不变水量法：P=33.4-0.185

S代用法调整水量法：试锥下沉深度30mm±1mmS≤13mm，不能采用此法，改用调整水量法测定标准稠度用水量的检验方法熟料的矿物组成混合材的品种、数量水泥细度影响水泥需水性的因素加水拌和t0

开始失去可塑性t1完全失去可塑性t2初凝终凝4.

凝结时间定义——水泥从加水开始到失去流动性，即从可塑状态发展到固体状态所需要的时间。初凝不宜过早——施工操作终凝不宜过迟——后续施工GB175-2007——硅酸盐水泥：初凝不得早于45min终凝不得迟于390min（6.5h）对水泥凝结时间的要求水泥凝结时间测定仪水泥凝结时间的测定矿物组成石膏掺量：延缓C3A水化细度：影响水化速度水灰比：水灰比过大，水化速度加快，但水泥颗粒间距离加大，凝结时间反而延长。混合材环境条件：温度、湿度影响凝结时间的因素5.

安定性——水泥浆体在硬化后体积变化的稳定性

安定性不良——水泥硬化后体积变化不稳定产生不均匀的体积变化

危害——砼产生膨胀性裂纹降低工程质量定义这三种物质造成的膨胀均会导致水泥安定性不良导致水泥安定性不良的因素水泥中含有高温生成的f-CaO、f-MgO的量过多表面

着玻璃釉状物质水泥粉磨时所掺石膏超量与固态水化铝酸钙反应生成AFt沸煮法：沸煮能加速f-CaO水化GB175-2007——硅酸盐水泥用沸煮法检验安定性雷氏夹法（标准法）试饼法（代用法）安定性的检验与控制压蒸法：f-MgO

的水化比f-CaO更缓慢，沸煮法已不能检验，可采用压蒸法。SO3含量：由石膏造成的安定性不良，需经长期浸在常温水中才能发现，不便于检验。安定性的检验与控制GB175-2007——硅酸盐水泥：

MgO含量不得超过

5.0%；若经水泥压蒸法检验合格，则MgO含量可放宽到

6.0%

SO3含量不得超过

3.5%安定性的检验与控制以规定龄期的抗压和抗折强度来划分水泥的强度等级——按3d强度分为：早强型普通型硅酸盐水泥强度等级:6.

强度等级42.5R42.5

52.552.5R62.562.5R强度逐渐增长强度等级抗压强度/MP抗折强度/MPa3d28d3d28d42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥5.5各强度等级，各龄期的强度不得低于标准规定的数值,一项指标低于表中的数值，则为不合格品。强度的检验方法GB/T17671-1999《水泥∶胶I砂SO强标度准检砂验∶方水法》规定以标标准准胶胶砂砂试试件件强强度度来表示水泥的强度。1

∶

3

∶

0.5行星搅拌机振实台上成型强度的检验方法带模湿汽养护24h后，脱模20±1℃水中标养3d、28d先折后压熟料组成混合材种类和数量细度水灰比龄期养护制度试验条件影响水泥强度的因素7.

水化热硅酸盐水泥：1～3d50%7d6个月75%83%

~91%定义——水泥和水之间化学反应放出的热量，kJ/kg大部分水化热是伴随着强度的增长在水化初期出的。

有利——冬季施工（利于水泥的正常凝结硬化，防止冻害）

有害——大体积混凝土工程（温度裂缝）水化热的工程意义大体积混凝土的降温管水泥熟料的矿物组成混合材的品种和数量水泥的细度和养护条件研究者C3SC2SC3AC4AF费尔贝克5022511338418勒奇与鲍格502259865418维克巴尔4892211371464C3A>C3S>C4AF>C2S影响水化热大小和速率的主要因素烧失量SO3MgOCl-水泥安定性8.

化学指标选择性指标GB/T176-2008

《水泥化盐酸处理-氢氧化钠处理-盐酸中和、过滤后的残渣经高温灼烧所剩的物质—水泥经高温灼烧质量损失的百分数（水分、有机杂质排出；碳酸盐分解出CO2；硫酸盐分解出SO2）——限制石膏和混合材中杂质含量。Na2O+0.658K2O砼耐久性水泥代号不溶物烧失量碱含量Cl-SO3MgOP·I≤0.75≤3.01≤0.60≤0.06≤3.52≤5.0P·II≤1.50≤3.5使用活性骨料、客户要求提供低碱度水泥时，要求本指标；若水泥经压蒸试验合格，则此指标可放宽至6.0%。质量分数%硅酸盐水泥的化学技术指标判定规则强度、凝结时间、安定性、化学指标均符合GB175-2007技术要求的为合格品。凡强度、凝结时间、安定性、化学指标中的任一项不符合GB175-2007技术要求的属于不合格品。现象某大体积混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产PⅡ42.5水泥，熟料矿物组成如下：C3S

61％C3A

14％C2S

14％C4AF

11％工程实例C3S（

61％）、C3A（14％）含量高，水泥水化热高——大体积混凝土产生温度裂缝矿物成分简式含量%)硅酸三钙C3S37～60硅酸二钙C2S15～37铝酸三钙C3A7～15铁铝酸四钙C4AF10～18对策大体积的混凝土工程宜选用C3A和C3S含量较低的水泥。适当控制水泥用量及水灰比四、硅酸盐水泥的使用侵蚀与防止质量评定风化与贮运（一）水泥石的侵蚀与防止、内因——硬化水泥石组成与结构本身具有孔结构具有可溶性水化产物外因侵蚀介质环境条件：介质浓度

溶出性侵蚀

离子交换

形成膨胀性产物水泥化学侵蚀的类型

溶出性侵蚀软水（尤其是承压水或流动水），直接与硬化水泥石作用，将固相组分逐渐溶解带走。条件：软水（流动、有压力）——硬水本身含CH，尤其在静水及无水压的情况下，由于周围的水易为溶出的CH所饱和，使溶解作用中止，溶出仅限于表层，影响不大。原因：CH存在溶出性侵蚀溶酸侵蚀——酸性碳酸、盐酸、硝酸等生成可溶性钙盐（CaCl2、Ca(HCO3)2），随水带走草酸、酒石酸、氢氟酸、磷酸等生成不溶性但无胶结能力的钙盐（草酸钙CaC2SO4(主要成分)、CaF2、Ca3(PO4)2），被流水冲刷、渗漏滤出或车辆磨损带走

离子交换水泥石组分与侵蚀介质发生离子