第三章 水硬性胶凝材料(水泥)

土木工程材料

水泥3.水泥3.2

其它品种水泥3.1常用水泥（通用硅酸盐水泥）

3.1常用水泥（通用硅酸盐水泥）概述常用水泥的生产影响常用水泥性能的因素常用水泥的水化、凝结、硬化常用水泥的品种及特性常用水泥的的选用常用水泥的技术要求

1.按《水泥的命名、定义和术语》（GB/T4131-1997）：水泥是指加水拌合成塑性浆体，能胶结砂石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。2.水泥是各种混凝土的最基本的组成材料，广泛用于建筑、道路、水利和国防工程中，素有“建筑业的粮食”之称。

我国近年水泥产量一览表概述

3.水泥发明于1824年。由于它具有与英国波特兰城建筑岩石相似的颜色，故称之为波特兰水泥（我国称为硅酸盐水泥），首先取得这项专利技术权的是英国的J·Aspdin。4.水泥的品种：按矿物组成分：硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐等系列水泥；按用途及性能可以分为通用水泥、专用水泥及特种水泥；目前，水泥品种已达到100多种。

一、常用水泥的生产1.生产工艺：两磨一烧硅酸盐水泥的生产工艺流程图

（1）原材料的破碎与粉磨

石灰质原料：提供CaO；粘土质原料：提供SiO2、Al2O3和Fe2O3；校正原料：铁质校正原料、硅质校正原料、铝质校正材料。（2）硅酸盐水泥熟料的烧成

硅酸盐水泥熟料主要包括下列四种矿物：硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写为C3S）含量37%～60%；硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写为C2S）含量15%～37%；铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写为C3A）含量7%～15%；铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF）含量10%～18%。

（3）水泥成品的磨制磨制水泥成品的原材料包括：硅酸盐水泥熟料、石膏和混合材料。

二、常用水泥的水化、凝结、硬化1.硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应

水化铁酸钙水化硅酸钙氢氧化钙C-S-H凝胶水化铝酸钙

2.硅酸盐水泥熟料矿物水化、凝结硬化特性低低高高后期低低低高早期强度中最多少多28d水化热快最快慢快水化凝结硬化速度C4AFC3AC2SC3S熟料矿物性能指标

3.硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化表面水化，形成水化物膜层，水泥浆具有可塑性和流动性。膜层长厚，并伴随破裂、扩展至连接，浆体形成絮凝结构。初凝：开始失去流动性，终凝。完全失去可塑性，并开始产生结构强度。硬化：水泥浆体逐渐转变为具有一定强度的水泥石固体。

（1）分散在水中未水化的水泥颗粒（2）在水泥颗粒表面形成水化物膜层（3）膜层长大并相互连接（凝结）（4）水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）水泥凝结硬化过程示意图1——水泥颗粒；2——水分；3——凝胶；4——晶体；5——水泥颗粒未水化内核；6——毛细孔

4.石膏在水泥中的作用。控制C3A的水化凝结硬化速度，调节水泥凝结时间。掺量3％左右。C3A的水化：反应迅速，产生急凝，或闪凝。加入石膏：高硫形水化硫铝酸钙又称钙矾石（俗称水泥杆菌，针状），不溶于水，阻止C3A水化，延缓水泥凝结。石膏耗完C3A与钙矾石反应单硫形水化硫铝酸钙溶于水，水化继续

（1）水泥混合材料

在生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，而加到水泥中去的人工的和天然的矿物材料。5.混合材料在水泥中的作用。

粒化高炉矿渣炼铁高炉的熔融矿渣，经急速冷却而成的松软颗粒；直径一般为0.5～5mm，需磨细使用；成粒在于阻止结晶，形成玻璃体，具有较高的潜在活性；活性成分，一般认为是活性氧化铝和活性氧化硅，在常温下可与氢氧化钙起作用而产生强度。

火山灰质混合材料火山灰质混合材料具有火山灰活性的天然的或人工的矿质物料。主要化学成分：活性SiO2和Al2O3天然的火山灰、凝灰岩、浮石、硅藻土；人工的烧粘土、烧矸石、硅灰粉煤灰火力发电厂煤粉燃烧的烟气中收集的灰渣，又称飞灰。颗粒直径0.001～0.05mm，玻璃态的实心或空心球状。活性来自玻璃体，成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝。

（2）活性混合材料的作用自身与水调和后，不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。在氢氧化钙溶液中，会发生显著的水化。若存在石膏，则石膏与铝酸钙反应生成硫铝酸钙而具有一定的强度。

（3）矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的水化反应分两步进行水泥熟料颗粒水化；矿渣（火山灰或粉煤灰）受熟料水化时析出的Ca(OH)2和外掺石膏的激发，生成新的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙。水泥熟料矿物水化后的产物又与活性氧化物进行反应，生成新的水化物。二次（水化）反应

（4）激发剂Ca(OH)2和石膏起着激发水化（使活性混合材料的潜在活性得以发挥），促进凝结硬化的作用，故称为激发剂。常用的激发剂有碱性激发剂和硫酸盐激发剂两类。

碱性激发剂：石灰，硅酸盐水泥熟料。硫酸盐激发剂：二水石膏、半水石膏和各种化学石膏。硫酸盐激发剂的激发作用必须在有碱性激发剂的条件下，才能充分发挥。

组成成分；细度；外加剂；水灰比；养护条件（温度和湿度）；养护时间（龄期）。三、影响常用水泥性能的因素养护对水泥强度发展的影响

1、矿物组成

熟料矿物28天后的水化速度大小顺序为：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S

水泥的凝结速度既与熟料矿物水化难易有关，又与各矿物的含量有关。

C3A含量↑时，水泥迅速凝结C3A含量较少时，C3S起主导作用，凝结正常C3A减少、增加C2S（水泥速度慢）水泥凝结变慢2、水泥细度水泥粉磨越细，其比表面积就越大，晶体产生扭曲、错位等缺陷越多，水化速度越快，凝结越迅速；反之凝结越慢。90um惰性，60慢，＜40um快，占65-75%，＜10um迅速，占25-30%。水泥过细，产量↓，成本↑。颗粒过粗，不利于水泥活性发挥。硅酸盐水泥国家标准规定：

80μm方孔筛筛余不超过（≤）10%

比表面积不小于（≥）300m2/kg3、外加剂

缓凝剂：延长凝结时间

促凝剂：缩短凝结时间影响水泥的凝结快慢因素是多方面的，最主要是C3A，因此在水泥生产中通常是掺入适量外加剂来控制水泥的凝结时间。石膏是常用的一种缓凝剂。有时，根据需要也掺入其他调凝外加剂。4、水灰比（W/C）水灰比：水和水泥的质量之比（w/c）水灰比越大，水化越快，凝结反而变慢。这是因为加水量过多，颗粒间距增大，水泥浆体结构不易紧密，网络结构难以形成的缘故。水灰比过大时，会使水泥石结构中孔隙太多，降低其强度，故水灰比不宜太大。适宜的用水量应满足两方面的要求：

水泥水化反应

水泥浆体稠度5、养护条件温度升高，水化加快，凝结时间缩短，反之则凝结时间会延长。夏季和冬季施工时，注意采取适当的措施，以保证正常的凝结时间。低于0℃凝结停止。潮湿环境下的水泥石，能保持有足够的水分进行水化和凝结硬化

保温

增湿6、养护时间水泥的水化是由水泥颗粒的表面向内颗粒内部进行，随延长，水泥的水化程度在不断增加，水化产物不断增加并填充毛细孔，很显然毛细减少。一般来说，水化28d前水化较快，28d后水化速率减慢，所以通常用28d强度来评定水泥的强度。四、常用水泥的技术要求

1.细度水泥颗粒不能太粗，也不宜太细。测定水泥的细度可以用筛析法和比表面积法。筛析法：用80μm方孔筛的筛余百分数表示。比表面积法:测单位质量粉末的总表面积，以m2/kg表示。2.凝结时间初凝：标准稠度净浆开始失去可塑性；终凝：标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度；初凝时间不能过短，终凝时间不能过长；测定水泥凝结时间采用标准稠度的水泥净浆。

3.体积安定性检验体积安定性不良原因游离氧化镁（f-MgO）石膏游离氧化钙（f-CaO）过烧态过烧态与水化铝酸钙反应生成钙矾石检验沸煮法（饼法/雷氏法）检验控制f-MgO含量控制SO3含量氧化镁、三氧化硫及安定性不良的水泥应作废品处理。

4.强度及强度等级

按抗压强度和抗折强度分为六个强度等级。硅酸盐水泥各龄期的强度要求水泥：标准砂：水＝1：3：0.5注意与旧标准的标号对比！5.碱含量:按Na2O+0.658K2O计算。6水化热

常用水泥的技术要求

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五、掺混合材水泥的品种及特性

普通硅酸盐水泥（代号P·O）P·O水泥的组分硅酸盐水泥熟料＋>5%且≤20%的混合材料＋适量石膏P·O水泥的技术性质（与硅酸盐水泥相近）相同点MgO含量、SO3含量、初凝时间、安定性、细度的技术要求相同。不同点终凝时间：不迟于10h；烧失量：不得大于5.0%；强度等级：普通硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。各龄期的强度不低于下表的规定。P·O水泥的主要特性

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。P·O水泥的应用

P·O水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同。矿渣硅酸盐水泥（P·S·A/P·S·B）

代号P.S—Portlandblast-furnaceslag水泥熟料＋(20~70)%矿渣＋石膏强度等级：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表3-9火山灰质硅酸盐水泥代号P.P—Portlandpozzolanacement熟料＋(20~50)%火山灰质混合材料＋石膏强度等级：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个粉煤灰硅酸盐水泥代号P.F-Portlandfly-ashcement熟料＋(20~40)%粉煤灰＋石膏强度等级：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个主要特性（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。复合硅酸盐水泥(P.C)硅酸盐水泥熟料+两种或两种以上规定的混合材料+石膏，水泥中混合材料掺量按质量百分比计应大于15%，但不超过50%。强度等级：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个与硅酸盐水泥相比，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，其强度要求与掺混合材的水泥的强度要求相同。掺混合材水泥的技术特点适宜湿热养护蒸养的混凝土构件温度低时影响强度发展不宜冬季低温、抗冻施工，注意保温速度慢放热小消耗CH温度影响大凝结硬化慢，强度早期低，后期高加强养护时间，不宜抢修、早强工程水化放热速度慢，放热量低；适宜大体积混凝土耐腐蚀性一般较好（抗软水）适于水下、耐腐蚀工程抗碳化能力差特别是P.F，适当增加保护层厚度六种常用水泥的对比

水泥石的腐蚀与防止水泥石腐蚀的方式软水侵蚀（溶出性侵蚀）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀）一般酸的腐蚀碳酸水的腐蚀硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀）强碱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）提高水泥石的密实度。3）在水泥石结构的表面设置保护层。内因：孔隙、水泥石中存在易蚀成分（CH、C3AH6）外因：腐蚀性介质六、常用水泥的选用

3.水泥3.2

其它品种水泥3.1常用水泥

具有快硬早强性能的水泥膨胀水泥白色和彩色硅酸盐水泥3.2其它品种水泥一、具有快硬早强性能的水泥1、快硬硅酸盐水泥简称快硬水泥。是由硅酸盐水泥熟料、加入适量石膏经磨细制成的以三天抗压强度表示强度等级的水泥。32.5、37.5、42.5三个等级。特点：凝结硬化快、早期强度增长较快。适用：要求早期强度高的工程、紧急抢修工程、冬季施工的工程以及制作预应力钢筋砼或高强砼预制构件缺点：由于水化热较高，不能由于大体积砼工程。

一、具有快硬早强性能的水泥2、铝酸盐水泥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，代号CA特点：早期强度增长很快，后期强度增长不显著。适用：要求早期强度高的特殊工程、也可用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程，可制成耐热混凝土。缺点：水化热大，耐碱性差，长期强度会降低，不宜用于大体积砼工程及长期承重的结构和接触碱性溶液的工程。

3、快硬硫铝酸盐水泥也称超强水泥，以低品位矾土、石灰石和石膏为原料，配制成适当成分的生料，煅烧成以无水硫铝酸钙和β型硅酸二钙为主要矿物的熟料，适量石膏磨细制成的早期强度高的水硬性胶凝材料。初凝不早于25min，终凝不迟于3h特点：快凝、早强、不收缩，良好的抗冻性、抗渗性。适用：可用于配制早强、抗渗和抗硫酸盐侵蚀的砼，如：负温施工、浆锚、喷锚支护、抢修、堵漏、水泥制品及一般建筑工程。缺点：碱度低、耐热性差。

一、具有快硬早强性能的水泥加水硬化后，体积膨胀而不是收缩。

二、膨胀水泥硅酸盐膨胀水泥。硅酸盐水泥为主，外加高铝水泥和石膏配制而成。

铝酸盐膨胀水泥。高铝水泥水泥为主，外加石膏配制而成。

硫铝酸盐膨胀水泥。无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分，外加石膏配制而成。

铁铝酸钙膨胀水泥。铁相、无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分，外加石膏配制而成。

膨胀原理：生成钙矾石。调整组分比例，可得不同的膨胀值。若膨胀受限，则产生自应力。自应力≥2MPa，称为自应力水泥；自应力＜2MPa，称为膨胀水泥；应用：补偿收缩混凝土、自应力混凝土。产品标准：《膨胀硫铝酸盐水泥》（ZBQ11007-87）、自应力硫铝酸盐水泥》（JC715-1996）：

三、白色和彩色硅酸盐水泥1.白色硅酸盐水泥（白水泥）硅酸盐水泥熟料中氧化铁等含量少。产品标准：《白色硅酸盐水泥》（GB/T2015-2005）。技术要求：三氧化硫、细度、凝结时间、安定性、水泥白度（≥87）、强度（32.5、42.5、52.5）。2.彩色硅酸盐水泥生料＋着色物质、熟料＋着色物质、白水泥＋着色物质。

产品标准：《彩色硅酸盐水泥》（JC/T870-2000）。技术要求：三氧化硫、细度、凝结时间、安定性、强度、色差。3.应用：用于各种装饰装修。