建筑材料课件七

第五章水泥

水泥，指加水拌和成塑性浆后，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。土木建筑工程通常采用的水泥主要有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。

第一节硅酸盐水泥

凡由硅酸盐水泥熟料、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。硅酸盐水泥在国际上分为两种类型：不掺混合材的称I型硅酸盐水泥，其代号为P.I；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II型硅酸盐水泥，其代号为Ｐ.II。一.硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。生产水泥的基本工序可以概括为：“两磨一烧”：先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。二.硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为:（ｌ）硅酸三钙硅酸三钙的化学成分为３ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为Ｃ3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的３６％～６０％。硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥３～７天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。（２）硅酸二钙硅酸二钙的化学成分为2ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为C2S，约占水泥熟料总量的15％～37％。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。（３）铝酸三钙铝酸三钙的化学成分是３CaO·Al2O3，其简写为C3Ａ，约占水泥熟料总量的7～15％。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。（４）铁铝酸四钙铁铝酸四钙的化学成分为:４CaO·Al2O3·Fe2O3，约占水泥熟料总量的10％～18％。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。3.硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应，生成各种水化物。

硅酸三钙 水 水化硅酸钙氢氧化钙

硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙铝酸三钙水 水化铝酸三钙铁铝酸四钙水水化铝酸三钙 水化铁酸钙水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体，也称为钙矾石晶体：

水化硫铝酸钙（钙矾石）经过上述水化反应后，水泥浆中不断增加的水化产物主要有：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物。4.硅酸盐水泥的凝结和硬化水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。随着水泥水化的不断进行，水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。5.影响水泥凝结硬化的主要因素（１）矿物组成不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素.（２）水泥浆的水灰比水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。当水泥浆中加水较多时，水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢。另外水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低，因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥石的强度。

（3）石膏掺量石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时，石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。（4）水泥的细度在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水的接触面大，水化速度快，相应地水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。（5）环三境温三度和三湿度在适三当温三度条三件下三，水三泥的三水化三、凝三结和三硬化三速度三较快三。反三应产三物增三长较三快，三凝结三硬化三加速三，水三化热三较多三。相三反，三温度三降低三，则三水化三反应三减慢三，强三度增三长变三缓。三但高三温养三护往三往导三致水三泥后三期强三度增三长缓三慢，三甚至三下降三。水的三存在三是水三泥水三化反三应的三必要三条件三。当三环境三湿度三十分三干燥三时，三水泥三中的三水分三将很三快蒸三发，三以致三水泥三不能三充分三水化三，硬三化也三将停三止；三反之三，水三泥的三水化三将得三以充三分进三行，三强度三正常三增长三。（6）龄三期（三时间三）水泥三的凝三结硬三化是三随时三间延三长而三渐进三的过三程，三只要三温度三、湿三度适三宜，三水泥三强度三的增三长可三持续三若干三年。6.硅酸三盐水三泥的三技术三要求（１三）细三度水泥三颗粒三的粗三细程三度对三水泥三的使三用有三重要三影响三。水三泥颗三粒粒三径一三般在7～20三0μm范围三内。国家三标准GB三17三5-三19三99规定三，水三泥的三细度三可用三比表三面积三或0.三08三m三m方孔三筛的三筛余三量（三未通三过部三分占三试样三总量三的百三分率三）来三表示三。其三筛余三量不三得超三过规三定的三限值三。比表三面积是指三单位三质量三的水三泥粉三末所三具有三的表三面积三的总三和（cm2/g或m2/k三g）。一般三常为31三7～35三0m2/k三g。（２三）标三准稠三度用三水量稠度三是水三泥浆三达到三一定三流动三度时三的需三水量三。国三家标三准规三定检三验水三泥的三凝结三时间三和体三积安三定性三时需三用“三标准三稠度三”的三水泥三净浆三。“三标准三稠度三”是三人为三规定三的稠三度，三其用三水量三采用三水泥三标准三稠度三测定三仪测三定。三硅酸三盐水三泥的三标准三稠度三用水三量一三般在三２１三％～三２８三％之三间。（3）凝三结时三间水泥三从加三水开三始到三失去三其流三动性三，即三从液三体状三态发三展到三较致三密的三固体三状态三的过三程称三为水三泥的三凝结三过程三。这三个过三程所三需要三的时三间称三为凝三结时三间。凝结三时间三分初三凝时三间和三终凝三时间三。初凝三时间为水三泥加三水拌三和至三标准三稠度三的净三浆完三全失三去可三塑性三所需三的时三间。终凝三时间为水三泥加三水拌三和至三标准三稠度三的净三浆完三全失三去可三塑性三并开三始产三生强三度所三需的三时间三。国家三标准三规定三，水三泥的三凝结三时间三是以三标准三稠度三的水三泥净三浆，三在规三定温三度及三湿度三环境三下用三水泥三净浆三凝结三时间三测定三仪测三定。三硅酸三盐水三泥的三初凝三时间三不得三早于45三mi三n，终三凝时三间不三得迟三于6h三3三0m三in。（４三）体三积安三定性水泥三浆体三硬化三后体三积变三化的三均匀三性称三为水三泥的三体积三安定三性。三即水三泥硬三化浆三体能三保持三一定三形状三，不三开裂三，不三变形三，不三溃散三的性三质。三体积三安定三性不三良的三水泥三应作三废品三处理三，不三得应三用于三工程三中，三否则三将导三致严三重后三果。导致三水泥三安定三性不三良的三主要三原因三一般三是由三于熟三料中三的游三离氧三化钙三、游三离氧三化镁三或掺三入石三膏过三多等三原因三造成三的，三其中三游离三氧化三钙是三一种三最为三常见三，影三响也三是最三严重三的因三素。三熟料三中所三含游三离氧三化钙三或氧三化镁三都是三过烧三的，三结构三致密三，水三化很三慢。三加之三被熟三料中三其它三成分三所包三裹，三使得三其在三水泥三已经三硬化三后才三进行三熟化三，生三成六三方板三状的Ca（OH）2晶体三，这三时体三积膨三胀９三７％三以上三，从三而导三致不三均匀三体积三膨胀三，使三水泥三石开三裂。当石三膏掺三量过三多时三，在三水泥三硬化三后，三残余三石膏三与水三化铝三酸钙三继续三反应三生成三钙矾三石，三体积三增大三约1.三5倍，三从而三导致三水泥三石开三裂。国家三标准三规定三．水三泥的三体积三安定三性用三雷氏三法或三试饼三沸煮三法检三验。（5）强三度强度三是评三价硅三酸盐三水泥三质量三的又三一个三重要三指标三。水三泥的三强度三是按三照GB三/T三17三96三1-三19三99三《水泥三胶砂三强度三检验三方法三（IS三O）法》的标三准方三法制三作的三水泥三胶砂三试件三，在20三±1三°C温度三的水三中，三养护三到规三定龄三期时三检测三的强三度值三。其三中标三准试三件尺三寸为4c三m×三4c三m×三16三cm，胶三砂中三水泥三与标三准砂三之比三为1：3（W/三C=三0.三5），三标准三试验三龄期三分别三为三３d和28三d．分三别检三验其三抗压三强度三和抗三折强三度。三按照三测定三结果三，将三硅酸三盐水三泥分三为42三.5、42三.5三R、52三.5、52三.5三R、62三.5、62三.5三R六个强度三等级。(6三)碱含三量水泥三中含三有较三多的三强碱三物Na2O或K2O时，三容三易发三生不三良反三应对三结构三造成三危害三。因三而国三家标三准规三定，三水泥三中的三含碱三量不三得大三于0.三6%。7.水泥三石的三腐蚀7.三1水泥三石腐三蚀的三方式（１三）软三水侵三蚀(含或三含较三少可三溶性三钙、三镁化三合物三的水三叫做三软水三（so三ft三w三at三er）。三软水三不易三与肥三皂产三生浮三渣，三而硬三水相三反。三天然三软水三一般三指江三水、三河水三、湖(淡水三湖)水。三经软三化处三理的三硬水三指钙三盐和三镁盐三含量三降为1.三0～50毫克三／升三后得三到的三软化三水。)水泥三石长三期接三触软三水时三，会三使水三泥石三中的三氢氧三化钙三不断三被溶三出，三当水三泥石三中游三离的三氢氧三化钙三减少三到一三定程三度时三，水三泥石三中的三其它三含钙三矿物三也可三能分三解和三溶出三，从三而导三致水三泥石三结构三的强三度降三低，三甚至三破坏三。当三水泥三石处三于软三水环三境时三，特三别是三处于三流动三的软三水环三境中三时，三水泥三被软三水侵三蚀的三速度三更快三。（２三）一三般酸三的腐三蚀工程三结构三处于三各种三酸性三介质三中时三，酸三性介三质易三与水三泥石三中的三氢氧三化钙三反应三，其三反应三产物三可能三溶于三水中三而流三失，三或发三生体三积膨三胀造三成结三构物三的局三部被三胀裂三，破三坏了三水泥三石的三结构三。其三基本三化学三反应三式为三：（３三）碳三酸的三腐蚀雨水三及地三下水三中常三溶有三较多三的二三氧化三碳，三形成三了碳三酸。三碳酸三水先三与水三泥石三中的三氢氧三化钙三反应三，中三和后三使水三泥石三碳化三，形三成了三碳酸三钙，三碳酸三钙再三与碳三酸反三应生三成可三溶性三的碳三酸氢三钙，三并随三水流三失，三从而三破坏三了水三泥石三的结三构。三其腐三蚀反三应过三程为三：（４三）硫三酸盐三的腐三蚀当环三境中三含有三硫酸三盐的三水渗三入到三水泥三石结三构中三时，三会与三水泥三石中三的氢三氧化三钙反三应生三成石三膏，三石膏三再与三水泥三石中三的水三化铝三酸钙三反应三生成三钙矾三石，三产生1.三5倍的三体积三膨胀三，这三种膨三胀必三然导三致脆三性水三泥石三结构三的开三裂，三甚至三崩溃三。由三于钙三矾石三为微三观针三状晶三体，三人们三常称三其为三水泥三杆菌三。此外三，有三些其三它物三质也三能腐三蚀水三泥石三，如三镁盐三、强三碱、三糖类三、脂三肪等三。7.三2防止三水泥三石腐三蚀的三方法（１三）根三据工三程的三环境三特点三，合三理选三择水三泥品三种，三或适三当掺三加混三合材三料，三减少三可腐三蚀物三质的三浓度三，防三止或三延缓三水泥三的腐三蚀。三如处三于软三水环三境的三工程三，常三选用三掺混三合材三料的三矿渣三水泥三、火三山灰三水泥三或粉三煤灰三水泥三，因三为这三些水三泥的三水泥三石中三氢氧三化钙三含量三低，三对软三水侵三蚀的三抵抗三能力三强。（２三）提三高混三凝土三的密三实度三，采三取措三施减三少水三泥石三结构三的孔三隙率三，特三别是三提高三表面三的密三实度三，阻三塞腐三蚀介三