土木工程材料 第四章 水泥

土木工程材料——第四章水泥1、概述

2、硅酸盐水泥

3、混合材及掺混合材水泥

4、其它品种水泥

5、水泥的应用

23

4000～10000年前天然材料公元前2000～3000年石膏－石灰时期金字塔万里长城公元前后石灰－火山灰时期古罗马“庞贝”古城古罗马斗兽场

19世纪初期波特兰水泥（1824年）泰晤士河隧道4.1概述41756年（英国）：石灰石+少量粘土1810年：石灰石+（20%~30%）粘土1822年：高温熔化成块1824年：水泥发明年1889年：中国第一个水泥厂在唐山创建水硬性水硬性提高水硬性最强波特兰（Portland）水泥硅酸盐水泥5按矿物组成：

硅酸盐水泥

铝酸盐水泥

硫铝酸盐水泥

铁铝酸盐水泥按用途：

通用水泥：专用水泥：特种水泥：普通硅酸盐水泥油井水泥膨胀水泥矿渣硅酸盐水泥大坝水泥快硬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水泥的分类《通用硅酸盐水泥标准》GB175-2007水泥在国民经济中的地位、作用及可持续发展的问题

1、水泥工业及水泥产品是建材工业的支柱产业及支柱产品；

2、未来相当长时期内，水泥仍将是人类社会的主要建筑材料，已渗透到各个角落，水泥需求保持增长态势，已成为人类社会文明的重要材料；

3、我国经济的发展，特别是基础设施建设带动了水泥工业兴旺发达；

4、水泥生产消耗大量能源、资源，排放大量粉尘和废气。国家节能减排行业整治的重点。67

定义：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。

P.Ⅰ硅酸盐水泥不掺混合材料

P.Ⅱ硅酸盐水泥掺混合材料4.2硅酸盐水泥（PortlandCement）（1）硅酸盐水泥的生产

原材料石灰质原料：石灰石CaO粘土质原料：粘土、页岩Al2O3、SiO2辅助原料：Fe2O3、SiO28水泥的生产(Manufacture)生产方法：生料熟料硅酸盐水泥1450℃石膏磨细关键一环：通过煅烧形成所要求的熟料矿物“两磨一烧”煅烧石灰石粘土铁矿粉磨细调整凝结时间水泥回转窑9Gastemp(oC)450800120013501550feedtemp(oC)50600100013501450FreewaterClaydecomp.Limestonedecomp.ChemicalcombinationbeginsFluxformationFormationofC3SMeltformationexhaustRawfeedinClinkeroutHeatsource水泥回转窑烧成过程示意图1011煅烧水泥熟料窑型分类回转窑立窑干法窑湿法窑立波尔窑逐步被淘汰！12硅酸三钙

3CaO·SiO2C3S37%~60%硅酸二钙

2CaO·SiO2C2S15%~37%铝酸三钙

3CaO·Al2O3C3A7%~15%铁铝酸四钙

4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10%~18%（2）主要矿物成分及性质13矿物名称特性强度水化热水化速度耐腐蚀能力C3S最高大快中C2S早期低、后期高最小最慢大C3A小最大最快小C4AF小中快大熟料矿物对水泥性质的影响1415（3）其它成分及性质游离氧化钙

f–CaO≤1%~2%氧化镁

MgO≤5%体积安定性不良三氧化硫

SO3

≤3.5%Na2O、K2O+活性骨料碱骨料反应体积膨胀16（4）水泥的水化

水泥＋水可塑性浆体水泥石（流体）（塑性体）（固体）Hardenedcementpaste–Multi-phase/multi-scalestructuresGelporesCapillaryporesAirvoidsC-S-Hnano-particlesC-S-HgelsCHcrystalsEttringitecrystals17凝胶孔毛细孔C-S-H纳米颗粒C-S-H凝胶CH晶体钙矾石晶体气孔硬化水泥浆体-多相/多尺度结构18

水泥的水化反应C2S2(3CaO•SiO2)+7H2O=3CaO•2SiO2•4H2O+3Ca(OH)2C3S2(2CaO•SiO2)+5H2O=3CaO•2SiO2•4H2O+Ca(OH)2C3A3CaO•Al2O3+3(CaSO4•2H2O)+26H2O=6CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2OC4AF4CaO•Al2O3•Fe2O3+7H2O=3CaO•Al2O3•6H2O+CaO•Fe2O3•H2OAFt-钙矾石，或三硫型水化硫铝酸钙19

主要水化产物3CaO•2SiO2•3H2OC3S2H3Ca(OH)2

CH3CaO•Al2O3•6H2OC3AH66CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2OC6AS3H32CaO•Fe2O3•H2OCFH70%3%20%7%

胶体

晶体20Construction

MaterialsC-S-H水化硅酸钙凝胶CHCrystal氢氧化钙晶体

电镜下的水泥水化产物图21Construction

Materials水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）C-S-H钙矾石水化产物已水化的水泥浆里留下的孔隙未水化水泥颗粒水泥的水化硬化物理过程123425硬化水泥浆体空隙中水分存在形式26

影响水泥石结构的因素水灰比（Water/Cement，W/C）水化程度水化时间——龄期温度27以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。C3S（％）C2S（％）C3A（％）C4AF（％）A水泥6015169B水泥47281015案例分析C3A水化形成AftC3A与石膏反应生成Aft，避免“闪凝”

放热量大，放热快

一般只有几分钟时间C3S和

C2S水化2~10小时凝结-硬化C3A的二次水化（石膏消耗完）

只有高C3A含量的水泥才会有2~3天时28水泥水化过程1nm

101001µm

101001mm

10毛细孔CH晶体CSH凝胶引气剂引入气孔裹入气孔凝胶孔C-S-H纳米颗粒29硬化水泥浆体的结构特征30

（5）主要技术性质31细度不符要求为不合格品颗粒细：1）细度筛析法：（0.08mm方孔筛）筛余≤10%比表面积：>300m2/kg颗粒粗：活性不易发挥水化快、强度高、收缩大、成本高32其它条件相同时，越小越好标准稠度：2)准稠度用水量标准稠度用水量：水泥净浆达到标准稠度时，所需的拌合水占水泥重量的百分率。

P

=WC×100%6±1mmC=500gW-调试33

凝胶结构

凝胶结晶结构

结晶结构水泥+水→开始失去塑性→完全失去塑性→人造石

（初凝）（终凝）（硬化）

初凝时间

终凝时间

3）凝结特性t初≥45mint终≤6h30min不符要求为废品不符要求为不合格品3435

4）体积安定性游离氧化钙

f–CaO≤1%~2%氧化镁

MgO≤5%三氧化硫

SO3

≤3.5%凝结过程中，体积变化的均匀性。Na2O、K2O+活性骨料碱骨料反应体积膨胀沸煮法压蒸法浸水法安定性不良为废品36安定性试验:雷氏夹沸煮法雷氏法饼法37

5）强度比例:S=1350g、C=450g、W=225g；C/S=1/3、W/C=0.5试模：4×4×16cm

标准养护：20±2℃、水中、3天和28天龄期

水泥胶砂强度抗折强度由f28压确定强度等级、其它值同时满足要求强度不符要求为不合格品抗压强度

f折=3PL2bh2=0.00234P

f压=PA=0.625Pf

3折

f

28折f

3压

f

28压振捣仪搅拌机39标号抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.538.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0硅酸盐水泥各龄期强度要求(GB175-2007)40水泥水化时放出的热量。以J/kg表示。主要集中在水化初期（7d）

主要考虑：放热总量与放热速度影响因素：熟料的矿物组成－如C3A、C3S

水泥的细度－越细，放热速度越快水泥的等级－越高，放热速度越快、越大外加剂－掺加缓凝剂可降低早期水化热

7）水化热41水化热对工程的影响对大体积混凝土内外温差可达50～70℃大坝水泥冬季混凝土施工

美国ACIC116标准中将大体积混凝土定义为“任何大体积的现浇混凝土，其尺寸足够大以致要求处理混凝土所放出的热量和伴随的体积变化以减少开裂”日本建筑学会标准（JASS5）的定义：“结构断面最小尺寸在800mm以上，水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差超过25℃的混凝土，称为大体积混凝土”我国大体积混凝土施工规范GB50496-2009中定义：“实体最小尺寸大于或等于1m，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土.”没有一个统一的、严格的定义，但都强调砼的水化放热及引起的温差！大体积混凝土定义424344定义——水泥石在外界侵蚀性介质（软水、含酸、含盐等）的作用下结构受到破坏，强度降低的现象称为水泥石的侵蚀。表现形式：

体积膨胀——膨胀型腐蚀

体积收缩——溶出型腐蚀

（6）环境水对硅酸盐水泥的侵蚀45膨胀裂缝46钙钒石晶体47将混凝土在空气中硬化，形成CaCO3保护层采用水化后Ca(OH)2含量少的水泥

软水：1）溶出性侵蚀（软水侵蚀）

硬水：蒸馏水、工业冷凝水、雪水、雨水井水、海水、河水含重碳酸盐少的水Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2H2O+2CaCO3封闭孔隙口危害:措施:

Ca(OH)2+水溶解其它水化物溶解

孔洞渗漏流水48采用水化后Ca(OH)2含量少的水泥2）碳酸盐侵蚀游离CO2含量过多，在流水、压力水下达不到平衡Ca(OH)2

不断溶解Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O措施：工业污水、地下水含有游离CO2CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2(更易溶于水)危害：493）一般酸性侵蚀Ca(OH)2+2HCl=2H2O+CaCl2(易溶于水)结晶膨胀破坏更大Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4

•2H2O(结晶膨胀)3CaO•Al2O3•6H2O+3(CaSO4•2H2O)+H2O=6CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O措施：限制C3S、C3A含量抗硫酸盐水泥504）硫酸盐侵蚀MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4

•2H2O+Mg(OH)2

结晶膨胀破坏更大6CaO•Al2O3•6H2O+3(CaSO4•2H2O)+H2O=6CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O措施：限制C3S、C3A含量抗硫酸盐水泥松散无胶结力结晶膨胀51

5）镁盐侵蚀MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2

+Mg(OH)2

双重作用526）水泥石受侵蚀的原因及防止措施Ca(OH)2易溶于水外因：处于侵蚀介质的环境中内因水化产物呈碱性，与酸、盐反应水泥石不密实防止措施选用合适水泥：减少C3S、C3A提高混凝土密实度：配合比、W/C、掺合料等表面保护534.3

混合材料及掺混合材料的硅酸盐水泥（1）混合材料

混合材料活性混合材料（潜在水硬性）粒化高炉矿渣火山灰质材料粉煤灰非活性混合材料石灰石粉

作用节约水泥、降低成本调节水泥等级（标号）改善水泥某些性能变废为宝、保护环境54混合材料的潜在水硬性熟料＋水C-S-H等水化产物（水硬性）粉煤灰＋水无水化产物但

粉煤灰＋水＋石灰（碱性激发剂）粉煤灰＋水＋石膏（硫酸盐激发剂）

C-S-H等水化产物（潜在水硬性）55

（2）粉煤灰烟气除尘从煤粉炉排除的烟气中收集到的颗粒粉末除尘方式静电收尘机械收尘炉底除渣形貌球状（珠状）漂珠复珠密实沉珠空心沉珠不规则状主要成分：SiO2、Al2O3、CaO玻璃体结构56

（a）×2000倍（b）×5000倍图2-2凯里粉煤灰颗粒SEM照片（比表面积3000cm2/g）57

粉煤灰的活性碱性激发剂——Ca(OH)2Ca(OH)2+SiO23CaO•2SiO2•4H2OCa(OH)2+Al2O33CaO•Al2O3•6H2O硫酸盐激发剂——CaSO4•2H2OCaSO4•2H2O+3CaO•Al2O3•6H2O6CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O粉煤灰效应

形貌效应：流动性活性效应：强度微集料效应：

密实度58粉煤灰等级及品质指标序号指

标粉

煤

灰

级

别ІⅡⅢ1

细度(45μm)（%），≯122045

细度(80μm)（%），≯58252

烧失量（%），≯58153

需水量比（%），≯951051154

三氧化硫（%），≯3335

含水量（%），≯11不规定59

（3）掺混合材硅酸盐水泥硅酸盐水泥P（PortlandCement）：硅酸盐水泥熟料+0~5%混合材+适量石膏普通硅酸盐水泥P.O（Portland.OrdinaryCement）：硅酸盐水泥熟料+6~20%混合材+适量石膏矿渣硅酸盐水泥P.S（Portland.SlagCement）：硅酸盐水泥熟料+20~80%矿渣+适量石膏火山灰硅酸盐水泥P.P（Portland.PozzolanaCement）：硅酸盐水泥熟料+20~40%火山灰+适量石膏粉煤灰硅酸盐水泥P.F（Portland.FlayashCement）：硅酸盐水泥熟料+20~40%粉煤灰+适量石膏复合硅酸盐水泥P.C（Portland.CompoundCement）：硅酸盐水泥熟料+20~50%两种以上混合材+适量石膏1）定义602）掺混合材硅酸盐水泥特性水化特点：3CaO•2SiO2•4H2O3CaO•Al2O3•6H2OCaSO4•2H2O+3CaO•Al2O3•6H2O