同济大学土木工程材料-第三章、水泥

1、第三章 水泥(Cement),第一节 硅酸盐水泥,第二节 掺混合材的硅酸盐水泥,第三节 其他品种水泥,思考题,概述,概述(Introduction),第三章 水泥,水泥是水硬性无机胶凝材料，是目前建筑工程中用量最大、最重要的建筑材料之一。,1824年英国人约瑟夫阿斯普丁（Joseph Aspdin）取得了波特兰水泥（即硅酸盐水泥）的发明专利。硅酸盐水泥的首批大规模使用是在18251843年修建泰晤士河隧道。我国第一个水泥厂是清政府在“洋务运动”中于1889年于开平矿务局创办的唐山细棉土厂。,水泥的英文是cement。但cement这个词在波特兰水泥发明之前就已存在，源于罗马语caementum

2、，原指一种能在水中硬化的、消石灰与火山灰的混合物，文献中称为罗马水泥(Roman cement)。,概述(introduction),第三章 水泥,水泥生产可概括为“两磨一烧”：将钙质原料（石灰石、白垩、泥灰岩、贝壳等）和硅质原料（粘土、页岩等）按比例配合，在磨机中磨成生料(raw meal)（生料制备方法分为湿法、干法。湿法是将原料加水在磨机中磨成生料浆。干法是将原料先烘干、再入磨机磨成生料粉），生料入窑（煅烧窑分为立窑、回转窑）煅烧（煅烧温度1450）成熟料(clinker)，熟料配以适量石膏、混合材(blended material)磨细成为水泥成品。,第三章 水泥,概述(introdu

3、ction),第三章 水泥,按组成，水泥分为：硅酸盐（又称波特兰水泥）、铝酸盐（又称高铝水泥、矾土水泥）、硫铝酸盐三大系列水泥，其中硅酸盐系列水泥应用最广。,按性能和用途，水泥分为：通用水泥（应用最多，产量最大，属硅酸盐系列水泥）、专用水泥（专门用于某些工程的水泥，如砌筑水泥(masonry cement)、道路水泥、油井水泥、防射线水泥等。）、特种水泥(special cement)（某种性能较突出的水泥，如白色及彩色水泥、低热水泥、膨胀水泥、快硬水泥、抗硫酸盐水泥等。）。,概述(introduction),第三章 水泥,我国常用的六大水泥：,硅酸盐水泥：P.、P.；(portland ce

4、ment),普通硅酸盐水泥：P.O；(ordinary portland cement),矿渣硅酸盐水泥：P.S.A、P.S.B；(slag portland cement),火山灰质硅酸盐水泥：P.P；(pozzolanic portland cement),粉煤灰硅酸盐水泥：P.F；(fly ash portland cement),复合硅酸盐水泥：P.C；(composite portland cement),第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,凡以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得以硅酸钙(calcium silicate)为主要成分的硅酸盐水泥熟料，并

5、掺入05%的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。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,一、硅酸盐水泥的基本组成 (The essential components of portland cement),硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成(mineral component)：硅酸三钙（C3S）(tricalcium silicate)36%60%、硅酸二钙（C2S） (dicalcium silicate)15%37%、铝酸三钙（C3A） (tricalcium aluminate)7%15%、铁铝酸四钙（C4AF） (tetra

6、calcium aluminoferrite)10%18% 。,水泥中掺入石膏主要起调节凝结时间的作用，同时能提高早期强度、减少干缩、改善耐久性、对混合材起激发剂作用。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,二、硅酸盐水泥的水化硬化 (The hydration and hardening of portland cement),水泥加水后，石膏迅速溶解于水，C3A极快速（13天）水化生成水化铝酸三钙（C3AH6），C4AF快速水化生成水化铝酸三钙和水化铁酸一钙，C3S快速（4周）水化生成水化硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙，C2S缓慢（1年）水化生成水化硅酸钙和氢

7、氧化钙。部分水化铝酸钙与石膏反应生成高硫型水化硫铝酸钙（AFt，称为钙矾石(ettringite)），石膏消耗完后，部分高硫型水化硫铝酸钙与C3A、C4AF反应生成低硫型水化硫铝酸钙（AFm）。在充分水化的水泥石中，C-S-H凝胶约占70%，氢氧化钙约占20%，AFt和Afm约占7%。,第三章 水泥,水泥的水化硬化会延续数年，但前3个月即完成约70%。水泥石结构(structure of hardened cement paste)是由未水化的水泥颗粒、水化产物、水、孔隙组成。示意如下。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The prop

8、erties of portland cement),1. 凝结时间(setting time),混凝土应在初凝(initial setting)前完成浇捣入模，终凝(final setting)前完成抹面。为便利施工，初凝时间不宜过短，终凝时间不宜过长。,国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45分钟，终凝时间不得迟于6小时30分钟。,凝结时间的影响因素：掺混合材的水泥凝结时间较长；水灰比增大，凝结时间延长；温度升高，凝结时间缩短；缓凝剂、速凝剂可调节水泥的凝结时间。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties

9、of portland cement),1. 凝结时间(Setting time),水泥的凝结时间采用维卡仪(Vicat apparatus)测定。分为初凝、终凝。初凝时间为水泥加水拌和始至标准稠度净浆开始失去可塑性所经历的时间；终凝时间为水泥加水拌和始至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所经历的时间。,检验水泥的凝结时间、体积安定性时，规定用标准稠度的水泥净浆(cement paste with standard consistence)。水泥的标准稠度用水量采用水泥标准稠度测定仪测定。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般为21%28% 。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement

10、),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties of portland cement),2. 强度(Strength),强度是评价水泥质量的重要指标。水泥的强度依据水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T17671-1999）检测。,称量水泥450g、标准砂1350g、水225ml，用标准规定的水泥胶砂搅拌机搅拌，按标准规定的成型、养护方法制作水泥胶砂强度试件（specimen）(40*40*160mm，每组3条)，分别在3d、28d龄期(age)测定强度。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The propert

11、ies of portland cement),引起体积安定性不良的原因：f-CaO过量； f-MgO过量；石膏掺量过多 。,国标规定：用沸煮法检验水泥体积安定性。沸煮法适用于检测游离氧化钙所引起的水泥安定性不良。 检测游离氧化镁用压蒸法，检测石膏用温水长期浸泡法。,3. 体积安定性（Soundness）,水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀程度，简称安定性。安定性是水泥最重要的性质，安定性不良的水泥不得使用。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties of portland cement),4. 细度(Finenes

12、s),水泥粒径小于40m才具有较高的活性，大于90m几乎接近惰性。水泥的细度对水泥安定性、需水量、凝结时间、强度有较大影响。,国标规定：硅酸盐水泥的细度采用透气式比表面积仪检验，要求其比表面积300m2/kg。,新标准通用硅酸盐水泥GB175-2007取消了细度指标要求。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties of portland cement),5. 水化热(Hydration heat),水泥的水化反应是放热反应。水化热对于大体积混凝土(mass concrete)是有害因素，会造成开裂。,水泥水化热的影响

13、因素：水泥熟料的矿物组成，水泥细度，水泥中混合材的种类及掺量。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties of portland cement),6. 化学品质指标（Chemical quality requirements）,不溶物(insolubles)；烧失量(loss on ignition)；MgO；SO3(sulfur oxide)；碱含量(alkali content)；氯离子(chloride iron)含量。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(

14、The properties of portland cement),7. 抗蚀性(Corrosion resistance),（1）淡水(fresh water)：淡水能使水泥水化物Ca(OH)2溶解，并促使其它水化物分解，从而造成水泥石结构的破坏。,（2）酸(acid)：PH值小于6就可能造成水泥石腐蚀。碳酸与水泥石中的Ca(OH)2起反应生成碳酸钙，进一步反应生成易溶于水的碳酸氢钙。无机酸（盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸）、有机酸（醋酸、蚁酸、乳酸）能与水泥石中的Ca(OH)2起反应，产物或易溶于水，或具有膨胀性，且消耗大量Ca(OH)2造成水泥石水化产物分解。,第一节 硅酸盐水泥(portl

15、and cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties of portland cement),7. 抗蚀性(Corrosion resistance),（3）盐(salt)：硫酸盐(sulphate)（钾、钠、铵等）与水泥石中的Ca(OH)2起置换反应生成硫酸钙，进而与水化铝酸钙反应生成钙矾石，造成水泥石膨胀开裂。镁(magnesium)盐（硫酸镁、氯化镁）与水泥石中的Ca(OH)2起复分解反应，生成的氢氧化镁松软无胶凝能力，氯化钙极易溶于水，硫酸钙造成双重腐蚀。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(Th

16、e properties of portland cement),7. 抗蚀性(Corrosion resistance),（4）碱(alkali)：水泥混凝土具有一定的耐碱腐蚀能力。但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇强碱（NaOH、KOH），生成的铝酸钠易溶于水，而渗入水泥石中的NaOH在干燥时与CO2反应生成碳酸钠结晶，造成胀裂。,（5）其他(others)：糖、氨盐、动物脂肪、含环烷酸的石油产品的腐蚀。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties of portland cement),7. 抗蚀性(Corrosio

17、n resistance),水泥石受腐蚀的基本原因： 水泥石中存在易被腐蚀的成分（氢氧化钙、水化铝酸钙等）；水泥石不密实，使腐蚀性介质易进入；环境条件（高温、高压、冲刷、干湿交替等）。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,三、硅酸盐水泥的性能(The properties of portland cement),7. 抗蚀性(Corrosion resistance),水泥石防腐措施： 根据环境特点，选择适宜的水泥品种或掺入活性混合材，以减少氢氧化钙含量；通过降低水灰比、掺外加剂、采用优质骨料、改善施工操作等，提高密实度；采用耐腐蚀的材料（花岗岩板材、耐酸陶瓷板

18、、塑料、沥青、环氧树脂、涂料等）做表面保护层或隔离层。,第一节 硅酸盐水泥(portland cement),第三章 水泥,四、硅酸盐水泥的应用(The uses of portland cement),根据所处环境(exposure condition)（温度、湿度、侵蚀性介质）、工程特点（高强、快硬、抗渗、耐磨、大体积）、水泥特性等，合理选用水泥。,硅酸盐水泥凝结硬化快，强度高，抗冻性、抗碳化性、耐磨性好，但水化热高，耐腐蚀性差，不耐高温。因此，硅酸盐水泥适用于高强混凝土、预应力混凝土、冬季施工，不适用于大体积混凝土、水利及海港工程、温度高于250的工程。,第二节 掺混合材的硅酸盐水泥(b

19、lended portland cement),第三章 水泥,在生产水泥时,为改善水泥性能、调节水泥等级，而加入到水泥中的矿物材料，称为水泥混合材(blended material)。,水泥中掺入混合材主要起降低成本、减少水化热等作用。水泥混合材分为活性(active)混合材、非活性混合材(inert additions) 。活性混合材磨细后与石灰、石膏拌合，加水后既能在空气中又能在水中硬化。常用的活性混合材有：粒化高炉矿渣(blast-furnace slag)、火山灰质材料、粉煤灰等；常用的非活性混合材有：石英砂(quartz sand)、石灰石、慢冷矿渣等。,常用的掺混合材的硅酸盐水泥包

20、括：普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥。,第二节 掺混合材的硅酸盐水泥(blended portland cement),第三章 水泥,掺混合材的硅酸盐水泥的水化硬化 掺混合材的硅酸盐水泥加水后，首先是熟料矿物的水化，与纯硅酸盐水泥的水化相同。随后发生二次水化（混合材的水化）：熟料水化生成的氢氧化钙成为混合材的碱性激发剂，与混合材中的活性SiO2、Al2O3反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙；水泥中的石膏成为混合材的硫酸盐激发剂，与混合材反应生成水化硫铝酸钙。水泥石的主要组成是水化硅酸钙和钙矾石。与硅酸盐水泥相比，掺混合材的硅酸盐水泥的水化产物碱度较低，氢氧化钙含量较少，水化产物

21、较致密。,第二节 掺混合材的硅酸盐水泥(blended portland cement),第三章 水泥,掺混合材水泥的共同特点： 凝结硬化速度慢，早期强度低，但后期强度增长较多（甚至可超过同标号的硅酸盐水泥）；硬化时对湿热敏感性强，宜采用蒸汽养护；水化放热速度慢、放热量低，宜用于大体积混凝土工程；氢氧化钙、水化铝酸钙含量少，因此抗软水和抗硫酸盐腐蚀能力较强，宜于水利工程、海港工程、地下工程；由于早期强度低，因此抗冻性差；由于氢氧化钙含量少、碱度低，因此抗碳化能力差，水泥石表面易“起粉”。,普通水泥与硅酸盐水泥的性能、应用范围基本相同。复合水泥的早期强度与普通水泥相同，其他性能与矿渣水泥、火山灰

22、水泥、粉煤灰水泥相似。,第三节 其他品种水泥(other cements),第三章 水泥,1、铝酸盐水泥(aluminate cement),1908年在法国发表了铝酸盐水泥的专利。铝酸盐系水泥具有早强、耐高温等特性，现主要用于耐高温浇注材料，但在建筑上，由于其后期强度倒缩而很少使用。铝酸盐水泥与硅酸盐水泥不能良好粘结，更不能混用。,高铝水泥(aluminous cement)原名矾土水泥，是铝酸盐水泥的主要品种，呈黄褐色，是一种快硬、高强、耐热、耐腐蚀的水硬性胶凝材料，其熟料主要矿物为铝酸一钙（CA）、二铝酸一钙（CA2）。以3天强度分为425、525、625、725四个标号，性能应符合高铝

23、水泥（GB201-2000）的要求。,第三节 其他品种水泥(other cements),第三章 水泥,1、铝酸盐水泥(aluminate cement),高铝水泥是早强型水泥，1天强度可达最高强度的80%，3天强度可达最高强度的90%以上，但后期强度会明显下降（5年后强度比初期最高强度降低40%60%，达到最低稳定值后就不再下降），故宜用于抢修工程、冬季施工，不宜用于预应力混凝土、长期承载结构、湿热环境；水化热与硅酸盐水泥相近，但放热速度很快（1天放出总水化热的70%80%），故不宜用于大体积混凝土；硬化温度宜为15，不得超过25，故不宜用于高温施工、蒸汽养护；干燥条件下耐高温性好（700以

24、上发生固相烧结反应，即瓷性胶结代替了水硬胶结），可配制耐热混凝土，用作高温窑炉炉衬；耐酸、硫酸盐腐蚀性能好，但耐碱性很差；高铝水泥不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出氢氧化钙的胶凝材料混用，以免产生闪凝现象；高铝水泥与石膏等可配制成不同类型的膨胀水泥（自应力水泥、膨胀水泥、无收缩水泥）。,第三节 其他品种水泥(other cements),第三章 水泥,2、硫铝酸盐水泥(sulfo-aluminate cement),20世纪70年代我国发明了硫铝酸盐水泥，80年代又首创铁铝酸盐水泥。其熟料主要矿物均为无水硫铝酸钙（C4A3S ）、硅酸二钙（C2S）。,第三节 其他品种水泥(other cement

25、s),第三章 水泥,2、硫铝酸盐水泥(sulfo-aluminate cement),硫铝酸盐水泥的特性： 高早强（1天达70%，3天达100%）且后期强度不断增长，微膨胀、低干缩（干缩率为普通水泥的1/4），抗冻性、抗腐蚀性、抗渗性很好，水化热大，耐热性差（不宜长期处于100以上环境温度）。硫铝酸盐水泥水化液相碱度较低（PH值9.810.2），最适于生产玻璃纤维增强水泥（GRC）制品。,硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥主要应用于工业与民用建筑的现浇和预制构件、高强混凝土、负温施工、抗渗防水工程、海港工程、喷射混凝土、自应力输水管道、桥梁道路等。,第三节 其他品种水泥(other cements),

26、第三章 水泥,3、氟铝酸盐水泥(fluoroaluminate cement) （快凝快硬硅酸盐水泥）,根据JC314-82的规定，分双快-150、双快-200两个标号（按4小时强度）。,特性：几分钟凝结，具有小时强度。适用于抢修、堵漏、水中、冬季施工等。,第三节 其他品种水泥(other cements),第三章 水泥,膨胀水泥主要用于收缩补偿混凝土（构件、修补工程、机器基座、地下建筑防水层等）、自应力混凝土（低预应力值的构件）。,4、膨胀水泥(expansive cement),膨胀水泥由强度组分、膨胀组分组成，两者要有合理的匹配。强度组分有三种类型：硅酸盐水泥熟料、高铝水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料。膨胀组分多用能形成钙矾石的组分。,第三节 其他品种水泥(other cements),第三章 水泥,5、白色硅酸盐水泥(white portla