第4章-水硬性胶凝材料课件

1、第4章 水硬性胶凝材料水 泥主 要 内 容4.1 硅酸盐水泥4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥4.3 专用水泥4.4 特种水泥4.5 水泥的选用、验收与储运定义：水泥是一种既能在空气中硬化又能在水中硬化，并不断增长其强度的水硬性胶凝材料。分类：水泥按性能和用途分为4.1 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥是以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料、以下的石灰石或粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，国际上统称为波特兰水泥。硅酸盐水泥分为两种类型，不掺加混合材料的称为型硅酸盐水泥，代号为；掺加不超过水泥质量 的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称为型硅酸盐水泥，代号为。4.1.1 硅酸盐水泥的生产与矿物组成及其特性一

2、、硅酸盐水泥的生产1. 硅酸盐水泥的原材料 硅酸盐水泥熟料 石膏 混合材料 （1）硅酸盐水泥熟料的原材料 a. 石灰质原料：如石灰石、白垩等，主要提供水泥中的CaO b. 粘土质原料：如粘土、页岩等，其主要化学成分为 SiO2，其次为Al2O3和少量的Fe2O3 c. 校正原料：包括铁质校正原料、硅质校正原料、铝质校正原料，分别补充Fe2O3 、 SiO2 、 Al2O3。水泥生料中各种成分的含量范围 主要是天然石膏矿（CaSO42H2O）或无水石膏（CaSO4）。在生产水泥时，必须掺入适量石膏，以延缓水泥的凝结。在硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥中，石膏主要起缓凝作用；在掺较多混合材料的水泥中，石

3、膏还起激发混合材料活性的作用。 作 用掺量3%-5%，过多会导致水泥石膨胀性破坏。 （2）石 膏定义：在水泥生产时，所掺入的天然或人工矿物材料, 称为混 合材料。作用： 改善水泥的性能 调节水泥强度等级 提高水泥的产量 扩大水泥品种 降低成本分类：活性混合材料非活性混合材料（3）混合材料 活性混合材料 定义：具有潜在水硬性或火山灰性，或兼具有火山灰性和水硬性的矿物质材料。 如：粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等。 非活性混合材料 定义：不具有潜在水硬性或质量活性指标不能达到规定要求的混合材料。如：慢冷矿渣、磨细石英砂、石灰石粉等。 作用：主要起填充作用，可以提高水泥的产量，降低水化热，降

4、低强度等级，对水泥其他性能影响不大。 是高炉冶炼生铁的副产品，是以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物，经水淬成粒后的产品。 慢冷矿渣不具有水硬性。a. 粒化高炉矿渣 具有火山灰特性的天然或人工的矿物质材料，有含水硅酸质材料（硅藻土、硅藻石等）、烧粘土质（粉煤灰、煤渣等）和火山灰三类。b. 火山灰质混合材料 是热电厂的工业废料，由燃煤锅炉排出的细颗粒废渣，以SiO2和Al2O3为主要成分，具有火山灰特性。c. 粉煤灰2. 硅酸盐系列水泥的生产工艺 生产工艺 生产工艺流程(简称为“两磨一烧”)如图所示。3. 熟料的矿物组成及其特性（1）矿物组成各矿物强度增长曲线（2）水泥熟料矿物单独与水作用时的特性

5、（3）四种矿物的作用C3S是决定水泥 强度的组分；C2S是保证水泥 强度的组分； C3A是凝结硬化速度 的组分；C4AF是使水泥 的组分。（4）四种矿物的比例对水泥性质的影响提高C3S的含量，可得到 ；提高C3S和C3A的含量，即可制得 ；降低C3S和C3A的含量，可制得 。 早期后期最快着色高强硅酸盐水泥快硬高强硅酸盐水泥低热或中热硅酸盐水泥 挡墙开裂与水泥的选用 某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S 61 C2S 14C3A 14C4AF 11工程实例分析 由于该工程所使用的水泥C

6、3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土时，混凝土的整体温度高，而表面混凝土温度随环境温度下降，出现混凝土内外温差过大，最终造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。原 因 分 析 首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的 含量较低的水泥。 其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。 再其次，采取适当的降温措施。防 治 措 施4.1.2 硅酸盐水泥的水化、凝结硬化及其影响因素 水泥加水拌和而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程称为凝结，水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。 水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。 凝结过程较短暂，一般几小时即可

7、完成，硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。（1）水泥的水化 水泥加水拌合后，水泥颗粒分散于水中并与水发生一系列复杂化学反应，生成水化产物并放出热量的过程。 水 化 反 应2(3CaOSiO2) + 6H2O 3CaO2SiO23H2O + 3Ca(OH)2 (水化硅酸钙凝胶) （氢氧化钙晶体）2(2CaOSiO2) + 4H2O 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)23CaOAl2O3 + 6H2O 3CaOAl2O36H2O (水化铝酸钙晶体)4CaOAlO3Fe2O3 + 7H2O 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O (水化铁酸钙凝胶)水泥

8、的水化产物： 综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，主要水化产物有： 水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶 氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体（2）水泥的凝结和硬化分散在水中的水泥颗粒 在水泥颗粒表面形成水化物膜层 膜层长大并互相连接(凝结)水泥产物进一步发展，填充毛细孔(硬化)1. 水泥颗粒； 2. 水； 3. 凝胶； 4. 晶体；5. 未水化水泥内核； 6. 毛细孔水化过程 水化初期 熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。 水化中期 约有30%的水泥已经水化，以

9、水化硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙（CH）的快速形成为特征。 水泥开始凝结初凝 水化后期 由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间相互交叉连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐致密。 水泥浆完全失去可塑性终凝。（3）影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素 水泥的矿物组成 细 度 用水量/水灰比（W/C） 温度、湿度 养护龄期 外加剂 石膏的掺量 储存条件 正面：硅酸盐水泥中加入适量的石膏会起到良好的缓凝效果，且由于钙矾石的生成，还能提高水泥石的强度。 负面：石膏掺量过多时，可能危害水泥石的安定性。石膏

10、的影响： 水泥应该储存在干燥的环境里。如果水泥受潮，其部分颗粒会因水化而结块，从而失去胶结能力，强度严重降低。 储存条件的影响： 但是，即使是在良好的干燥条件下，也不宜储存过久。因为水泥会吸收空气中的水分和二氧化碳，发生缓慢水化和碳化现象，使强度下降。 通常，储存三个月的水泥，强度约下降10%20%；储存六个月的水泥，强度下降约15%30%；储存一年后，强度下降约25%40%。 所以，水泥的储存期一般规定不超过三个月。4.1.3 通用硅酸盐水泥的主要技术性质标准： 国家标准通用硅酸盐水泥（GB 1752007）1）化学指标通用硅酸盐水泥的化学指标2）物理指标细度凝结时间体积安定性强度及强度等级

11、碱含量 定义：是指水泥颗粒的粗细程度，是表示水泥分散度的指标。 颗粒过细的优缺点：优 点：颗粒越细，其比表面积越大，与水接触反应的表面积越 大，水化反应快且较完全，水泥的早期强度越高；缺 点：水化热大，在空气中硬化收缩大，成本高。 颗粒过粗的优缺点：优 点：生产成本低，水化热小；缺 点：颗粒过粗，水化反应不充分，未水化水泥颗粒过多。（1）细 度 根据国家标准GB 1752007规定，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度用比表面积表示，即 细度要求比表面积不小于300m2/kg。补充：标准稠度及需水量a. 水泥净浆标准稠度：为了测定水泥的凝结时间及体积安定性 等性能，使其具有准确的可比性，应该使水泥

12、净浆在一个规定的稠度下进行。b. 水泥净浆标准稠度需水量：达到标准稠度时的用水量，以水与水泥质量之比的百分数表示（即水灰比W/C）。硅酸盐水泥的标准稠度需水量一般在2430%。（2）凝结时间初凝时间（t初）水泥开始加水拌和至水泥浆开始 失去可塑性所需的时间。终凝时间（t终）水泥开始加水拌和至水泥浆完全失 去可塑性并开始产生强度所需的时间。 测定方法：水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆， 在规定的温、湿度条件下，用凝结时间测定 仪来测定的。 GB 175-2007 规定： 硅酸盐水泥：t初45min t终6.5h 普通硅酸盐水泥：t初45min t终10 h定 义：是指水泥浆体硬化后体积变化的

13、稳定性。不良影响：当水泥浆体在硬化过程中或硬化后发生不均匀的 体积膨胀，会导致水泥石开裂、翘曲等现象，引 发工程质量事故。（3）体积安定性原 因：熟料中含游离氧化钙（f-CaO)过多 熟料中含游离氧化镁（f-MgO)过多 石膏过多注： 水泥中游离氧化钙、氧化镁均属过烧物质，水化速率极 慢，且发生体积膨胀； 所掺石膏过多，在水泥硬化后，石膏继续与水化铝酸钙起 反应，生成体积膨胀的物质。检测方法： 沸煮法 分为雷氏法和试饼法，用于检测游离氧化钙导致的安定性不良 压蒸法 用于检测游离氧化镁导致的安定性不良 注： 雷氏法：是测定水泥净浆在雷氏夹中沸煮后的膨胀值。 试饼法：是观察水泥净浆试件沸煮后的外形

14、变化来检验水泥的 体积安定性。 因此，雷氏法为标准法，试饼法为代用法。雷氏夹雷氏夹膨胀值测定仪沸煮箱 定义：水泥的强度一般指水泥胶砂标准试件单位面积上所能承受的最大外力。 根据外力作用方式不同，分为抗压强度和抗折强度。（4）强度及强度等级标 准：水泥胶砂强度检验方法（ISO）GB/T 176711999配 方：水泥，标准砂 = 1 ：3.0，水灰比为0.50 （即水泥450g，标准砂1350g，水225g）试件规格： 40mm40mm160mm的棱柱体（水泥胶砂三联模成型）养护条件：1d温度为201，相对湿度90以上的空气中带模养 护；1d以后拆模，放入201的水中养护测试龄期和指标：3d和2

15、8d的抗折强度和抗压强度试验方法：强度等级 抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3d283d2842.5 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硅酸盐水泥注：R-早强型，主要是3d强度较高。 碱含量是指水泥中Na2O 和K2O 的质量分数。水泥中含碱是引起混凝土产生碱骨料反应的条件之一。国家标准通用硅酸盐水泥（GB 175-2007）规定，水泥中碱的含量按Na2O 0.658K2O 计算值表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水

16、泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60或由买卖双方协商确定。 国家标准还规定：检验结果符合化学指标、凝结时间、安定性、强度的为合格品；检验结果不符合上述任何一项技术要求的为不合格品。（5）碱含量4.1.4 硅酸盐水泥的腐蚀与防止 水泥石在使用过程中，受到各种腐蚀性介质的作用，其结构逐渐遭到破坏，强度降低、耐久性下降，甚至发生破坏的现象称为水泥石的腐蚀。 内因 易引起腐蚀的水化产物 水泥石中存在的孔隙 外因 腐蚀性介质什么为水泥石腐蚀现象？原因？（1）软水腐蚀（溶出性腐蚀） 当水泥石长期与流动淡水接触时,由于水的浸析作用，将已硬化的水泥石中的固相组分（特别是水化产物氢氧化钙）逐渐溶解带走，并促使硬

17、化水泥石中的其它产物分解，导致水泥石结构破坏。水泥石腐蚀：（2）酸类腐蚀碳酸腐蚀一般酸腐蚀（3）盐类腐蚀（膨胀性化学腐蚀 钙矾石）硫酸盐腐蚀镁盐腐蚀（4）强碱腐蚀根据工程所处环境，选用适当品种的水泥；增加水泥制品的密实度，减少侵蚀介质的渗透； 在水泥石结构的表面设置保护层。腐蚀的防止措施：4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥 根据通用硅酸盐水泥GB175-2007的规定： 硅酸盐水泥、普通水泥红 色 矿渣水泥绿 色 火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥黑色或蓝色各种水泥包装袋上字体的颜色： 什么是混合材料？ 混合材料的作用？ 混合材料有哪两类？请举例说明。活性混合材料 粒化高炉矿渣 火山灰质混合材料：包

18、括火山灰、硅藻土、偏高岭土、烧页岩等 粉煤灰：属工业废料，富含玻璃体的球状体 注：活性混合材料的活性来源，主要是活性Al2O3和活性SiO2。非活性混合材料：慢冷矿渣、磨细石英砂、石灰石粉等复 习 普通硅酸盐水泥（P.O） 矿渣硅酸盐水泥（P.S） 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）代 号：4.2.2 普通硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料掺加5%且20的活性混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号。活性混合材料掺加量为5%且20，其中允许用不超过水泥质量8的非活性混合材料，或不超过水泥质量 的窑灰代替。普

19、通硅酸盐水泥各龄期的强度要求注： 为早强型。矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥、复合水泥 （P.S）（P.F）（P.P）复合硅酸盐水泥 = 熟料 + 适量石膏 + 混合材料（20-50%）（ P.C ）P.S.A 20%50%P.S.B 50%70%矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥、复合水泥凝结时间：GB 175-2007 规定： t初45min t终10 h（600min） 安定性 沸煮法检验合格。 细 度： 用筛余表示，即80m方孔筛筛余不大于10%或45 m方孔筛筛余不大于30%。练习题1. 用50g矿渣硅酸盐水泥试样作细度检验，在80m方孔筛上的筛余量为4.25g。问该水泥细度是否合格？

20、负压筛析仪矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥、复合水泥可见，掺混合材料多的硅酸盐水泥早期强度偏低。通用硅酸盐水泥的特性4.3 专用水泥2.2.4 专用水泥 砌筑水泥 道路水泥 大坝水泥4.3.1 砌筑水泥4.3.1 砌筑水泥（1）定义与代号 砌筑水泥 = 硅酸盐水泥熟料 +活性混合材料（一种或一种以上）+ 适量石膏 代号：M（2）主要技术要求 强 度：分为12.5及22.5两个强度等级，以28d抗压强度为准 凝结时间：初凝不得早于60min，终凝不得迟于12h（注意时间）（3）特 点 强度低 和易性好（4）应 用 砌筑砂浆 抹面砂浆 垫层混凝土 不能用于钢筋混凝土或结构混凝土4.3.2 道路硅酸

21、盐水泥（1）定 义道路硅酸盐水泥 = 道路硅酸盐水泥熟料 + 活性混合材料（0-10%）+ 石膏（2）什么是“道路硅酸盐水泥熟料”？ 道路硅酸盐水泥熟料：是以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分和较多铁铝酸钙含量的熟料。（3）特 点 早期强度、抗折强度高（试分析原因？） 耐磨性、抗冲击性、抗冻性好 干缩率小 抗碳酸盐腐蚀能力较强4.3.2 道路硅酸盐水泥（4）应用 道路水泥能满足不同等级道路路面工程的技术要求。 它适用于公路路面、城市及工矿企业道路路面、机场路面及码头、广场等水泥混凝土面板工程，也可用于地面砖等面板制品的生产。 道路水泥能延长水泥混凝土路面的使用寿命，对促进国内水

22、泥混凝土路面的技术进步都具有现实与长远的技术经济意义，有着广阔的发展前景。 除广泛适用于各类水泥混凝土路面工程外，道路水泥也可用于其他建筑工程，且能取得优于通用水泥的使用效果。 4.3.2 道路硅酸盐水泥4.3.3 大坝水泥1）概 念 大坝水泥主要是指用于建造水利工程用的具有中等、低等水化热的水泥。我国把以硅酸钙为主要成分的特定矿物组成的熟料经加工磨制成水化热低而轻度相当高的水工用特种水泥。2）品种中热硅酸盐水泥低热硅酸盐水泥低热矿渣硅酸盐水泥低热粉煤灰硅酸盐水泥低热微膨胀水泥粉煤灰低热微膨胀水泥4.4 特种水泥 抗硫酸盐硅酸盐水泥 膨胀水泥 白色硅酸盐水泥 铝酸盐水泥4.4.1 抗硫酸盐硅酸

23、盐水泥（1）定义与代号抗硫酸盐硅酸盐水泥 = 适当成分的硅酸盐水泥熟料 + 适量石膏 代 号：中抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称 中抗硫水泥） P.MSR 高抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称 高抗硫水泥） P.HSR（2）主要技术要求标 号：中抗硫水泥和高抗硫水泥分为425、525两个标号 中抗硫水泥与高抗硫水泥的区别：C3S，C3A的含量（到底谁高谁低） 试分析抗硫原因（3）特 点具有抗硫酸盐能力。（4）应 用主要用于受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和桥梁基础等工程。中抗硫水泥，一般用于硫酸根离子浓度不超过2500mg/L的纯硫酸盐的腐蚀。高抗硫水泥，一般用于硫酸根离子浓度不超过8000mg

24、/L的纯硫酸盐的腐蚀。4.4.2 膨胀水泥（1）定 义 在水化和硬化过程中产生体积膨胀的水泥属膨胀类水泥。（2）体积膨胀产生的原因 是由水泥石中生成的钙矾石产生的体积膨胀所导致的。（3）如何调整膨胀值？ 通过调整各种组成的配合比，控制生成钙矾石的数量，可以制得不同膨胀值、不同类型的膨胀水泥。（4）优 点 一般硅酸盐水泥在空气中硬化时，体积会发生收缩。收缩会使水泥石结构产生微裂缝，降低水泥石结构的密实性，影响结构的抗渗、抗冻、抗腐蚀等。 膨胀水泥在硬化过程中体积不会发生收缩，还略有膨胀，可以解决由于收缩带来的不利后果。（5）自应力、自应力值 自应力：预先具有的压应力来自水泥本身的水化。 自应力值

25、：表示混凝土中所产生的压应力的大小。（6）分类（按自应力值大小划分） 自应力水泥：自应力值大于或等于2MPa 。 膨胀水泥：自应力值小于2MPa 。（7）常见的膨胀水泥及主要用途 硅酸盐膨胀水泥 主要是用于制造防水砂浆和防水混凝土。适用于加固结构、浇筑机器底座或固结地脚螺栓，并可用于接缝及修补工程。但禁止在有硫酸盐侵蚀的水中工程中使用。 低热微膨胀水泥 主要用于较低水化热和要求补偿收缩的混凝土、大体积混凝土，也适用于要求抗渗和抗硫酸盐侵蚀的工程。 硫铝酸盐膨胀水泥（注意区别“铝酸盐水泥”） 主要用于浇筑构件节点及应用于抗渗和补偿收缩的混凝土工程中。 自应力水泥 主要用于自应力钢筋混凝土压力管及

26、其配件。4.4.3 白色硅酸盐水泥2.2.5.3 白色硅酸盐水泥（1）定 义 白色硅酸盐水泥 = 白色硅酸盐水泥熟料 + 适量石膏（2）白水泥与硅酸盐水泥的区别 在于生料中氧化铁含量少，因为氧化铁是水泥中的着色组成。 （3）如何控制氧化铁的含量 通过控制原材料：石灰质原料采用白垩；粘土质原料采用高岭土、白泥、石英砂等。高 岭 土高岭土矿白 泥白 垩应 用 a. 生产彩色硅酸盐水泥 b. 用于建筑装饰工程4.4.4 铝酸盐水泥（1）定义与代号定 义：以铝矾土和石灰石为原料，经煅烧制得的以铝酸 钙为主要成分的熟料，再磨制成的水硬性胶凝材料。代 号：CA为铝酸一钙（简写CA）、二铝酸一钙（简写CA2

27、） ，以及少量硅酸二钙（C2S）及其他的铝酸盐 （2）分 类CA50 50%Al2O3 60% CA60 60% Al2O3 68% CA70 68% Al2O3 77% CA80 77% Al2O3 注意：种类的划分与其强度无直接关系。（3）特点与应用 铝酸盐水泥凝结硬化速度快 1d强度可达最高强度的80%以上，主要用于工期紧急的工程，如国防、道路和特殊抢修工程等。 铝酸盐水泥水化热大，且放热量集中 1d内放出的水化热为总量的70%80%，使混凝土内部温度上升较高，即使在10下施工，铝酸盐水泥也能很快凝结硬化，可用于冬季施工的工程。 抗硫酸盐腐蚀能力强 铝酸盐水泥在普通硬化条件下，由于水泥石中不含铝酸三钙和氢氧化钙，且密实度较大，因此具有很强的抗硫酸盐腐蚀作用。 铝酸盐水泥具有较高的耐热性 如采用耐火粗细骨料（如铬铁矿等）可制成使用温度达1