胶凝材料――水泥

1、3水泥教学内容：.本章以硅酸盐水泥为重点，阐述了常用六大品种水泥的组成、特性、质量标准及适用 范围；并概括介绍了其他品种水泥。教学目的：了解常用（硅酸盐）水泥的生产工艺掌握水泥的矿物组成及特性掌握常用（硅酸盐）水泥的技术性质和质量要求掌握影响水泥凝结与硬化的因素掌握影响凝结时间、强度、体积安定性、水化热的因素掌握引起水泥石腐蚀的原因及防止措施掌握常用水泥品种的特点，能根据工程要求合理选择、使用水泥了解其他水泥的特点教学重点：常用（硅酸盐）水泥的特性影响常用水泥性能的因素常用（硅酸盐）水泥的选用教学难点：常用（硅酸盐）水泥的特性影响常用水泥性能的因素常用（硅酸盐）水泥的强度检验方法及评定教学方法

2、：在课堂讲清水泥矿物组成的水化特性的同时，通过案例讨论使学生理解水化产物与性能 的关系；以混凝土施工现场养护的措施，分析水泥石的性能与水泥的矿物组成、龄期、外部 环境等的关系；通过案例教学使学生掌握根据工程要求合理选择、使用水泥方法、思路。 参考资料：1.土木工程材料湖南大学等中国建筑工业出版社2.结构工程材料覃维祖清华大学出版社3.建筑工程材料刘祥顺中国建筑工业出版社4.作业布置:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥技术标准P27 1、 2、 3、 4补充作业：1、2、3、4、5、6、7教学过程设计: 3.1概述定义：水泥，指加水拌和成塑性浆体后，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

3、性胶凝材料。水泥的分类按矿物组成：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和性质：通用水泥：硅酸盐水泥P. I 0%P. II5%普通硅酸盐水泥P.O5 15%矿渣硅酸盐水泥P.S20 70%火山灰硅酸盐水泥P.P2050%粉煤灰硅酸盐水泥P.F2040%复合硅酸盐水泥P.C15 50%专用水泥：道路水泥、砌筑水泥、油井水泥、大坝水泥特种水泥：膨胀水泥、快硬水泥、防辐射水泥、抗硫酸盐水泥、白色硅酸盐水泥3.2硅酸盐水泥定义：凡由硅酸盐水泥熟料，05%石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨成细 粉制成的水硬性胶凝材料，成为硅酸盐水泥，并按掺合料的多少分为P.I和P.II型。硅酸盐水泥熟

4、料：指以适当成分的生料烧制部分熔融，所得的以硅酸钙为主 要成分的产物，简称熟料。原材料石灰质：有石灰岩、白垩、凝灰岩等，主要提供CaO；粘土质：有各种粘土、黄土等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3。校正原料：铁矿粉、硅质原料、铝矶土等。3生产工艺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。简称“两磨一烧”：按生料的制备方法分：湿法和干法。湿法是将原料配好后，加水湿磨成含水约35%40%的生料浆，经 校正成分，搅拌后入窑煅烧。该法的优点是生料成分

5、均匀，控制精确，产品 质量高；缺点是能耗大。干法是将原料烘干，配制后研磨成生料粉入窑煅烧。由于干法比湿 法产量高，且节约能源，所以是目前的常用方法。(窑外预分解)按煅烧水泥所用的窑的类型分：回转窑和立窑。现立窑已经被限制使 用。煅烧过程经历干燥、预热、分解、烧成、冷却阶段，产生一系列物理一化学变 化。温度的重要性：当温度从1300C升到1450C，再降至1300C，即烧 成阶段。这时铝酸三钙及铁铝酸四钙烧至部分熔融，出现液相，将所剩的氧 化钙和硅酸二钙溶解，硅酸二钙在液相中吸收氧化钙形成最重要的硅酸三钙。这一步是关键，须保持温度和时间，否则游离氧化钙会影响水泥质量。硅酸盐水泥熟料的矿物组成及矿

6、物成分的水化反应水泥的质量主要取决于熟料的质量，优质的熟料应具有合适的矿物组成和岩 相结构。矿物组成：硅酸三钙，C3S; 硅酸二钙，C2S; 铝酸三钙，c3a: 铁铝酸四钙；C4AF;还有少量的CaO、MgO、SO3及碱(K2O, Na2O)等有害成分。矿物成分的水化反应C3S+H2O-C-S-H(C3S2H3) + Ca(OH)2C2S+H2OC-S-H+Ca(OH)2C3A+H2OYAH6C4AF+H2O-C3AH6(水化铝酸钙) + CFH(水化铁酸钙)在上述水化反应进行的同时，水泥熟料磨细过程中掺入的石膏也参与了化学 反应：3(CaSO 2H O) + C AH r 3CaO Al O

7、 3CaSO 31H O42362 342水泥水化产物有：水化硅酸钙70%、水化铁酸钙凝胶；氢氧化钙20%、水化 铝酸钙、水化硫铝酸钙7%晶体。5硅酸盐水泥的凝结硬化凝结硬化的机理：凝结定义：水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性， 但不具有强度的过程。硬化定义：水泥浆产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石一一水泥石，这一 过程称为水泥的“硬化”。凝结的产生：当水泥和水拌和后，在水泥颗粒表面即产生水化反应，水化产物 立即溶于水中，这时，水泥颗粒又暴露出一层新的表面，水化反应继续进行。由 于各种水化产物溶解度很小，水化产物的生成速度大于水化产物向溶液中扩散速 度，所以很快使水泥颗

8、粒周围液相中的水化产物浓度到达饱和或过饱和状态，并 从溶液中析出，成为高度分散的凝胶体，随着水化作用继续进行，凝胶体不断增 加，游离水不断减少，水泥将逐渐失去塑性，即出现凝结现象，但此时尚不具有 强度。硬化的产生：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Ca(OH)2晶体，水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶 体中，逐渐形成为具有一定强度的水泥石，从而进入硬化阶段。随着凝胶体膜层的逐渐增厚，水泥颗粒内部的水化愈来越困难，经过长时间 (几个月甚至若干年)的水化以后，除原来极细的水泥颗粒外，多数颗粒仍存在 尚未水化的内核。所以，硬化后的水泥石是由凝胶体(凝胶和

9、晶体)、未水化的水 泥颗粒内核和毛细孔组成，它们在不同时期相对数量的变化，使水泥石的性质随 之改变。影响水泥凝结硬化的主要因素矿物组成是最重要的内在因素，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变 化。石膏作用：缓凝作用：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（钙矶石）， 钙矶石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面形成保护膜，从而阻碍了 C3A的 水化，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结。改善性能：提高早期强度，降低干缩变形，改善耐久性、抗渗性等 激发剂作用：活性混合材激发剂。掺量：石膏的掺量必须严格控制，适宜的石膏掺量主要取决于水泥中的c3a的含量和 石膏中的SO3含量。石

10、膏的掺量一般为水泥质量的3%5%。按SO3计不超过 3.5%（矿渣水泥4%）。石膏掺量过高，将使水泥发生安定性不良。水泥细度在矿物组成相同的条件下，水泥的细度越细，与水接触时水化反应表面积越 大，水化反应产物增长越快，水化热较多。环境温度、湿度温度提高f水化反应变快f凝结硬化变快，强度增长快；过高也不利温度降低f水化反应变慢f凝结硬化变慢，强度增长慢。湿度不够f水化反应慢，甚至停止。水泥水化时应注意养护。（保持环境的温度和湿度，使水泥石强度不断增长 的措施称为养护。）时间一龄期水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，与此同时，强度不断增长。只 要温度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干年。硅酸

11、盐水泥的技术性质（1）细度1）水泥细度的重要性：水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用是至关重要的。水泥的颗粒一般为7200 m，一般认为，水泥颗粒在40M m以下，水泥具有较 高的活性。颗粒越细，与水起反应的表面积越大，水化反应越快、越充分，早期 强度和后期强度强度都较高，但收缩也较大，且耗能多、成本高。2）水泥的细度测试方法：0.080mm筛余量。比表面积，硅酸盐水泥的比表面积一般为317350m2/kg。（2）标准稠度需水量1）定义：水泥加水调制到某一规定稠度的净浆时所需拌合用水量。2）作用：国家标准规定水泥的凝结时间和安定性必须使用“标准稠度”的 水泥浆。因此，标准稠度需水量关系到测试的结果。

12、硅酸盐水泥的标准稠度需水 量一般为21 %28%。3）测定方法：固定用水量法（P = 33.4-0.185S）、调整用水量法4）影响因素：矿物组成：C3A需水量最大，C2S需水量最小；细度； 32混合材料种类及掺量等。（3）凝结时间凝结时间分为初凝时间和终凝时间。（1）初凝时间：加水拌和到浆体失去塑性所需的时间。一般不能早于45min。过短影响施工。（2）终凝时间：加水拌和到完全失去塑性，开始产生强度所需的时间。一 般不能迟于390min。过长影响强度的增长和后续工作的开展。（3）假凝：（4）体积安定性定义：水泥体积安定性是水泥硬化后因体积膨胀而产生变形的性能。原因：造成水泥安定性不良的原因有

13、三个，相应的测试方法也不相同：（1）游离氧化钙过多，主要是生成氢氧化钙产生膨胀，检测方法为沸煮法。（2）游离氧化镁过多，主要是生成氢氧化镁产生膨胀，检测方法是压蒸。（3）三氧化硫超标，主要是生成钙矶石膨胀，检测方法是长期浸水。后两者出厂化学分析检验：MgO5%，SO 3.5;（5）强度3强度是评价水泥质量最重要的指标。1）影响强度的因素：水泥矿物组成；细度；石膏掺量；龄期；环境温度和湿度；水灰比、试验条件和试验方法等。2）测试指标：主要测试3d和28d抗压强度和抗折强度。根据该强度将水泥 分为 42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R。R 表示早强。（3）测试方法：胶砂

14、尺寸、标准砂、成型一养护一测强一数据处理（6）水化热1）定义：水泥矿物在水化反应中放出的热量。大部分水化热是在水化反应 初期。2）影响因素：主要取决于熟料的矿物组成、水泥细度。通常强度等级高， 水化热大；凡可以起到促凝作用的均可提高水化热；反之，凡能延缓水化作用的 因素，均可以降低早期水化热。3）利弊：水化热对大体积混凝土工程不利，应使用水化热低的水泥，或减 少水泥用量。对采用蓄热法施工的冬期混凝土工程有利，水化热有助于水化并提 高早期强度。硅酸盐水泥的性能特点与应用（1）凝结硬化快，早期及后期强度均高，适用于有早强要求的工程，（如冬季施 工、预制、现浇等工程），高强度混凝土工程（如预应力钢筋

15、混凝土，大坝溢流 面部位混凝土）。（2）抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。（3）耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。（4）水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。（5）抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对 钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。（6）耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工 程。（7）耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。7.水泥石的腐蚀（1）定义：水泥是在外界侵蚀性介质（软水、含酸、含盐水溶液等）作用下， 结构受到破坏，强度降低的现象称为水泥石的侵蚀。水泥

16、石的腐蚀是外界因素（侵 蚀性介质）通过水泥石中某些组分（氢氧化钙、水化铝酸钙等）而起到破坏作用 的。（2）腐蚀的类型1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）Ca（OH）2的溶解，使水泥石变得疏松。碱性降低，导致其它水化产物的分解 溶蚀，最终使水泥石破坏。2）溶解性化学腐蚀碳酸水的腐蚀：Ca（OH） + CO + H O = CaCO + 2H O CacO + cO + H O o Ca（HCO ）盐酸等一般酸的腐蚀223 22HC1 + Ca（OH） = CaCl + 2H O镁盐等的腐蚀：222匕 / MgC12 + ：a（OH）2 = CaC12 + Mg（OH）2H SO + Ca（OH） = Ca

17、SO 2H O3（CaSO 2H O）2+ 3C4aO Al O2 6H O ；3CaO Al O 3CaSO 31H O 4 2. ， . 、 2 3_ . 2. 一 、 2. 3、.一,4 2 生成的二水石膏在水泥石孔隙中结晶产生膨胀；水化硫铝酸钙，体积膨胀1.5倍，对水泥石产生严重破坏作用。（3）水泥石腐蚀的原因及防腐蚀措施1）水泥石腐蚀的原因侵蚀性介质以液相形式与水泥接触并具有一定的浓度和数量；水泥石中存在有引起腐蚀的组分氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥中本身结构不密实，有一些可供侵蚀性介质渗入的毛细孔道。2）防腐蚀的措施根据环境条件合理选择水泥品种提高混凝土密实度，减少侵蚀性介质渗入水泥石

18、内部的通道，可以有 效地减轻侵蚀在混凝土的外表面加覆盖层，隔离侵蚀性介质与水泥石接触。3.3掺混合材的硅酸盐水泥.水泥用混合材料1）定义：在生产硅酸盐水泥的过程中，为了改善水泥的性质，调节水泥强 度而加入水泥中的人工或天然矿物材料，称为水泥混合材料。目的：可以达到改善水泥性能、调节水泥强度、增加水泥品种、提高水 泥产量、降低水泥成本的目的。火山灰活性：混合材料磨成细粉并与石灰或石膏混合均匀，用水拌和后， 在常温下可生成具有水硬性的水化物，这称为混合材料的火山灰活性。2分类：非活性混合材料主要起填充作用，可调节水泥强度，降低水化热及增加水泥产量等。主要有 磨细石英砂、石灰石、粘土、缓冷矿渣等。活

19、性混合材料主要化学成分为活性二氧化硅、活性氧化铝。本身与水不起化学反应，但在 有激发剂(硫酸盐或碱性)的情况下，能发生水化反应，生成具有水硬性的水化 硅酸钙和水化铝酸钙。主要品种有：粒化高炉矿渣、火山灰质、粉煤灰等。A粒化高炉矿渣炼铁时为使铁矿石易熔加入石灰石作溶剂，高温下氧化钙与铁矿石中的黏土 矿物生成硅酸盐与铝酸盐矿物，浮于铁水表面，排出用水急冷成为颗粒状、质地 疏松、多孔的粒化高炉矿渣，又称水淬高炉矿渣。其玻璃体含量达80%以上， 其矿物成分为硅酸钙，与水泥熟料矿物成分相似，差别是钙含量低、硅含量高。B火山喷发时形成的一系列矿物材料统称为火山灰质混合材料，包括浮石、 火山渣(灰)、凝灰岩

20、等。还有一些天然材料或工业废渣，由于其成分与火山灰 材料相似，也称为火山灰质混合材料，如烧粘土、粉煤灰、自燃煤砰石、硅藻土 (石)等。按化学成分和活性来源将火山灰质混合材料分为三类：含水硅酸质材料：以SiO为主要活性成分，含有结合水，如硅藻土、 蛋白石和硅质渣等。与石灰反应能力强，活性好，但需水量大、干缩大。铝硅玻璃质材料：以SiO和AlO为主要活性成分，如火山灰、凝灰岩、 浮石和粉煤灰等。活性大小与化学成分、2冷却速度有关。烧粘土质混合材料：以A12O3为主要活性成分，如烧粘土、煤渣、自燃 煤砰石等.C粉煤灰是火力发电厂以煤粉作燃料，燃烧后收集起来的粒径为150 “m的极细灰渣颗粒，呈玻璃态

21、实心或空心球状，由于其主要活性成分为SiO2 和Al O所以也把粉煤灰划归为火山灰质混合材料。属铝硅玻璃质。洁性混合材的水化在常温下，活性混合材料与水拌合后.本身不会硬化或硬化极为缓慢，强度 很低。但在Ca(OH)的饱和溶液中，会发生显著的水化作用，生成具有水硬性的 水化硅酸钙和水化铝(OH)j-FSiOj-FrHjO oaO * SiOz , (x-Fn)H2O3?Ca(OH)3+A12O3+wH2O3X2aO A12O3 , (+w)H2O式中：弋、)值随混合材料的种类、Ca(OH) 2和活性SiO2的比率、环境温度及 作用时间的变化而变化，一般为1或稍大，n、m值一般为、2.5。当有石膏

22、存在时.石膏可与上述反应生成的水比铝酸钙进一步反应生成水硬 性的水化硫铝酸钙；氢氧化钙或石膏的存在是活性混合材料的潜在活性得以发挥的必要条件，故 称之为活性混合材料的激发剂。氢氧比钙称为碱性激发剂，石膏称为硫酸盐激发 剂。活性混合材料的水化速度较水泥熟料慢，且对温度敏感、高温下水化速度明 显加快，强度提高；低温下，水化速度很慢，故活性混合材料适合高温养护。作用（1）水泥混合材（2）混凝土掺合料掺混合材料的硅酸盐水泥水化特点掺混合材料水泥及混合材料掺量水泥品种掺入混合材品种掺量（%）简写矿渣硅酸盐水泥矿渣20 70P.S火山灰硅酸盐水泥火山灰20 50P.P粉煤灰硅酸盐水泥粉煤灰20 40P.F

23、复合硅酸盐水泥两种及两种以上15 50P.C普通硅酸盐水泥混合材掺量少，各项性能与硅酸盐水泥相比略低。其他4种水 泥的性能由于混合材掺量大，有其共性，品种不同又有各自特点。1）共性（1）凝结硬化慢、早期强度低，后期强度增长快一混合材料的二次反应。（2）对温度敏感、适合蒸养（3）水化热低。熟料含量降低（4）耐侵蚀性好。二次反应消耗了易被侵蚀的氢氧化钙。火山灰质中A12O3为主的耐腐蚀性差（5）抗冻性差、耐磨性差。需水量大，孔隙多（6）抗碳化性差。氢氧化钙少2）个性（1）矿渣硅酸盐水泥：易泌水，耐高温。（2）火山灰硅酸盐水泥：需水量大，干缩大，不宜用于干燥环境，抗渗性好。（3）粉煤灰硅酸盐水泥：早

24、期强度很低，需水量小，干缩小，抗裂性好。3）应用以具体的工程实例在选择水泥时要考虑的问题分析，环境、结构特点与选择水泥品种的关系。水泥在土木工程中的应用水泥在砂浆和混凝土中起胶结作用。正确地选择水泥品种，严格质量验收， 妥善运输与储存等是保证工程质量、杜绝质量事故的重要措施。水泥品种的选择原则（1）根据使用环境条件选择：侵蚀性介质条件下：矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥等。强侵蚀性介质条件：抗硫酸盐硅酸盐水泥等。（2）按工程特点：1）大体积混凝土工程：中低热水泥、掺混合材水泥2）有早强要求的工程：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥3）高温工程：铝酸盐水泥、矿渣水泥4）抢修工程：快硬硫铝酸盐水

25、泥、快硬硅酸盐水泥、快凝块硬硅酸盐水泥（3）按混凝土所处部位选择水泥品种：1）经常遭受水冲刷的混凝土、水位变化区的外部混凝土构筑物的溢流面等： 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥，避免使用火山灰水泥2）位于水中或水下部位的混凝土、采用湿热养护的混凝土：矿渣水泥、火山 灰水泥、粉煤灰水泥水泥强度等级的选择原则高强度等级水泥适用于要求高强度等级的混凝土或要求早强的混凝土；低强 度等级水泥适宜于、配制低强度等级的混凝土或砌筑砂浆。3.4铝酸盐水泥铝酸盐水泥是一类快硬、高强、耐腐蚀、耐热的水泥，又称为高铝水泥。它 以石灰岩和矶土为主要原料，配制成适当成分的生料，烧至全部或部分熔融所得 的以铝酸

26、钙为主要矿物的熟料，经磨细而成的水硬性胶凝材料。.主要矿物组成（1）铝酸一钙，CA。其特点是凝结不快，而硬化迅速，为铝酸盐水泥强度 的主要来源。早强高，但后期增长缓慢（2）二铝酸一钙，CA2。其特点是凝结硬化慢，后期强度较高，但早期强 度却很低。（3）其次还有凝结迅速而强度不高的七铝酸十二钙，以及凝胶性差的铝方 柱石。.水化反应及水化产物（1）CA和CA的水化反应随温度的不同可形成性能差异很大的水化产物。/CAH1。30P水化产物中，c3ah；属于立方晶系，常有很多晶体缺陷，故强度较低，因 而铝酸盐水泥不宜在高于30C的条件下养护。在较低温度下形成的CAH10和 c2ah8均属于六方晶系，其晶体呈片状或针状，互相交错攀附，重叠结合，可形 成坚强的结晶合生体，使水泥石具有很高的强度。加之氢氧化铝胶体填充于晶体 骨架的孔隙，从而形成了十分致密的结构。铝酸盐水泥水化产物的结合水量可达 水泥重量的50%，远高于硅酸盐水泥水化产物的结合水量（约25%），而这种结 合水呈固相，这也是铝酸盐水泥石结构致密的原因之一。.铝酸盐水泥的技术性能.化学成分按氧化铝含量分为四类：CA50、CA60、CA70、CA 80。碱是该水 泥的有害成分，故其含量被限制。.物理性能细度：以0.045mm筛余控制。凝结时间：与硅酸盐水泥显