第5章 水泥2课件

水泥的原材料与生产水泥的化学组成水泥的水化和产物水泥的凝结硬化水泥石的微观结构石灰石、粘土及其他四种主要成分水化方程四个阶段固相组成，孔组成，水C3SC2SC3AC4AF影响因素初始反应期潜伏期凝结期硬化期熟料组成、细度、石膏掺量、水灰比、养护时间、温度与湿度硅酸盐水泥的基本特性（1）细度定义：细度是指水泥粉体的粗细程度。测量方法筛分析法：80m方孔筛的筛余量百分数；比表面积法：1kg水泥颗粒所具有的总表面积。国标要求硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。普通水泥80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%。细度不符合要求的水泥为不合格品！8硅酸盐水泥的技术要求国家标准GB175-2007《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》问题：为什么需要规定水泥的细度？水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度快，水泥收缩大，对水泥石性能不利；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。（2）凝结时间定义：

凝结时间—水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝时间：从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间：从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。测定方法：用标准稠度的水泥净浆，在规定的温度和湿度下，用凝结时间测定仪来测定。国标要求：硅酸盐水泥初凝时间≥45min；终凝时间＜390min。水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量；初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用价值，即为废品；终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即为不合格品。国标规定：凡初凝时间不符合规定的水泥为废品；终凝时间不符合规定的水泥为不合格品。为什么？水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化是否均匀的性质。若水泥石的体积变化均匀适当，则体积安定性良好；若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。（3）体积安定性国家标准（GB/T1346）规定：游离CaO－雷氏法（平均膨胀值不大于5.0mm)试饼沸煮法（合格）游离MgO－压蒸法引起的（MgO含量不超过5.0%）石膏－长期浸水法(SO3含量不超过3.5%）

水泥体积安定性不良的原因：水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍，造成水泥石开裂、翘曲。石膏量过多，在水泥凝结硬化后，石膏继续与固态的水化铝酸钙反应，生成钙钒石，产生膨胀，体积增大1.5倍。

水泥强度是指水泥胶结能力的大小，用硬化一段龄期的水泥胶砂强度来表示。GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》：试件尺寸：4040160mm 棱柱体；胶砂配比：水泥:ISO标准砂:水=1:3:0.5；振动成型：在频率为2800~3000次/min，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间120s。试件养护：在20C1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中24h，然后脱模在20C1C的水中养护至测试龄期。（4）强度硅酸盐水泥各龄期强度要求(GB175-2007)强度等级抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)3d28d3d28d42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥42.5≥4.0≥6.552.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥52.5≥5.0≥7.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥62.5≥5.5≥8.0（5）水化热水化热是指水泥水化时放出的热量。以kJ/kg来表示。主要指标：放热总量与放热速度。影响因素：熟料的矿物组成、水泥的细度（越细放热速度越快），混合材料和外加剂的品种及数量。例：PO42.5水泥1d水化热为188kJ/kg，3d水化热为231kJ/kg，假设每立方米混凝土用300Kg水泥，混凝土的密度为2400kg/m3，比热容为0.96kJ/(kg·℃)。求混凝土1d和3d的绝热升温。结果：24.4℃和30.1℃。水化热对工程的影响水化热积聚在内部不易散发出去，内部温度常升高到50～60℃以上，内部和外部的温度差所引起的应力，可使混凝土产生裂缝，因此水化热对大体积混凝土是有害因素。在大体积混凝土工程中，不宜采用硅酸盐水泥，应采用低热水泥。若使用水化热较高的水泥施工时，应采取必要的降温措施。冬季混凝土施工－水化热有利于水泥的水化和混凝土早期强度的发展。

水泥质量的判定

技术性质不符合要求细度不合格品凝结时间（初凝）废品（终凝）不合格品体积安定性废品强度不合格品或降低等级水泥石腐蚀性破坏外因：

环境中腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等水泥石腐蚀性破坏内因：水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供了通道；水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等；9硅酸盐水泥的腐蚀与防腐蚀水泥的腐蚀是指水泥石在外界侵蚀性介质作用下，结构受到破坏、强度降低的现象。（1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）侵蚀机理：软水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙。在流动水或压力水作用下，氢氧化钙不断溶解流失，一方面产生大量孔隙，另一方面降低了水泥石的碱度。由于水泥水化物需要在一定的碱性环境下才能保持稳定，氢氧化钙的溶出导致其他水化物的分解溶蚀，最终致使水泥石破坏。破坏形式：水化物的分解、溶失，造成水泥石密实度下降，孔缝增多、强度降低，直至整体破坏。防止措施：混凝土预先在空气中放置一段时间，使水泥石中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳和水作用，生成一层碳酸钙外壳，可减轻软水腐蚀。（2）盐类侵蚀（硫酸盐，镁盐）硫酸盐的侵蚀硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸钙再与水泥石中未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石，其体积增加1.5倍以上，引起水泥石的破坏。如果硫酸钙浓度较高，可直接在孔隙中直接结晶为二水石膏，产生明显的体积膨胀，引起破坏。钙矾石水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂镁盐的腐蚀

镁盐主要为硫酸镁和氯化镁，他们与氢氧化钙反应，生成氢氧化镁和硫酸钙或氯化钙。MgSO4+Ca(OH)2——CaSO4.2H2O+Mg(OH)2MgCl2+Ca(OH)2——CaCl2+Mg(OH)2生成的氢氧化镁松散且无胶凝性能，氯化钙易溶于水，二水石膏将引起硫酸盐的侵蚀。因此镁盐对水泥石的侵蚀是双重腐蚀。碳酸腐蚀－工业污水、地下水中含有较多的二氧化碳，可通过二次反应造成水泥石的破坏。

Ca(OH)2+CO2+H2O——CaCO3+2H2OCaCO3+CO2+H2O→←Ca(HCO3)2一般酸的腐蚀－废水、地下水等水质中中含有的无机酸对水泥石的破坏

HCl+Ca(OH)2——CaCl2+2H2OH2SO4+Ca(OH)2——CaSO4·2H2O（3）酸类侵蚀水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落（4）强碱类侵蚀水泥中的铝酸盐含量较高时，遇到强碱（如氢氧化钠）作用后也可能比侵蚀而破坏。3CaO·Al2O3+6NaOH=3Na2O·Al2O3+3Ca(OH)2铝酸钠易溶于水。另外水泥石被氢氧化钠浸透后再干燥时，容易与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钠，在水泥石毛细孔中结晶膨胀，最终造成水泥石结构被涨裂。（5）防止水泥石侵蚀的措施根据腐蚀原理和不同的腐蚀环境采取不同的措施。根据工程的使用环境特点，合理选择水泥品种，或适当掺加混合材料，减少可腐蚀物质的浓度，可提高水泥石对各种侵蚀的抵抗能力。提高水泥石的密实度，采取措施（如降低水灰比、掺加外加剂等）减少水泥石结构的孔隙率，特别是提高表面的密实度，阻塞腐蚀介质渗入水泥石的通道。在水泥石结构的表面设置保护层（如涂料、贴面等致密的耐腐蚀层），隔绝腐蚀介质与水泥石的联系。小结物理力学性能细度体积安定性强度水化热耐久性能软水腐蚀盐类腐蚀酸类腐蚀强碱腐蚀施工性能凝结时间为了满足土木工程应用的要求，水泥需具备三方面的性能(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），高强度混凝土工程（如预应力钢筋混凝土）。(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(水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量多)。(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。硅酸盐水泥的性能特点与应用硅酸盐水泥熟料＋石膏＋＋＋＋＋6~15%混合材普通硅酸盐水泥20~70%矿渣矿渣硅酸盐水泥20~50%火山灰火山灰硅酸盐水泥20~40%粉煤灰粉煤灰硅酸盐水泥16~50%两种混合材复合硅酸盐水泥§4.2硅酸盐系通用水泥掺混合材料水泥的代号水泥品种组成特点代号普通水泥6％～15％的混合材P·O矿渣水泥20～70％矿渣P·S火山灰水泥20～50％火山灰P·P粉煤灰水泥20～40％粉煤灰P·F复合水泥15～50％两种混合材P·C石灰石水泥11％～25％的石灰石P·L水泥混合材料是指在水泥生产过程中，为改善性能、调节强度等级所加入的天然或人工矿物材料。通常可分为活性混合材料和非活性混合材料。混合材料的作用：填充作用，调节强度等级、节省能源、降低成本、增加产量、降低水化热等。1水泥混合材料与水泥矿物成分或水化产物不发生化学反应或化学反应很弱的混合材料，为非活性混合材料。常见的有：磨细石英砂；石灰石粉；粘土；慢冷矿渣（1）非活性混合材料火山灰活性：材料细粉单独不具有水硬性，但是在常温下与石灰一起和水拌和后，能生成水硬性化合物的性能。活性混合材料：具有火山灰活性或潜在水硬性的材料，如粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等，主要化学成分为活性氧化硅和活性氧化铝。这些材料本身不会发生水化反应，不产生胶凝性，但在氢氧化钙或石膏等溶液中，它们却能产生明显的水化反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙。（2）活性混合材材料

掺混合材料的硅酸盐水泥水化时，水泥熟料首先水化产生氢氧化钙，氢氧化钙再与活性混合材料中的活性氧化硅和活性氧化铝反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙。因此这一反应也称为“二次反应”。二次反应的重要意义：第一，混合材料水泥的早期强度低，后期强度高，这是因为混合材料的二次反应发生在后期。第二，混合材料的水化产物中氢氧化钙含量少，因此其对软水、海水、硫酸盐的腐蚀具有更强的抵抗能力。掺加粉煤灰的水泥石中Ca(OH)2的含量常用活性混合材料高炉矿渣是高炉炼生铁时所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后成为粒化高炉矿渣。经水淬的高炉矿渣呈疏松多孔玻璃体结构，其中的硅酸基团和铝酸基团具有较高的活性。粒化高炉矿渣火山灰具有火山灰活性的天然或人工矿物材料称为火山灰质混合材料。火山灰质混合材料中含有较多的活性SiO2和活性Al2O3。常用的天然火山灰材料：火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土；人工火山灰材料有：煤矸石、烧页岩、煤渣等。粉煤灰粉煤灰是从火力发电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末，其主要活性组分是含活性SiO2和Al2O3的空心玻璃微珠。粉煤灰和粉煤灰陶粒2普通硅酸盐水泥

凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主的水泥熟料加入6-15%的混合材料和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P·O。普通硅酸盐水泥的组成与硅酸盐水泥非常相似，因此其性能也与硅酸盐水泥相似。普通硅酸盐水泥应用范围和硅酸盐水泥相同。广泛应用于混凝土和钢筋混凝土。普通硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。普通硅酸盐水泥的主要性能特点如下：（1）比硅酸盐水泥早期强度略低，后期强度高。（2）比硅酸盐水泥水化热略低。（3）抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强，但是较硅酸盐水泥略差。（4）比硅酸盐水泥抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。（5）耐磨性、耐热性能较好，但是较硅酸盐水泥略差。3矿渣硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和20-70%的粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥，其代号为P·S。4火山灰质硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和20-50%的火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号P·P。5粉煤灰硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和20-40%的粉煤灰及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥），代号P·F。三种水泥的共同特点：（1）凝结硬化速度慢。（2）早期强度低，后期强度高。（2）对温度敏感，适宜于高温养护。（3）水化热较低，放热速度慢。（4）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力。（5）抗冻性、耐磨性差。三种水泥的各自特点：（1）矿渣水泥和火山灰水泥干缩较大。（2）矿渣水泥耐热性较好。（3）粉煤灰水泥的干缩较小，抗裂性较好。五种常用水泥的主要性能特性

品种P·ⅠP·

ⅡP·OP·SP·PP·F水化热高低凝结时间快较快较慢，低温下尤甚强度发展早期强度高早期强度较高早期强度低，但后期强度可等于同标号硅酸盐水泥抗硫酸腐蚀较差较强当SiO2多时，抗硫酸盐腐蚀性好当AlO3多时，抗硫酸盐腐蚀性差抗冻性好较差干缩性小较大大较小保水性较好差好差蒸养适应性不宜高于60～80℃好§4.3专用水泥和特种水泥特种水泥－为了满足紧急抢修工程、冬季施工、加固结构、建筑装饰、海工和地下工程的特殊要求，所生产的具有某种比较突出性能的水泥，称特种水泥。如快硬水泥、抗硫酸盐水泥、膨胀水泥、铝酸盐水泥等。专用水泥－适应专门用途的水泥，如道路水泥、低热大坝水泥、油井水泥、砌筑水泥等。1铝酸盐水泥定义－以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料磨制的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥。代号CA。矿物组成：铝酸一钙(CaO.Al2O3，简写为CA)，含量可达50-70％，二铝酸一钙（CaO.2Al2O3，简写为CA2），其他铝酸盐以及少量的硅酸二钙C2S。分类（铝酸盐水泥按Al2O3含量百分数分为四类）：CA-5050%≤Al2O3＜60%CA-6060%≤Al2O3＜68%CA-7068%≤Al2O3＜77%CA-8077%≤Al2O3铝酸盐水泥的水化和应换主要是铝酸一钙的水化和硬化。铝酸一钙的水化物组成与温度有关：T≤20CCA+10H2O—CAH10

20C≤T≤30C2CA+11H2O—C2AH8

30C≤T3CA+12H2O—C3AH6+2(Al2O33H2O)水化反应集中在早期，反应速度较快，早期强度增长快；水化物都是晶体，稳定性较差，容易发生相互间的转化，因而引起强度降低。铝酸盐水泥水化和硬化铝酸盐水泥的特点与应用（1）凝结硬化速度快，1d强度可达最高强度的80%。因此可用于工期紧急的工程，如国防、道路、抢修抢险。

（2）水化热大且放热集中，1d放出热量为总量的70-80%。可用于冬季施工，不适用大体积工程。

（3）普通条件下水化产物不含氢氧化钙和铝酸三钙，且密实度大，因此具有很强的抗硫酸盐腐蚀作用。

（4）有较高的耐热性。

（5）长期使用时强度等性能下降，长期强度下降可达40-50%，因此不可用于长期承重的结构。

（6）不可与硅酸盐水泥或石灰相混。组成特点：水泥中的氧化铁的含量低于水泥质量的0.5%。性能特点：外观为白色，按白度分为一级、二级和三级；技术要求与普通水泥同。应用特点：白水泥熟料与颜料、石膏共同磨细可制得彩色水泥；主要用于建筑室内外装饰等。2白色硅酸盐水泥组成特点：水泥熟料主要矿物——硅酸钙和铁铝酸钙国家标准规定，道路水泥中铝酸三钙含量不大于5.0％，铁铝酸四钙含量不小于16.0％，游离CaO含量不大于1.0％。性能特点：初凝时间较长，≥1h；抗折强度高；耐磨性好，磨损率≤3.60kg/m2；抗裂性好，28d干缩率≤0.10%；3道路硅酸盐水泥组成特点：熟料中C3S、C3A的含量较高，石膏的掺量略大（其中SO3≤4.0%）。性能特点：水泥的细度较细，凝结硬