第11章 胶凝材料-水硬性胶凝材料

内容提要： 主要介绍硅酸盐水泥的熟料矿物组成、水化硬化机理、影响水化的因素；硅酸盐水泥主要技术性质；水泥石的腐蚀和防止；同时介绍了其它掺混合材的水泥和装饰水泥的特性及应用，达到正确选择和使用水泥的目的。重点:水泥的性能和使用11.2水硬性胶凝材料

�

水硬性胶凝材料系指既能在空气中硬化,又 能在潮湿介质或水中继续硬化,并不断增进其 强度的一类材料，如硅酸盐水泥、铝酸盐水 泥、硫铝酸盐水泥等。�

水泥:凡细磨材料与水混合后成为塑性浆体，经一系列物理化学作用凝结硬化变成坚硬的石状体，并能将砂石等散状材料胶结成为整体的水硬性胶凝材料，通称为水泥。装饰工程中常用的水泥主要有白色水泥和彩色水泥，可以用他们配置装饰砂浆和装饰混凝土，或制水磨石、水刷石等。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：

通用水泥－硅酸盐系列的六大品种 专用水泥－道路水泥、大坝水泥、装饰水泥 特种水泥－膨胀水泥、快硬水泥

输水管内径6.6m外径7.5m2008-9-5材料工程系9美国加州引水渠正在建设中的三峡大坝挪威的海上石油钻井平台一、硅酸盐水泥生产原材料 1、原料：１）石灰质原料２）粘土质原料主要提供CaO，主要提供SiO2、Al2O3

以及Fe2O3。3）校正原料 补充两种原料中所缺少的铁或硅。材料:铁矿石、黄铁矿渣、砂岩等。11.2.1硅酸盐水泥的生产２.硅酸盐水泥生产工艺概述1)把几种原材料按适当比例配合，在磨机中磨成生料；

2)将制备好的生料入窑进行煅烧，烧至1450℃左右生成以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥“熟料”；3)为调节水泥的凝结速度，在烧成的熟料中加入适量的石膏共同磨细，即为硅酸盐水泥。因此，硅酸盐水泥生产工艺概括起来为“两磨一烧”。熟料Ⅰ型水泥生料粘土

石膏石灰石

煅烧1450℃

配料磨细磨细铁矿粉

硅酸盐水泥生产工艺示意图CaOSiO2,Al2O3,Fe2O3水泥厂照片二、硅酸盐水泥的组成材料１．硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成

硅酸三钙3CaO·SiO2，简式为C3S，37%～60％;硅酸二钙2CaO·SiO2，简式为C2S，15%～37％;铝酸三钙3CaO·Al2O3，简式为C3A，7%～15％;铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3，简式为C4AF，10%～18％。以上四种矿物C3S和C2S占总含量的70%以上，因此称为硅酸盐水泥。2、石膏水泥与水相遇会瞬凝，无法施工。掺入石膏可以起缓凝作用。石膏掺量过少起不到缓凝作用，掺量过多又会有促凝效果。因此要控制好掺量。3、混合材料矿物组成硅酸三钙 C3S硅酸二钙 C2S铝酸三钙 C3A铁铝酸四钙 C4AF与水反应速度中慢快中水化热中低高中对强度的作用早期高低高高后期高高低低耐化学侵蚀中良差优干缩性中小大小硅酸盐水泥主要矿物组成与特性三、水泥的水化、凝结、硬化•1、水化－水泥加水拌合后，水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应，生成水化产物并放出热量。•2、凝结－水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结。•3、硬化－此后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石），这一过程称为硬化。水泥＋水（流体）－可塑性浆体（塑性体）－水泥石(固体)水泥的水化示意图1水泥凝结硬化的过程就是：水泥的水化示意图2水泥的水化示意图3水化产物不断生成，各种颗粒连接成网，使水泥凝结水泥的水化示意图4随着水化的进行，水化产物数量不断增加，结构更加致密，强度不断提高。水泥水化产物•晶体－氢氧化钙20～25％ 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙（石膏作用下生成）•胶体－水化硅酸钙（C-S-H）50％ 水化铁酸钙

水泥石结构：未水化的水泥颗粒+水泥凝胶+毛细孔（含水）已水化的水泥浆里留下的孔隙 未水化水 泥颗粒四、影响硅酸盐水泥凝结硬化的因素1、水泥孰料的矿物组成2、水泥细度—越细反应速度越快3、用水量（水灰比）—越大，反应速度越快4、龄期（养护时间）5、环境温湿度（养护条件）6、石膏掺量—起缓凝作用，掺过少不起作用，会导致速凝。研究水泥凝结硬化的影响因素目的是为了能更好的调节水泥性能，和在混凝土中合理选用水泥。五、硅酸盐水泥的技术性质1、密度、细度•密度：3.05～3.20g/cm3，一般取3.1•堆积密度：1.3g/cm3•细度－指水泥颗粒的粗细程度，用筛余 或比表面积表示（300～350m2/kg），影响水泥的水化速度、收缩等性质粒径：<3µm水化非常迅速，需水量增大； >40µm水化非常缓慢，接近惰性。水泥标准筛(80mm方孔筛)体积安定性不良体积安定性检验（试饼法）体积安定性检验（雷氏夹法）C－A<5mm︱(C2－A2)－(C1－A1)︱<4mm 2.标准稠度及其用水量•国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定 性时需用“标准稠度”的水泥净浆。•标准稠度用水量——不同水泥达到标准稠度时所需的加水量。用水泥标准稠度测定仪测定。通常用水与水泥质量比（水灰比）表示，一般在21～28％。•影响因素－矿物成分、细度、混合材及掺量。净浆搅拌先加拌和水：120-150ml;水泥：500g（5-10s内加完）搅拌：低速120s停：15s高速:120s标准稠度用水量测定（标准法）释放试杆30s时读数：试杆离底板5～7mm的水泥浆为标准稠度水泥浆 3.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。•GB1346规定：t初≮45min t终≯6.5h4.体积安定性•定义－是水泥硬化后因体积膨胀而产生不均匀变形的性质。体积安定性不良的水泥应作废品处理。•原因： 熟料中含游离氧化钙（f-CaO）过多 熟料中含游离氧化钙（f-MgO）过多 掺入石膏过多（f-CaO）用沸煮法检验必须合格（试饼法和雷氏夹法）（f-MgO）：经压蒸安定性检验必须合格，<5%，允许放宽到6.0%。•三氧化硫(SO3):<3.5%，影响体积稳定性体积安定性不良体积安定性检验（试饼法）体积安定性检验（雷氏夹法）C－A<5mm︱(C2－A2)－(C1－A1)︱<4mm 5.水泥的强度与强度等级•水泥强度是表征水泥力学性能的重要指标。水泥 强度一般是指水泥胶砂试件单位面积上所能承受 的最大外力。•国标规定：将水泥、标准砂及水按比例1:3:0.5,用 规定方法制成40mm×40mm×160mm标准试件， 在标准条件下养护，测得3天和28天强度，根据28 天抗压和抗折强度将硅酸盐水泥分为:42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级(ISO法)。影响强度的因素主要有水泥的矿物组成、水泥细 度、水灰比、龄期、环境温度等。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

(GB175-1999) 6.水化热•定义－水泥水化时放出的热量。以J/kg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 水泥的细度－越细，放热速度越快 水泥的标号－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水化热对工程的影响•对大体积混凝土（高层基础、大坝等）， 由于混凝土是热的不良导体，水化热在混 凝土内的聚集造成内外温差过大（可达

50～70℃），内胀外缩的结果在混凝土产 生拉应力－使混凝土产生热裂缝；•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。桥梁的热裂缝

洞庭湖大桥

7、碱含量•碱(Na2O、K2O):<0.6%， 以Na2O＋0.658K2O计，超量造成碱骨料反 应破坏。主要在用于混凝土时，水泥中的碱与骨料中的活性成分在潮湿环境下缓慢反应，生成膨胀性物质，使混凝土开裂破坏。该反应非常缓慢，可持续几年，几十年。————碱骨料反应碱骨料反应引起的错位六、水泥石的腐蚀与防止•定义－水泥石在外界侵蚀性介质（软 水、含酸、含盐、含碱等）的作用下

结构受到破坏，强度降低的现象称为 水泥石的腐蚀。•表现形式： 体积膨胀－膨胀型腐蚀 体积收缩－溶出型腐蚀1.软水的腐蚀软水－重碳酸盐(HCO3)-含量比较低的水（如雨水、雪水、内陆河水、湖水）腐蚀机理：氢氧化钙及其他水化物的分解、溶解，导致水泥石孔隙增大，强度下降，以致全部溃裂防止措施：事先在空气中硬化成碳酸钙外壳，可防止溶出性侵蚀。2.酸类腐蚀•碳酸腐蚀－工业污水、地下水

•一般酸的腐蚀－工业建筑腐蚀机理：氢氧化钙与酸反应生成易溶于水的产物，加速氢氧化钙的溶蚀。碱度降低，强度下降。

酸性水对水泥石腐蚀的强弱取决于水中氢离子浓度，PH值越小，腐蚀就越强烈。3.盐类的腐蚀•硫酸盐腐蚀－膨胀腐蚀

二水石膏和钙钒石•镁盐腐蚀－Mg(OH)2松软无胶结能力。 MgSO4+Ca(OH)2——CaSO4.2H2O+Mg(OH)2

MgCl2+Ca(OH)2——CaCl2+Mg(OH)24.强碱腐蚀•硅酸盐水泥水化产物呈碱性，一般碱类溶液浓度 不大时不会造成明显损害。但铝酸盐含量较高时 遇到强碱会发生反应，生成的铝酸钠易溶于水。•3CaO·Al2O3+6NaOH—— 3Na2O·Al2O3+3Ca(OH)2•当水泥石被氢氧化钠浸透后又在空气中干燥，则 溶于水的铝酸钠会与空气中的CO2反应生成碳酸 钠。碳酸钠在水泥石毛细管中结晶膨胀，引起水 泥石疏松、开裂。膨胀裂缝硅酸盐水泥石腐蚀的原因1、水泥石内含有易引起腐蚀的成分2、水泥石本身不密实3、外界有腐蚀的介质存在硅酸盐水泥石腐蚀的防止1、根据环境，合理选择水泥品种。2、提高水泥石的密实度。3、加做保护层，加不透水的沥青层、涂料、塑料等。1、强度高，尤其是早期强度高2、抗冻性好3、碱度高、抗碳化能力强4、干缩小5、耐磨性好6、水化热高7、耐腐蚀性差8、耐热性差9、湿热养护效果差七、硅酸盐水泥的性能及应用性能：硅酸盐水泥的应用常用于：•重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程•要求凝结快的现场浇注的混凝土工程•冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程不宜用于：•受流动的软水和有水压作用的工程•受海水和矿物水作用的工程•大体积工程•耐热、耐酸工程八、硅酸盐水泥的储存•存放地点：防潮、防水•堆放高度：袋装一般不超过10袋•存放时间： 一般不超过三个月 超过六个月必须进行检验 先到先用，后到后用

九、水泥质量的仲裁•国家标准依据水泥各项质量指标控制的难易程度和对工程的危害程度，将水泥划分为废品、不合格品、合格品。•凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中 的任一项不合格，均称废品。•凡细度、终凝时间、烧失量、混合材料掺加 量和强度任一项不符合要求，称为不合格品。•水泥包装标志不全的也属不合格品。•定义－凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和适量的石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，均属掺混合材的硅酸盐水泥。•掺入目的：改善水泥的性能 增加品种 提高产量 节约熟料，降低成本11.2.2掺混合材料的硅酸盐水泥

掺混合材硅酸盐水泥的品种•普通硅酸盐水泥：p.o

熟料＋(6~15)%混合材＋石膏•矿渣硅酸盐水泥p.s：

熟料＋(20~70)%矿渣＋石膏•火山灰水泥：p.p

熟料＋(20~50)%火山灰＋石膏•粉煤灰硅酸盐水泥P.F

熟料＋(20~40)%粉煤灰＋石膏•复合硅酸盐水泥：

P.C

熟料＋(16~50)%两种或两种以上混合材＋石膏

一、混合材料•定义－在水泥生产过程中，为改善水泥性能，调 节水泥标号，扩大使用范围而掺入的天然或人工的矿质原料称为混合材。•分类： 活性混合材－具有火山灰性或潜在水硬性的材料，如矿渣、粉煤灰等。

非活性混合材－不具有潜在水硬性的材料，仅起填充和分散作用。如石灰石粉、慢冷矿渣等

1、潜在水硬性•熟料＋水———C-S-H等水化产物（水硬性）•火山灰＋水——无水化产物 但是：•火山灰＋水＋氢氧化钙（碱性激发剂） ＋石膏（硫酸盐激发剂） ———C-S-H等水化产物（潜在水硬性）活性混合材料：

2.粒化高炉矿渣�定义－是高炉炼铁时所排出的以硅酸钙和 铝酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒 后的产品。�主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3�活性来源： 玻璃体－矿渣融体在淬冷成粒时，阻 止了融体向结晶结构的转变而形成亚稳的 玻璃体，因此具有潜在水硬性。

3.粉煤灰•定义－火力发电厂煤粉燃烧后从烟道中 收集的粉状物，又称飞灰（FlyAsh）。•粒径1～50μm，呈玻璃质的空心或空心 球状颗粒。•化学成分：SiO2、Al2O3•指标：筛余、需水量、烧失量。球状玻璃体

4.火山灰质混合•定义－是具有火山灰性的天然的或人工 的矿质物料。•包括： 天然的火山灰、凝灰岩、浮石、硅藻 土等； 人工的烧粘土、烧矸石。•主要化学成分：SiO2、Al2O3

2、非活性混合材料•这类材料本身不具有潜在的水硬性或火 山灰性，与水泥矿物组成不起化学作用。•掺入目的：提高水泥产量，调节水泥强度等级，扩展水泥标号，降低水化热。•常用的有： 磨细的石英砂、石灰石粉 磨细的高炉矿渣掺活性混合材硅酸盐水泥的水化特点：掺活性混合材的硅酸盐水泥在与水拌合后，首先是水泥熟料水化，水化生成Ca(OH)2作为活性激发剂，与活性混合材料中的SiO2和Al2O3反应，既发生“二次水化反应”。生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。二次水化的特点是：速度慢，水化热小，对温度和湿度较敏感。

二、掺混合材的硅酸盐水泥1.普通硅酸盐水泥－代号P.O硅酸盐水泥熟料＋(6~15)%混合材＋石膏（允许用≯5%的窑灰和≯10%的非活性混合材代替。）技术要求：

1）细度80μm方孔筛筛余≯10% 2）凝结时间t初≮45mint终≯10h 3）等级（GB175-1999）

32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个等级。•性质：同硅酸盐水泥相近标号抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)3d28d3d28d32.511.032.52.55.532.5R16.032.53.55.542.516.042.53.56.542.5R21.042.54.06.552.522.052.54.07.052.5R26.052.55.07.0普通硅酸盐水泥各标号、各龄期强度数值 （GB175-1999）2.矿渣硅酸盐水泥（代号P.S） •定义： 水泥熟料＋(20~70)%粒化矿渣＋石膏（允许用≯8%的窑灰或火山灰、粉煤灰代替矿渣） •等级(GB1344--1999)： 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个 •技术要求：SO3≯4.0%， 其余同普通硅酸盐水泥。 3.火山灰质硅酸盐水泥（代号P.P）•定义： 由硅酸盐水泥熟料，火山灰质混合材料和 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。 熟料＋(20~50)%火山灰＋石膏•等级： 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。•技术要求：同普通硅酸盐水泥

4.粉煤灰硅酸盐水泥（代号P.F）•定义： 硅酸盐熟料＋(20~40)%粉煤灰＋石膏•等级： 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个等级•技术要求：同普通硅酸盐水泥标号抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)3d28d3d28d32.510.032.52.55.532.5R15.032.53.55.542.515.042.53.56.542.5R19.042.54.06.552.521.052.54.07.052.5R23.0

52.54.57.0掺混合材水泥各龄期强度要求

(GB1344－1999)矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的性质共性：1、凝结硬化速度慢，早期强度低，后期强度高；2、水化放热速度慢，放热量低；3、湿热敏感性高，宜高温养护；4、抗软水、抗腐蚀性好；（氢氧化钙含量少）5、抗冻性、耐磨性差。（混合材需水量增加，孔隙率大。）6、抗碳化能力差—碱含量低，抗碳化缓冲能力差个性：•矿渣水泥：保水性差，泌水性大，抗渗性差，但耐热性比较好。•火山灰质水泥：保水性好、抗渗性好、干缩大、耐磨性差。•粉煤灰水泥：泌水性大（快）、抗裂性好。不适于抗冻、干燥地区的混凝土工程。5、复合硅酸盐水泥定义：水泥熟料＋(15~50)%两种或两种以上的混合材＋石膏。（允许用≯8%的窑灰代替部分混合材。）•性能： 由于是两种或多种混合材互掺，可弥补一种混合材性能的不足。特性与前三种相似并取决于所掺混合材料的种类及相对比例。•强度等级与技术要求：同普通硅酸盐水泥品种P.ⅠP.ⅡP.OP.SP.PP.F特性1、强度高2、快硬早强3、