第4章水泥与石灰

第四章水泥与石灰主要内容硅酸盐水泥4.1石灰4.23 2.1.1水泥的基本概念 2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 2.1.3硅酸盐水泥的技术性质与技术标准第一节硅酸盐水泥2.1.1水泥的基本概念（P145/P161）水泥是重要的建筑材料之一，发展历史悠久

1824年，英国人Aspdin发明了波特兰水泥，并获得专利权，在水泥发展史上具有里程碑意义 自此胶凝材料进入了一个崭新的发展时代广泛用于公路工程及其构造物

主要用于砂、石材料的胶结或混凝土的生产水泥的水硬性

水泥与水混合后，经过一系列的物理化学作用，由可塑性浆体变成坚硬的石状体。既可以在空气中硬化，也可以在水中硬化。所以水泥材料既可以用在地上工程，也可以用在地下工程。硅酸盐水泥定义：硅酸盐水泥熟料、0%-5%石灰石或粒化高炉矿渣（混合材料）、适量石膏共同磨细得到的一种水硬性胶凝材料。不掺加混合料的称为Ⅰ型硅酸盐水泥，P•Ⅰ;掺加不超过5%水泥质量的混合料的称为Ⅱ型硅酸盐水泥，P•Ⅱ;普通硅酸盐水泥定义：硅酸盐水泥熟料、6%-15%混合材料、适量石膏共同磨细得到的一种水硬性胶凝材料，代号P•O。2.1.1水泥定义及分类（1）水泥原料与生料化学组成

原料：石灰质原料提供CaO-(C)（63-67%） 粘土质原料提供SiO2-(S)（21-24%）

Al2O3-(A)（4-7%）

Fe2O3-(F)（2-4%）

生料配制：确定比例、磨细混合（干法及湿法）生料：各种原料按适当比例配合，在磨机上磨细。干法：原料先烘干后磨细；湿法：原料加水后在磨机中磨成生料浆；水泥生产工艺：“两磨一烧”2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分（P145/P164）（2）硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的矿物组成及化学成分矿物组成化学组成常用缩写大致含量（%）硅酸三钙3CaO·SiO2C3S35～65硅酸二钙2CaO·SiO2C2S10～40铝酸三钙3CaO·Al2O3C3A0～15铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF5～152.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分石灰石┐磨细

1450℃

粘土┼───生料───熟料┐铁矿粉┘石膏┘

磨细————水泥成品硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的特点矿物组成主要特点C3S硅酸盐水泥中最主要的矿物成分，对硅酸盐水泥性质有重要影响。遇水反应速度较快，水化热高，水化产物对水泥早期和后期强度起主要作用C2S硅酸盐水泥中的主要矿物成分，遇水反应速度较慢，水化热很低，水化产物对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强度起重要作用，耐化学侵蚀性和干缩性较好C3A含量通常在15％以下，是四种主要矿物组成中遇水反应速度最快，水化热最高的组分。它的含量决定水泥的凝结速度和释热量，它与为调节水泥凝结速度而掺入的石膏形成的水化产物对水泥早期强度起一定作用。耐化学侵蚀性差，干缩性大C4AF含量5-10%，遇水反应较快，水化热较高。强度较低，但对水泥抗折强度起重要作用。耐磨性、耐化学侵蚀性好，干缩性小（2）硅酸盐水泥熟料的矿物组成2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分（2）硅酸盐水泥熟料的矿物组成2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分水化程度：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S水化热：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S强度早期强度：C3S＞C3A＞C4AF＞C2S

后期强度：C3S~C2S＞C3A～C4AF硅酸盐水泥的强度主要来自C3S、C2S，因此取名为硅酸盐水泥（2）硅酸盐水泥熟料的矿物组成2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分干缩性：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S耐化学腐蚀性：C4AF＞C3S＞C2S＞C3A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良差良良后期良优中中耐化学侵蚀性中良差优干缩性中小大小各组分比例不同，水泥技术性质发生相应变化，可根据工程需要，改变组分可制备不同性能的水泥。硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的特点（2）硅酸盐水泥熟料的矿物组成2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分性能指标指标在使用上的意义氧化镁容易引起体积膨胀，水泥安定性不良的重要诱因，≤

5.0%三氧化硫容易引起体积膨胀，水泥安定性不良的重要诱因，≤

3.5%碱（Na2O+K2O）容易产生碱—集料反应，含碱量≤

0.6%2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分（3）水泥中的有害成分及其危害硅酸盐水泥是一种多种矿物的聚集体显微镜下观察到的水泥熟料抛光薄片（4）熟料矿物结构2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分C3S---为光亮的棱角形晶体；C2S---为深色倒圆角的晶体；C3A---一般呈不规则的微晶体，如点滴状、矩形或柱状，由于反光能力弱，在反光镜下呈暗灰色，常称为黑色中间相；C4AF---呈棱柱状或圆粒状，反光能力强，在反光镜下呈亮白色，称为白色中间相。（4）熟料矿物结构2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分①C3S结构特征 C3S称为阿利特或A矿，其晶体断面为六角形和棱柱形（4）熟料矿物结构2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分具有热力学不稳定性；结构中的钙离子具有较高活性；C3S结构中进入了Al3＋与Mg2＋离子并形成固溶体，固溶程度越高，活性越大；结构中存在大尺寸的“空穴”，使其具有较大的水化速度。②C2S结构特征 C2S称为贝利特或B矿，C2S以β-C2S的形式存在β-C2S结构具有热力学不稳定性；β-C2S结构中的钙离子具有较高活性；β-C2S结构中，杂质和稳定剂的存在提高了其结构活性；β-C2S结构中没有大的“空穴”，水化速度较慢。③C3A结构特征

C3A在900～1100℃开始形成，1100～1200℃时大量生成，且只有当化学成分Al2O3和Fe2O3的重量比大于0.64时才能形成。（4）熟料矿物结构2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分结构中的铝离子、钙离子具有较高活性；结构中存在较大的“空穴”，水化速度快。④C4AF结构特征 C4AF称为才利特或C矿。在透射光下，呈黄褐色或褐色的晶体，有很高的折射率。高温时形成一种固溶体，在铝原子取代铁原子时引起晶格稳定性降低。玻璃体

水泥熟料中的重要组成部分。组成不固定，主要成分有Al2O3、Fe2O3、CaO以及少量的MgO，是熟料烧纸部分熔融时部分液相冷却时来不及结晶的结果，具有热力学不稳定性。游离CaO及MgO

指未与其他矿物结合的以游离状态存在的CaO、MgO。 形成原因：配料不当、煅烧不良。 作用及危害：少量的MgO，有利于熟料形成；

MgO过量，可引起安定性不良。（4）熟料矿物结构2.1.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分①细度：水泥颗粒的粗细程度细度对水泥性能的影响水化硬化速度（细度，水化）需水量（细度，需水量）和易性（细度，和易性）强度（细度，强度发展）研究指出：水泥颗粒d<45μm，水化充分

水泥颗粒d>75μm，水化不完全（1）物理性质2.1.3硅酸盐水泥的技术性质与标准（P151/P172）太细存在的问题不经济，磨机产量需水量保管困难收缩大，容易开裂，抗冻性活性①细度：水泥颗粒的粗细程度（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准干筛水筛负压筛筛析法有争议时，以负压筛为准负压筛分仪细度测试方法方法一：筛析法细度测试方法筛析法方法原理：采用45μm方孔标准筛和80μm方孔标准筛对水泥试样进行筛析试验，用筛网上所得筛余物的质量百分数来表示水泥样品的细度；负压筛析法：用负压筛析仪，通过负压源产生的恒定气流，在规定筛析时间内使试验筛内的水泥达到筛分。水筛法：将试验筛放在水筛座上，用规定压力的水流，在规定时间内使试验筛内的水泥达到筛分。手工筛析法：将试验筛放在接料盘（底盘）上，用手工按照规定的拍打速度和转动角度，对水泥进行筛析试验。比表面积仪GB规定：硅酸盐水泥细度，比表面积>300m2/kg其他四大水泥，80μm筛上筛余<10%用于硅酸盐水泥以流体力学理论为基础根据空气通过水泥所受到的阻力计算细度测试方法方法二：比表面积法②水泥净浆标准稠度为使水泥净浆的具有可比性凝结时间安定性标准法维卡仪试杆多次调试用水量直至，30s6mm±1mm标准稠度=×100%水水泥（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准②水泥净浆标准稠度将制作好的试件放置于维卡仪上，并将其中心定于试杆下，降低试杆直至与水泥净浆表面接触，突然放松，使得试杆垂直自由的沉入水泥净浆中。在试杆停止沉入或释放试杆30s时记录试杆距底板的距离。以试杆沉入净浆并距底板6mm±1mm的水泥净浆为标准稠度净浆。其拌合用水量为该水泥的标准稠度用水量（P），按水泥质量的百分比计算。2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准②水泥净浆标准稠度代替法试锥法标准稠度=33.4-0.185×S固定用水量，测定试锥下沉深度S影响标准稠度的因素细度（细度，标准稠度用水量）水泥矿物成分（C3A需水量最大，C2S最小）（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准③凝结时间施工顺序：加水拌合运输浇筑振捣饰面拆模凝结时间：从加水开始，到失去可塑性所需的时间

对模板周转、后期工程都有重要影响初凝：从加水到开始失去塑性的时间终凝：从加水到完全失去塑性的时间（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准水泥浆初凝和终凝时间的划分8:009:3013:00③凝结时间（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准测试方法初凝用试针终凝用试针用标准稠度用水量拌合装入试模，养护30min每隔一段时间，用标准针刺入一次临近初凝，每隔5min刺入一次维卡仪4mm±1mm初凝时间0.5mm终凝时间③凝结时间（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准注意事项T=20oC，湿度>90%不能振动贯入孔间距>1cm距孔壁>1cm>1cm影响凝结时间的因素水泥品种水泥浆体含水量③凝结时间（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准GB规定：硅酸盐水泥初凝时间>45min

终凝时间<390min普通水泥初凝时间>45min

终凝时间<600min实际工程中水泥砼、砂浆比净浆的凝结时间长得多

T不同，T，凝结时间越短③凝结时间（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准④体积安定性定义：反映水泥浆体硬化后体积变形的均匀程度任何一种水泥，水化过程中体积均会发生变化

∵若，则产生应力若，则产生裂缝、崩塌影响因素f—MgOf—CaOSO3（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准④体积安定性测定方法有雷氏夹法和试饼法测试方法雷氏夹法标准净浆装入湿养护24h恒沸3h测定指针增距增距x>5mm，不合格（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准测定方法有雷氏夹法和试饼法测试方法标准净浆制成6个试饼湿养24h放入蒸煮箱30min恒沸3h观察试饼法裂缝弯曲碎断（1）物理性质2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准强度是的重要依据评价水泥质量确定水泥标号砼配合比设计强度测定可将水泥制成净浆（不能反映对砂石的胶结力）砂浆（国际通用）砼（砂石难以统一，复杂性）GB规定：采用ISO法评定水泥的强度等级

ISO标准砂：由德国标准砂公司制备的SiO2含量不低于98%的天然的圆形硅质砂组成，湿含量小于0.2%。中国

ISO标准砂：完全符合ISO标准砂颗粒分布和湿含量规定。可单级分包装，也可混合包装。（1）强度2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准L水泥胶砂强度检验方法（ISO）测试方法Ffhb水泥:砂=1:

3W/C=0.5小梁4×4×16cm标养至规定龄期(3d,28d)50N/s±10N/s三分点小梁抗折强度Rf（1）强度2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准抗压强度Rc取断块进行抗压强度试验测试方法Fc断块2400N/s±200N/s（1）强度2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准水泥型号：普通型和早强型(R)R型，3dRc提高10~24%，达同等普通型的50%路面尽量选用R型，减小养护，提早通车强度等级：按规定龄期的Rc和Rf划分，按28dRc命名（2）强度2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准硅酸盐水泥的强度指标要求强度等级抗压强度（MPa）/不低于抗折强度（MPa）/不低于3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0（2）强度2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准（3）技术标准2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准硅酸盐水泥技术标准技术性能细度比表面积(m2/kg)凝结时间(min)安定性沸煮法不溶物不大于/%MgO/%不大于SO3/%不大于烧失量不大于/%碱含量Na2O+0.658K2O/%初凝终凝I型II型I型II型指标＞300≥45≤390必须合格0.751.505.03.53.03.5≤0.60GB175-2007规定：凡氧化镁、烧失量、不溶物、三氧化硫、凝结时间、安定性和强度任一指标不符合要求，即为不合格不合格水泥严禁在工程中使用。40 2.2.1原料及组成 2.2.2水化及强度形成机理 2.2.3技术性质及标准第二节石灰P164/P182 （1）石灰原材料及烧制用于烧制石灰的原料是富含碳酸钙的一类物质，如石灰石、白云石等。加工成一定规格的原料在石灰窑中高温加热，通过化学反应，烧制成生石灰，其中的化学反应式可表示为：烧制过程中，由于石灰窑炉温偏差或波动，造成窑内温度过高过温度偏低，温度过高时烧成过烧石灰，而偏低则烧成欠火石灰.2.2.1原料及组成CaCO3CaO+CO2石灰石白云石贝壳石灰产品种类有：

——块状生石灰

——生石灰粉

——熟石灰粉由于石灰仅能够在空气中在水的参与下凝结硬化，而不能在水中硬化，所以称石灰为气硬性胶凝材料.2.2.1石灰产品生石灰块生石灰粉消石灰粉石灰加水，通过水化反应由生石灰转化为熟石灰，这一过程称为石灰的消化。该过程用化学式可表示为：

由于过烧石灰在日后的凝结硬化滞后带来的消极影响，消化后的石灰往往要“陈伏”一段时间，用于消除过烧石灰造成的危害，陈伏时间通常大约为15d左后.石灰的消解2.2.2石灰的水化及强度形成机理CaO+H2OCa(OH)2+△石灰的硬化——石灰的干燥结晶硬化：随着石灰中水分的蒸发损失，石灰逐渐形成结晶体，晶体状石灰的水溶性明显降低，形成晶体硬化。——石灰的碳酸化：石灰在水的参与下，与空气中的CO2作用，形成碳酸钙。新的产物具有显著的水不溶性，起着胶凝和硬化的作用。2.2.2石灰的水化及强度形成机理Ca(OH)2+nH2OCa(OH)·nH2OCa(OH)2+H2O+CO2CaCO3+(n-1)H2O2.2.3石灰的技术性质及其标准残渣量细度含水量有效钙镁含量二氧化碳含量物理性质化学性质石灰主要技术性质2.2.3石灰的技术性质及其标准石灰发挥无机胶凝效果取决于石灰中的有氧化钙和有效氧化镁，这类氧化物含量越高，石灰的质量越好；石灰中钙和