石灰石膏水泥

第2章无机胶凝材料

概述胶凝材料（结合料）——经物理、化学作用，能将散粒状或块状材料粘结为整体的材料。第2章无机胶凝材料

无机胶凝材料（以无机化合物为基本成分）有机胶凝材料（天然的或合成的有机高分子化合物为基本成分）（沥青、树脂）

按凝结硬化条件分类

气硬性胶凝材料——只在空气中硬化

（石灰、石膏）

水硬性胶凝材料——空气、水中皆可硬化（水泥）

2.1石灰

2.1.1石灰的生产

1.原料

——以CaCO3为主要成分的岩石(石灰石、白垩等)

富含CaCO3

部分MgCO3

2.煅烧块状生石灰的特点：

CaO质量几乎下降一半,但体积缩小很少,故优质生石灰应为白色疏松结构。欠火石灰：温度过低/时间不够/石灰石不能充分烧透,存在硬心过火石灰：温度过高/时间过长/颜色深（褐、黑）块状生石灰1005644注意过火石灰可以使用，但应陈伏半个月2.1.2石灰的熟化与硬化

1.石灰的熟化（消化）

CaO+H2O——Ca(OH)2+Q（64.9KJ）注意：

消解安全措施：分层消解体积膨胀1-2.5倍放热反应

2.硬化

1）干燥结晶硬化：水分蒸发，氢氧化钙过饱和析晶——结晶强度产生2种强度2）碳化：

Ca（OH）2＋CO2＋H2O——CaCO3

碳化强度水分蒸发，产生毛细管压力，压密石灰粒子——附加强度石灰的生产、消解、硬化小结过火石灰存在,陈伏半个月左右

——常见实例：陈伏时间不够，引起房屋抹面层凸起开裂消解为石灰膏/乳的作用

——水层隔绝空气，避免发生碳化消解安全

——分层消解，热量较快散释

2.1.3石灰分类2.石灰的存在形成

块状生石灰——煅烧直接获得生石灰粉——块状生石灰磨细

消石灰粉——生石灰消解石灰膏/乳——生石灰+过量水钙质石灰（MgO≤5％）镁质石灰（MgO>5％）特点：熟化较慢，但硬化强度稍高。1.按MgO含量分类CaOCa(OH)22.1.4石灰的技术特性1.有较好的可塑性生石灰熟化为石灰浆时，形成了颗粒极细（直径约为1μm）的呈胶体分散状态的氢氧化钙，表面吸附一层厚水膜。因此用石灰调成的石灰砂浆突出的优点是具有良好可塑性。水泥砂浆石灰浆混合砂浆一种常用的改善水泥砂浆塑性的方法2.1.4石灰的技术特性2.硬化过程缓慢石灰浆体在空气中逐渐硬化，是由下面两个同时进行的过程来完成的：结晶作用——游离水分蒸发，氢氧化钙逐渐从饱和溶液中结晶。碳化作用——氢氧化钙与空气中的二氧化碳化合生成碳酸钙结晶，释出水分并被蒸发。2.1.4石灰的技术特性3.硬化后强度低石灰的硬化只能在空气中进行，硬化后强度不高。受潮后石灰溶解，强度更低，在水中还会溃散。石灰砂浆（1∶3）28天强度仅为0.2-0.5MPa。为充分消化石灰，获得较好的塑性，拌制石灰的用水量较大，石灰凝结硬化时多余水分蒸发，会留下大量孔隙，因而其密实性很差。所以，石灰不宜在潮湿环境下使用；不宜用于重要建筑物基础；石灰砂浆抹墙可产生一定的透气性。2.1.4石灰的技术特性4.硬化时体积收缩大石灰在硬化过程中，因蒸发大量自由水而发生明显的体积收缩。所以除调成石灰乳作薄层涂刷外，不宜单独使用。常在其中掺入砂、纸筋等以减少收缩。5.耐水性差已凝结硬化的石灰在水中会溃散。块状石灰放置太久，会吸收空气中的水分而自动熟化成消石灰粉，再与空气中二氧化碳作用而还原为碳酸钙，失去胶结能力。所以石灰不能用于潮湿环境。6.易受潮不易贮存生石灰易受潮自动熟化，且体积膨胀，放出大量的热，所以储存和运输生石灰时，既要防潮，还要注意安全。2.1.5石灰的技术要求

根据我国建材行业标准JC/T479-92《建筑生石灰》与JC/T480-92《建筑生石灰粉》、JC/T481-92《建筑消石灰粉》的规定，按照技术指标分为优等品、一等品、合格品三个等级。生石灰、生石灰粉及消石灰的技术指标见表4.1、4.2、4.3。

建筑工程中所使用的石灰通常分为三个品种：建筑生石灰、建筑生石灰粉和建筑消石灰粉。

桥涵用石灰技术标准应满足建筑石灰的技术要求。

路面基层用石灰技术标准应满足JTJ034-2000《公路路面基层施工技术规范》要求，技术标准见表4.4。表2.1生石灰的技术标准

表2.2生石灰粉的技术标准表2.3消石灰粉的技术标准表2.4路面基层用石灰的技术标准工程实例

某工地要使用一种生石灰粉，现取试样，应如何判该石灰的品质？

1.检测石灰中CaO和MgO的含量,二氧化碳的含量,细度。2.根据MgO含量，判定该石灰的类别(属钙质/镁质石灰)

3.根据表4.1判定该石灰的等级。

2.1.6石灰的应用1.石灰乳调入少量水泥、粒化高炉矿渣或粉煤灰，可提高其耐水性；调入氯化钙或明矾，可减少涂层粉化现象。消石灰粉或熟化好的石灰膏水石灰乳（廉价涂料）2.配制砂浆石灰膏砂水石灰砂浆(抹面)石灰膏砂水泥水混合砂浆(砌筑、抹面)作抹面砂浆时，需加入纸筋、麻刀等纤维物质，以克服其收缩性。2.1.6石灰的应用3.灰土石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧化硅或氧化铝可在潮湿环境中反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，故石灰土可在潮湿环境中使用。常用于建筑物基础、路面和地面的垫层。石灰粘土水碾压夯实4.三合土石灰粘土硅铝质工业废渣水碾压夯实可作低档住宅的基础和地面；可作低档道路的基层和面层。2.1.6石灰的应用5.硅酸盐制品石灰天然砂硅铝质工业废渣水硅酸盐制品采用高温高压养护或蒸压，使石灰与硅铝质材料反应速度加快，令制品获得较高的早期强度；主要产品有灰砂砖、粉煤灰砖、粉煤灰砌块、硅酸盐砌块等。工程实例.石灰砂浆出现膨胀性裂缝某工地急需配制石灰砂浆，考虑到生石灰较为便宜，便买回并马上加水配制成石灰膏，而后马上配成石灰砂浆。使用数日后，砂浆上出现了很多膨胀性裂缝，请问何故？石灰的陈伏时间不够，过火石灰在石灰变硬后才开始熟化，生成Ca(OH)2

发生体积膨胀，导致石灰砂浆裂缝。配制石灰砂浆宜首选陈伏充分的石灰膏。来不及时，应选用磨细的易于水化的消石灰粉配制成石灰膏。分析：案例：工程实例.墙面石灰砂浆出现网状裂纹某楼，内墙使用石灰砂浆抹面。数月后，墙面出现了许多不规则的网状裂纹。同时在个别部位还发现了部分凸出的放射状裂纹。请问何故？石灰砂浆抹面的墙面上出现不规的网状裂纹，原因很多。但最主要原因是因石灰在硬化过程中，蒸发大量游离水而引起了体积收缩。

个别部位出现凸出呈放射状裂纹，是石灰中有过火石灰。在消化、陈伏阶段，过火石灰并未被熟化，在砂浆硬化后，它才吸收空气中的水分继续熟化，造成体积膨胀。从而出现上述现象。分析：案例：工程实例.三合土为何可用于垫层既然石灰不耐水，为什么用它配制的灰土或三合土却可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位？首先，灰土或三合土中的石灰，在潮湿环境中与粘土或炉渣等材料中活性氧化硅或氧化铝反应，生成了具有水硬性的水化硅酸钙或水化铝酸钙，使得灰土或三合土的强度和耐水性会随使用时间的延长而逐渐提高。其次，由于灰土和三合土经压实夯实，其密实度大大提高，孔隙率降低，外界水的侵入大为减少，其耐久性提高。因此灰土或三合土可以用于基础的垫层、道路的基层等潮湿部位。分析：案例：

秦直道——公元前212年始建，三合土,两年多完成。北起九原郡（今内蒙古包头西的阴山脚下）,南抵秦都咸阳附近的云阳（今陕西淳化县北）。全长约700多公里,路面平均宽度约30米。道路大体南北相直,故称“直道”。是世界上第一条“高速公路”。工程实例.中国古代的高速公路——“秦直道”第2章无机胶凝材料

2.2石膏

石膏——CaSO4为主要成分。分为建筑石膏和高强度石膏两种。石膏的存在形式天然二水石膏化工石膏天然无水石膏建筑石膏高强石膏CaSO4·2H2OCaSO4·2H2O与CaSO4混合废渣CaSO4，硬β-CaSO4·1/2H2Oα-CaSO4·1/2H2O石膏的天然结晶状态石膏原料石膏原料及其天然结晶状态石膏的

天然结晶状态2.2.1建筑石膏的水化特点：极快,全过程约7～12min。2.2.2建筑石膏的凝结硬化

自由水水化和蒸发，石膏浆体可塑性减小，浆体变稠——凝结晶体逐渐长大，浆体产生强度，直到干燥——硬化2.2.3建筑石膏的性能特点1.凝结硬化速度快建筑石膏浆体凝结硬化速度很快。一般初凝时间仅为10min左右，终凝时间不超过30min，这对于普通工程施工操作十分方便。需要操作时间较长时，可加入适量的缓凝剂，如硼砂、动物胶、亚硫酸盐酒精废液等。也可分量分批配制，现配现用，用多少配多少。2.硬化时体积微膨胀建筑石膏凝结硬化是石膏的结晶过程，其体积因吸收结晶水而稍有膨胀（0.2%～1.5%），这种微膨胀不会对石膏制品造成危害，反而能使石膏表面较为光滑饱满，棱角清晰完整，没有其它材料干燥时的开裂现象。2.2.3建筑石膏的性能特点3.轻质多孔使用建筑石膏时，为获得良好的流动性，加入的拌和要比水化本身所需的水多。因此，石膏在硬化过程中由于多余水分的蒸发，使原来的水空间形成孔隙，造成石膏内部形成大量微孔，硬化后的表观密度约为８00kg／ｍ3～1000kg／ｍ3，重量较轻。4.强度低石膏抗压强度很低，约为3ＭPa～5ＭPa。受力时，石膏制品很容易损坏。2.2.3建筑石膏的性能特点5.良好的保温、吸声和“呼吸”功能石膏硬化体中的大量微孔使其传热性显著下降，因而具有良好的保温绝热能力；其表面微孔对声音传导或反射的能力也明显下降，因而具有较强的吸声能力。大热容量和大孔隙率以及开口孔结构，使石膏具有呼吸水蒸气的功能。2.2.3建筑石膏的性能特点6.防火性好7.耐水性差硬化后的石膏主要成分是二水石膏，受到高温作用时或遇火后会脱出21%左右的结晶水，并能在表面蒸发形成水蒸气幕，可有效地阻止火势的蔓延，因而具有良好的防火效果。由于硬化石膏的强度来自于晶体粒子间的粘结力，遇水后粒子间连接点的粘结力可能被削弱。部分二水石膏将溶解，发生局部溃散，故建筑石膏硬化体的耐水性较差。2.2.3建筑石膏的性能特点8.可加工性好石膏制品表面光滑饱满，颜色洁白，质地细腻，具有良好的装饰性。微孔结构使其脆性有所改善，硬度也较低，所以硬化石膏可锯、可刨、可钉，具有良好的可加工性。2.2.4技术要求2.2.5建筑石膏的主要用途主要用途有：配制石膏砂浆及粉刷石膏；制作各型保温制品：石膏板、石膏砌块等；制作各种装饰制品；制作建筑雕塑和模型等。2.2.5建筑石膏的主要用途代表产品——石膏板石膏板的品种很多，有各种平板、花纹浮雕板、穿孔及半穿板等。石膏粉、水、纤维、粘结剂、发泡剂、缓凝剂、防水剂等。混合浇注成型干燥终凝成品从性能上分，有装饰型、吸声型、防火型和防水型。从工艺上分，有纸面板、装饰板、穿孔板、嵌装板等。精加工2.2.5建筑石膏的主要用途石膏板的生产2.2.5建筑石膏的主要用途石膏板产品2.2.5建筑石膏的主要用途石膏板的用途石膏板具有防火、隔声、隔热、质轻、强度高、收缩率小，可钉、锯、刨，无虫害，耐腐蚀，不老化，稳定性好，施工方便等优点。石膏板主要用于：内墙贴面；天棚吊顶。石膏板及石膏制品的装饰效果建筑石膏装饰构件装饰线条装饰角花建筑石膏装饰构件石膏灯池建筑石膏装饰构件装饰柱顶石膏雕花工程实例.石膏饰条粘贴失效用石膏粉拌成一桶石膏浆，在光滑的天花板上粘贴石膏饰条，几天后饰条脱落，请问何故？可能的原因有：

1.未加缓凝剂的石膏浆一般数分钟至半小时即可凝结。该石膏浆可能放置时间较长，使用时已开始初凝，粘结性很差。解决办法一是加缓凝剂，二是分次拌制，现拌现用。

2.光滑的天花板不利于饰条粘贴，应事先将粘贴面刮糙。分析：案例：

一个人的视力有两种功能：一个是向外去，无限宽广地拓展世界；另一个是向内来，无限深刻地去发现内心。人人都希望过上幸福快乐地生活，而幸福快乐只是一种感觉，与贫富无关，同内心相连。第3章水泥

水硬性胶凝材料

水泥——即能在水中凝结，又能在空气中凝结的胶凝材料。3.1.1水泥分类硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫酸盐水泥铁铝酸盐水泥(2)按性能和用途分类通用水泥专用水泥特性水泥⑴按化学成分∆∆3.1.2水泥的特点

2.制品耐震、耐火、耐潮湿；

5.使用简单，维护方便。

4.来源广，成本低；

3.凝结前可流动，凝结硬化速度快，凝结时间可调；

1.制品强度高，坚固耐用；3.1.3水泥的发展1.最早的水泥水泥是水硬性胶凝材料的代表。最早使用水硬性胶凝材料制备混凝土的是中国人。在甘肃省秦安县的大地湾（黄河支流渭水之畔，西安以西约600公里处），1980～1983年间，先后发掘出两个大型的新石器时代住宅遗址。经考察研究发现，该遗址的地坪是用“礓石”——一种富含碳酸钙的粘土为原料煅烧而成，在与其它材料混合而成的.这是迄今为止发现的最早的混凝土材料，距今已有五千年历史。

3.1.3水泥的发展2.十八世纪～十九世纪——罗马水泥

中世纪，罗马人用石灰和煅烧的粘土混合，配制获得水硬性石灰和罗马水泥，“庞贝”城遗址系用此材料建成。

3.十九世纪初——波特兰水泥

1824年，英国泥瓦工约瑟夫.阿斯普丁（JosephAspdin）申报了波特兰水泥专利：把粘土和焙烧过的石灰石混合，经煅烧后磨细成粉，这种细粉与水拌合具有水硬胶凝性。由于它硬化后外观象波特兰（英国一个港口城市）的石头，故起名为波特兰水泥（PortlandCement），即我国称谓的“硅酸盐水泥”。第一次大规模使用波特兰水泥是1825～1843年间修建的泰晤士河隧道。后来，1824年即被视作现代水泥的问世时间。3.1.3水泥的发展4.现代水泥的生产原料预均化；生料均化；

X射线化学成分分析；预分解回转窑煅烧；计算机自动控制。我国已是世界上水泥生产和使用大国，年产水泥超过10亿吨。3.2硅酸盐水泥

1.硅酸盐水泥的生产工艺概述2.硅酸盐水泥的组成材料3.硅酸盐水泥的水化和硬化4.硅酸盐水泥的技术性质5.硅酸盐水泥的技术标准6.硅酸盐水泥石的腐蚀与防止▲▲▲

1.硅酸盐水泥的生产工艺概述

（1）生产工艺

两磨一烧——生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个过程（2）生产原料石灰石质原料——石灰石、白垩等粘土质原料——粘土、页岩等校正原料（少量）——铁粉CaOSiO2、Al2O3、Fe2O3Fe2O33.2.2常用水泥的生产水泥厂3.2.2常用水泥的生产水泥厂水泥厂2.硅酸盐水泥的组成材料（1）硅酸盐水泥熟料（2）石膏（3）混合材料（1）硅酸盐水泥熟料（简称为熟料）1）硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸三钙主要矿物组成分子式分子简式

3CaO·SiO2C3SC2SC3AC4AF2CaO·SiO23CaO·Al2O34CaO·Al2O3·Fe2O3硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙名称注意水泥中的其它成分：原因：煅烧水泥中反应：危害：影响水泥体积安定性石灰石质原料富含潜在危害非常严重2）硅酸盐水泥熟料矿物组成的反应特性3.3.1硅酸盐水泥概述5.熟料单矿物的强度矿物名称

C3S24.2230.9842.1657.6557.84C2S1.732.164.5119.0228.04C3A7.558.148.049.416.47C4AF15.1016.4718.2416.2719.22

抗压强度

（MPa）

3d7d28d90d180d

3.3.1硅酸盐水泥概述6.熟料单矿物的水化热矿物名称

C3S406459487520C2S

21104166184C3A590660873928C4AF

93250378416

水化热（J/g）

3d7d28d90d3.3.1硅酸盐水泥概述7.四大熟料矿物水化速度及强度差异水化速度：

C3A>C4AF>C3S>C2S水化热:C3A>C3S>C3AF>C2S抗压强度（28天）：C3S>C3AF>C3A>C2S实例快硬水泥：3d抗压强度高，熟料中C3A、C3S含量高。

适用于紧急抢修工程、军事工程、冬季施工工程。道路水泥：抗折强度高，耐磨、抗冲击、抗冻和抗硫酸性好、干缩性小。C4AF、C2S含量高。

适用于道路路面、机场道面、城市广场等工程。大坝水泥：简称中热水泥低热矿渣水泥：加入矿渣适用于大坝工程、大型构筑物、大型房屋的基础等大体积工程。水化放热较低，C2S含量高，C3A含量低

（2）石膏作用：缓凝剂水泥熟料磨成细粉与水相遇会很快凝结，无法施工。加入适量的石膏会延缓凝结时间，同时还有利于提高水泥早期强度、降低干缩变形等性能。石膏品种：主要采用天然石膏、工业副产石膏。（3）混合材料1）活性混合材料2）非活性混合材料1）活性混合材料

——系指具有火山灰性或潜在水硬性的混合料。炼钢厂冶炼生铁时的副产品。主要成分：CaO、Al2O3、SiO2。具有较高的化学潜能，但稳定性差。粒化高炉矿渣山灰质混合材料粉煤灰火力发电厂煤粉燃料排出的细颗粒废渣。主要成分：较多的SiO2、Al2O3和少量的CaO具有较高的活性。天然的人工的主要成分：Al2O3、SiO2。本身不硬化，+石灰+水起胶凝作用。2）非活性混合材料

定义：在水泥中主要起填充作用，本身不具有（或具有微弱的）潜在的水硬性或火山灰性。

目的：调节水泥强度，增加水泥产量，降低水化热。

常用种类：磨细的石灰石、石英岩、粘土、慢冷矿渣、高硅质炉灰等。五大品种硅酸盐水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥

不掺混合材+少量混合材（≤水泥量5%）

硅酸盐水泥熟料+适量石膏+多量混合材

P·Ⅰ

P·Ⅱ

+少量混合材（水泥量6%～15%）

P·O

粒化高炉矿渣

P·P

P·F

P·S

火山灰

粉煤灰3.硅酸盐水泥的水化硬化

（1）水化

①②③

水化速度快

④

长纤维状

短纤维状六方板结晶缓凝机理：同上针状结晶

立方板状结晶

3.3.2硅酸盐水泥的水化反应1.C3S的水化反应反应很快，迅速生成水化硅酸钙凝胶和Ca(OH)2六方晶体：2(3CaO•SiO2)6H2O3CaO•2SiO2•3H2O+3Ca(OH)2

Ca(OH)2大量析出并迅速饱和，使得其它矿物的水化反应主要是在Ca(OH)2饱和溶液中进行的。水化硅酸钙凝胶3CaO.2SiO2.3H2O的组分和结晶程度不固定，随水/固比和温度等因素变化，故一般将其表达为C—S—H。水化硅酸钙（凝胶）氢氧化钙（六方板状晶体）→+3.3.2硅酸盐水泥的水化反应2.C2S的水化反应反应慢，生成物与C3S相同，但Ca(OH)2析出较少：2(2CaO•SiO2)+4H2O3CaO•2SiO2•3H2O+Ca(OH)2

→氢氧化钙（六方板状晶体）水化硅酸钙（凝胶）3.3.2硅酸盐水泥的水化反应3.C3A的水化反应3CaO•Al2O36H2O3CaO•Al2O3•6H2O

C3A水化反应有三种情形：（1）与水反应，迅速生成水化铝酸三钙——C3A水化产物①Ca(OH)2饱和溶液4CaO•Al2O3•13H2O→水化铝酸三钙（六方薄板状晶体）水化铝酸四钙（六方薄板状晶体）+

水化铝酸四钙在室温下能稳定地存在于碱性溶液中，其数量增长很快，故被认为是导致水泥瞬凝的一个重要原因。水化铝酸四钙能继续与掺入水泥中的石膏发生反应，从而延缓水泥水化反应，延缓水泥凝结。

为控制C3A的水化反应速度，必须在水泥熟料中加入石膏作为缓凝剂。3.3.2硅酸盐水泥的水化反应3.C3A的水化反应4CaO•Al2O3•13H2O3(CaSO4•2H2O)14H2O（2）水化铝酸四钙继续与掺入水泥熟料中的石膏反应，生成钙矾石（C6AS3H31）——C3A水化产物②Ca(OH)2饱和溶液3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O++三硫型硫铝酸钙（针状晶体）俗称“钙矾石”，简写为C6AS3H313.3.2硅酸盐水泥的水化反应3.C3A的水化反应2（CaO•Al2O3•13H2O）+3CaO•Al2O3•3CaSO4•31H2O+4H2O（3）当石膏耗尽时，C3A与钙矾石反应，生成单硫型水化硫铝酸钙——C3A水化产物③Ca(OH)2饱和溶液3（3CaO•Al2O3•CaSO4•12H2O）单硫型硫铝酸钙（六方薄板状晶体）简写为C4ASH123.3.2硅酸盐水泥的水化反应4.C4AF的水化反应4CaO•Al2O3•Fe2O3+7H2O3CaO•Al2O3•6H2OCaO•Fe2O3•H2OC4AF的水化反应与C3A相似，只是反应速度较慢：Ca(OH)2饱和溶液水化铝酸四钙与石膏反应钙矾石以下反应与C3A相同水化铝酸三钙（六方晶体）水化铁酸一钙（凝胶）+3.3.2硅酸盐水泥的水化反应综上所述，硅酸盐水泥加水拌和后，产生的主要水化产物有：序号名称符号物态含量1水化硅酸钙C-S-H

凝胶70％左右2氢氧化钙Ca(OH)2六方板状晶体20％～25％

C6AS3H31针状晶体（钙矾石）3水化硫铝酸钙7％左右

C4ASH12六方薄板状晶体

C4AH13六方薄板状晶体4水化铝酸钙少量

C3AH6六方薄板状晶体5水化铁酸钙CFH6凝胶少量3.3.2硅酸盐水泥的水化反应水化硅酸钙（C-S-H）凝胶氢氧化钙Ca(OH)2

晶体

电子显微镜下的水泥水化产物3.3.2硅酸盐水泥的水化反应电子显微镜下的水泥水化产物水化硅酸钙（C-S-H）凝胶钙矾石（C6AS3H31）针状晶体3.3.2硅酸盐水泥的水化反应电子显微镜下的水泥水化产物钙矾石（C6AS3H31）针状晶体的扫描镜片3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化

硅酸盐水泥是多组分、多矿物的物质，与水拌和后，立即发生水化反应，各个组分开始分解，水泥颗粒间的拌和水很快变成了有多种离子的溶液，溶液中主要有Ca2+、K+、Na+、SiO42－、AlO2－、SO42－

等等。水泥的水化反应和凝结硬化是在含碱的Ca(OH)2、CaSO4•2H2O饱和溶液中进行的。当掺入水泥熟料中的石膏耗尽时，水化完全在Ca(OH)2饱和溶液中进行。3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化1.硅酸盐水泥凝结硬化研究

自1882年雷.查特里（LeChatelier）首先提出水泥凝结硬化理论以来，关于水泥的凝结硬化一直都在研究之中，现有多种理论观点存在。借助于X射线、电子扫描等，部分假设得到了证实。归纳起来，水泥凝结硬化主要分为以下四个过程：初始期潜伏期加速期硬化期第一阶段：大约在水泥拌水起至初凝时止，C3S迅速反应生成Ca(OH)2。石膏和C3A反应生成钙矾石晶体。水泥浆呈塑性状态。第二阶段：大约从初凝起至24h止，水泥水化加速，生成较多的Ca(OH)2、钙矾石晶体、水化硅酸钙凝胶。水化产物大量生成，水泥凝结。第三阶段：指24h以后直到水化结束。所有水化产物生成，数量不断增加，结构更加致密，强度不断提高。（2）水泥的硬化3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化2.硅酸盐水泥凝结硬化过程示意拌和水水泥颗粒水化产物

水化从水泥颗粒表面开始，加水拌和5～10分钟左右水化速度很快，水化产物迅速出现，水化热迅速产生，出现放热高峰。初始期拌和水其它颗粒3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化2.硅酸盐水泥凝结硬化过程示意

随水化不断进行，水化产物逐渐增多并大量堆积在水泥颗粒四周，水泥颗粒与水的接触受到了阻碍，水化速度随之减慢，水化反应进入潜伏期，水化热出现下降。此情形大约在加水拌和1小左右出现，一般持续1～4小时，在此期间，水泥保持塑性。潜伏期3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化2.硅酸盐水泥凝结硬化过程示意

堆积在水泥颗粒四周的水化产物在浓度差的作用下向外扩散，水泥颗粒进一步与水接触，水化速度再次加快，水化反应进入加速期，水化热出现第二次高峰。此情形大约在加水拌和4～6小时左右出现。加速期3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化2.硅酸盐水泥凝结硬化过程示意

水化产物不断增多，相互粘连，充填于不断变小的水泥颗粒之间，水份大量消耗。由于水化产物包裹了水泥颗粒，水份通过产物层扩散能力下降，水化速度越来越慢，水化作用越来越弱，直至进入硬化稳定期。硬化期3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化3.凝结硬化后水泥石的结构未水化完的水泥颗粒水化产物（凝胶、晶体）其它颗粒微量游离物质（如MgO、CaO等）水（自由水、吸附水）孔隙和空气3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化3.凝结硬化后水泥石的结构

凝结硬化后的水泥石是由凝胶、晶体等水化产物、未水化完的水泥颗粒、水份（包括自由水和吸附水）、微量游离物质（如MgO、CaO等）、其它颗粒以及孔隙和空气所构成的。水泥的凝结硬化是一个漫长的过程，研究发现，在潮湿的环境下，水泥石的强度经二十年后仍在缓慢增长。研究还发现，无论水化时间多长，水泥颗粒都是难以完全水化的，因为致密的水化产物覆盖在未水化完的水泥颗粒上，阻碍了水化反应向水泥颗粒内部深入进行。3.3.3硅酸盐水泥的凝结硬化3.凝结硬化后水泥石的结构水泥颗粒粒径与水化深度的对比水泥颗粒平均粒径30～40μm

养护龄期（d）平均水化深度（μm）与平均粒径比（％）

10.481.2~1.672.606.5~8.6285.3713.4~17.91508.922.2~19.618015.037.5~50.03.3.4硅酸盐水泥特性1.凝结硬化快，强度高。无论是Ⅰ型硅酸盐水泥（不掺混合材料，代号P.Ⅰ），还是Ⅱ型硅酸盐水泥（掺入5％以下混合材料，代号P.Ⅱ），由于不加混合材料或加量较少，其凝结硬化特性基本上取决于熟料矿物的特性。C3S含量较高——28d强度值高C2S含量较高——利于后期强度增长C3A含量较高——水化反应快，短期（1d～7d）强度增长快。硅酸盐水泥：适合于高强度混凝土工程，适合于有早强要求的工程。高强度混凝土工程高强度混凝土工程3.3.4硅酸盐水泥特性2.水化热大，不适于大体积浇筑。水化热大的原因是——C3S和C3A含量高3.3.1硅酸盐水泥概述水化热大为什么不适合大体积浇筑——请参见教材第43页第二段。☺3.3.4硅酸盐水泥特性3.干缩小，抗冻性好，适于严寒地区使用。凡掺入较多混合材料的水泥，都有较明显的干缩现象，同时，拌和时对水的需求也较大（同样流动性能下）。因此，相比之下，硅酸盐水泥因不掺或少掺混合材料，故其干缩性小，拌和水量需求也较小。“干缩小”意味着什么——？“拌和水需求小”意味着什么——？3.3.4硅酸盐水泥特性4.耐热性差，不适于高温环境使用。硅酸盐水泥主要水化产物在高温下会发生脱水和分解。后果是——水泥石结构破坏。那么高温环境下，应选用何种水泥？——请参见教材第22页表3.2、第24页表3.3。☺3.3.4硅酸盐水泥特性5.耐腐蚀性差，不适于在腐蚀性环境中使用。耐腐蚀性差的原因——（1）水泥石处于腐蚀性盐类和酸类介质环境以及压力流水环境；（2）水泥石不密实，有介质侵入的毛细通道；（3）水泥石中存在易被侵蚀的Ca(OH)2和水化铝酸钙

C4AH13、C3AH6以及易流失的Ca2+；3.3.4硅酸盐水泥特性5.耐腐蚀性差，不适于在腐蚀性环境中使用。防止腐蚀的办法——

提高混凝土的致密性；对混凝土表面做防腐处理；改变熟料矿物组成，如减少C3S含量，减少C3A含量，增加

C4AF含量等；掺入火山灰质混合材料，利用所含的活性SiO2与Ca(OH)2

结合，生成低碱性水化硅酸钙。3.4.1普通硅酸盐水泥1.普通硅酸盐水泥定义国标GB175－1999规定：凡由硅酸盐水泥熟料、6％～15％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P.O。2.普通硅酸盐水泥特点因混合材料掺量不大，性能及用途与硅酸盐水泥相似；相对于硅酸盐水泥，普通水泥早期凝结硬化速度略慢，

3d强度略低，抗冻性和耐磨性略差；强度等级比硅酸盐水泥多32.5、32.5R两个级别，少了

62.5、62.5R两个级别。3.4.2矿渣水泥1.高炉矿渣材料高炉矿渣是冶炼生铁的废渣。矿渣在高温下排出，经冷水或冷空气急冷，变成具有活性的颗粒状材料，称为粒化高炉矿渣。高炉炼铁时，除了铁矿石和燃料（焦炭）外，为降低冶炼温度，还要加入相当数量的石灰石和白云石作为熔剂。它们在高炉中分解出氧化钙、氧化镁，与铁矿石中的废石和焦炭的灰份相熔化，生成以硅酸钙（镁）和铝酸钙（镁）为主要成分的矿渣，由于密度低于铁水，故浮在铁水上，定期由排渣口排出。粒化高炉矿渣的化学成分与水泥相似。其主要活性物质是CaO、SiO2、Al2O3等。它们与水泥熟料中的Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物。3.4.2矿渣水泥2.粒化高炉矿渣的活性激发水泥熟料矿物水化水化产物之一Ca(OH)2激发活性材料水化生成水化产物凝结硬化石膏消耗Ca(OH)2，促使熟料进一步水化。3.4.2矿渣水泥3.矿渣水泥定义国标GB1344－1999规定：凡由硅酸盐水泥熟料、20％～70％粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为“矿渣硅酸盐水泥”，简称“矿渣水泥”，代号P.S。矿渣掺量（%）

021.031.847.12018.531.852.34013.627.348.3607.716.141.7抗压强度（MPa）

3d7d28d3.4.2矿渣水泥4.矿渣水泥特点（1）水化反应分两步进行：熟料水化激发矿渣水化水化速度怎样——快？慢？早期强度怎样——高？低？（2）熟料矿物减少（3）Ca(OH)2减少——（4）需水量大（矿渣颗粒粗糙多孔），干缩大——抗渗抗冻性差；（5）低温下凝结硬化缓慢——以蒸气养护为佳。水化热怎样？可否用于大体积工程？抗溶出性和硫酸盐类侵蚀怎样？耐热性怎样？适合哪些工程？3.4.3火山灰水泥1.火山灰质材料火山灰质材料分类：（1）天然类火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土、硅藻石、蛋白石等。（2）人工类烧页岩、烧粘土、煤矸石、煤渣等。以氧化钙、氧化铝为主要成分的矿物质材料。磨细后，在高碱石灰溶液中，能激发其活性，发生水化反应，生成水化产物。3.4.3火山灰水泥2.火山灰质水泥定义国标GB1344－1999规定：凡由硅酸盐水泥熟料、20％～50％火山灰质混合材料、适量石膏磨细制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。火山灰水泥可在水泥厂配制，也可在施工现场就地配制，即将混合材料、石膏一起磨细，再与熟料混合均匀即可。掺入水泥中的火山灰质材料可由多种材料混合而成，其掺量多少由熟料质量、混合材料活性、工程强度要求及其它性能要求而定，通常要通过实验配制决定。3.4.3火山灰水泥3.火山灰质水泥特点（1）早强强度低，但强度增长率大，后期强度较高；（2）水化热低，耐腐蚀性好；（3）需水量大（颗粒表面粗糙，内部多孔），干缩性大；（4）低温下凝结硬化缓慢，宜进行蒸气养护。一般地面工程、地下工程、水下工程；大体积工程。早强要求高的工程、有抗冻要求的工程、干燥环境、低温环境下的工程。适合于：不适于：3.4.4粉煤灰水泥1.粉煤灰从粉煤炉烟道气体中收集到的粉末称为粉煤灰。对粉煤灰加以利用，能变废为宝，有效减少环境污染。在粉煤灰化学成分中，SiO2占35％～55％

，Al2O3占15％～40％，当它们从炉内排出，快速冷却后，具有一定的化学潜能，能与水泥水化产物Ca(OH)2

发生水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物。3.4.4粉煤灰水泥2.粉煤灰水泥国标GB1344－1999规定：凡由硅酸盐水泥熟料、20％～40％火山灰质混合材料、适量石膏磨细制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.F。水泥品种硅酸盐水泥29.838.146.558.357.055.2粉煤灰水泥

16.423.537.552.365.766.5（掺量30％）抗压强度（MPa）

3d7d28d3月6月1年3.4.4粉煤灰水泥3.粉煤灰水泥特点（1）早强强度低，但强度增长率大，后期强度较高；（2）水化热低；耐腐蚀性好；耐热性好；（3）需水量小（多为球形玻璃体颗粒，结构致密），干缩性小；（4）低温下凝结硬化缓慢，宜进行蒸气养护。一般地面工程、地下工程、水下工程；大体积工程，耐热工程。早强要求高的工程、有抗冻要求的工程、低温环境下的工程。适合于：不适于：3.4.5复合水泥1.复合水泥的定义国标GB1344－1999规定：凡由硅酸盐水泥熟料、15％～50％的两种以上混合材料（允许用不超过8％的窑灰代替部分混合材料）、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为“复合硅酸盐水泥”，简称“复合水泥”，代号P.C。2.复合水泥的特性复合水泥特性与所掺入的混合材料种类、掺量及相对比例有关。其基本特性与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥相似。3.五大品种硅酸盐水泥的特性及应用3.5.1影响水泥性能的因素1.水泥组分的影响（1）熟料组分的影响——C3S、C2S、C3A、C4AF的特性；（2）石膏掺量的影响——为何掺入，掺多少？（3）混合材料种类及掺量的影响——

比较几种掺混合材料水泥的特性。水泥组分混合材料石膏熟料3.5.1影响水泥性能的因素2.细度的影响水泥颗粒越细——与水接触面积越大；水化反应越快；凝结硬化越快；早强强度越大。是否越细越好？

——活性太大，易吸湿受潮，不易保存；

——凝结硬化时干缩太大；

——生产成本提高。3.5.1影响水泥性能的因素3.养护条件（温度、湿度）的影响（1）养护温度水化速度快；凝结硬化快；早期强度高。水化反应慢；凝结硬化慢；

00C以下水化反应基本停止。（2）养护湿度高低缺少水份会导致水泥水化停止，甚至干缩、开裂；潮湿的环境利于水化反应进行；在水中养护更佳；现场常用的养护方式是：覆盖稻草等潮湿材料，表面洒水。3.5.1影响水泥性能的因素4.龄期的影响水泥凝结硬化产生强度，其强度的增长与时间长短，即与龄期有关。

规定28d的意义——

加水拌和3d、7d、28d内，水泥的强度增长都很快。28d之后，由于水化产物对水泥颗粒的包裹，水化反应显著减慢，强度虽有所增长，但增长值极小，已无实用意义。规定3d、7d的意义——考察早期强度，利于拆模、安装。标准强度龄期——3d、7d、28d。3.5.1影响水泥性能的因素5.拌和水用量的影响水灰比W/C

＝拌和水W水泥C（质量比）温度湿度适当条件下，水化反应需水量一般只为水泥质量的1/4左右，即W/C＝0.25左右即可满足水化反应要求。考虑到水泥浆、混凝土的搅拌、浇筑、振捣要求，一般常用水灰比为0.4～0.6。拌和水的两个重要作用——①提供水化反应用水；②满足流动性要求。那么，水灰比过大会出现什么问题？水泥石的致密程度影响到:强度、耐腐蚀性、抗冻性、抗渗性……在满足施工要求和强度要求的条件下，水灰比应当尽可能小。3.5.1影响水泥性能的因素6.贮存条件的影响贮存时间长，水泥颗粒易因吸潮水化而失效。纸袋包装，干燥环境，三个月（见水泥生产书）4、硅酸盐水泥的技术性质

（1）化学性质

①不溶物——主要指煅烧过程中存留的残渣，不溶物的含量会影响水泥的粘结质量。

②烧失量——水泥煅烧不理想或者受潮后，会导致烧失量增加因此，烧失量是检验水泥质量的一项指标。

③氧化镁水化慢、体积膨胀,影响安定性

④三氧化硫

⑤碱——限制发生碱-集料反应，按（Na2O+0.658K2O）值计。（2）物理力学性质

①细度

0.08mm方孔筛