建筑材料 水泥

建筑材料水泥第1页/共91页

自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料。至2005年，我国水泥总需求量达到了7亿吨左右，占世界水泥用量的1/3,水泥混凝土的总需求量也达到了50亿吨。课外知识：波特兰水泥的发明

1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明,通过煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料,它制成砖块很像由波特兰半岛采下来的波特兰石,由此将这种胶凝材料命名"波特兰水泥"

PortlandCement.

2第2页/共91页砂浆、混凝土钢筋混凝土（1850年）石棉水泥（1900年）预应力混凝土（1929年）外加剂混凝土（1935年）高强混凝土（20世纪70年代）波特兰水泥(1824年)高性能混凝土（20世纪90年代）聚合物水泥混凝土（20世纪50年代）课外知识：水泥基材料的发展历程：3第3页/共91页目录基本要求简介3.1硅酸盐水泥3.2掺混合材的硅酸盐水泥3.3其他品种水泥4第4页/共91页基本要求内容主要介绍水泥的分类、优点及生产。主要介绍硅酸盐水泥及掺加混合料的硅酸盐水泥，包括：定义、组成、水化、凝结与硬化、实验和技术性质、腐蚀与防护、特性和应用。简单介绍常用的其他品种水泥。重点6种硅酸盐水泥的定义硅酸盐水泥的矿物组成水泥水化、凝结与硬化机理技术性质及测试方法5第5页/共91页基本要求重点水泥的腐蚀及防护特性应用难点水泥水化、凝结和硬化机理各种水泥的异同点注意事项本章是整个课程的重点联系各种水泥进行学习着重分析它们之间的差异及造成这些差异的原因6第6页/共91页水泥的定义：水泥是一种水硬性的胶凝材料，呈粉末状，加水拌和后成浆体后，能胶结砂、石等散粒材料，并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。发展趋势：1）在水泥品种方面，将加速发展快硬、高强、低热等特种和多用途的水泥；2）大力发展水泥外加剂；3）大力发展高标号水泥；简介7第7页/共91页简介水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。多样性低成本可塑性工艺简单耐久性与钢筋粘结性好水硬性水泥的优点8第8页/共91页

水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。通用水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合水泥简介专用水泥砌筑水泥油井水泥特性水泥快硬水泥膨胀水泥抗硫酸盐水泥中热水泥9第9页/共91页水泥按化学成分可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。硅酸盐水泥一般工程铝酸盐水泥硫酸盐水泥快硬、早强。主要用于紧急抢修工程、早强工程、冬季施工、抗蚀、抗冻等工程。早强、膨胀。适用于抢修工程、锚固和地下工程等。

简介10第10页/共91页尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。简介11第11页/共91页一、水泥混合材料定义：在水泥生产过程中，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。作用：在水泥生产过程中节约能源，利用废料，降低成本，改善水泥的性能，减少污染。分类：活性混合材料、非活性混合材料12第12页/共91页1.非活性混合材料定义：常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。常用：磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等作用：主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥强度等级、增加产量、降低水化热等作用。13第13页/共91页2.活性混合材料定义：常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。常用的活性混合材：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等。活性来源：可反应的SiO2、Al2O314第14页/共91页混合材料0-5%石膏熟料磨细硅酸盐水泥P.ⅠP.Ⅱ15第15页/共91页混合材料6-15%石膏熟料磨细普通硅酸盐水泥P.O16第16页/共91页粒化高炉矿渣石膏熟料磨细矿渣硅酸盐水泥P.S17第17页/共91页火山灰质混合材料石膏熟料磨细火山灰质硅酸盐水泥P.P18第18页/共91页粉煤灰石膏熟料磨细粉煤灰硅酸盐水泥P.F19第19页/共91页两种以上混合材料石膏熟料磨细复合硅酸盐水泥P.C20第20页/共91页两磨一烧，其中最关键是烧通用硅酸盐水泥的生产流程21第21页/共91页硅酸盐水泥生料的配制

原料

石灰质原料（如石灰石、贝壳等，提供CaO）粘土质原料（如粘土、页岩等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3）校正原料（如铁矿粉、砂岩，前者是补充原料中不足的氧化铁，后者是补充原料中不足的SiO2）

矿化剂

(如萤石、石膏等）工艺

干法湿法

22第22页/共91页硅酸盐水泥的煅烧

窑型立窑回转窑煅烧过程

水分蒸发生料预热生料分解煅烧冷却23第23页/共91页邢台中联水泥

24第24页/共91页25新型干法第25页/共91页窑外分解干法工艺流程物料流气流燃料26第26页/共91页水泥煅烧过程排气原料入口气体温度进料温度50oC450oC600oC800oC1000oC1200oC1350oC1350oC1450oC1550oC1234561.失去自由水4.初化合物形成6.C3S初形成2.粘土分解5.C2S初形成3.石灰岩分解27第27页/共91页生料磨系统28第28页/共91页29窑尾悬浮预热器及分解炉系统第29页/共91页30回转窑第30页/共91页31窑头第31页/共91页32水泥磨第32页/共91页两磨一烧，其中最关键是烧通用硅酸盐水泥的生产流程33第33页/共91页第一节硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥生产工艺定义：凡由硅酸盐水泥熟料，０～５％石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（国外通称波特兰水泥）。分类：不掺混合材Ⅰ型硅酸盐水泥（Ｐ·Ⅰ）掺≤5%混合材料Ⅱ型硅酸盐水泥（Ｐ·Ⅱ）第34页/共91页35二、硅酸盐水泥基本组成1.熟料——矿物组成、岩相结构水泥厂常用各种元素的氧化物来表示。熟料主要矿物：硅酸三钙3CaO·SiO2，可简写为C3S；硅酸二钙2CaO·SiO2，可简写为C2S；铝酸三钙3Ca0·AI2O3,可简写为C3A;铁相固溶体通常以铁铝酸四钙4CaO·AI2O3·Fe2O3作为代表式，可简写成C4AF。

第35页/共91页矿物含量/%强度水化热耐化学侵蚀性干缩C3S50早高后高中中中C2S20早低后高小良小C3A7~15早低后低大差大C4AF10~18早低后低小优小熟料矿物的基本特性第36页/共91页372.石膏作用：调节凝结时间，提高早强，降低干缩，改善耐久性、抗渗性等；对掺混合材的水泥，石膏还起激发剂的作用。种类：二水石膏或无水石膏掺量：与C3A含量及混合材种类有关第37页/共91页

水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体。凝结——水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化——随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。第38页/共91页硅酸盐水泥的凝结和硬化水泥的水化过程可分为五个阶段第39页/共91页40各熟料矿物的水化过程：☞硅酸盐水泥生成的主要水化产物有:水化硅酸钙C-H-S凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。

第40页/共91页41水化硅酸钙形貌第41页/共91页42氢氧化钙CH形貌第42页/共91页钙矾石显微形貌

43第43页/共91页水泥水化过程1.初拌水泥浆2.7天3.28天4.90天未水化颗粒充满水的毛细孔C-S-H胶体氢氧化钙日期44第44页/共91页影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素：☞熟料矿物组成☞水泥细度的影响☞拌合用水量的影响☞养护湿度、温度的影响☞养护龄期的影响☞储存条件的影响45第45页/共91页46四、硅酸盐水泥品质要求1.凝结时间

☞初凝：开始失去塑性≥45分（1~3小时）☞终凝：完全失去塑性，并开始产生强度硅酸盐水泥≤6小时30min，普通水泥≤10小时(一般5~7小时)第46页/共91页472.强度国家标准（GB/T17671-1999）规定：水泥的胶砂强度。将水泥和中国ISO标准砂按1:3，水灰比为0.5的比例，以规定的方法搅拌制成标准试件（尺寸为40mm×40mm×160mm），在标准条件下（20℃士1℃水中）养护至3d和28d，测定个龄期的抗折强度和抗压强度。强度等级：将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、625、62.5R等6个强度等级，其中带R的为早强型水泥。第47页/共91页48水泥净浆搅拌机水泥砂浆搅拌机第48页/共91页49水泥胶砂模具水泥净浆模具振实台水泥净浆模具振实台水泥净浆模具振实台第49页/共91页50标准养护箱电动抗折试验机第50页/共91页51SANS万能试验机第51页/共91页523.安定性定义：水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。安定性不良原因：①f-CaO过量②f-MgO过量③石膏过量沸煮法：试饼法、雷氏夹法压蒸安定性试验沸煮箱第52页/共91页534.细度定义：指粉体材料的粗细程度。国标规定：①硅酸盐水泥：比表面积＞300m2/Kg。（比表面积仪）②其他五类水泥：筛析法（水筛、干筛、负压筛）在80μm标准筛的筛余量不得超过10%。第53页/共91页545.水化热

水泥矿物的水化热及放热速率比较C3A>C3S>C4AF>C2S水泥水化放热量和放热速率还与水泥细度、混合材种类和数量有关.第54页/共91页556.水泥化学品质指标（1）不溶物熟料中未参与矿物形成反应得粘土和结晶SiO2，国标规定：P·Ⅰ≤0.75%P·Ⅱ≤1.50%（2）烧失量

P·Ⅰ≤3.0%P·Ⅱ≤3.5%P·O≤5.0%（3）氧化镁（4）SO3（5）碱含量Na2O+0.658K2O，碱集料反应（6）氯离子含量各类硅酸盐水泥≤0.06%第55页/共91页567.产品质量评定——凝结时间、安定性、强度不合格品：①终凝时间不合格；②细度不合格；③强度低于商品等级规定的指标。废品：①初凝时间不合格；②安定性试验不合格（即f-CaO）；③SO3含量超标；④MgO含量超标。第56页/共91页571.淡水（软水）原因：水的流动、压力作用使CH流失。若静水：CH饱和则不再溶解。流动水：CH不断溶解、流失。水泥中碱度↓，其他水化物分解C3SHn→C2SHn→CSHn→C+S+nH各主要水化产物稳定存在时所必需的极限石灰浓度如下：氢氧化钙约为1.3gCaO/L；水化硅酸三钙稍大于1.2gCaO/L；水化铁铝酸四钙约为1.06gCaO/L；水化硫铝酸钙约为0.045gCaO/L。当环境水的水质较硬，环境水中重碳酸盐能与水泥石中的Ca(OH)2起作用，生成几乎不溶于水的CaCO3。Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O五、抗蚀性第57页/共91页582.酸与酸性水（碳酸腐蚀）在工业污水、地下水中，常溶解有一定量的二氧化碳，它对水泥石的腐蚀作用如下：Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2OCaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

（可逆反应）生成的碳酸氢钙易溶于水。当水中含有较多的碳酸，并超过平衡浓度时，反应向右进行。氢氧化钙浓度的降低还会导致水泥石中其他水泥水化物的分解，使腐蚀作用进一步加剧。第58页/共91页593.硫酸盐海水、地下水、工业污水中常常含有硫酸盐。如：Na2SO4·10H2OCa(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

简写：C3AH6+3CS’H2+19H→C6AS’3H31生成的高硫型水化硫铝酸钙体积增加了1.50倍，对水泥石的破坏作用很大。俗称“水泥杆菌”。当水中硫酸盐浓度较高时，硫酸钙会在毛细孔中直接结晶成二水石膏，体积增大，引起水泥石的破坏。若为MgSO4，“镁盐侵蚀”第59页/共91页604.含碱溶液——化学侵蚀反应、结晶侵蚀化学侵蚀反应：2CaO·SiO2·nH2O+2NaOH=2Ca(OH)2+Na2SiO3+(n-1)H2O3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH=3Ca(OH)2+Na2O·Al2O3+4H2O结晶侵蚀：碱液渗入浆体孔隙，然后蒸发结晶析出，产生结晶应力引起的胀裂。第60页/共91页61小结：水泥石易腐蚀的基本原因：（1）硅酸盐水泥石中含有较多易受腐蚀的成分，氢氧化钙、水化铝酸钙等；（2）本身不密实，含有大量的毛细孔隙。防止腐蚀的措施：（1）根据工程所处的环境特点，选择合适的水泥品种；（2）提高水泥石的密实程度；（3）表面防护处理。第61页/共91页62六、硅酸盐水泥的应用特性凝结硬化快、强度高配制高强砼、预应力砼、要求早期强度高的砼，冬季施工抗冻性好，干缩较小严寒地区遭受反复冻融的砼工程抗碳化能力强CO2浓度高的区域耐磨性好道路、地面工程耐蚀性差有腐蚀介质的环境水化热大大体积砼工程长期受高温的环境（如工业窑炉）耐热性差第62页/共91页第二节掺混合材的硅酸盐水泥定义：是指由硅酸盐熟料，掺入适量的混合材料和石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料。品种：主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。第63页/共91页一、水泥混合材料定义：在水泥生产过程中，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。作用：在水泥生产过程中节约能源，利用废料，降低成本，改善水泥的性能，减少污染。分类：活性混合材料、非活性混合材料第64页/共91页1.非活性混合材料定义：常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。常用：磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等作用：主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥强度等级、增加产量、降低水化热等作用。第65页/共91页2.活性混合材料定义：常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。常用的活性混合材：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等。活性来源：可反应的SiO2、Al2O3第66页/共91页3.活性混合材的水化碱性环境中：SiO2+nCa(OH)2+mH2O→CnSH(m+n)

Al2O3+nCa(OH)2+mH2O→CnAH(m+n)硫酸盐激发剂（石膏）：Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO4·2H2O+22H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O水化产物特点：发生二次水化，Ca(OH)2少，低碱性。第67页/共91页二、普通硅酸盐水泥定义：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P·O）。组成：85%≤熟料+石膏＜94%6%＜活性混合材≤15%强度等级及其他品质要求：表3-868第68页/共91页三、矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥1.组成

20~70%粒化高炉矿渣--------矿渣水泥熟料+石膏+20~50%火山灰质混合材--火山灰水泥20~40%粉煤灰--------------粉煤灰水泥2.强度等级及其他品质要求见表3-9、3-8。69第69页/共91页703.三种水泥的特点（1）三种水泥的共性早期强度低、后期强度发展高。对温度敏感，适合高温养护。耐腐蚀性好。水化热小。抗冻性较差。抗碳化性较差

第70页/共91页71（2）三种水泥的特性矿渣硅酸盐水泥：①保水性差，且干缩较大；②抗渗性差；③耐热性较好（300~400℃）。矿渣在3.0K下的SEM照片应用：可用于耐热工程；不宜用于抗渗工程。第71页/共91页72火山灰质硅酸盐水泥：

①保水性好；②抗渗性较好；③干缩大，易干缩开裂。应用：宜用于有抗渗性要求的混凝土工程；不宜用于干燥地区和受冻部位。第72页/共91页73粉煤灰硅酸盐水泥：☞①水化更慢，早强低；②需水量小，可增加混凝土流动性；③干缩较小，抗裂性好；④抗渗性较差；⑤耐磨性差。粉煤灰在3.0K下的SEM照片应用：适合用于承载较晚的混凝土工程；不宜用于有抗渗性要求的以及有耐磨性要求的混凝土工程。第73页/共91页四、复合硅酸盐水泥定义：是由硅酸盐水泥、两种或两种以上混合材料和适量石膏组成。特性：取决于其所掺混合材料的种类、掺量及相对比例。适用范围：可根据其掺入的混合材料种类，参照其他混合材水泥适用范围选用。74第74页/共91页75第三节其它品种水泥一、铝酸盐水泥定义：以矾土和石灰石作原料，按适当的比例配合进行烧结或熔融，再经粉磨而制成，称为铝酸盐水泥（CA）。分类：按Al2O3含量分为

耐高温工程CA-8077%≤Al2O3CA-5050%≤Al2O3＜60%抢修、早强要求高的工程CA-6060%≤Al2O3＜68%早强要求高的及耐热工程CA-7068%≤Al2O3＜77%耐热工程第75页/共91页762.铝酸盐水泥的主要特性及相应的应用（1）快硬早强。1d强度高，适用于紧急抢修工程。（2）水化热大。放热量主要集中在早期，不宜用于大体积混凝土工程；但适用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程。（3）抗硫酸盐侵蚀性好。适用于抗硫酸盐及海水侵蚀的工程。（4）耐热性好。可作为耐热砂浆或耐热混凝土的胶结材料，能耐1300～1400℃高温。（5）30℃以上潮湿环境导致转晶反应，强度显著降低。不宜蒸汽养护、高温季节施工，不宜用于温湿环境；适宜的硬化温度为15℃，因此也不宜用于长期承载结构。（6）与硅酸盐水泥或石灰相混会闪凝，且产生膨胀开裂，施工时应避免。（7）抗碱性极差。第76页/共91页3.应用过程需要注意的问题（1）不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出氢氧化钙的物质混合，否则将产生闪凝，且强度降低。（2）铝酸盐水泥混凝土后期强度下降较大，应以最低稳定强度设计。最低稳定强度值以试体脱模后放入50±2℃水中养护，取龄期为7d和14d强度值的低着来确定。（3）若采用蒸汽养护，养护温度不高于50℃。（4）不能与未硬化的硅酸盐水泥混凝土接触使用。（5）铝酸盐水泥最适宜的硬化温度为15℃左右，一般不得超过25℃。第77页/共91页78二、硫铝酸盐水泥

定义：将铝质原料（如矾土）、石灰质原料（如石灰石）和石膏适当配合，煅烧成以无水硫酸钙矿物为熟料，该熟料掺适量石膏共同磨细，即可制得硫铝酸盐水泥。第78页/共91页2.硫铝酸盐水泥特性及应用（1）凝结速度较快；早期强度高，后期强度发展缓慢，但不倒缩。因此可用于抢修工程、冬季施工工程、地下工程、配制膨胀水泥和自应力水泥。（2）空气中收缩小，抗冻和抗渗性能良好，抗硫酸盐性能很强。（3）水泥液相碱度低，可用于配制玻璃纤维砂浆。79第79页/共91页80三、氟铝酸盐水泥

定义：以铝质原料、石灰质原料、萤石（或再加石膏）适当配合，煅烧成以氟铝酸钙（C11A7·CaF2）起主导作用的熟料，再与石膏共同磨细，即可制得氟铝酸盐水泥。矿物组成：C3S、早强矿物C11A7·CaF2，C2S、C4AF、游离石灰和游离石膏。第80页/共91页2.氟铝酸盐水泥的特性及应用技术特性：①凝结快②具有小时强度③良好的抗化学侵蚀性能应用：适用于煤矿井下的锚喷支护，抢修和快速施工，雨天快速施工、堵漏和水中工程，也可用于制作钢筋混凝土预制件等。81第81页/共91页四、膨胀水泥组成：膨胀组分+强度组分82用途：①配制收缩补偿砼，用于构件接逢及管道接头、砼结构的加固和修补、防渗堵漏工程、机器底座和地脚螺丝固定。②配制自应力砼，主要用于制造需要低应力值的构件，如：管子、墙板、楼板、屋面板等。第82页/共91页五、白色硅酸盐水泥定义：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分、氧化铁含量很少的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥（简称白水泥）。性能：与硅酸盐水泥基本相同，所不同的是严格控制水泥原料的铁含量，并严防在生产过程中混入铁质。Fe2O3含量一般小于0.5%，尽可能除掉其他着色氧化物（MnO、TiO2等）。83第83页/共91页六、彩色硅酸盐水泥定义：凡由硅酸盐水泥熟料及适量石膏（或白色硅酸盐水泥）、混合材及着色剂磨细或混合制成的带有色彩的水硬性胶凝材料称为彩色硅酸盐水泥。行业标准《彩色硅酸盐水泥》（JC/T870-2000）规定：强度等级为27.5、32.5、42.5；基本色有红、黄、蓝、绿、棕、黑等。应用：建筑物的内外装饰工程。84第84页/共91页【案例分析】1.湖南某厂综合楼，五层砖混结构1573m2，施工至屋面天沟时突然倒塌。材料为火山灰硅酸盐水泥，平均气温6℃，其中雨雪天36天，<5℃气候34天。原因：温度对火山灰硅酸盐水泥影响很大，导致混凝土强度很低。第85页/共91页2.某水泥厂生产的P·O水泥f-CaO含量较高，加水拌和后初凝时间仅为40min，本属于废品。但放置1个月后，凝结时间又