土木工程材料水泥

土木工程材料水泥第1页，共59页，2023年，2月20日，星期六3.1常用水泥（通用硅酸盐水泥）概述常用水泥的生产常用水泥的特性常用水泥的水化、凝结、硬化常用水泥的选用常用水泥的技术要求影响常用水泥性能的因素

第2页，共59页，2023年，2月20日，星期六1.按《水泥的命名、定义和术语》（GB/T4131-1997）：水泥是指加水拌合成塑性浆体，能胶结砂石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。2.水泥是各种混凝土的最基本的组成材料，广泛用于建筑、道路、水利和国防工程中，素有“建筑业的粮食”之称。概述

呈粉末状，与适量水混合后经过一系列物理化学作用，由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒状材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。就硬化条件而言，水泥浆体不但能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度。第3页，共59页，2023年，2月20日，星期六3.水泥发明于1824年。由于它具有与英国波特兰城建筑岩石相似的颜色，故称之为波特兰水泥（我国称为硅酸盐水泥），首先取得这项专利技术权的是英国的J·Aspdin。4.水泥的品种：按矿物组成分：硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐等系列水泥；按用途及性能可以分为通用水泥:用于一般土木建筑工程的水泥、专用水泥:专门用途的水泥，如道路水泥；及特种水泥:某种性能比价突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥；目前，水泥品种已达到100多种。

第4页，共59页，2023年，2月20日，星期六一、常用水泥的生产1.生产工艺：两磨一烧硅酸盐水泥的生产工艺流程图

第5页，共59页，2023年，2月20日，星期六

最关键的是煅烧生产工艺：两磨一烧第6页，共59页，2023年，2月20日，星期六（1）原材料的破碎与粉磨

石灰质原料：提供CaO；有石灰石、贝壳、石灰质凝灰岩。粘土质原料：提供SiO2、Al2O3和Fe2O3；有粘土、黄土、页岩校正原料：铁质校正原料、硅质校正原料、铝质校正材料。（2）硅酸盐水泥熟料的烧成

硅酸盐水泥熟料主要包括下列四种矿物：硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写为C3S），含量37%～60%；硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写为C2S），含量15%～37%；铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写为C3A），含量7%～15%；铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF），含量10%～18%。

第7页，共59页，2023年，2月20日，星期六

3CaO·SiO2（C3S）

37～60%

3CaO·SiO2（C2S）15～37%3CaO·Al2O3(C3A)7～15%4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)10～18%

f-CaOf-MgO水泥安定性不良

SO3

K2O+NaO

砼碱骨料反应矿物组成在水泥熟料中，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3这四种氧化物，不是以单独的氧物形式存在，而是经过高温煅烧后，两种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体。第8页，共59页，2023年，2月20日，星期六各种矿物熟料强度增长曲线C3S:

水化速率较快，水化热较大，水化产物主要在早期产生，早期强度高，且能得到不断增长。通常决定水泥强度等级高低的最主要矿物。C2S:

水化速率最慢，水化热最小，水化产物和水化热主要表现在后期。C3A：水化速率极快，水化热最集中，对水泥早期（3天以内）的强度影响最大，硬化时表现的体积减缩最大，实际强度不高。C4AF：水化速率较快，水化热中等，抗压强度较低，但抗折强度相对较高。第9页，共59页，2023年，2月20日，星期六四种主要矿物成分的水化、凝结与硬化特性性能指标熟料矿物C3SC2SC3AC4AF水化速率快慢最快快28d水化热多少最多中收缩中中大小强度早期高低高低后期高高低低在水泥中的相对含量改变时，水泥的技术性质也随之改变。第10页，共59页，2023年，2月20日，星期六思考：现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表所示，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？生产厂熟料矿物成分（%）C3SC2SC3AC4AF甲56171215乙4235716第11页，共59页，2023年，2月20日，星期六硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化

凝结：水泥加水拌和后，成为可塑的浆体，逐渐变稠，失去塑性，但尚不具有强度的过程。硬化：随后产生明显的强度，并逐渐发展而成为坚硬的人造石。第12页，共59页，2023年，2月20日，星期六

概念理解注意水泥水化是产生凝结硬化的前提，而凝结硬化则是水泥水化的结果。水泥的凝结硬化是人为划分的，实际上是一个连续、复杂的物理化学变化过程。第13页，共59页，2023年，2月20日，星期六常用水泥的水化、凝结、硬化1.硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应

水化铁酸钙水化硅酸钙氢氧化钙C-S-H凝胶水化铝酸钙

第14页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥石的结构

水泥凝胶体（凝胶和晶体）未水化的水泥内核水（凝胶水和毛细水）孔隙（毛细孔和胶孔）随着水泥的水化，水化物体积要大于原来的未水化水泥体积，即固相体积增大。水灰比是影响水泥石结构性质的重要因素。

补充：水泥水化后固相体积增大，但总体积缩小。第15页，共59页，2023年，2月20日，星期六4.石膏在水泥中的作用。控制C3A的水化凝结硬化速度，调节水泥凝结时间。掺量3％左右。C3A的水化：反应迅速，产生急凝，或闪凝。加入石膏：高硫形水化硫铝酸钙又称钙矾石（俗称水泥杆菌，针状），不溶于水，阻止C3A水化，延缓水泥凝结。石膏耗完C3A与钙矾石反应单硫形水化硫铝酸钙溶于水，水化继续

第16页，共59页，2023年，2月20日，星期六钙矾石显微形貌

第17页，共59页，2023年，2月20日，星期六（1）水泥混合材料

在生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，而加到水泥中去的人工的和天然的矿物材料。5.混合材料在水泥中的作用。混合材料分类化学活性举例在水泥中作用非活性混合材料与水泥成分不起化学作用或化学作用很小石英砂、石灰石、慢冷矿渣、各种废渣填充、提高水泥产量、降低水泥强度等级、减少水化热活性混合材料常温下，细粉与石灰（或石灰和石膏）加水拌合能生成具有胶凝性的水化产物，在空气和水中硬化。粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰上述＋活性效应

第18页，共59页，2023年，2月20日，星期六粒化高炉矿渣炼铁高炉的熔融矿渣，经急速冷却而成的松软颗粒；直径一般为0.5～5mm，需磨细使用；急冷一般用水淬方法进行，故又称水淬高炉矿渣；成粒在于阻止结晶，形成玻璃体，具有较高的潜在活性；活性成分，一般认为是活性氧化铝和活性氧化硅，在常温下可与氢氧化钙起作用而产生强度。火山灰质混合材料火山灰质混合材料：泛指火山灰一类的物质。火山灰：火山喷发的熔岩急冷形成。含有玻璃体，成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝，使火山灰具有活性。

第19页，共59页，2023年，2月20日，星期六粉煤灰火力发电厂煤粉燃烧的烟气中收集的灰渣，又称飞灰。颗粒直径0.001～0.05mm，玻璃态的实心或空心球状。活性来自玻璃体，成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝。

第20页，共59页，2023年，2月20日，星期六（2）活性混合材料的作用自身与水调和后，不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。在氢氧化钙溶液中，会发生显著的水化。若存在石膏，则石膏与铝酸钙反应生成硫铝酸钙而具有一定的强度。

第21页，共59页，2023年，2月20日，星期六（3）矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的水化反应分两步进行水泥熟料颗粒水化；矿渣（火山灰或粉煤灰）受熟料水化时析出的Ca(OH)2和外掺石膏的激发，生成新的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙。水泥熟料矿物水化后的产物又与活性氧化物进行反应，生成新的水化物。二次（水化）反应

第22页，共59页，2023年，2月20日，星期六（4）激发剂Ca(OH)2和石膏起着激发水化（使活性混合材料的潜在活性得以发挥），促进凝结硬化的作用，故称为激发剂。常用的激发剂有碱性激发剂和硫酸盐激发剂两类。碱性激发剂：石灰，硅酸盐水泥熟料。硫酸盐激发剂：二水石膏、半水石膏和各种化学石膏。硫酸盐激发剂的激发作用必须在有碱性激发剂的条件下，才能充分发挥。

第23页，共59页，2023年，2月20日，星期六6.硬化水泥石中的组成

水化产物。忽略一些次要和少量的成分，水泥水化的最终产物是：水化硅酸钙（C-S-H凝胶，约70%）、水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙（约20%）、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙晶体；未水化的水泥颗粒、水（自由水和吸附水）和孔隙（毛细孔和凝胶孔）。

第24页，共59页，2023年，2月20日，星期六三、常用水泥的特性品种硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥复合水泥主要特性凝结硬化快凝结硬化较快凝结硬化慢凝结硬化慢凝结硬化慢与所掺两种或两种以上混合材料的种类、掺量有关，其特性基本上与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的特性相似早期强度高早期强度较高早期强度低，后期强度增长较快早期强度低，后期强度增长较快早期强度低，后期强度增长较快水化热大水化热较大水化热较低水化热较低水化热较低抗冻性好抗冻性较好抗冻性差抗冻性差抗冻性差干缩性小干缩性较小干缩性大干缩性大干缩性较小，抗裂性较好耐蚀性差耐蚀性较差耐蚀性较好耐蚀性较好耐蚀性较好耐热性差耐热性较差耐热性好耐热性较好耐热性较好抗碳化能力差抗碳化能力差抗碳化能力差——泌水性大—————抗渗性较好—————和易性较好

第25页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥石的腐蚀（1）软水的腐蚀（溶出性腐蚀）软水:雨水、雪水、蒸馏水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水。水泥石中各水化物能稳定存在的极限石灰浓度：Ca(OH)2：1.3gCaO/L；水化硅酸三钙：1.2gCaO/L；水化铁铝酸四钙：1.06gCaO/L；水化硫铝酸钙：0.045gCaO/L。如果水泥石长期处于流水或压力流水作用下，Ca(OH)2将不断流失而使水泥石破坏。硬水中不腐蚀：

第26页，共59页，2023年，2月20日，星期六（2）盐类腐蚀

硫酸盐腐蚀水化铝酸钙钙矾石体积增加1.5倍以上，膨胀破坏硫酸盐浓度较高：结晶破坏镁盐腐蚀。硫酸镁对水泥石有镁盐和硫酸盐双重腐蚀的作用。

第27页，共59页，2023年，2月20日，星期六Na2SO4在混凝土孔隙中的结晶

第28页，共59页，2023年，2月20日，星期六（3）酸类腐蚀

碳酸腐蚀“碳化”一般酸腐蚀因为水泥的水化产物呈碱性。，CaCl2溶于水。（4）强碱腐蚀第29页，共59页，2023年，2月20日，星期六组成成分；细度；养护条件（温度、湿度和时间）；龄期；拌合用水量；贮存条件。四、影响常用水泥性能的因素养护对水泥强度发展的影响

第30页，共59页，2023年，2月20日，星期六五、常用水泥的选用

第31页，共59页，2023年，2月20日，星期六六、常用水泥的技术要求1.细度水泥颗粒不能太粗，也不宜太细。测定水泥的细度可以用筛析法和比表面积法。筛析法：用80μm方孔筛的筛余百分数表示。比表面积法:测单位质量粉末的总表面积，以m2/kg表示。2.凝结时间初凝：标准稠度净浆开始失去可塑性；终凝：标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度；初凝时间不能过短，终凝时间不能过长；测定水泥凝结时间采用标准稠度的水泥净浆。

第32页，共59页，2023年，2月20日，星期六初凝时间太短，没有足够的时间进行搅拌、运输、浇筑、振捣、成型或砌筑；终凝时间太长，会拖延整个工程的施工工期。初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者为不合格品。第33页，共59页，2023年，2月20日，星期六3.体积安定性检验体积安定性不良原因游离氧化镁（f-MgO）石膏游离氧化钙（f-CaO）过烧态过烧态与水化铝酸钙反应生成钙矾石检验沸煮法（饼法/雷氏法）检验控制f-MgO含量控制SO3含量氧化镁、三氧化硫及安定性不良的水泥应作废品处理。

第34页，共59页，2023年，2月20日，星期六

定义：水泥凝结硬化时，体积变化的均匀性。原因：f-CaO、f-MgO和石膏过量解释：①游离CaO和MgO属过烧，水化速度很慢，在已硬化的水泥石中继续与水反应，体积膨胀，引起不均匀的体积变化造成水泥石龟裂、弯曲、甚至崩溃等现象。②若水泥生产中石膏过量，水泥硬化后，石膏还会继续与水化铝酸钙起反应，生成水化硫铝酸钙（钙矾石），体积增大1.5倍，同样引起水泥石开裂。

第35页，共59页，2023年，2月20日，星期六雷氏夹第36页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥沸煮箱第37页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥安定性压蒸釜第38页，共59页，2023年，2月20日，星期六4.强度及强度等级

按抗压强度和抗折强度分为六个强度等级。硅酸盐水泥各龄期的强度要求强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0水泥：标准砂：水＝1：3：0.5注意与旧标准的标号对比！5.碱含量:按Na2O+0.658K2O计算。

第39页，共59页，2023年，2月20日，星期六技术指标硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥复合水泥Ⅰ型Ⅱ型不溶物≤0.75%1.50%/////烧失量≤3.0%3.5%≤5.0%////氧化镁≤5.0%，若压蒸安定性试验合格，则≤6.0%熟料中MgO≤5.0%，若压蒸安定性试验合格，则≤6.0%三氧化硫≤3.5%3.5%4.0%3.5%细度比表面积＞300m2/kg/////80μm方孔筛筛余≤/10.0%10.0%10.0%10.0%10.0%凝结时间初凝≥45min终凝≤6.5h≤10h安定性沸煮法检验合格强度等级42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R42.5、42.5R、52.5、52.5R32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R碱（若使用活性骨料）用户要求提供低碱水泥时，≤0.60%或由供需双方商定

由供需双方商定常用水泥的技术要求

第40页，共59页，2023年，2月20日，星期六国家标准（GB/T17671-1999）规定：水泥的强度用胶砂试件检验。条件：

1、材料：水泥:ISO标准砂=1:3，W/C=0.5；

2、试件尺寸：40mm×40mm×160mm；

3、养护条件：20℃士1℃水中；

4、龄期：3d和28d；

5、强度种类：抗折强度和抗压强度。

6、强度等级：6个强度等级，其中带R的为早强型水泥。第41页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥强度检测仪器水泥净浆搅拌机第42页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥强度检测仪器

水泥养生箱水泥振动台水泥试模第43页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥强度检测仪器水泥抗压试验机第44页，共59页，2023年，2月20日，星期六水泥抗折强度试验机第45页，共59页，2023年，2月20日，星期六

水泥发生水化作用时放出的热量，主要在硬化初期放出。水化热大的水泥，能加速凝结硬化过程，但对大体积混凝土来说，由于水化热在其内部积聚热量，使其内部温度升高，由于内外温差使混凝土产生内应力而开裂破坏。我国《JGJ55-2000普通混凝土配合比设计规程》上，定义大体积混凝土为：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。日本建筑学会标准(JASS5)规定：“结构断面最小厚度在80cm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土，称为大体积混凝土”。

5水化热第46页，共59页，2023年，2月20日，星期六？某大体积的混凝土工程，浇筑2周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某水泥厂生产的42.5R型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：

矿物名称C3SC2SC3AC4AF质量分数（%）61141411思考分析续下页第47页，共59页，2023年，2月20日，星期六【原因分析】由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高。在浇注混凝土后，混凝土的内外温差高，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。【防治措施】首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。再次，大体积混凝土工程施工时应采取相应的措施，如外部保温、内部降温等。第48页，共59页，2023年，2月20日，星期六3.水泥3.2

其它品种水泥3.1常用水泥

第49页，共59页，2023年，2月20日，星期六

高铝水泥膨胀水泥白色和彩色硅酸盐水泥3.2其它品种水泥第50页，共59页，2023年，2月20日，星期六一、高铝水泥（矾土水泥）以铝矾土和石灰石为原料，经高温煅烧得到铝酸钙为主的熟料磨细制成。代号CA。按Al2O3的含量百分数分为四类：CA-50（50％≤Al2O3＜60％），CA-60（60％≤Al2O3＜68％），CA-70

（68％≤Al2O3＜77％），CA-80

（Al2O3≥77％）。

第51页，共59页，2023年，2月20日，星期六熟料矿物组成铝酸一钙（CA）－70％；二铝酸一钙（CA2）－少量；硅酸二钙（C2S）－少量。铝酸盐水泥的水化T＜20℃：CA+10H2O→CAH10；T=20～30℃：2CA+11H2O→C2AH8+Al2O3.3H2O；T＞30℃：3CA+12H2O→C3AH6+Al2O3.3H2O强度的产生CAH10、C2AH8相互交织成坚固的结晶合生体;氢氧化铝凝胶填充于晶体骨架空隙中;CAH10、C2AH8→C3AH6，强度降低温度升高，转化加速晶体的转化

第52页，共59页，2023年，2月20日，星期六快凝、早强。用于紧急工程、抢修工程、冬季施工工程；耐热性好和耐硫酸盐腐蚀性强。配制耐热混凝土和耐硫酸盐混凝土；水化热大。不能用于大体积混凝土；长期强度会降低。注意施工温度（15℃～25℃），按最低稳定强度设计；不得与硅酸盐水泥、石灰等混用；低收缩；耐碱性差;产品标准：《铝酸盐水泥》（GB201-2000）。产品特性及应用

第53页，共59页，2023年，2月20日，星期六加水硬化后，体积膨胀而不是收缩。

二、膨胀水泥硅酸盐膨胀水泥。硅酸盐水泥为主，外加高铝水泥和石膏配制而成。

铝酸盐膨胀水泥。高铝水泥水泥为主，外加石膏配制而成。

硫铝酸盐膨胀水泥。无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分，外加石膏配制而成。

铁铝酸钙膨胀水泥。铁相、无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分，外加石膏配制而成。

第54页，共59页，2023年，2月20日，星期六膨胀原理：生成钙矾石。调整组分比例，可得不同的膨胀值。若膨胀受限，则产生自应力。自应力≥2MPa，称为自应力水泥；自应力＜2MPa，称为膨胀水泥；应用：补偿收缩混凝土、自应力混凝土。产品标准：《膨胀硫铝酸盐水泥》（ZBQ11007-87）、自应力硫铝酸盐水泥》（JC715-1996）：

第55页，共59页，2023年，2月20日，星期六三、白色和彩色硅酸盐水泥1.