土木工程材料水泥第二讲

土木工程材料水泥第二讲第1页，共53页，2023年，2月20日，星期六影响水泥水化和凝结硬化的主要因素1.熟料矿物组成:是影响水泥凝结硬化的主要内因，C3A凝结硬化速度最快，C2S凝结硬化速度最慢。2.用水量：为了保证水泥浆体的塑性和流动性，加入的水量要大于水化所需要的理论用水量。多余的水分蒸发后，在硬化的水泥石内形成毛细孔。W/C越大，水泥浆越稀，硬化后水泥石中毛细孔越多，水泥石的强度下降；同时由于毛细孔的增多，水泥石的抗渗性和抗冻性也急剧下降。3.细度:水泥颗粒越细，与水接触越充分，水化反应速度越快，水化热越大，早期强度高；但需水量大，毛细孔多，干缩增大，反而会影响后期强度。同时水泥太细，易与空气中的水分和二氧化碳反应，使水泥不易久存，而且磨制过细的水泥能耗大，成本高。第2页，共53页，2023年，2月20日，星期六4.养护的温度和湿度：①提高温度可使水泥反应加快，强度增长加快；②当温度低于5℃时，水化硬化大大减慢；当温度低于0℃时，水化反应基本停止，当水结冰时，还会破坏水泥石结构，因此冬季施工时要采取一定的保温措施；③温度太高，反应速度太快所形成的结构不致密，会导致后期强度下降（当温度达到70℃以上时，28d的强度下降10%～20%);④通常水泥的养护温度在5～20℃时，有利于水泥强度的增长。⑤湿度是保证水泥水化的一个必备条件。第3页，共53页，2023年，2月20日，星期六5.养护龄期：随着龄期的增加，毛细孔隙减少，密实度和强度增加，水泥在3～14d内的强度增加较快，28d后强度增长趋于缓慢。6.水泥外加剂：添加＜5%的少量外加剂，可明显改善水泥的某些性能。如速凝剂、缓凝剂等。第4页，共53页，2023年，2月20日，星期六二、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5页，共53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6页，共53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7页，共53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8页，共53页，2023年，2月20日，星期六雷氏夹第9页，共53页，2023年，2月20日，星期六水泥沸煮箱第10页，共53页，2023年，2月20日，星期六水泥安定性压蒸釜第11页，共53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12页，共53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13页，共53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14页，共53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15页，共53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16页，共53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17页，共53页，2023年，2月20日，星期六水泥抗折强度试验机第18页，共53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19页，共53页，2023年，2月20日，星期六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20页，共53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21页，共53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22页，共53页，2023年，2月20日，星期六6.水泥石的抗蚀性（1）淡水的腐蚀（溶出性腐蚀）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。淡水:雨水、雪水、蒸馏水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水。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23页，共53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24页，共53页，2023年，2月20日，星期六Na2SO4在混凝土孔隙中的结晶

第25页，共53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26页，共53页，2023年，2月20日，星期六27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27页，共53页，2023年，2月20日，星期六28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P45第28页，共53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。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29页，共53页，2023年，2月20日，星期六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30页，共53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31页，共53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32页，共53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33页，共53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34页，共53页，2023年，2月20日，星期六二、普通硅酸盐水泥P48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3-835第35页，共53页，2023年，2月20日，星期六三、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。36第36页，共53页，2023年，2月20日，星期六373.三种水泥的特点（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37页，共53页，2023年，2月20日，星期六38（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38页，共53页，2023年，2月20日，星期六39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39页，共53页，2023年，2月20日，星期六40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40页，共53页，2023年，2月20日，星期六四、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。41第41页，共53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42页，共53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43页，共53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44页，共53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45页，共53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46页，共53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47页，共53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48页，共53页，2023年，2月20日，星期六三、白色和彩色硅酸盐水泥1.白色硅酸盐水泥（白水泥）硅酸盐水泥熟料中氧化铁等含量少。产品标准：《白色硅酸盐水泥》（GB/T2015-2005）。技术要求：三氧化硫、细度、凝结时间、安定性、水泥白度（≥87）、强度（32.5、42.5、52.5）。2.彩色硅酸盐水泥生料＋着色物质、熟料＋着色物质、白水泥＋着色物质。

产品标准：《彩色硅酸盐水泥》（JC/T870-2000）。技术要求：三氧化硫、细度、凝结时间、安定性、强度、色差。3.应用：用于各种装饰装修。

第49页，共53页，2023年，2月20日，星期六道路硅酸盐水泥快硬硅酸盐水泥快硬硫铝酸盐水泥中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥抗硫酸盐水泥

第50页，共53页，2023年，2月20日，星期六水泥工业之遗憾1.消耗资源

我国已初步探明的石灰石储量为542亿吨，可开采利用的约为250亿吨。如以2004年我国水泥总产量9.7亿吨、需消耗石灰质原料10亿吨记计，加上相关行业所用石灰石，则不需30年，即会出现石灰石资源枯竭的严重问题。一方面是水泥石灰石资源枯竭的严