建筑材料课件七

第五章水泥

水泥，指加水拌和成塑性浆后，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。土木建筑工程通常采用的水泥主要有：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、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。

第一节硅酸盐水泥

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。硅酸盐水泥在国际上分为两种类型：不掺混合材的称I型硅酸盐水泥，其代号为P.I；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II型硅酸盐水泥，其代号为Ｐ.II。一.硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。生产水泥的基本工序可以概括为：“两磨一烧”：先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。二.硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为:（ｌ）硅酸三钙硅酸三钙的化学成分为３ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为Ｃ3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的３６％～６０％。硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥３～７天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。（２）硅酸二钙硅酸二钙的化学成分为2ＣaＯ·ＳiＯ2，其简写为C2S，约占水泥熟料总量的15％～37％。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。（３）铝酸三钙铝酸三钙的化学成分是３CaO·Al2O3，其简写为C3Ａ，约占水泥熟料总量的7～15％。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。（４）铁铝酸四钙铁铝酸四钙的化学成分为:４CaO·Al2O3·Fe2O3，约占水泥熟料总量的10％～18％。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。3.硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应，生成各种水化物。

硅酸三钙 水 水化硅酸钙氢氧化钙

硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙铝酸三钙水 水化铝酸三钙铁铝酸四钙水水化铝酸三钙 水化铁酸钙水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体，也称为钙矾石晶体：

水化硫铝酸钙（钙矾石）经过上述水化反应后，水泥浆中不断增加的水化产物主要有：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物。4.硅酸盐水泥的凝结和硬化水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。随着水泥水化的不断进行，水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。5.影响水泥凝结硬化的主要因素（１）矿物组成不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素.（２）水泥浆的水灰比水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。当水泥浆中加水较多时，水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢。另外水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低，因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥石的强度。

（3）石膏掺量石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时，石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。（4）水泥的细度在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水的接触面大，水化速度快，相应地水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。

（5）环境温度和湿度在适当温度条件下，水泥的水化、凝结和硬化速度较快。反应产物增长较快，凝结硬化加速，水化热较多。相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增长变缓。但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢，甚至下降。水的存在是水泥水化反应的必要条件。当环境湿度十分干燥时，水泥中的水分将很快蒸发，以致水泥不能充分水化，硬化也将停止；反之，水泥的水化将得以充分进行，强度正常增长。（6）龄期（时间）水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，只要温度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干年。

6.硅酸盐水泥的技术要求（１）细度水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响。水泥颗粒粒径一般在7～200μm范围内。国家标准GB175-1999规定，水泥的细度可用比表面积或0.08mm方孔筛的筛余量（未通过部分占试样总量的百分率）来表示。其筛余量不得超过规定的限值。比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和（cm2/g或m2/kg）。一般常为317～350m2/kg。（２）轻标准稠搬度用水语量稠度枕是水腿泥浆济达到谨一定袄流动嚷度时龄的需都水量蜻。国效家标劣准规滴定检删验水暂泥的枯凝结瘦时间兵和体迷积安总定性狭时需超用“步标准舒稠度声”的拔水泥成净浆狗。“葱标准准稠度医”是潜人为守规定躲的稠成度，辞其用提水量容采用促水泥讯标准继稠度较测定忘仪测倍定。孔硅酸盏盐水籍泥的眯标准蔬稠度小用水绝量一障般在光２１坟％～碗２８肤％之务间。（3）凝衣结时立间水泥都从加突水开翁始到酿失去污其流蜡动性直，即秆从液迟体状千态发烈展到突较致谎密的晴固体鼻状态租的过满程称召为水堤泥的献凝结甲过程衣。这淋个过肢程所稻需要烂的时筛间称顾为凝芹结时扶间。凝结令时间阴分初革凝时帮间和译终凝着时间诸。初凝时你间为水贫泥加删水拌厦和至旦标准闷稠度戒的净小浆完然全失侍去可稠塑性牢所需冰的时愉间。终凝踏时间为水泥册加水拌芳和至标孤准稠度虾的净浆蛋完全失但去可塑亦性并开驰始产生触强度所现需的时叛间。国家标奇准规定档，水泥挽的凝结搭时间是诉以标准跑稠度的披水泥净登浆，在盖规定温挣度及湿驾度环境犯下用水头泥净浆劲凝结时欧间测定企仪测定第。硅酸赢盐水泥笑的初凝佩时间不莲得早于45碎mi饼n，终凝否时间不荐得迟于6h霞3司0m刃in。（４）筛体积安甚定性水泥历浆体炸硬化胁后体嚼积变症化的积均匀或性称畅为水宁泥的全体积峰安定它性。史即水头泥硬萝化浆浩体能档保持企一定律形状覆，不监开裂追，不创变形倘，不厌溃散店的性叙质。甲体积音安定叨性不唐良的新水泥久应作灾废品省处理堪，不去得应封用于抽工程字中，美否则志将导患致严闲重后歌果。导致水昏泥安定阔性不良镰的主要痕原因一是般是由节于熟料网中的游蝴离氧化倾钙、游疮离氧化淡镁或掺女入石膏树过多等疮原因造受成的，感其中游著离氧化庭钙是一沈种最为哲常见，裁影响也杨是最严买重的因繁素。熟饥料中所在含游离适氧化钙饲或氧化膛镁都是礼过烧的披，结构盯致密，刊水化很雨慢。加喝之被熟锤料中其鲜它成分抚所包裹竭，使得劳其在水该泥已经幼硬化后砌才进行液熟化，效生成六陷方板状词的Ca（OH）2晶体，园这时体乞积膨胀誉９７％霞以上，泊从而导复致不均洒匀体积集膨胀，滔使水泥攻石开裂野。当石膏砌掺量过茧多时，滚在水泥异硬化后狮，残余纱石膏与拨水化铝乎酸钙继犁续反应绿生成钙盏矾石，肝体积增赴大约1.僻5倍，从罚而导致腿水泥石殖开裂。国家则标准请规定梢．水筝泥的他体积牛安定援性用提雷氏织法或绕试饼挽沸煮路法检哭验。（5）强度强度是令评价硅联酸盐水樱泥质量追的又一肉个重要致指标。巡寿水泥的宋强度是崇按照GB啦/T虽17盏96火1-悦19灰99属《水泥腰胶砂或强度蛇检验群方法输（IS吨O）法》的标准坚方法制贼作的水充泥胶砂偿试件，嚷在20乞±1楚°C温度的蝴水中，的养护到努规定龄艰期时检志测的强舅度值。脏其中标黑准试件让尺寸为4c疯m×登4c裕m×乌16寺cm，胶弹砂中额水泥承与标夺准砂出之比俭为1：3（W/C暂=0.方5），巾标准访试验地龄期山分别心为膛３d和28冈d．分佛别检疼验其努抗压稠强度脆和抗犹折强黎度。辆按照裹测定限结果校，将绿硅酸止盐水批泥分我为42.历5、42烂.5落R、52.苹5、52.约5R、62.创5、62典.5泡R六个强度耻等级。(6)碱含小量水泥中制含有较狼多的强童碱物Na2O或K2O时，普容独易发肤生不愁良反煌应对把结构黑造成单危害侵。因纸而国艘家标秀准规鼠定，至水泥段中的亿含碱疯量不厨得大斥于0.6秘%。7.水泥雅石的添腐蚀7.1水泥沸石腐愉蚀的典方式（１）摸软水侵编蚀(含或背含较净少可做溶性吩钙、便镁化肃合物锐的水层叫做络软水狱（so愿ft劫w丢at鸡er）。软猎水不易欺与肥皂站产生浮滨渣，而筑硬水相桂反。天顾然软水库一般指氧江水、捉河水、纱湖(淡水湖)水。经纺软化处消理的硬谢水指钙栋盐和镁可盐含量烂降为1.0～50毫克政／升交后得身到的穿软化剩水。)水泥石倘长期接亚触软水茄时，会爽使水泥骂石中的恢氢氧化雅钙不断题被溶出腿，当水升泥石中色游离的货氢氧化君钙减少闭到一定窑程度时挪，水泥冠石中的慢其它含集钙矿物忌也可能略分解和黎溶出，射从而导君致水泥拜石结构肚的强度孟降低，削甚至破聪坏。当身水泥石甜处于软元水环境觉时，特确别是处筝于流动翼的软水股环境中甘时，水炊泥被软爽水侵蚀知的速度哄更快。（２纯）一逃般酸荣的腐售蚀工程释结构修处于饥各种辫酸性骡介质麦中时系，酸距性介倚质易转与水派泥石愈中的提氢氧界化钙玩反应床，其备反应曲产物月可能喝溶于挪水中猾而流思失，观或发付生体哲积膨沫胀造雁成结匹构物肌的局经部被五胀裂雕，破胸坏了啊水泥瓣石的林结构光。其岭基本尿化学亦反应亡式为帜：（３世）碳闪酸的乏腐蚀雨水捉及地瓜下水爆中常阴溶有漠较多坐的二刺氧化胞碳，巾形成殖了碳别酸。敲碳酸市水先诵与水周泥石帅中的佛氢氧饭化钙盘反应板，中锤和后蛮使水燥泥石渗碳化龙，形汪成了石碳酸奏钙，弦碳酸绝钙再赞与碳舒酸反氧应生疼成可码溶性爆的碳程酸氢蛋钙，充并随夹水流脖失，烈从而片破坏仆了水急泥石啄的结塌构。霞其腐丢蚀反辣应过宜程为粗：（４）咸硫酸盐衰的腐蚀当环境糕中含有手硫酸盐妨的水渗亲入到水集泥石结医构中时栗，会与逃水泥石斜中的氢阿氧化钙凉反应生断成石膏姨，石膏歇再与水爸泥石中渴的水化阳铝酸钙摧反应生灵成钙矾烛石，产逆生1.5倍的体解积膨胀龙，这种徐膨胀必引然导致冷脆性水在泥石结伯构的开嫂裂，甚收至崩溃削。由于棋钙矾石使为微观绘针状晶跳体，人玩们常称械其为水处泥杆菌豆。此外，贩有些其揪它物质仗也能腐指蚀水泥荒石，如慈镁盐、撇强碱、搂糖类、修脂肪等毫。7.2防止返水泥师石腐抄蚀的翠方法（１谎）根叨据工只程的钥环境蹦特点音，合语理选治择水吩泥品前种，汪或适肠当掺滴加混今合材妇料，幅减少梯可腐涂蚀物个质的持浓度盒，防奔止或袄延缓雅水泥门的腐使蚀。类如处具于软称水环件境的阻工程宵，常巩选用链掺混世合材栽料的牛矿渣捏水泥径、火徒山灰奖水泥猪或粉卫煤灰秘水泥魄，因陶为这吗些水铸泥的策水泥凳石中备氢氧听化钙辆含量真低，预对软治水侵宣蚀的牢抵抗映能力倍强。（２昌）提选高混侵凝土电的密竞实度罪，采挥取措捎施减衫少水拢泥石箭结构岩的孔味隙率陶，特喉别是峰提高把表面效的密榜实度及