通用硅酸盐水泥-青岛理工大学课件

第一课简介及硅酸盐水泥基本要求简介硅酸盐水泥基本要求本章课时：授课4h,课堂讨论1h，实验2h内容简要介绍水泥的分类、优点及生产。重点介绍通用硅酸盐水泥的概念，矿物成分，硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化，技术性质及测试技术，水泥石的腐蚀与防护，通用水泥的特性和应用。难点通用硅酸盐水泥性能差异及机理，以及根据工程及环境特点合理选用水泥目录基本要求简介硅酸盐水泥概念水泥（cement）是指加水拌和形成塑性浆体后，不仅能在空气中、而且能更好地在水中凝结硬化，胶结砂、石等材料，并且产生强度的水硬性胶凝材料。基础原材料，广泛应用于土木工程领域。发展简史水泥的历史最早可追溯到古罗马人在建筑中使用的石灰与火山灰的混合物，用它胶结碎石制成混凝土。1824年，英国人J.阿斯普丁申请专利：石灰石和粘土为原料，煅烧成熟料，再经磨细制成水泥。因颜色与波特兰石头相似，被命名为波特兰（Portland）水泥，即硅酸盐水泥。简介20世纪，人们在不断改进波特兰水泥性能的同时，研制成功了一批适用于特殊建筑工程的水泥，拓宽了水泥的品种及应用范围。

品种及用量全世界的水泥品种已发展到100多种

2011年世界水泥年产量达到34亿吨，其中我国水泥年产量超过20亿吨，占世界水泥总产量的59%。2012年中国水泥年产量约22亿吨。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。简介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硅酸盐水泥专用水泥砌筑水泥油井水泥隧道水泥等特性水泥快硬水泥膨胀水泥抗硫酸盐水泥中热水泥低热水泥等简介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。

简介工程中90%以上使用的是通用硅酸盐水泥。通用硅酸盐水泥（CommonPortlandCement）

以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏以及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。六大水泥：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、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。简介通用硅酸盐水泥的组分品种代号组

分熟料+石膏粒化高炉矿渣火山灰质混合材料粉煤灰石灰石硅酸盐水泥P·I100----P·Ⅱ≥95≤5---≥95---≤5普通硅酸盐水泥P·O≥80且<95>5且≤20a-矿渣硅酸盐水泥P·S·A≥50且<80>20且≤50b---P·S·B≥30且<50>50且≤70b---火山灰质硅酸盐水泥P·P≥60且<80->20且≤40c--粉煤灰硅酸盐水泥P·F≥60且<80-->20且≤40d-复合硅酸盐水泥P·C≥50且<80>20且≤50e引自《通用硅酸盐水泥》GB175-2007

硅酸盐水泥基本要求简介硅酸盐水泥生产简介矿物组成及其水化特性水化、凝结与硬化技术性质水泥石腐蚀与防护特性与应用硅酸盐水泥的生产简介图4.2.1硅酸盐水泥的生产流程GrindingPⅡPⅠMixingmaterialsLimestoneClayIronorepowderBleedingGrinding1450℃RawmaterialClinkerGypsum硅酸盐水泥的矿物组成及特性硅酸盐水泥的主要矿物组成包括：硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙矿物组成的技术特性见表4.2.1表4.2.1矿物组成及其特性矿物成分硅酸三钙3CaO·SiO2硅酸二钙2CaO·SiO2铝酸三钙3CaO·Al2O3铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3缩写C3SC2SC3AC4AF含量（%）37-6015-377-1510-18水化速度快慢最快快水化热多少最多较多强度高早低后高低低抗腐蚀性好好差极好收缩中较大大小硅酸盐水泥生产简介矿物组成及其水化特性水化、凝结与硬化水化水化机理石膏调节凝结时间的原理水化产物凝结与硬化何为凝结、硬化？凝结硬化过程影响因素水化机理水化水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量的过程。硅酸三钙水化

水化硅酸钙凝胶氢氧化钙晶体水化反应特性：速度快，形成早期强度并生成早期水化热。

3CaO·SiO2+H2O3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2硅酸二钙水化水化反应特性：速度慢，对后期龄期混凝土强度的发展起关键作用水化热释放缓慢产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物。

2CaO·SiO2+H2O3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2水化机理水化硅酸钙凝胶氢氧化钙晶体铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。水化反应特性：速度极快，释放出大量的热量，并且产物强度低。如果不控制反应速度，将产生闪凝现象，水泥将无法正常使用。3CaO·Al2O3+H2O3CaO·Al2O3·6H2O水化机理铁铝酸四钙水化：水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶该水化反应的速度和水化放热量均属中等。4CaO·Al2O3·Fe2O3+H2O3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。为什么石膏用量不能过多？

3CaO·Al2O3·6H2O+H2O+CaSO4·2H2O3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

钙矾石石膏调节凝结时间的原理水化硅酸钙(70%)氢氧化钙(20%)水化铝酸钙水化铁酸钙水化硫铝酸钙水化产物及水泥石组成水泥熟料水化产物图4.2.2水化程度对水泥石组成的影响水泥石组成水化产物-凝胶体孔隙未水化水泥何为凝结？水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐渐变稠失去可塑性的过程。何为硬化？失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥石的过程。水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程组成。

凝结与硬化凝结硬化过程初始反应期初始的溶解和水化，约持续5-10分钟。潜伏期流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗粒成长，1h凝胶膜破裂、长大并连接、水泥颗粒进一步水化，6h。多孔的空间网络—凝聚结构，失去可塑性凝结期凝胶体填充毛细管，6h-若干年硬化石状体密实空间网硬化期水泥的凝结硬化过程示意详见本课教学课件相关内容影响水泥凝结硬化的因素

影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。图4.2.3影响水泥凝结硬化的因素硅酸盐水泥基本要求简介硅酸盐水泥生产简介矿物组成及其水化特性水化、凝结与硬化技术性质水泥石腐蚀与防护特性与应用细度与水接触的表面积凝结和硬化速度性质<45μ大高强度高过细很大很高成本高D

>80μ小低低水泥的细度指水泥的磨细程度或分散度。细度决定了水泥与水接触的表面积,从而影响水泥的水化和凝结速度和性质。表4.2.3水泥的细度和性质细度比表面积硅酸盐水泥的细度用比表面积表示按照《通用硅酸盐水泥》

GB175-2007硅酸盐水泥的比表面积>300m²/kg比表面积可采用比表面积仪测定（图4.2.4）用比表面积测定仪测试颗粒粒径分布情况。测量一定量空气通过水泥石时，流速变化。图4.2.4比表面积测定仪细度比表面积测定方法示意详见本课教学课件相关内容标准稠度用水量、凝结时间标准稠度及标准稠度用水量凝结时间测定初凝时间终凝时间GB/T1346-2011标准稠度及标准稠度用水量、安定性及凝结时间测定方法标准稠度试锥下沉深度为30±1mm时的稠度标准稠度用水量P(%)按一定的方法将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的水量。P%=水量ml/水泥1g。标准稠度用水量测试方法有不变(固定)水量法和调整水量法2种。初学者多用前者，有争议时以后者为准。标准稠度及标准稠度用水量不变(固定)水量法初学者采用有争议时多采用此法调整水量法不变(固定)水量法固定水量法采用以下方法配制标准稠度净浆称取500g水泥加入500×P%ml水采用标准稠度测定仪（图4.2.5）测量P%标准稠度用水量测定示意详见本课教学课件想过内容不变(固定)水量法图4.2.5标准稠度测定仪

通过水泥净浆凝结时间测定仪测定标准稠度水泥净浆的凝结时间。测定方法图4.2.6凝结时间测定仪

水泥凝结时间测定示意详见本课教学相关内容凝结时间测定概念从水泥加水拌和起至标准稠度的水泥净浆开始失去可塑性所需的时间标准要求≮45min国产水泥一般为1-3h实验测试时以试针距底板4±1mm为准。工程意义水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充分的时间搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作。初始凝结时间终凝时间概念从水泥加水拌和起至水泥净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。标准要求≯390min国产水泥一般为5-6h实验测试时以试针下沉0.5mm为准。工程意义终凝时间不宜过迟，以便施工完毕后更快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行。定义

指水泥硬化过程中体积变化小且均匀的性能。体积安定性不良水泥硬化后产生不均匀的体积变化（裂纹后弯曲）。使建筑质量下降，甚至引起严重的建筑事故。体积安定性不良的原因过量游离的CaO过量游离的MgO过量石膏硅酸盐水泥的体积安定性水泥中的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的它们的水速度慢，在水泥硬化后才开始水化，使已经硬化的水泥石膨胀开裂。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还能继续与水化铝酸钙反应，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积增大1.5倍，引起水泥石开裂。此时，水化硫铝酸钙被称为水泥杆菌。体积安定性不良的原因煮沸法-加速实验法测量体积安定性的两种方法：饼法观察水泥净试饼在沸煮后的外形变化雷氏夹法测量水泥石饼沸煮后的膨胀值

体积稳定性的测定水泥安定性的测定方法见本课教学录像相关内容图4.2.8煮沸法测定仪图4.2.7体积安定性不良体积安定性的测定图4.2.9雷氏夹法体积安定性测定仪限制上述测试方法仅能测出游离CaO是否过量。游离MgO和石膏不能通过加速实验的方法检测所以它们必须在生产工艺中严格控制，避免过量。

标准规定：

MgO≯5%、石膏SO3≯3.5%。体积安定性的测定C:S:W=1:3:0.5Standardspecimen40×40×160CompressivestrengthCuredunderthestandardconditionBendingstrengthtest

按照GB/T17671：C:S:W=1:3:0.5的比例混合，制成标准尺寸的试件（40×40×160mm），在标准条件下养护，测试抗压强度和抗折强度。强度试验图4.2.10强度测定仪bendingstrength

instrument图4.2.10强度测定仪Compressivestrength

instrument水泥胶砂强度的测定方法见本课教学录像相关内容强度等级根据3天和28天抗压强度3天和28天抗折强度硅酸盐水泥可分为6个等级：42.5，42.5R,52.5，52.5R,62.5,62.5R各龄期的强度不低于GB175-2007表中的规定。按早期强度不同分为两种类型，早强型(用R表示)和普通型。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表4.2.4硅酸盐水泥各龄期的强度要求

（GB175-2007）

其他性质密度:3.0-3.15g/cm3,通常3.1g/cm3堆积密度:1000-1600kg/m3碱含量以Na2O+0.658K2O计算值表示，以防止碱-骨料反应的发生。低碱水泥含碱量≯0.6%，或由供需双方商定。水化热大部分的水化热在水化反应的初期释放出来，它的数量决定于水泥的化学成分和细度、矿物掺合料以及酸的侵蚀。C3S，C3A越高，颗粒越细，水化热越大，对冬季施工有利，但对大体积混凝土工程有害。硅酸盐水泥基本要求简介硅酸盐水泥生产简介矿物组成及其水化特性水化、凝结与硬化技术性质水泥石腐蚀与防止特性与应用水泥石的腐蚀和防止简介腐蚀类型腐蚀原因防止措施一、简介水泥石硬化后，在正常的使用条件下，即在潮湿环境中或水中，仍可以逐渐硬化并不断增长期强度水泥石的腐蚀在一些腐蚀性介质中，水泥石的结构会遭到破坏，强度和耐久性降低，甚至完全破坏的现象。腐蚀类型软水侵蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀、碳酸盐的腐蚀、酸的腐蚀、碱的腐蚀软水侵蚀硫酸盐侵蚀镁盐侵蚀碳酸盐侵蚀酸的侵蚀碱的侵蚀二、腐蚀类型特点

介质—软水（含HCO3-少的水，如雨水、雪水和蒸馏水）；氢氧化钙溶解于水中引起的腐蚀。过程

当水泥石与软水接触时，最先溶出的成分是氢氧化钙。当水泥使处于流水或是有压力的水中时，氢氧化钙不断溶解流失，水泥石的密实度下降，强度和耐久性也降低；而且，由于氢氧化钙浓度的下降，还引起了水泥石中的其它水化产物的分解。软水侵蚀软水侵蚀相关动画见第四章第一课课堂授课动画人工碳化将与软水接触的混凝土，事先在空气中碳化Ca(OH)2+Ca(HCO3)2

CaCO3+H2O生成的氢氧化钙几乎不溶于水，堆积在水泥石的空隙中，形成密实的保护层软水侵蚀防止措施特点以硫酸盐为介质的海水、地下水等硫酸盐与水泥石中的成分反应生成膨胀性晶体，使水泥石破坏腐蚀过程举例：硫酸盐腐蚀结晶膨胀特点以镁盐为介质的海水、地下水等镁盐与水泥石中的成分反应，生成易溶于水或松软无胶凝作用的产物，破坏水泥石腐蚀过程举例：镁盐腐蚀

MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2MgSO4+Ca(OH)2+H2O=Mg(OH)2+CaSO4·2H2O结晶膨胀易溶于水

Ca(OH)2+CO2+H2OCaCO3+2H2OCaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2易溶于水特点以碳酸盐为介质的海水、地下水等碳酸盐与水泥石中的成分反应，生成易溶于水的产物，破坏水泥石腐蚀过程举例：

碳酸盐腐蚀特点以酸性介质为主的工业环境等酸与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结晶膨胀的产物，破坏水泥石腐蚀过程举例：酸的腐蚀2HCl+Ca(OH)2→CaCl2+2H2OH2SO4+Ca(OH)2→CaSO4+2H2O易溶于水结晶膨胀

易溶于水

结晶膨胀特点碱与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结晶膨胀的产物，破坏水泥石碱的腐蚀干燥空气三、腐蚀原因内因水泥石中存在着易受腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身不密实，使侵蚀性介质易于进入其内部；腐蚀与介质相互作用；外因腐蚀介质、温度、湿度、介质浓度四、防止措施根据环境特点，合理选择水泥品种提高水泥石的密实度当侵蚀作用较强时，在混凝土表面加上耐腐蚀的保护层，如耐酸石料、陶瓷、玻璃、塑料等；对有特殊要求的混凝土工程，还可以采用浸渍混凝土。聚脲保护硅酸盐水泥基本要求简介硅酸盐水泥生产简介矿物组成及其水化特性水化、凝结与硬化技术性质水泥石腐蚀与防止特性与应用硅酸盐水泥的特点和应用强度高

→适用于高强混凝土和预应力钢筋

混凝土工程硬化快

→适用于要求凝结快、早强高的工

程，冬季施工，预制、现浇等工程抗冻性好

→适用于冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程耐蚀性差

→不适用与淡水及海水等腐蚀性介

质接触的工程耐热性差

→不适用于有耐热要求的混凝土

工程水化热大

→不适用于大体积混凝土工程，

但有利于低温季节畜热法施工耐磨性好

→适用于公路、地面工程抗碳化性好→对钢筋的保护作用强，适合CO2

浓度高的环境硅酸盐水泥的特点和应用WordsandPhasesofChapterFour

4.1Portlandcement:硅酸盐水泥，波特兰水泥calciumsilicatehydrate:水化硅酸钙ordinaryPortlandcement:普通硅酸盐水泥strength:强度sulfate:硫酸盐masonry:砌筑architectural:建筑的high-aluminacement:高铝水泥magnesium-oxy-chloridecement:氯氧镁水泥WordsandPhasesofChapterFour

4.1hydraulicity:水硬性plasticity:可塑性durability:耐久性aggregates:骨料steel:钢筋generalcement:通用水泥specialcement:专用水泥characteristiccement:特性水泥aluminouscement:铝酸盐水泥WordsandPhasesofChapterFour

4.1sulfoaluminatecement:硫铝酸盐水泥silicate:硅酸盐anti-corrosion:抗腐蚀freezingresistance:抗冻anchor:锚固

clay:粘土limestone:石灰石carbondioxide:二氧化碳（CO2）