第四章 水泥与石灰

第四章水泥与石灰第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五第一节硅酸盐水泥水泥——水硬性胶凝材料，不仅能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度。

主要内容

水泥的矿物组成及其技术特性水泥的技术性质第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料、0～5％石灰石或粒化高炉矿渣，石膏硅酸盐水泥类型：

Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P.I，不掺混合材料

Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.II，掺加不超过水泥质量5％的混合材料普通硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、6—15%的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，称为普通硅酸盐水泥。代号为P·O。第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五一、硅酸盐水泥的矿物组成与化学成分1、硅酸盐水泥原料与生料的化学组成

原料—生料(主要化学成分)：CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3生产工艺——二磨一烧石灰石┐磨细1450℃粘土┼───生料───熟料┐铁矿粉┘石膏┘2、硅酸盐水泥熟料的矿物组成（1）熟料的四种主要矿物硅酸三钙（3CaO·SiO2）——简写C3S硅酸二钙（2CaO·SiO2）——简写C2S铝酸三钙（3CaO·Al2O3）——简写C3A铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）——简写C4AF磨细————水泥第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（2）四种矿物的技术特性

C3S是无色晶体，含量50%左右，水化速度快，水化热高，且早期强度高，水化物对水泥早期强度和后期强度起主要作用。

C2S含量在20%左右，水化速度慢，水化热低，早期强度低，后期强度高，耐化学侵蚀性和干缩性较好。

C3A水化速度最快，水化热最高，耐化学侵蚀性差，干缩性大。

C4AF水化速度介于C3A和

C3S

之间，水化热较高，强度低，但对于抗折强度起重要作用，耐化学侵蚀性好，干缩性小。第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（3）四种矿物的技术特性比较水化程度：C3A＞C3S＞C4AF＞C2SP147图4-1几种矿物的水化程度释热量：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S

图4-2几种矿物的水化释热量强度早期强度：C3S＞C3A＞C4AF＞C2S后期强度：C3S~C2S＞C3A～C4AF

图4-3几种矿物强度发展特征干缩性

C3A＞C3S＞C4AF＞C2S耐化学腐蚀

C4AF＞C3S＞C2S＞C3A第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

图4-1不同龄期时四种矿物的水化速率

C3A＞C3S＞C4AF＞C2S

24h：大约有65%的C3A水化，C3S水化50%左右；

90d：四种矿物的水化程度已经接近第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五图4-2四种矿物的水化热与龄期的关系

C3A＞C3S＞C4AF＞C2S第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五图4-3四种矿物的强度随龄期的发展第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五3.石膏（CaSO4·2H2O）掺量：3～5％作用：缓凝、调节凝结速度4.水泥中的有害物质游离氧化钙f-CaO、氧化镁f-MgO三氧化硫SO3碱含量→“碱－集料反应”第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（1）水泥熟料矿物的水化反应及其水化生成物⑴硅酸三钙：C3S＋H2O→3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca(OH)2

水化硅酸钙⑵硅酸二钙：C2S＋H2O→水化硅酸钙＋Ca(OH)2⑶铝酸三钙:在纯水中：C3A＋H2O→(C4AH13、C4AH19、C3AH6…)（水泥瞬凝的原因)

水化铝酸钙在石膏溶液中：C3A＋Ca(OH)2＋H2O→C4AH13C4AH13＋CaSO4·2H2O＋H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

三硫型水化铝酸钙(钙矾石)当石膏耗尽后：C4AH13＋钙矾石→3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O

单硫型水化硫铝酸钙

二、硅酸盐水泥的技术性质

1.新拌水泥浆体的凝结硬化过程第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五⑷铁铝酸四钙:在纯水中：C4AF＋H2O→C4AH13＋C4FH13

水化铝酸四钙水化铁酸四钙→缩写C4(A、F)H13在石膏溶液中：C4AF＋Ca(OH)2＋H2O→C4(A、F)H13C4(A、F)H13＋CaSO4·2H2O＋H2O→3CaO·(Al2O3·Fe2O3)3CaSO4·32H2O

三硫型水化铁铝酸钙当石膏耗尽后：同铝酸三钙，生成单硫型水化硫铁铝酸钙第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（2）水泥的凝结硬化过程1）初始反应期：水泥熟料颗粒初始水解和水化（约5~10min，放热7J/g.h)水泥水化过程2）潜伏期：水化物薄膜围绕水泥颗粒成长变厚（约1~2h，放热4J/g.h)3）凝结期：膜层破裂，水泥颗粒进一步水化（约6h，放热20J/g.h）4）硬化期：水化物进一步发展，填充毛细孔（约6h～若干年）

图2-4水泥的凝结硬化过程示意图

★凝结硬化机理小结水泥熟料水化生成紧密、相互交结的水化物体系而凝聚产生强度硬化水泥石由水化物、未水化水泥熟料颗粒、水及孔隙所组成第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五图4-4水泥的凝结硬化过程示意图第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五★水泥水化小结生料

熟料

水泥石主要化学成分主要矿物成分主要水化产物（比例）CaOSiO2Al2O3Fe2O3C3S

C2SC3AC4AF

CaSO4·2H2O

水化硅酸钙（

～70％）Ca(OH)2（

～20％)三硫型水化铝酸钙（钙矾石～7%)单硫型水化铝酸钙三硫型水化铁铝酸钙单硫型水化铁铝酸钙第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五2.硬化水泥石的腐蚀★

腐蚀原因①水泥石中存在着引起腐蚀的成分

Ca(OH)2（约20％)

水化铝酸钙②有侵蚀性介质存在：各种盐类、硫酸盐类及酸类物质③水泥石本身不密实第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五(1)水化物Ca(OH)2的溶失与置换1）溶析性侵蚀（淡水腐蚀）

Ca(OH)2在动水或有压力水中直接溶失2）盐类腐蚀

MgCl2＋Ca(OH)2→CaCl2（易溶）

＋Mg(OH)2

3）酸类腐蚀碳酸腐蚀：CO2＋H2O

＋Ca(OH)2→CaCO3＋H2O

CO2＋H2O

＋CaCO3→Ca(HCO3)2

盐酸腐蚀：HCl＋Ca(OH)2→CaCl2（易溶）＋H2O第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五(2)硫酸盐腐蚀（在Ca(OH)2存在的情况下）水化铝酸钙C4A·H13→钙矾石（体积比水化铝酸钙增加2.5倍）Ca(OH)2＋

Na2SO4

→CaSO4·2H2O＋NaOH＋H2O

水中Ca(OH)2＋MgSO4

→CaSO4·2H2O＋Mg(OH)2

水中Ca(OH)2＋

H2SO4

→CaSO4·2H2O＋H2O

水中CaSO4·2H2O＋C4A·H13→Ca(OH)2＋3C3A·3CaSO432H2O

水泥石中钙矾石第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五★

腐蚀的危害①水泥石密度下降、强度降低②混凝土开裂与崩解（3）水泥石腐蚀的防止1）合理选择水泥品种（根据侵蚀环境特点选择）2）提高水泥石的密实程度合理降低水灰比使用减水剂3）加作保护层第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五三、水泥的技术要求主要指标：细、凝、安、强，以强为主1.物理力学性质指标（1）细度意义：细度愈大，凝结速度愈快，早期强度愈高。过细：生产成本高、在空气中硬化收缩大、不宜保存

图4-5水泥细度与干缩率指标：比表面积法（m2/kg）筛析法（80μm方孔筛上的筛余量百分率）规范规定：硅酸盐水泥比表面积应不小于300㎡/kg；80μm的方孔筛筛余不大于10%。第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五图4-5水泥细度与干缩率的关系第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五负压筛第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（2）标准稠度目的：为使水泥凝结时间以及体积安定性等多种性质具有可比性，必须采用标准稠度的水泥净浆。测定方法：试杆法：标准试杆沉至距底板6mm±1mm时的水泥净浆为标准稠度净浆，其拌和用水量为该水泥标准稠度用水量。第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五水泥标准稠度及凝结时间测定仪第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五水泥标准稠度试验1第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五水泥标准稠度试验3第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五水泥标准稠度试验4第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五水泥标准稠度试验5第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（3）凝结时间初凝：水泥加水拌和起至水泥浆开始失去塑性所需时间终凝：水泥加水拌和时起至水泥浆完全失去塑性所需时间测定方法：图4-6水泥凝结时间测试示意图

国家标准规定：初凝不小于45min，终凝不迟于390min。初凝不合格者为废品，终凝不合格者也为不合格品。第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五图4-6水泥凝结时间测试示意图第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（4)体积安定性------水泥浆在硬化过程中，体积变化的均匀性能。意义：水泥浆在硬化后因体积膨胀不均匀而变形的情况测定方法：沸煮法压蒸法图4-7压蒸法测试示意图

国家标准规定:MgO≯5%SO3≯3.5%体积安定性不良的水泥为废品第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五安定性不良的主要原因

（1）熟料中游离氧化钙，游离氧化镁过多，游离氧化钙，游离氧化镁过烧，结构致密，熟化慢，硬化后，才熟化，体积膨胀开裂。（2）水泥熟料中石膏过量，水泥硬化后，仍有硫酸钙存在，则固态水化铝酸钙与之反应，形成水化硫铝酸钙，体积膨胀开裂。第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

水泥安定性试验1第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

水泥安定性试验2第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

水泥安定性试验3第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

水泥安定性试验4第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

水泥安定性试验530分钟内加热至水沸腾，然后恒沸3h第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

水泥安定性试验6b-a小于5mm即为安定性合格试件冷却后测指针尖端的距离第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期五（5）强度等级和标号意义：强度是水泥的重要技术性质之一也是划分水泥强度等级的主要依据强度等级

※强度试验条件：水泥:标准砂＝1:3、水灰比＝0.5，试件4×4×16㎝，标准养护、测定3d与28d抗压强度与抗折强度

※型号：早强型R和普通型（根据3d强度）

※强度等级：硅酸盐水泥—42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R

普通水泥—32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R

表1硅酸盐水泥各龄期强度值

影响强度等级因素：熟料矿物

C3S、C2S↑，强度↑

细度大，水化反应快并充分，强度高第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期五硅酸盐水泥各龄期强度值（GB175-1999）强度等级抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期五

3、技术标准见教材P154页表4-5及相应规定

废品水泥：MgO、SO3、初凝，安定性，任意一项不合格。

不合格品水泥：细度，终凝，不溶物，烧失量及混合料过多，强度过低。小结：硅酸盐水泥的各项技术性质主要包括：水泥的化学性质、物理性质及力学性质。其中：水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性及强度等级是本次课的重点内容，第四十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期五道路硅酸盐水泥熟料：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和较多量的铁铝酸钙的硅酸盐熟料，称为道路硅酸盐熟料。道路水泥：由道路硅酸盐熟料及0％～10％活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥简称道路水泥。四、道路硅酸盐水泥第四十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期五1）作用和使用要求

用途：供道路面层和机场道面结构专用

主要技术要求：抗折强度高干缩性小耐磨性好2）矿物组成对技术性能的影响①抗折强度高：C3S↑、C4AF↑、C3A↓、f-CaO↓。②干缩性小（抗渗、抗冻）：C3A↓，C4AF↑③耐磨性好：C4AF↑，C3S↑，C3A↓，强度高第四十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期五3）化学品质要求（高铁低铝）①C3S：51～60%，以提高早期强度，尽早放开交通；②C2S：不宜过多，其早期强度过低③C3A≤5%，考虑到其水化生成物耐腐蚀性较差④C4AF≥16%，提高水泥的抗折强度⑤控制碱含量第四十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期五一、名词解释1.水泥的凝结和硬化2.水泥的体积安定性3.混合材料4.水泥标准稠度用水量5.水泥的初凝时间和终凝时间6.胶凝材料第四十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期五单项选择题1.有硫酸盐腐蚀的混凝土工程应优先选择（）水泥。A硅酸盐B普通C矿渣D高铝2.有耐热要求的混凝土工程，应优先选择（）水泥。A硅酸盐B矿渣C火山灰D粉煤灰3.有抗渗要求的混凝土工程，应优先选择（）水泥。A硅酸盐B矿渣C火山灰D粉煤灰4.下列材料中，属于非活性混合材料的是（）。A石灰石粉B矿渣