土木建筑材料 水泥知识点总结大全

第三章水泥（cement）（1756〜1824）水泥是一种水硬性胶凝材料，它不仅可以在空气中硬化，而且能长期在水中继续硬化，使强度不断地增长，其硬化期可达数年，这与上一讲介绍的气硬性胶凝材料石灰、石膏等是大不相同的。目前世界水泥的年产量22亿多吨，发达国家的水泥产量均400公斤左右，我国1987年产量1亿吨，90年代初（92年）为2.4亿吨，94年底达4亿吨，为世界首位，2003.01达7亿吨，2004.10达8亿吨，2007年底12亿吨，高能耗，高投入，高污染。（低效应，低产出、低质量）我国目前有近8000多家水泥生产厂家，其中75%为中小型厂家，在能耗，污染方面存在着严重问题，急待解决。（国家建材局，环保局出台政策要求5万吨以下的厂关闭！凝石）自以（1756年）发明水泥（到1824年正式出产品）以来，随着岁月推移和科学的发展，水泥已改变了原来的模样：（1）论颜色：已从单纯的灰色发展到五光十色，白色水泥、彩色水泥、变色水泥等；（2）论强度：已从10〜20MPa发展到常见40、50、60一直到100MPa以上；（3）论韧性：英国人的超微密无破损水泥（M・D.F）可以用做弹簧材料；（4）论柔性：可以用来做雕塑（橡皮泥）（5）论凝结：从几个小时发展到，如烛泪一样，一滴便凝的速凝水泥；（6）论品种：从单一品种到世界各国的水泥已达200多种，我国就有80多种常生产的有20多种（如快硬、油井、中低热、抗硫酸盐，高铝和膨胀水泥等）可以满足工业、交通，水利和国防等方面的特殊需要。帝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水泥帝专用水泥砌筑水泥道路水泥油井水泥特性水泥快硬水泥白色水泥膨胀水泥抗硫酸盐水泥中热水泥自应力水泥尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。定义：根据GB175-2007《通用水泥》GB175-1956GB175-1962第一次修订GB175-1977第二次修订GB175-1985第三次修订GB175-1992第四次修订GB175-1999第五次修订GB175-2007第六次修订其定义是这样的：一凡以适当成分的生料，烧至部分熔融，得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，加入0〜5%的石灰石或粒化高炉渣，适量的石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。一、硅酸盐水泥的生产过程及矿物成分：（一）生产原料及生产过程：胶凝材料的发展天然胶凝材料（粘土）气硬性（石灰）水泥1800年比利时、法、英、意大利发现含粘土20〜40%的石灰石水硬性个个个1756年JohnSmeaton含粘土的石灰石f石灰：强度个耐水性个1810〜1818年，有人外掺粘土30%+石灰石70%共磨细，得到品质一样的“水泥”。1822年英国人Frost,将半熔化或熔化物结块的料经粉碎的粉料水硬性ttt1824年，JosephAspdin以粘土与石灰石配料烧结，fPortlandcement1•原料：（1）石灰质原料：（石灰石，白垩石等）主要提供CaO有石灰石白垩，石灰质凝灰岩等（2）粘土质原料：主要提供求SiO2、Al2O3及少量Fe2O3可用粘土、黄土、页岩等（3）辅助性矿物:调节氧化物的不足，以使各氧化物含量达到一定要求；（强度）当硅不足时，则需添加砂岩；（快硬早强）当含铝不足时，则需添加矾土；（抗拉有利）粘土中铁含量不足时，需要加入铁矿粉（黄铁矿渣）；（4）矿化剂：（助熔剂）改善煅烧条件主要作用是：A.促进固相反应B.降低液相粘度和液相生成温度，加速熟料形成C.降低游离氧化钙。（它能加速结晶化合物的形成，使水泥熟料易烧的少量外加物）如萤石、石膏、硫酸亚铁、氟化铝，氟化钡，氟硅酸钠等。2．生产过程：概括为：“两磨一烧”——关键是一烧石灰石粘土辅助性矿物矿化剂按比例磨细生料煅烧1450°孰料加入（2〜5%）石膏及石

灰石、粒化高炉矿渣磨细水泥生料制备：有两种方法：a.干法：先把原料烘干，再在磨机中磨成生料粉；b.湿法：把原料加水在磨机中磨成生料浆。特点：干法经济，节能，但污染大，均匀性差，应釆取措施防尘，现均化技术得到改善。湿法能耗大配料均匀，较干净。（耀县水泥厂每年排尘几万吨，相当于小型水泥厂的年产量）煅烧过程：A.煅烧设备立窑（中小型厂）：中心常有不均匀现象,但设备投资少旋转窑（大型厂）：生产的水泥质量稳定,但设备投资大.料卡研降调节器口玉气出口»泠却区生料被预热1100C④熟料制成该过程是关键，必须有足够长的时间,以提高水泥质量，但过长又使窑结块,便fCaO蔘加反应，而增加能耗.Pag6.17窑外分解2熟料烧成••生料水分逐渐蒸发而F燥料卡研降调节器口玉气出口»泠却区生料被预热1100C④熟料制成该过程是关键，必须有足够长的时间,以提高水泥质量，但过长又使窑结块,便fCaO蔘加反应，而增加能耗.Pag6.17窑外分解2熟料烧成••生料水分逐渐蒸发而F燥石灰石+炉体外壳耐:火砖层空气入口传动装置空气A口盖嫖形炉栅二）将烧成的熟料经迅速冷却，即得到水泥熟料块.⑤制成：在熟料中加入0〜5%石灰石，粒化高炉矿渣及2〜5%的天然石膏共同磨细即得硅酸盐水泥。按照掺入混合料的多少：硅酸盐水泥P・1（石灰石，粒化高炉矿渣）混合材料含量为0%。P・II（石灰石，粒化高炉矿渣）混合材料含量为＜5%矿物成分1.种类：从水泥生产过程可知，水泥的矿物成分主要有四种（有少量石膏）：CS、CS、CS32硅酸盐矿物（75〜82%）（1）硅酸三钙3CaO・SiO2（2）硅酸二钙2CaO・SiO2（3）铝酸三钙3CaO・AI2O3C3A、C4AF熔剂矿物（18〜25%）简写C3S占37〜60%简写C2S占15〜37%简写C3A占7〜15%矿物成分时间(d町s)水化热(Heatofhydration矿物成分时间(d町s)水化热(Heatofhydration)卡/克cal/gC3S10120C2S10060C3A6525C4AF50100(2)各矿物RC随时间的变化情况:(4)铁铝酸四钙4CaO^Al2O3^Fe2O3简写C4AF占10〜18%2．各矿物遇水表现出的特性:(l)portlandcement主要矿物80%完成水化需要的时间o(水化速度)604020(MIN)W®田据CAF4凝结硬化速度28天水泥热强度初期低、后期高初期快、低抗侵蚀抗冻较大②小③大①最小④较强较强较强较强强度初期低、后期高初期快、低抗侵蚀抗冻较大②小③大①最小④较强较强较强较强4)水泥矿物对水泥性能的影响很明显，当组成水泥的主要矿物各自的数量或之间比例变化时，必定造成水泥性质发生变化。提高C3S及c3a的含量，可得到早强高强水泥。降低C3A及C3S的含量，提高C2S的含量，可得到低热水泥。提高C4AF的含量，可提高水泥的抗拉性能、耐磨性，减小收缩。4【Note】除了以上四种主要矿物外，水泥中还有：①MgO有害成份规定W5.0%T(W6.0%)②SO3<3.5%有害成份掺入石膏带来T(4.0%)③CaO煅烧温度、时间fCO反应不完全W1〜2%a碱分（K20、Na2O）应限制（当混凝土骨料中含有活性氧化硅时，可能引起碱骨料反应）二、硅酸盐水泥的水化及凝结与硬化两磨一烧--C3S水化硅酸钙凝胶体C2S水化铁酸钙凝胶体C3A水化铝酸钙晶体CAF4水化硫铝酸钙氢氧化钙+水=水泥浆体（一）硅酸盐水泥的水化：水泥颗粒一与水接触，表面的水泥颗粒率先与水发生水化作用，形成水化物，并放出热量，但就水泥矿物成分而言，C3S与比例最大，而且反应较快，c3a的含量虽小，但反应也较快，故当水与水泥颗粒接触后，C3S的水化反应在表面上又先了一步。2（3CaO・SiO2）+6H2O今3CaO・2SiO2・3H2O+3Ca（OH）2水化硅酸钙氢氧化钙2（2CaO・SiO2）+4H2O今3CaO・2SiO2・3H2O+Ca（OH）2水化硅酸钙氢氧化钙3CaO・AI2O3+6H2O今3CaO・AI2O3・6H2O水化铝酸钙4CaO^AIO3^Fe2O3+7H2OSCaCAd^oH^OK0水化铝酸钙水化铁酸钙3（CaSO4・2H2O）+3CaO・AI2O3・6H2O+19H2O3CaO•AlO•SCaSO•31H02342水化硫铝酸钙（钙矶石AFt,体积膨胀1・5倍）★水泥浆在空气中，表层水化产物氢氧化钙还会与空气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙，称碳化作用。最后，忽略次要成分外，硅酸盐水泥与水作用生成的水化产物主要有：有胶结能力水化产物无胶结能力凝胶体晶体水化硅酸钙和水化铁酸钙氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙（六方晶体）（立方晶体）（针状晶体）在完全水化的水泥中，水化硅酸钙约占70%,Ca（OH）2约占20%。水化硫铝酸钙占7%。（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程壬（雷•查特理Lechatelier）对硅酸盐水泥的凝结过程自1882年，雷•查特理首先提出凝结硬化理论以来，至今人们还在继续研究，现就目前的看法作以介绍。1・宏观上：水泥水泥浆开始失塑完全失塑强度增长初凝时间终凝时间水泥加水拌和，未水化的水泥颗粒分散在水中，成为水泥浆体。2・微观上水泥与水接触颗粒溶解（扩散）饱和过饱和晶体（胶粒）析出（1）水泥颗粒的表面在遇水后事先发生反应，形成相应的水化物，一种说法是表面熟料颗粒先溶了水，再与水反应，另一种说法是表面熟料颗粒在固相与水直接反应。（2）在颗粒表面生成的反应物，溶于水，便要向水中扩散，但由于各水化产物的溶解度很小，水化物的生成速度+V+V大于水化物向溶液中的扩散速度，在几秒种到几分钟的很短时间内，水泥颗粒周围的液相中，氢氧化钙、石膏、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等的浓度，趋于饱和或过饱和状态，因而从液相中析出，包围在水泥颗粒表面，其中氢氧化钙，水化硫铝酸钙，水化铝酸钙以晶体析出，而水化硅酸钙微粒是大小为1〜100nm的微粒，该微粒分散在介质水中形成溶胶，粒子表面能较大，胶体凝聚形成凝胶，水泥水化物中有晶体和凝胶体。如何理解硅酸盐水泥的凝结与硬化呢？3.水泥石的组成部分：未水化水泥内核晶体（水泥早期强度之决定因素）凝胶体（后期强度的决定因素）毛细孔（水、空气）氢氧化钙饱和溶液（优缺点）▲▲▲一般认为：水化硅酸钙凝胶对水泥强度起决定性作用。例题胶孔比假定水泥水化反应前后水泥浆的总体积不变，由图知：凝胶体体积凝胶体体积+毛细孔体由图知：凝胶体体积凝胶体体积+毛细孔体1）完全水化水泥体积：华）acV=a-v=_cPc2）生成的凝胶体数量为：V=2.06ac凝胶pc3）由图的几何尺寸得到：acV凝胶V+VV凝胶V+V凝胶毛细2.06acPcacw+P0.6571w+*一ac（4）强度与胶孔比的关系：f=A・xn对硅酸盐水泥A=237.0n=3V=0毛细x=1V=0毛细x=1.0maxR二237.0MPamax5）当时此时5.各种熟料在水泥石强度发展过程中所起作用大致如下：C3S在最初四周内对水泥石的强度发展起决定性作用。C2S在最初四周之后，才发挥其强度作用，经一年，与C3S对水泥石强度发挥同等的作用。C3A在1〜3天或稍长的时间内对水泥石强度起有益作用，以后可能使水泥石强度降低。（三）影响水泥凝结硬化的主要因素：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。1.石膏对水泥凝结硬化的影响：加入适当石膏（占水泥重的3〜5%）能改善水泥性能提高强度，降低收缩性，改善抗冻耐蚀和抗渗性。2・硬化龄期对强度的影响〔当t1Vt2时，有f（t］）Vf（t2），但ff也）＞厂（t2）〕3.环境的湿度和温度对强度的影响4.受潮的水泥产生结块影响强度的发展。▲从而对储存过久的水泥在使用前应重新检验其强度。（一）密度（比重）与堆积密度（松散容重）：1•密度：一般在3・1〜3・2g/cm3,贮存过久，密度会降低。2•堆积密度：一般在松散0・9〜1・3之间，紧密达1.4-1・7g/cm3。一般在0.9〜1.7之间，可取1.3g/cm3。定义：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3・1水泥的细度和性质细度与水接触的表面积凝结和硬化速度性质<40卩大高强度高过细很大很高成本高D>100卩小很低低▲水泥细度是否越细越好？优点：（1）水化反应快而彻底，从而强度在早期及后期都发展较快，强度较高。缺点:（2）在空气中硬化时，因水分需要量较多，故产生较大的收缩。（3）颗粒愈细，粉磨时消耗的能量较大，成本也就高。国家标准GB175中对水泥细度有统一规定，由生产厂家白己控制。细度方法标准GB/T1345-2005▲在用筛析法测水泥细度时，国家标准是这样规定的，在0.08mm方孔筛（4900孔/cm2）上的筛余量，不得超过一定量（筛余百分数W10%）。[note]：筛析法不能说明水泥粗细颗粒粗细的实际的情况，如0・07mm和0.04mm都可过筛，但粗细却不同。硅酸盐水泥的细度用比表面积表示按照GB/T8074—2008方法来测定水泥的比表面积，（即单位重量水泥颗粒的总表面积m2/kg）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（比表面积测定仪的原理）。・按照GB175-2007的规定来评定・具体指标：比表面积＞300m^kg用透气法比表积仪测定时，硅酸盐水泥的比表面积通常为250〜350m2/kg（三）标准稠度用水量（实验条件）GB/T1346－2001由于加水量的多少，影响水泥的安定性、凝结时间的测定，故在测定凝结时间及安定性时，应采用“标准稠度用水量”下的“标准”水泥净浆来进行试验。标准稠度（标准稠度仪及维卡仪）试锥下沉深度为28±2mm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。卩％=水量mLF水泥500g。对硅酸盐水泥，标准稠度用水量一般在23〜31%之间。＞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两种。初学者多用前者，有争议时以后者为准。＞固定水量法采用以下方法配制标准稠度净浆不变（固定）水量法称取500g水泥加入142・5mL水测量沉入度S经验公式：P%=33.4-0・185S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口标准要求《45min国产水泥一般为1-3h口实验测试时以试针距底板4土1mm为准。口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。口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。口标准要求＞390min国产水泥一般为5-6h口实验测试时以试针下沉0.5mm为准。口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口异常情况闪凝、急凝一无石膏假凝一温度过高、石膏缓凝一温度过低、有机质

▲影响凝结时间的因素较多：（1）熟料中C3A的含量高，石膏掺量不足，使水泥产生快硬；（2）水泥的细度越细,水化作用愈快，凝结愈快；（3）水灰比愈小，凝结温度愈高，凝结愈快；（4）混合材掺量大，颗粒过粗等都会使水泥凝结缓慢。（五）体积安定性GB/T1346－2001★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。正常的体积变化（1）物理收缩:（水分蒸发）微小的（2）化学收缩：CaO+H2O=Ca（OH）2V=16.77+1833.1834.77＞33.18相对缩小即氧化钙在正常的硬化下，体积收缩了约5%.不正常的体积变化引起安定性不良的原因①过量游离CaO②过量游离MgO③过量石膏带进的SO3它们都是在水泥凝结硬化后，（由于水泥石内部还有毛细水或孔隙水的存在,）才开始水化，产生体积的膨胀，破坏了已硬化的水泥石结构，造成安定性不良。fCaO+H2O=Ca（OH）216.7733.18可见Ca（OH）2的体积是原来fCaO体积的2倍。水泥生产过程中，为什么温度要达到1450°C，同时还要足够长?===水泥生产过禾呈中，3C===水泥生产过禾呈中，3C曰O-SiO之<>对体积安定性的检验：（1）fCaO采用试饼法及雷氏夹（沸煮4h）观察；（2）fMgO釆用蒸压法；＜5%（试验6%（3）fSO3浸水法、冷饼法；＜3・5（试验4%）★★安定性不良的水泥为不合格品！口煮沸法一加速试验法口测量体积安定性的两种方法：试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圆柱体沸煮后的膨胀值（六）强度等级GB/T17671－19991.水泥强度的概念口水泥强度的表示方法是人为规定的，即在釆用统一的方法、仪器及养护条件下测得的水泥胶砂强度（抗折抗压）作为水泥强度。其是表征水泥力学性能的重要指标。影响强度的因素主要有水泥的矿物组成、水泥细度等。2.强度试验使用标准