水泥-硅酸盐水泥（建筑材料课件）

硅酸盐水泥的生产及矿物组成硅酸盐水泥的生产及矿物组成硅酸盐水泥的生产及矿物组成熟悉了解硅酸盐水泥的生产及矿物组成学习目标通用硅酸盐水泥的生产02

通用硅酸盐水泥的种类和代号01通用硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成03硅酸盐水泥的生产及矿物组成水泥按性质和用途不同，可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥；按其矿物组成不同，可分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥、铁铝酸盐类水泥、氟铝酸盐类水泥等。本章主要讲解硅酸盐水泥的主要成分、水化、凝结硬化、主要技术要求、特性、腐蚀及应用等内容，各种混合材料的硅酸盐水泥的技术要求、性能和应用场合，以及水泥的验收、运输及储存等。01通用硅酸盐水泥的种类和代号一、通用硅酸盐水泥的种类和代号根据国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）的规定，通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料、适量石膏和规定混合材料制成的水硬性胶凝材料。《通用硅酸盐水泥》（GB175—2007）规定，通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量不同，可分为硅酸盐水泥、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，各品种水泥的组分和代号应符合表4-1中的规定。一、通用硅酸盐水泥的种类和代号表4-1通用硅酸盐水泥的组分和代号品

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≤20—普通硅酸盐水泥P·O矿渣硅酸盐水泥P·S·A≥50且＜80＞20且≤50———P·S·B≥30且＜50＞50且≤70———火山灰质硅酸盐水泥P·P≥60且＜80—＞20且≤40——粉煤灰硅酸盐水泥P·F≥60且＜80——＞20且≤40—复合硅酸盐水泥P·C≥50且＜80＞20且≤5002通用硅酸盐水泥的生产二、通用硅酸盐水泥的生产通用硅酸盐水泥的生产过程为：将原料按一定比例混合磨细并调配均匀，制得具有适当化学成分的生料（制备生料），再将生料在水泥窑中经过1400～1450℃的高温煅烧至部分熔融，冷却后得到硅酸盐水泥熟料（煅烧生料），最后将煅烧好的熟料、适量石膏，以及粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料等混合材料共同磨细，即得水泥成品（粉磨水泥）。二、通用硅酸盐水泥的生产水泥的生产过程可概括为“两磨一烧”，即磨细生料、磨细熟料、生料煅烧成熟料。通用硅酸盐水泥的生产工艺流程如图4-1所示。图4-1硅酸盐水泥的生产工艺硅酸盐水泥石灰岩黏土铁矿粉按比例混合磨细生料1450℃煅烧熟料石膏混合材料磨细二、通用硅酸盐水泥的生产由图4-1可知，通用硅酸盐水泥的生料主要是由石灰质原料和黏土质原料两大类组成。其中，石灰质原料主要提供氧化钙（CaO），常用的石灰质原料有石灰岩、凝灰岩、白垩、贝壳等；黏土质原料主要提供氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）及少量的氧化铁（Fe2O3），常用的黏土质原料有黏土、黄土、页岩、泥岩等。

此外，为了调节生料各物体间的化学成分，还需要加入辅助性的硅质校正原料、铝质校正原料或铁质校正原料。例如，原料中Fe2O3含量不足时可加入铁质校正原料，如黄铁矿渣、铁矿粉等；硅质校正原料主要补充SiO2，可采用砂岩、粉砂岩等。03通用硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成三、通用硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成石灰岩、黏土和铁矿粉生料在煅烧过程中会分解出CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3，在高温下会形成以硅酸钙为主的熟料矿物。硅酸盐水泥的主要矿物组成及其含量如表4-2所示。表4-2硅酸盐水泥的主要矿物组成及其含量主要矿物组成简

式含

量密

度硅酸三钙（3CaO·SiO2）C3S37%～60%3.25g/cm3硅酸二钙（2CaO·SiO2）C2S15%～37%3.28g/cm3铝酸三钙（3CaO·Al2O3）C3A7%～15%3.04g/cm3铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）C4AF10%～18%3.77g/cm3三、通用硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成表4-2所示硅酸盐水泥熟料的4种矿物中，前两种称为硅酸盐矿物，一般占总量的75%～82%；后两种称为熔剂矿物，一般占总量的18%～25%。除了这些主要矿物外，硅酸盐水泥中还含有少量的游离氧化钙、游离氧化镁和碱等。三、通用硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成水泥的技术性能，主要是由水泥熟料中的主要矿物水化作用的结果。水泥熟料中，这4种主要矿物单独与水作用时所表现出的基本特性如表4-3所示。表4-3硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性矿物名称C3SC2SC3AC4AF凝结硬化速度快慢最快快水化放热量大小最大中强

度高早期低、后期高最低中耐化学腐蚀性差好最差中三、通用硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成从表4-3中可以看出，不同熟料矿物单独与水作用时所表现的性能是不同的。水泥熟料由多种不同特性的矿物组成，当改变熟料中矿物组成的相对含量时，水泥的技术性能也会发生变化。例如：提高熟料中C2S的含量，降低C3A和C3S的含量，就可以使水泥具有较低的水化热；提高熟料中C3S的含量，就可以使水泥的强度提高。硅酸盐水泥硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化熟悉了解硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化学习目标硅酸盐水泥的凝结和硬化02硅酸盐水泥熟料的水化01影响硅酸盐水泥凝结和硬化的因素0301硅酸盐水泥熟料的水化一、硅酸盐水泥熟料的水化硅酸盐水泥与水接触后，熟料中的各种矿物立即与水发生水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量，熟料中的4种主要矿物与水的反应如下：一、硅酸盐水泥熟料的水化上式反映中，两种硅酸钙的水化反应非常相似，不同的是氢氧化钙的生成量、水化热和水化反应速度存在差别，它们的主要产物水化硅酸三钙几乎不溶于水。尽管水化硅酸三钙胶凝的尺寸非常小，但却是水泥强度的最重贡献者。一、硅酸盐水泥熟料的水化此外，纯熟料磨细加水后，凝结时间很短，不便使用。为了调节水泥的凝结时间，熟料磨细时掺有适量（3%左右）石膏，这些石膏与部分水化铝酸三钙反应，生成难溶于水的水化硫铝酸钙，并覆盖在未水化的铝酸三钙周围，从而阻止其继续快速水化，其反应为：当石膏耗尽时，水中未水化的铝酸三钙会与钙矾石作用生成低硫型的水化硫铝酸钙，其反应为：综上所述，硅酸盐水泥水化生成的主要水化产物有：水化硅酸钙凝胶C—H—S（非化学计量表示）、氢氧化钙、水化铝酸钙凝胶或晶体、水化铁酸钙凝胶。在充分水化的水泥石中，C—H—S凝胶约占70%，氢氧化钙约占20%，钙矾石和低硫型水化硫铝酸钙约占7%。02硅酸盐水泥的凝结与硬化二、硅酸盐水泥的凝结与硬化关于水泥凝结硬化理论至今仍在不断完善。下面以硅酸盐水泥为例，来讲解水泥凝结和硬化的一般过程。水泥加水拌和后，水泥颗粒分散于水中，成为水泥浆体，如图4-2（a）所示。此时，水泥颗粒表面与水发生化学反应，生成的水化产物聚集在颗粒表面，并形成凝胶薄膜，如图4-2（b）所示。随着熟料矿物水化的不断进行，水化产物逐渐增多，颗粒之间水分减少，颗粒相互接触，水泥浆黏度增加，渐渐失去可塑性而出现凝结现象，如图4-2（c）所示。随着水泥水化的不断进行，水泥浆逐渐硬化，随着水化硅酸钙凝胶不断增多，并填充了硬化水泥石的毛细孔，使毛细孔越来越少，密实度增加而产生强度，如图4-2（d）所示。（a）

（b）

（c）

（d）1—未水化水泥颗粒2—胶凝粒子3—Ca（OH）2等晶体4—毛细孔（毛细孔水）图4-2水泥凝结硬化过程示意图二、硅酸盐水泥的凝结与硬化由此可见，水泥的水化和硬化是一个连续过程，而凝结和硬化又是这一过程的不同阶段。其中，凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定塑性强度，硬化则表示水泥浆固化后所建立的网状结构，具有一定机械强度。硬化后的水泥石是由水泥凝胶、未完全水化的水泥颗粒、毛细孔（含毛细孔水）等组成的。03影响硅酸盐水泥凝结和硬化的因素三、影响硅酸盐水泥凝结和硬化的因素综上所述，水泥的凝结和硬化，除了与水泥熟料中的矿物组成有关外，还与水泥的细度、石膏的掺量、温度、湿度、硬化时间及水灰比等有关。下面介绍温度、湿度、水灰比。三、影响硅酸盐水泥凝结和硬化的因素温度：一般情况下，提高温度可以加速硅酸盐水泥的早期水化，使早期强度能较快发展，但后期强度反而可能会降低。在较低温度下进行水化，虽然凝结硬化慢，但水化产物比较致密，可以获得较高的最终强度。但当温度低于0℃时，水泥强度不仅不增长，而且还会因水的结冰而导致水泥石的破坏。因此，冬季施工时需要采取保温等措施。湿度：在缺乏水的干燥环境中，水泥的水化反应不能正常进行，其硬化也将停止。潮湿环境下的水泥石能够保持足够的水分进行水化和凝结硬化，从而保证其强度不断提高。在工程中，保持环境中的温度和湿度，使水泥石强度不断增长的措施叫做养护。水泥混凝土在浇注后的一段时间里应十分注意温度和湿度的养护。水灰比：拌和水泥浆时，水与水泥的质量比称为水灰比。拌和水泥浆时，为使浆体具有一定的塑性和流动性，所加入的水量通常要大大超过水泥充分水化时所需用水量，多余的水在硬化的水泥石内形成毛细孔。因此拌和水越多，硬化后水泥石中的毛细孔就越多。在熟料矿物成分含量大致相近的情况下，水灰比的大小是影响水泥石强度的主要因素。硅酸盐水泥硅酸盐水泥的技术性质硅酸盐水泥的技术性质熟悉硅酸盐水泥的技术性质学习目标能测定硅酸盐水泥的标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性标准稠度用水量02细度（选择性指标）01凝结时间（强制性指标）03体积安定性（强制性指标）040506强度（强制性指标）水化热01细度（选择性指标）一、细度（选择性指标）硅酸盐水泥的主要技术要求有：细度、凝结时间、体积安定性、标准稠度用水量、强度等，实际工程中有时还需要了解水泥的水化热及化学指标等。细度是影响水泥性能的重要物理指标。水泥颗粒越细，与水接触的表面积越大，因此水化速度越快越充分，水泥的早期强度和后期强度都很高，但硬化时收缩率较大，水泥易于受潮。此外，水泥愈细，磨制过程能耗愈大，水泥的生产成本愈高。因此，水泥的细度应控制在合理的范围内。水泥的细度有两种表示方法：一种是用80μm或45μm方孔筛的筛余百分数表示，另一种是用比表面积（即单位质量水泥粉末总表面积）表示。比表面积越大，说明水泥颗粒越细。国家标准规定硅酸盐水泥的细度用比表面积表示，比表面积应大于300m2/kg。02标准稠度用水量二、标准稠度用水量将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的用水量即为标准稠度用水量，用水占水泥质量的百分数来表示。标准稠度用水量主要取决于熟料的矿物组成及水泥的细度。对于品种不同的水泥，其标准稠度用水量各不相同，一般在24%～33%之间。标准稠度用水量的大小对水泥的凝结时间、体积安定性等的测定值有较大影响。在其他条件相同的情况下，标准稠度用水量越小越好。03凝结时间（强制性指标）三、凝结时间（强制性指标）标凝结时间分为初凝时间和终凝时间。从水泥加水拌和开始起至水泥浆体开始失去可塑性所需的时间，称为初凝时间；从水泥加水开始起至水泥浆体完全失去可塑性所需的时间，称为终凝时间。水泥初凝时间不宜过早，以便使用时有足够的时间进行搅拌、运输、浇捣或砌筑等施工操作，硅酸盐水泥初凝时间要求不小于45min。水泥终凝时间不宜过迟，以便水泥能尽快硬化并达到一定强度，以利于进行下一道施工工序，硅酸盐水泥的终凝时间要求不大于390min。04体积安定性（强制性指标）四、体积安定性（强制性指标）水泥的体积安定性是指水泥浆在硬化过程中体积变化的均匀性。如果水泥浆硬化后体积安定性不良，会使混凝土产生膨胀性裂缝，降低工程质量。1）体积安定性不良的原因引起水泥体积安定性不良的原因，主要有以下两个方面。石膏的掺量过多：当石膏掺量过多时，在水泥浆体硬化后，过量石膏还会继续与水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，体积约增大1.5倍，从而导致水泥石开裂。熟料中有较多过烧的氧化钙或氧化镁：熟料煅烧工艺上的原因，使得熟料中所含较多过烧的氧化钙或氧化镁，这些过烧的氧化钙或氧化镁的水化速度很慢，往往在水泥硬化后才开始水化。这些过烧氧化物在水化时体积剧烈膨胀，从而使水泥石开裂。四、体积安定性（强制性指标）2）体积安定性的检验方法体积安定性测定的方法有两种，即雷氏法和试饼法。雷氏法是通过测定水泥标准稠度净浆在雷氏夹中沸煮后，用试针的相对位移表示其体积膨胀的程度。试饼法是通过观测水泥标准稠度净浆试饼沸煮后的外形变化情况，来表示其体积安定性。当发生争议时，一般以雷氏法为准，其具体检验方法参见《建筑材料实训（水泥部分）》。国家标准规定，硅酸盐水泥的体积安定性经沸煮法检验必须合格，即硅酸盐水泥中的MgO含量不得超过5.0%，SO3含量不得超过3.5%，氯离子含量不得超过0.06%。当有更低要求时，MgO和SO3的含量由买卖双方协商确定。05强度（强制性指标）五、强度（强制性指标）强度是水泥性能的重要指标，也是评定水泥强度等级的主要依据。水泥的强度按《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671—1999）中的规定方法进行，其规定如下：将水泥、标准砂和水按规定比例（1∶3∶0.5）用标准制作方法制成40mm×40mm×160mm的标准试件，在标准养护条件下养护，然后测定其3d和28d的抗折强度和抗压强度。五、强度（强制性指标）按照3d和28d龄期的强度将硅酸盐水泥划分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5和62.5R共6个强度等级，将普通水泥划分为42.5，42.5R，52.5和52.5R共4个强度等级。硅酸盐水泥各龄期的强度不得低于表4-4中的数值。表4-4硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的强度（摘自GB175—2007）品

种强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3d28d3d28d硅酸盐水泥42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥4.052.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥5.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥