土木工程材料：第五章 水泥

第5章水泥

PortlandCement概述

什么是水泥(cement)？

水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？水泥中的主要矿物硅酸钙硅酸盐水泥铝酸钙铝酸盐水泥硫铝酸钙硫铝酸盐水泥氟铝酸钙氟铝酸盐水泥铁铝酸钙铁铝酸盐水泥磷酸盐磷酸盐水泥···水泥的特性硬化时膨胀膨胀水泥凝结速度快快硬水泥强度发展快早强水泥水化热低低热水泥凝结硬化快双快水泥耐腐蚀耐腐蚀水泥···耐高温耐热水泥水泥的应用通用水泥道路水泥大坝水泥油井水泥砌筑水泥···专用水泥硅酸盐系水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特种硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥水泥在土木工程中的重要作用产量巨大2011年，全国20.6亿吨，占全球总量的50%以上

应用极广性能对土木工程的功能与质量至关重要！§5.1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（2-3%）二水石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（P型水泥，即PortlandCement).硅酸盐水泥有PⅠ和PⅡ两类，后者含有混合材。

一、硅酸盐水泥是怎样制造的？1.原料：硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)，占1/3钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占2/3调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3

与SiO2全国石灰石可开采储量为520亿吨，以现有的水泥产能，仅能用25年。

——信息来自国土资源部硅质(粘土)钙质(石灰石)1450℃调节原料石膏水泥生料熟料混合材水泥制造的“两磨一烧”粉磨煅烧粉磨

硅酸盐水泥熟料制造工艺流程二、硅酸盐水泥的组成硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥硅酸盐水泥熟料Clinkers石膏(CaSO4

2H2O)Gypsum混合材(矿渣或石灰石粉末)MineralAdditives各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时间；混合材：调节水泥的强度等级；必要组分矿物名称英文名称缩写分子式矿物式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaO·SiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaO·SiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaO·Al2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaO·Al2O3·Fe2O3化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：矿物组成C3SC2SC3AC4AF水化硬化速度水化热早期强度后期强度强度组分熔剂组分硅酸盐水泥熟料矿物各组分强度发展三、硅酸盐水泥的水化和硬化1.熟料矿物的水化1）硅酸钙C3S与

-C2S的水化硅酸钙水化生成水化硅酸钙C3S2H3（C-S-H凝胶）和Ca(OH)2—羟钙石，并放出热：

硅酸三钙：2C3S+6H

C3S2H3+3CH+120cal/g

硅酸二钙：2C2S+4H

C3S2H3+CH+62cal/g(C-S-H)2）铝酸三钙C3A的水化纯C3A与水反应迅速，生产水化铝酸钙：C3A+6H2O

[C2AH8+C4AH13]C3AH6

(不稳定的中间产物)(稳定产物)

这一反应导致水泥浆闪凝或假凝！避免闪凝的有效途径——加入石膏CaSO4

2H2O

注：这就是硅酸盐水泥生产中，必须加入石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原因！这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一个里程碑。铝酸三钙C3A在石膏存在下的水化反应C3A与石膏反应首先形成三硫型硫铝酸钙，并放出大量热：

C3A+3CŜ·H2+26H

C3A·3CŜ·H32+300cal/g(1)

(钙钒石)反应后期，石膏量不足时，水化生成单硫型硫铝酸钙水化物：

2C3A+C3A·3CŜ·H32+4H

3（C3A·CŜ·H12

）

(2)石膏消耗完后，C3A直接水化形成C3AH6：C3A+6H2O

C3AH6(3)石膏缓凝机理：钙钒石的形成反应(1)速度比纯C3A的反应(3)慢；在水泥颗粒表面析出钙矾石晶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。3）铁铝酸四钙C4AF的水化铁铝酸四钙C4AF与水发生类似于C3A的水化反应，也形成类似的产物钙钒石和单硫型水化物：

C4AF+7HC3AH6

＋CFH

C4AF

+3CŜ·H2+26H

C3(A,F)·3CŜ·H32C4AF

+CŜ·H2+20H

C3(A,F)·CŜ·H16注：C4AF水化物的组成可变，是铝酸盐与铁酸盐的固溶体，并由铁相凝胶产生。注：C4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。2.硅酸盐水泥的凝结和硬化凝结——水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化——随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。

两个基本概念水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层水化物膜层随水化时间向内不断增厚。水化物膜层向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。水化物成为连续相，拌和水不断减少，并被分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。硅酸盐水泥水化时的放热曲线水化放热速度溶解：钙钒石形成诱导期：Ca2＋浓度增加C-S-H和CH快速形成初凝终凝单硫型硫铝酸钙形成扩散控制反应（1）水泥矿物组成（2）水泥细度（3）养护条件（温度、湿度）与时间（4）石膏掺量（5）水灰比（6）掺合料及水泥外加剂水泥凝结硬化的主要影响因素

R(t)=f(C3S)·f(细度)·f(T)·f(W/C)问题？水泥凝结硬化速度快，好吗？

答：水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较疏松，且在随后的降温期间，或受干燥环境作用收缩变形时产生大量微裂缝，致使结构混凝土强度与渗透性（耐久性）受到严重影响。水泥宜在什么条件下凝结硬化？

答：水泥宜在常温(20±10

C)与相对湿度较高的条件下，凝结硬化。即水泥水化速度适宜的温度，水化所需水分供应充足的条件。应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题水泥生产中为什么掺加石膏？C3A在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；水泥的凝结速度取决于水泥浆体中水化物凝胶微粒的聚集，Al3＋对凝胶微粒聚集有促进作用；石膏与C3A反应形成难溶的硫铝酸钙水化物，反应速度减缓，并减少了溶液中的Al3＋浓度，延缓了水泥浆的凝结速度。为什么水泥硬化后能产生强度？水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；在浆体硬化过程中，随着水泥矿物的水化，比表面较大的水化物颗粒不断增多，颗粒间相互作用力不断增强，产生的强度越来越高。水泥浆体强度的增长规律是什么？水泥浆体的强度随龄期而逐