道路工程材料第7版 课件4 水泥材料

第4章水泥与石灰Cementandlimematerials2025/2/23水泥、石灰矿物组成技术性质和技术指标道路水泥特性和要求核心知识点水泥混凝土生产石灰混凝土运输水泥路面施工1无机胶凝料基本知识

2水泥种类和生产工艺

3硅酸盐水泥熟料矿物

4水泥技术要求和指标

5道路水泥特性和要求本章主要内容2025/2/231无机胶凝材料基础知识

无机胶凝材料定义无机胶凝材料种类水泥的历史和发展1无机胶凝材料基础知识1.1定义和分类2025/2/23定义：经过一系列物理、化学作用，或与其他物质（如水等）混合后能由浆体变成坚硬的固体，并能将松散砂石材料胶结成整体的无机物质，又称矿物胶凝材料分类：气硬性胶凝材料-只能在空气中硬化，也只能在空气中保持和发展其强度，如石灰

水硬性胶凝材料-不仅能在空气中，而且能更好地在水中硬化，保持并继续发展其强度，如水泥粉碎+高温+磨细碳酸钙分解过程石灰石生石灰1无机胶凝材料基础知识1.2水泥的历史和现状水泥的历史2025/2/23水泥一词由拉丁文Caementum发展而来，可以追溯到古罗马人在建筑物中使用的石灰和火山灰的混合物1756年，英国工程师J.Smidton发现，用含有粘土的石灰石烧制而得到的材料强度更高1824年，英国建筑师JosephAspdin发明了水泥和波特兰水泥专利。以石灰石、粘土等为原料，煅烧后研磨制成；硬化成类似于英国波特兰的建筑用石头，并命名为波特兰水泥。In1824,JosephAspdin,aLeedsmasontookoutapatentonahydrauliccementthathecoined"Portland"cement(MindessandYoung,1981).Smeaton’sTower1759-1882距英格兰普利茅斯市海岸22千米英国波特兰当地天然石材外观类似于混凝土1889年，唐山“细绵土”厂1906年，改扩建为启新洋灰公司，年产水泥4万吨1沥青材料基础知识1.2水泥的历史和现状水泥混凝土具有抗压强度高、耐久性好、工艺简单、造价低等优点，广泛应用于各种建筑物、构造物20世纪，水泥混凝土成为主要土木工程材料；21实际，水泥混凝土仍作为主要土木工程材料水泥的现状国家水泥产量（亿吨）时间全世界水泥产量（亿吨）中国23.62021年43（55%）中国21.82012年35（62%）中国10.42005年23（45%）美国0.922021年43（2%）全球水泥产量统计港珠澳跨海大桥葛洲坝水利工程2025/2/231沥青材料基础知识1.2水泥的历史和现状水泥路面的发展2025/2/231889年，GeorgeW.Bartholomew向俄亥俄洲（Ohio）政府建议修建水泥路面1891年，美国俄亥俄洲修建了第一条水泥混凝土路面1913年，美国阿肯色州修建了一条23公里的9英尺（2.7米）宽、5英寸（12.7cm）厚的水泥路面当前，水泥混凝土路面是道路工程主要的铺装形式之一；2020年底，全国有铺装路面总数约430万公路，其中沥青混凝土路面约120万公里，水泥混凝土路面约为310万公路俄亥俄洲水泥路面建设（1891）阿肯色州水泥路面建设（1913）高速公路水泥混凝土路面机场水泥混凝土跑道2硅酸盐水泥生产工艺熟料矿物技术指标2硅酸盐水泥2.1水泥分类2025/2/23按照用途和性能分类通用水泥：土木工程通常采用的水泥，如硅酸盐水泥专用水泥：专门用途的水泥，如油井水泥，道路硅酸盐水泥特性水泥：某种性能比较突出的水泥，快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥按照水硬性产物分类硅酸盐水泥(波特兰水泥):硅酸三钙铝酸盐水泥：铝酸一钙；硫铝酸盐水泥：无水硫酸钙，硅酸二钙；2硅酸盐水泥2.2硅酸盐水泥基础知识定义：硅酸盐水泥熟料、0～5％石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细而成的水硬性材料分类：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2.3硅酸盐水泥生产工艺原材料：主材石灰质原料和粘土质原料，辅料：铁矿粉（黄铁矿）和矿化剂（萤石）

-石灰质原料（石灰石、白垩等）：主要提供CaO；-粘土原料（粘土、黄土等）：主要提供SiO2、Al2O3以及少量Fe2O3成分-这些原材料混合，形成含有适当比例的CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3的生料2025/2/232硅酸盐水泥2.3硅酸盐水泥生产工艺石灰石粘土铁矿粉磨细石膏生料水泥磨细配料熟料煅烧1450℃调节水泥的凝结时间使生料中含有适当比例的CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3高温煅烧产生复杂化学反应，生产适当比例的矿物

硅酸盐水泥生产工艺三种主要原材料

熟料生产：旋转窑生产1吨水泥消耗：（1）1.4～1.5吨石灰石（2）0.2～0.3吨粘土与少量铁矿（3）约0.2吨标准煤2025/2/232硅酸盐水泥2.4硅酸盐水泥熟料硅酸三钙（3CaO·SiO2）—C3S硅酸二钙（2CaO·SiO2）—C2S铝酸三钙（3CaO·Al2O3）—C3A铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）—C4AF矿物含量（％）硅酸三钙37～60硅酸二钙15～37铝酸三钙7～15铁铝酸四钙10～18熟料矿物组成（1）硅酸三钙–决定水泥强度（标号）的主要矿物水化速度较快，水化热较大，且主要在早期放出水化产物早期强度高，且不断增长，是决定水泥标号的主要矿物C3S含量高，强度高。2025/2/23（2）硅酸二钙–保证后期强度增长的主要矿物水化速度最慢，水化热最小，主要在后期放出，水化产物早期强度不高但后期强度增长率较高，是保证后期强度增长主要矿物C2S含量高，水泥具有较好抗化学侵蚀和较小干缩性（3）铝酸三钙–水化速度最快、体积安定性最差的矿物水化速度最快，水化热最大，且主要在早期放出水化产物早期强度增长率很快，但是强度不高，而且后期几乎不增长耐化学侵蚀差，硬化后体积收缩最大（4）铁铝酸四钙–有利于增强抗折、抗冲击的矿物水化速度介于C3A于C3S，水化热较C3A低水化产物早期强度类似于C3A，但后期强度能增加，类似C3S对抗折强度和抗冲击性能起到重要作用，水化产物耐化学侵蚀性好，干缩性小2025/2/233水泥技术性质和指标硬化过程物理性质强度和标号3水泥技术性质和指标3.1水泥的硬化过程1）初始期：水泥熟料颗粒初始水解和水化（约5~10min，放热7J/g.h)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）2025/2/233水泥技术性质和指标3.2水泥的硬化产物硅酸三钙（3CaO·SiO2）—水化硅酸钙和氢氧化钠硅酸二钙（2CaO·SiO2）—与硅酸三钙类似铝酸三钙（3CaO·Al2O3）—较为复杂，硫铝酸钙铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）—水化硫铁铝酸钙水化硅酸钙氢氧化钙2025/2/233水泥技术性质和指标3.2水泥的硬化产物石膏的缓凝作用铝酸三钙（3CaO·Al2O3）水化速度很快，在纯水中生成水化铝酸钙水化铝酸钙呈薄片状，松散多孔结构，容易造成水泥浆快速失去流动性铝酸三钙（3CaO·Al2O3）在石膏溶液中，生成难溶于水的钙矾石钙矾石可附着在水泥颗粒表面，阻断水泥（尤其是铝酸三钙）水化反应水化铝酸钙微观结构2025/2/233水泥技术性质和指标3.2水泥的硬化产物各阶段水泥材料转变生料

熟料水泥石化学成分矿物成分水化产物（比例）CaOSiO2Al2O3Fe2O3C3S

C2SC3AC4AF

CaSO4·2H2O

水化硅酸钙（

～70％）Ca(OH)2（

～20％)三硫型水化硫铝酸钙单硫型水化硫铝酸钙三硫型水化硫铁铝酸钙单硫型水化硫铁铝酸钙水化铝酸钙水化铁酸钙(~7%)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-松散多孔结构在石膏溶液中：C3A＋Ca(OH)2＋H2O→C4AH13C4AH13＋CaSO4·2H2O＋H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O三硫型水化硫铝酸钙(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水泥矿物水化反应2025/2/233水泥技术性质和指标3.3技术指标细度Fineness技术指标细度凝结时间体积安定强度水泥物理力学技术指标体系细度是表示水泥颗粒粗细程度或水泥分散程度的指标细度越大，水化速度越快，水化越充分，早期强度越大但细度越大，收缩率越大，水泥加工成本高细度应控制合理范围：比表面积≥300m2/kg；筛分80微米筛筛余量≤10%，45微米筛筛余量≤30%GB/T8074水泥比表面积测定方法勃氏法采用一定量空气，透过具有一定空隙率和一定厚度的压实粉层时所受的阻力不同而进行测定GB/T1345水泥细度检验方法负压筛析法水筛法手工筛析法2025/2/233水泥技术性质和指标3.3技术指标凝结时间Settingtime凝结时间是表示水泥加水拌和后失去塑性或达到硬化状态所需要的时间初凝时间：从水泥加水拌合起，水泥浆开始失去塑性所需的时间（施工可操作时间）终凝时间：从水泥加水拌合起，至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度所需的时间（形成强度时间）初凝时间不能太短（不小于45min），终凝时间不宜太长（不大于600min）滑动部分300克3~5mm0.5mm维卡仪2025/2/233水泥技术性质和指标3.3技术指标安定性Soundness安定性是指硬化后水泥浆体体积稳定性，特别是不产生不均匀变形的能力体积安定性不良，可造成水泥石内部产生不均匀体积变化，产生开裂等病害原因：水泥中有害成分（如游离氧化钙、游离氧化镁、三氧化硫等）继续反应产生的局部体积变化雷氏夹测试体积安定性图1：雷氏夹及测试设备图2：300克砝码校准雷氏夹，增加距离处于17.5±2.5mm图3：试件煮沸180min后，测试指针增加的距离一般不大于5mm，认为体积安定性合格图1图2图32025/2/233水泥技术性质和指标3.3技术指标强度Strength强度等级：根据规定龄期的抗压和抗折强度划分水泥强度等级水泥标号：42.5（普通型）；42.5R（早强型）等水泥胶砂抗折强度水泥胶砂抗压强度强度试验：水泥:标准砂＝1:3、水灰比＝0.5，试件4×4×16㎝，标准养护，(GB/T17671)

《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》强度等级抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.04.052.523.052.54.07.052.5R27.05.062.528.062.55.08.062.5R32.05.5硅酸盐水泥各龄期强度要求（GB175-2020）