无机非金属材料学 水泥

加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。

通用水泥：用于一般土木建筑工程的水泥专用水泥：有专门用途的水泥。特性水泥：某种性能比较特殊的一类水泥

第三章水泥§3.1硅酸盐水泥的组成及性质

由硅酸盐水泥熟料、０～５％石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。I型硅酸盐水泥：

不掺混合材，代号为P．I；II型硅酸盐水泥：在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料，代号为Ｐ．II。一、硅酸盐水泥熟料的化学组成氧化钙（CaO）62％～67％氧化硅（SiO2）20％～24％95％氧化铝（Al2O3）4％～7％氧化铁（Fe2O3）2.5％～6.0％氧化镁（MgO）硫酐（SO3）氧化钛（TiO2）氧化磷（P2O5）碱（K2O和Na2O）5％二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成煅烧时由生料脱水和分解出的CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，在约1450℃的高温下相互间产生化学反应，生成以硅酸盐为主的多矿物集合体。名称

化学分子式含量硅酸三钙

3CaO•SiO2

Ｃ3S36％～60％硅酸二钙

2CaO•SiO2

Ｃ2S15％～37％铝酸三钙３CaO·Al2O3C3Ａ7～15％铁铝酸四钙４CaO·Al2O3·Fe2O3Ｃ4AF10％～18％细度愈细，水泥与水起反应的面积愈大，水化速度愈快并较完全。细度水泥颗粒的粗细程度，7～200μm水泥的细度与凝结时间、强度、干缩率以及水化放热速率等一系列性能都有密切关系，必须控制在合适的范围内

三、硅酸盐水泥的性质国标规定：用筛孔尺寸为80μm的方孔筛进行筛分，其筛余不得超过10%凝结时间水泥从加水开始到失去其流动性，即从液体状态发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程，所需时间称为凝结时间。初凝时间：水泥加水拌和至失去流动性和部分可塑性所需的时间。终凝时间：水泥加水拌和至完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min

终凝时间不得迟于12h体积安定性水泥浆体在硬化过程中体积变化的均匀性。即水泥硬化浆体能保持一定形状，不开裂，不变形，不溃散的性质。体积安定性不良的水泥应作废品处理，不得应用于工程中，否则将导致严重后果。安定性不良:水泥石硬化过程之中或之后产生较剧烈的不均匀性体积变化而导致构件弯曲、开裂甚至崩溃的现象。硅酸盐水泥强度等级：

425R、525、525R、625、625R、725R强度

硬化水泥能够承受外力破坏的能力。水泥的标号：28d的抗压强度。早期强度：28d以前的强度，一般为3d和7d。后期强度：28d及其后的强度。离子交换反应形成膨胀性产物

新生产物可溶

不溶膨胀物孔隙度渗透性增加

产生内应力硬度降低重量损失强度减小膨胀破坏开裂剥落组分的浸析和水解环境介质的侵蚀废品：凡氧化镁(≤5％)、三氧化硫(≤3.5％)

初凝时间、安定性中的任一项不符合标准规定。不合格品：凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任一项不符合标准规定或混合材料掺加量超过最大限量，或强度低于商品标号规定的指标时，称为不合格品。

！！废品水泥在工程中严禁使用§3.2硅酸盐水泥的生产生料制备

将石灰质原料、粘土质原料与少量校正原料破碎后，按一定比例配合磨细，并调配为成分合适、质量均匀的生料。熟料煅烧

一定成分的生料入窑锻烧至部分熔融，并经过一系列物理化学变化，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料。水泥的粉磨

将熟料、适量石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。一、硅酸盐水泥生产原料3、校正原料：补充两种原料中所缺少的的组分。１、石灰质原料：石灰石、白垩、泥灰岩、贝壳等，主要提供ＣａＯ。２、粘土质原料：

主要提供SiO2、Al２O３以及Fe２O３。干法：将原料同时烘干和粉磨或先烘干后粉磨成生料粉，再喂入窑内煅烧成熟料的方法。

半干法：将生料粉加入适量水制成生料球。湿法：将原料加水粉磨成生料浆，再喂入窑内煅烧成熟料的方法。

半湿法：将生料浆脱水制成生料块，喂入窑内煅烧，或将生料块经烘干、破碎成生料粉再喂入干法窑内煅烧成熟料的方法。二、生料制备方法高温气体和物料相向运动——三、水泥熟料在回转窑内的煅烧

燃料与一次空气由窑头喷入，和二次空气(由冷却机进入窑头与熟料进行热交换后加热了的空气)一起进行燃烧，燃烧烟气在向窑尾运动的过程中，将热量传给物料，温度逐渐降低，最后由窑尾排出。

料浆由窑尾喂入，在向窑头运动的同时，温度逐渐升高并进行一系列反应，烧成熟料后由窑头卸出，进入冷却机。回转窑内带的划分示意图§3.3硅酸盐水泥的水化和硬化水化－物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水的过程统称为水化。

凝结－水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性的过程。硬化－浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石）的过程称为硬化。

一、硅酸盐水泥的水化氢氧化钙（CH）是结晶体，其成分固定。1、四种主要矿物的水化水化硅酸钙（C－S－H）是一种成分复杂的无定形物质，其组成与液相的Ca(OH)2的浓度有关。硅酸三钙C3S的水化放热速率和Ca2+浓度变化曲线时期反应阶段化学过程动力学行为早期初始水解期初始水解，离子进入溶液反应很快诱导期继续溶解，早期C-S-H形成反应慢中期加速期稳定水化产物开始生长反应快衰减期水化产物继续生长，微结构发展反应变慢后期稳定期微结构逐渐密实反应很慢常温相对湿度<85%C4AH19、C4AH13、C2AH8在常温下处于介稳状态，会向C3AH6等轴晶体转化。铝酸三钙水化产物组成与结构与溶液中CaO、Al2O3的浓度和温度有关。温度>35℃C4AH13在碱性介质中能够稳定存在，数量迅速增多，足以阻碍粒子的相对移动，是浆体产生瞬时凝结的一个主要原因。当液相的CaO浓度达到饱和当C3A尚未水化完全而石膏已耗尽时，C4AH13与AFt反应生成单硫型的水化硫铝酸钙（AFm）有石膏、CaO存在时，C3A开始快速水化成C4AH13，接着与石膏反应：当石膏掺量极少，C3A与AFt反应生成AFm后，可能还有未水化的C3A，在这种情况下，则会形成AFm和C4AH13的固溶体。钙钒石形成期：

C3A率先水化，与石膏迅速形成钙钒石，导致第一放热峰。C3S水化期：

C3S开始迅速水化，大量放热，形成第二放热峰。由于钙钒石转化为单硫型水化硫铝酸钙，有时会有第三放热峰或在第二放热峰上出现一个“峰肩”，同时，C2S与C4AF也不同程度参与这两个阶段的反应。结构形成和发展期：大量水化产物逐渐连接，交织发展成硬化的浆体结构。放热速率很低，趋于稳定。2、硅酸盐水泥的水化3、影响水泥水化的主要因素熟料矿物组成：水灰比：水灰比大，水泥颗粒能高度分散，水化快，但凝结慢，强度下降。水泥细度：水泥愈细，比表面积愈大，水化越快，相应地凝结硬化速度就快。养护温度：温度越高，对早期水化影响较大，但水化程度的差别到后期逐渐减小。C-S-H凝胶：70％；Ca(OH)2：20％；AFm和AFt：7％；残留熟料和其它微量组分：3％第一阶段，大约在水泥拌水起到初凝为止

第二阶段，大约从初凝起至24h为止第三阶段，24h以后直到水化结束二、硅酸盐水泥的凝结和硬化§3.4各类水泥及应用

由硅酸盐水泥熟料加入6～1５％的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。一、普通硅酸盐水泥（P.O）强度等级：325、425、425R、525、525R、625、625R

由硅酸盐水泥熟料和20％～70％的粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。二、矿渣硅酸盐水泥（P．S）高炉矿渣：冶炼生铁时的副产品,以CaO、Al2O3和SiO2为主要成分，还有少量MgO、FeO等。由硅酸盐水泥熟料和20%～50%的火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。三、火山灰质硅酸盐水泥（Ｐ．Ｐ）

火山灰质混合材料：凡天然的或人工的以SiO2、Al2O3为主要成分的矿物材料，磨成细粉加水后本身不硬化，但与石灰混合，加水拌和成胶泥后能在空气和水中硬化的材料。

由硅酸盐水泥熟料和20％～40％的粉煤灰及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料。四、粉煤灰硅酸盐水泥（Ｐ﹒Ｆ）粉煤灰：火力发电厂燃煤粉锅炉排出的废渣，具有一定活性，主要为ＣaＯ、Al2O3、SiO2和未燃尽的碳。又名矾土水泥，以铝酸钙为主，氧化铝含量约50%的熟料磨细而得的水硬性胶凝材料。五、其它品种水泥CaO(32~42%)、Al2O3（36~55%）SiO2(4~15%)、Fe2O3(

1~15%)少量的MgO、TiO2

化学组成——1、高铝水泥矿物组成——

矿物名称

特点铝酸一钙CA凝结正常，硬化迅速，是高铝水泥强度的主要来源二铝酸一钙CA2水化硬化较慢，早期强度低。但后期强度能不断提高七铝酸十二钙C12A7水化极快，凝结迅速，但强度不高铝方柱石C2AS水化活性很低高铝水泥的性能特点——1）初凝不得早于40min，终凝不得迟于10h；2）早期强度增长快，24h几乎可达最高强度。3）低温下也能很好硬化，但高温(>30℃)养护，强度剧烈下降。

缺点：后期强度倒缩，使用３～５年后高铝水泥混凝土的强度只有早期强度的一半左右。1）适用于军事工程、紧急抢修工程、严寒的冬季施工和早期强度要求高的工程。2）配制耐热混凝土，作窑炉内衬。3）配制膨胀水泥和自应力水泥。4）不宜用于大体积混凝土工程，或采用可溶性碱的骨料和水。5）不宜作永久性的承重结构工程。

工程应用——特别适于海港、水利、引水及其它有耐硫酸盐腐蚀性要求的水中大体积混凝土结构.2、抗硫酸盐水泥

在以硅酸钙为主要矿物成分的水泥熟料中，主要限制了Ｃ3Ａ和Ｃ4ＡＦ的含量，也限制了Ｃ3Ｓ的含量，使水泥水化热较低，抗硫酸盐能力较强。

膨胀水泥是在水化过程中，由于生成膨胀性水化产物，使水泥在硬化后体积不收缩，而具有一定膨胀性能的水泥。

3、膨胀水泥在水泥中掺入一定量的在特定温度下煅烧制得的氧化钙，氧化钙水化产生体积膨胀。膨胀组分——在水泥石中形成钙钒石，产生体积膨胀。在水泥中掺入一定量的在特定温度下煅烧制得的氧化镁(菱苦土)，氧化镁水化产生体积膨胀。工程应用——

在道桥工程中，膨胀水泥常用于水泥混凝土路面、机场道面或桥梁修补混凝土。此外用于防止渗漏、修补裂缝及管道接头等工程。白色水泥：

组成、性质与硅酸盐水泥基本相同，不同的是在配料和生产过程中严格控制