同濟(jì)大學(xué)土木工程材料 第三章、水泥課件

1、第三章 水泥(Cement)第一節(jié) 硅酸鹽水泥第二節(jié) 摻混合材的硅酸鹽水泥第三節(jié) 其他品種水泥思考題概述概述(Introduction)第三章 水泥 水泥是水硬性無機(jī)膠凝材料，是目前建筑工程中用量最大、最重要的建筑材料之一。 1824年英國人約瑟夫阿斯普?。↗oseph Aspdin）取得了波特蘭水泥（即硅酸鹽水泥）的發(fā)明專利。硅酸鹽水泥的首批大規(guī)模使用是在18251843年修建泰晤士河隧道。我國第一個水泥廠是清政府在“洋務(wù)運(yùn)動”中于1889年于開平礦務(wù)局創(chuàng)辦的唐山細(xì)棉土廠。 水泥的英文是cement。但cement這個詞在波特蘭水泥發(fā)明之前就已存在，源于羅馬語caementum，原指一種能在

2、水中硬化的、消石灰與火山灰的混合物，文獻(xiàn)中稱為羅馬水泥(Roman cement)。概述(introduction)第三章 水泥 水泥生產(chǎn)可概括為“兩磨一燒”：將鈣質(zhì)原料（石灰石、白堊、泥灰?guī)r、貝殼等）和硅質(zhì)原料（粘土、頁巖等）按比例配合，在磨機(jī)中磨成生料(raw meal)（生料制備方法分為濕法、干法。濕法是將原料加水在磨機(jī)中磨成生料漿。干法是將原料先烘干、再入磨機(jī)磨成生料粉），生料入窯（煅燒窯分為立窯、回轉(zhuǎn)窯）煅燒（煅燒溫度1450）成熟料(clinker)，熟料配以適量石膏、混合材(blended material)磨細(xì)成為水泥成品。第三章 水泥概述(introduction)第三章 水

3、泥 按組成，水泥分為：硅酸鹽（又稱波特蘭水泥）、鋁酸鹽（又稱高鋁水泥、礬土水泥）、硫鋁酸鹽三大系列水泥，其中硅酸鹽系列水泥應(yīng)用最廣。 按性能和用途，水泥分為：通用水泥（應(yīng)用最多，產(chǎn)量最大，屬硅酸鹽系列水泥）、專用水泥（專門用于某些工程的水泥，如砌筑水泥(masonry cement)、道路水泥、油井水泥、防射線水泥等。）、特種水泥(special cement)（某種性能較突出的水泥，如白色及彩色水泥、低熱水泥、膨脹水泥、快硬水泥、抗硫酸鹽水泥等。）。概述(introduction)第三章 水泥我國常用的六大水泥： 硅酸鹽水泥：P.、P.；(portland cement) 普通硅酸鹽水泥：P

4、.O；(ordinary portland cement) 礦渣硅酸鹽水泥：P.S.A、P.S.B；(slag portland cement) 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥：P.P；(pozzolanic portland cement) 粉煤灰硅酸鹽水泥：P.F；(fly ash portland cement) 復(fù)合硅酸鹽水泥：P.C；(composite portland cement)第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥 凡以適當(dāng)成分的生料，燒至部分熔融，所得以硅酸鈣(calcium silicate)為主要成分的硅酸鹽水泥熟料，并摻入05%的石灰石或?；郀t礦渣、

5、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥一、硅酸鹽水泥的基本組成(The essential components of portland cement) 硅酸鹽水泥熟料的主要礦物組成(mineral component)：硅酸三鈣（C3S）(tricalcium silicate)36%60%、硅酸二鈣（C2S） (dicalcium silicate)15%37%、鋁酸三鈣（C3A） (tricalcium aluminate)7%15%、鐵鋁酸四鈣（C4AF） (tetracalcium aluminoferrit

6、e)10%18% 。 水泥中摻入石膏主要起調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的作用，同時能提高早期強(qiáng)度、減少干縮、改善耐久性、對混合材起激發(fā)劑作用。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥二、硅酸鹽水泥的水化硬化(The hydration and hardening of portland cement) 水泥加水后，石膏迅速溶解于水，C3A極快速（13天）水化生成水化鋁酸三鈣（C3AH6），C4AF快速水化生成水化鋁酸三鈣和水化鐵酸一鈣，C3S快速（4周）水化生成水化硅酸鈣（C-S-H）和氫氧化鈣，C2S緩慢（1年）水化生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。部分水化鋁酸鈣與石膏反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁

7、酸鈣（AFt，稱為鈣礬石(ettringite)），石膏消耗完后，部分高硫型水化硫鋁酸鈣與C3A、C4AF反應(yīng)生成低硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）。在充分水化的水泥石中，C-S-H凝膠約占70%，氫氧化鈣約占20%，AFt和Afm約占7%。第三章 水泥 水泥的水化硬化會延續(xù)數(shù)年，但前3個月即完成約70%。水泥石結(jié)構(gòu)(structure of hardened cement paste)是由未水化的水泥顆粒、水化產(chǎn)物、水、孔隙組成。示意如下。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)1.

8、凝結(jié)時間(setting time) 混凝土應(yīng)在初凝(initial setting)前完成澆搗入模，終凝(final setting)前完成抹面。為便利施工，初凝時間不宜過短，終凝時間不宜過長。 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：硅酸鹽水泥的初凝時間不得早于45分鐘，終凝時間不得遲于6小時30分鐘。 凝結(jié)時間的影響因素：摻混合材的水泥凝結(jié)時間較長；水灰比增大，凝結(jié)時間延長；溫度升高，凝結(jié)時間縮短；緩凝劑、速凝劑可調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)1. 凝結(jié)時間(Settin

9、g time) 水泥的凝結(jié)時間采用維卡儀(Vicat apparatus)測定。分為初凝、終凝。初凝時間為水泥加水拌和始至標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿開始失去可塑性所經(jīng)歷的時間；終凝時間為水泥加水拌和始至標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所經(jīng)歷的時間。 檢驗(yàn)水泥的凝結(jié)時間、體積安定性時，規(guī)定用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿(cement paste with standard consistence)。水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量采用水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度測定儀測定。硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量一般為21%28% 。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of

10、 portland cement)2. 強(qiáng)度(Strength) 強(qiáng)度是評價水泥質(zhì)量的重要指標(biāo)。水泥的強(qiáng)度依據(jù)水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）（GB/T17671-1999）檢測。 稱量水泥450g、標(biāo)準(zhǔn)砂1350g、水225ml，用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成型、養(yǎng)護(hù)方法制作水泥膠砂強(qiáng)度試件（specimen）(40*40*160mm，每組3條)，分別在3d、28d齡期(age)測定強(qiáng)度。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement) 引起體積安定性不良的原因：f-Ca

11、O過量； f-MgO過量；石膏摻量過多 。 國標(biāo)規(guī)定：用沸煮法檢驗(yàn)水泥體積安定性。沸煮法適用于檢測游離氧化鈣所引起的水泥安定性不良。 檢測游離氧化鎂用壓蒸法，檢測石膏用溫水長期浸泡法。3. 體積安定性（Soundness） 水泥在凝結(jié)硬化過程中體積變化的均勻程度，簡稱安定性。安定性是水泥最重要的性質(zhì)，安定性不良的水泥不得使用。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)4. 細(xì)度(Fineness) 水泥粒徑小于40m才具有較高的活性，大于90m幾乎接近惰性。水泥的細(xì)度對水泥安定性、需

12、水量、凝結(jié)時間、強(qiáng)度有較大影響。 國標(biāo)規(guī)定：硅酸鹽水泥的細(xì)度采用透氣式比表面積儀檢驗(yàn)，要求其比表面積300m2/kg。 新標(biāo)準(zhǔn)通用硅酸鹽水泥GB175-2007取消了細(xì)度指標(biāo)要求。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)5. 水化熱(Hydration heat) 水泥的水化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。水化熱對于大體積混凝土(mass concrete)是有害因素，會造成開裂。 水泥水化熱的影響因素：水泥熟料的礦物組成，水泥細(xì)度，水泥中混合材的種類及摻量。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland

13、cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)6. 化學(xué)品質(zhì)指標(biāo)（Chemical quality requirements） 不溶物(insolubles)；燒失量(loss on ignition)；MgO；SO3(sulfur oxide)；堿含量(alkali content)；氯離子(chloride iron)含量。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)7. 抗蝕性(Corrosion resist

14、ance)（1）淡水(fresh water)：淡水能使水泥水化物Ca(OH)2溶解，并促使其它水化物分解，從而造成水泥石結(jié)構(gòu)的破壞。（2）酸(acid)：PH值小于6就可能造成水泥石腐蝕。碳酸與水泥石中的Ca(OH)2起反應(yīng)生成碳酸鈣，進(jìn)一步反應(yīng)生成易溶于水的碳酸氫鈣。無機(jī)酸（鹽酸、氫氟酸、硝酸、硫酸）、有機(jī)酸（醋酸、蟻酸、乳酸）能與水泥石中的Ca(OH)2起反應(yīng)，產(chǎn)物或易溶于水，或具有膨脹性，且消耗大量Ca(OH)2造成水泥石水化產(chǎn)物分解。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement

15、)7. 抗蝕性(Corrosion resistance)（3）鹽(salt)：硫酸鹽(sulphate)（鉀、鈉、銨等）與水泥石中的Ca(OH)2起置換反應(yīng)生成硫酸鈣，進(jìn)而與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，造成水泥石膨脹開裂。鎂(magnesium)鹽（硫酸鎂、氯化鎂）與水泥石中的Ca(OH)2起復(fù)分解反應(yīng)，生成的氫氧化鎂松軟無膠凝能力，氯化鈣極易溶于水，硫酸鈣造成雙重腐蝕。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)7. 抗蝕性(Corrosion resistance)（4）堿(alk

16、ali)：水泥混凝土具有一定的耐堿腐蝕能力。但鋁酸鹽含量較高的硅酸鹽水泥遇強(qiáng)堿（NaOH、KOH），生成的鋁酸鈉易溶于水，而滲入水泥石中的NaOH在干燥時與CO2反應(yīng)生成碳酸鈉結(jié)晶，造成脹裂。（5）其他(others)：糖、氨鹽、動物脂肪、含環(huán)烷酸的石油產(chǎn)品的腐蝕。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)7. 抗蝕性(Corrosion resistance)水泥石受腐蝕的基本原因： 水泥石中存在易被腐蝕的成分（氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等）；水泥石不密實(shí)，使腐蝕性介質(zhì)易進(jìn)入；環(huán)境條件（

17、高溫、高壓、沖刷、干濕交替等）。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥三、硅酸鹽水泥的性能(The properties of portland cement)7. 抗蝕性(Corrosion resistance)水泥石防腐措施： 根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)，選擇適宜的水泥品種或摻入活性混合材，以減少氫氧化鈣含量；通過降低水灰比、摻外加劑、采用優(yōu)質(zhì)骨料、改善施工操作等，提高密實(shí)度；采用耐腐蝕的材料（花崗巖板材、耐酸陶瓷板、塑料、瀝青、環(huán)氧樹脂、涂料等）做表面保護(hù)層或隔離層。第一節(jié) 硅酸鹽水泥(portland cement)第三章 水泥四、硅酸鹽水泥的應(yīng)用(The uses of

18、 portland cement) 根據(jù)所處環(huán)境(exposure condition)（溫度、濕度、侵蝕性介質(zhì)）、工程特點(diǎn)（高強(qiáng)、快硬、抗?jié)B、耐磨、大體積）、水泥特性等，合理選用水泥。 硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化快，強(qiáng)度高，抗凍性、抗碳化性、耐磨性好，但水化熱高，耐腐蝕性差，不耐高溫。因此，硅酸鹽水泥適用于高強(qiáng)混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、冬季施工，不適用于大體積混凝土、水利及海港工程、溫度高于250的工程。第二節(jié) 摻混合材的硅酸鹽水泥(blended portland cement)第三章 水泥 在生產(chǎn)水泥時,為改善水泥性能、調(diào)節(jié)水泥等級，而加入到水泥中的礦物材料，稱為水泥混合材(blended mate

19、rial)。 水泥中摻入混合材主要起降低成本、減少水化熱等作用。水泥混合材分為活性(active)混合材、非活性混合材(inert additions) ?；钚曰旌喜哪ゼ?xì)后與石灰、石膏拌合，加水后既能在空氣中又能在水中硬化。常用的活性混合材有：粒化高爐礦渣(blast-furnace slag)、火山灰質(zhì)材料、粉煤灰等；常用的非活性混合材有：石英砂(quartz sand)、石灰石、慢冷礦渣等。 常用的摻混合材的硅酸鹽水泥包括：普通水泥、礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥。第二節(jié) 摻混合材的硅酸鹽水泥(blended portland cement)第三章 水泥摻混合材的硅酸鹽水泥的水

20、化硬化 摻混合材的硅酸鹽水泥加水后，首先是熟料礦物的水化，與純硅酸鹽水泥的水化相同。隨后發(fā)生二次水化（混合材的水化）：熟料水化生成的氫氧化鈣成為混合材的堿性激發(fā)劑，與混合材中的活性SiO2、Al2O3反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣；水泥中的石膏成為混合材的硫酸鹽激發(fā)劑，與混合材反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣。水泥石的主要組成是水化硅酸鈣和鈣礬石。與硅酸鹽水泥相比，摻混合材的硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物堿度較低，氫氧化鈣含量較少，水化產(chǎn)物較致密。第二節(jié) 摻混合材的硅酸鹽水泥(blended portland cement)第三章 水泥摻混合材水泥的共同特點(diǎn)： 凝結(jié)硬化速度慢，早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度增長較多（甚至可

21、超過同標(biāo)號的硅酸鹽水泥）；硬化時對濕熱敏感性強(qiáng)，宜采用蒸汽養(yǎng)護(hù)；水化放熱速度慢、放熱量低，宜用于大體積混凝土工程；氫氧化鈣、水化鋁酸鈣含量少，因此抗軟水和抗硫酸鹽腐蝕能力較強(qiáng)，宜于水利工程、海港工程、地下工程；由于早期強(qiáng)度低，因此抗凍性差；由于氫氧化鈣含量少、堿度低，因此抗碳化能力差，水泥石表面易“起粉”。 普通水泥與硅酸鹽水泥的性能、應(yīng)用范圍基本相同。復(fù)合水泥的早期強(qiáng)度與普通水泥相同，其他性能與礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥相似。第三節(jié) 其他品種水泥(other cements)第三章 水泥1、鋁酸鹽水泥(aluminate cement) 1908年在法國發(fā)表了鋁酸鹽水泥的專利。鋁酸鹽系

22、水泥具有早強(qiáng)、耐高溫等特性，現(xiàn)主要用于耐高溫澆注材料，但在建筑上，由于其后期強(qiáng)度倒縮而很少使用。鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥不能良好粘結(jié)，更不能混用。 高鋁水泥(aluminous cement)原名礬土水泥，是鋁酸鹽水泥的主要品種，呈黃褐色，是一種快硬、高強(qiáng)、耐熱、耐腐蝕的水硬性膠凝材料，其熟料主要礦物為鋁酸一鈣（CA）、二鋁酸一鈣（CA2）。以3天強(qiáng)度分為425、525、625、725四個標(biāo)號，性能應(yīng)符合高鋁水泥（GB201-2000）的要求。第三節(jié) 其他品種水泥(other cements)第三章 水泥1、鋁酸鹽水泥(aluminate cement) 高鋁水泥是早強(qiáng)型水泥，1天強(qiáng)度可達(dá)最高強(qiáng)

23、度的80%，3天強(qiáng)度可達(dá)最高強(qiáng)度的90%以上，但后期強(qiáng)度會明顯下降（5年后強(qiáng)度比初期最高強(qiáng)度降低40%60%，達(dá)到最低穩(wěn)定值后就不再下降），故宜用于搶修工程、冬季施工，不宜用于預(yù)應(yīng)力混凝土、長期承載結(jié)構(gòu)、濕熱環(huán)境；水化熱與硅酸鹽水泥相近，但放熱速度很快（1天放出總水化熱的70%80%），故不宜用于大體積混凝土；硬化溫度宜為15，不得超過25，故不宜用于高溫施工、蒸汽養(yǎng)護(hù)；干燥條件下耐高溫性好（700以上發(fā)生固相燒結(jié)反應(yīng)，即瓷性膠結(jié)代替了水硬膠結(jié)），可配制耐熱混凝土，用作高溫窯爐爐襯；耐酸、硫酸鹽腐蝕性能好，但耐堿性很差；高鋁水泥不得與硅酸鹽水泥、石灰等能析出氫氧化鈣的膠凝材料混用，以免產(chǎn)生閃凝

24、現(xiàn)象；高鋁水泥與石膏等可配制成不同類型的膨脹水泥（自應(yīng)力水泥、膨脹水泥、無收縮水泥）。第三節(jié) 其他品種水泥(other cements)第三章 水泥2、硫鋁酸鹽水泥(sulfo-aluminate cement) 20世紀(jì)70年代我國發(fā)明了硫鋁酸鹽水泥，80年代又首創(chuàng)鐵鋁酸鹽水泥。其熟料主要礦物均為無水硫鋁酸鈣（C4A3S ）、硅酸二鈣（C2S）。第三節(jié) 其他品種水泥(other cements)第三章 水泥2、硫鋁酸鹽水泥(sulfo-aluminate cement)硫鋁酸鹽水泥的特性： 高早強(qiáng)（1天達(dá)70%，3天達(dá)100%）且后期強(qiáng)度不斷增長，微膨脹、低干縮（干縮率為普通水泥的1/4），

25、抗凍性、抗腐蝕性、抗?jié)B性很好，水化熱大，耐熱性差（不宜長期處于100以上環(huán)境溫度）。硫鋁酸鹽水泥水化液相堿度較低（PH值9.810.2），最適于生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）制品。 硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥主要應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的現(xiàn)澆和預(yù)制構(gòu)件、高強(qiáng)混凝土、負(fù)溫施工、抗?jié)B防水工程、海港工程、噴射混凝土、自應(yīng)力輸水管道、橋梁道路等。第三節(jié) 其他品種水泥(other cements)第三章 水泥3、氟鋁酸鹽水泥(fluoroaluminate cement) （快凝快硬硅酸鹽水泥） 根據(jù)JC314-82的規(guī)定，分雙快-150、雙快-200兩個標(biāo)號（按4小時強(qiáng)度）。 特性：幾分鐘凝結(jié)，具有小時強(qiáng)度。適用于搶修、堵漏、水中、冬季施工等。第三節(jié) 其他品種水泥(other cements)第三章 水泥 膨脹水泥主要用于收縮補(bǔ)償混凝土（構(gòu)件、修補(bǔ)工程、機(jī)器基座、地下建筑防水層等）、自應(yīng)力混凝土（低預(yù)應(yīng)力值的構(gòu)件）。4、膨脹水泥(expansive cement) 膨脹水泥由強(qiáng)度組分、膨脹組分組成，兩者要有合理的匹配。強(qiáng)度組分有三種類型：硅酸鹽水泥熟料、高鋁水泥熟料、硫鋁酸鹽水泥熟料。膨脹組分多用能形成鈣礬石的組分。第三節(jié) 其他品種水泥(other cements)第三章 水泥5、白色硅酸鹽水泥(white portl