3-第三章-水泥資料

第三章水泥中聯(lián)水泥自1824年波特蘭水泥問世以來，水泥和水泥基材料已成為當今世界最大宗的人造材料。至2010年我國水泥需求達到了13.5億噸。課外知識：波特蘭水泥的發(fā)明

1824年由英國建筑工人阿斯普丁發(fā)明，通過煅燒石灰石與粘土的混合料得出一種膠凝材料，它制成磚塊很像由波特蘭半島采下來的波特蘭石，由此將這種膠凝材料命名“波特蘭水泥”

。PortlandCement.

目錄基本要求簡介3.1硅酸鹽水泥3.2摻混合材的硅酸鹽水泥3.3其他品種水泥基本要求內(nèi)容主要介紹水泥的分類、優(yōu)點及生產(chǎn)。主要介紹硅酸鹽水泥及摻加混合料的硅酸鹽水泥，包括：定義、組成、水化、凝結與硬化、實驗和技術性質(zhì)、腐蝕與防護、特性和應用。簡單介紹常用的其他品種水泥。重點6種硅酸鹽水泥的定義硅酸鹽水泥的礦物組成水泥水化、凝結與硬化機理技術性質(zhì)及測試方法基本要求重點水泥的腐蝕及防護特性應用難點水泥水化、凝結和硬化機理各種水泥的異同點注意事項本章是整個課程的重點聯(lián)系各種水泥進行學習著重分析它們之間的差異及造成這些差異的原因水泥的定義：水泥是一種水硬性的膠凝材料，呈粉末狀，加水拌和后成漿體后，能膠結砂、石等散粒材料，并能在空氣和水中硬化并保持、發(fā)展其強度。發(fā)展趨勢：1）在水泥品種方面，將加速發(fā)展快硬、高強、低熱等特種和多用途的水泥；2）大力發(fā)展水泥外加劑；3）大力發(fā)展高標號水泥；簡介簡介水泥具有以下優(yōu)點，因此，在土木工程領域得到廣泛的應用。多樣性低成本可塑性工藝簡單耐久性與鋼筋粘結性好水硬性水泥的優(yōu)點Back水泥按用途可分為通用水泥、專用水泥和特性水泥。通用水泥硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥復合水泥簡介專用水泥砌筑水泥油井水泥道路水泥特性水泥快硬水泥膨脹水泥抗硫酸鹽水泥中熱水泥水泥按化學成分可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硫酸鹽水泥。硅酸鹽水泥一般工程鋁酸鹽水泥硫酸鹽水泥快硬、早強。主要用于緊急搶修工程、早強工程、冬季施工、抗蝕、抗凍等工程。早強、膨脹。適用于搶修工程、錨固和地下工程等。

Back簡介混合材料0-5%石膏熟料磨細硅酸鹽水泥P.Ⅰ

P.Ⅱ混合材料6-15%石膏熟料磨細普通硅酸鹽水泥P.O粒化高爐礦渣石膏熟料磨細礦渣硅酸鹽水泥P.S火山灰質(zhì)混合材料石膏熟料磨細火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥P.P粉煤灰石膏熟料磨細粉煤灰硅酸鹽水泥P.F兩種以上混合材料石膏熟料磨細復合硅酸鹽水泥P.C盡管水泥的品種很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸鹽水泥。所以，在學習這一章的內(nèi)容時，以硅酸鹽水泥的內(nèi)容為基礎，主要學習硅酸鹽水泥的組成、技術性質(zhì)及應用等知識。在此基礎上，再學習其它摻混合材料的硅酸鹽水泥等內(nèi)容。Back簡介19第一節(jié)硅酸鹽水泥一、硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝定義：凡由硅酸鹽水泥熟料，０～５％石灰石或?；郀t礦渣，適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥（國外通稱波特蘭水泥）。分類：不摻混合材Ⅰ型硅酸鹽水泥（Ｐ·Ⅰ）摻≤5%混合材料Ⅱ型硅酸鹽水泥（Ｐ·Ⅱ）20兩磨一燒，其中最關鍵是燒21新型干法22生料磨系統(tǒng)23窯尾懸浮預熱器及分解爐系統(tǒng)24回轉窯25窯頭26水泥磨27二、硅酸鹽水泥基本組成1.熟料——礦物組成、巖相結構熟料主要礦物：硅酸三鈣

3CaO·SiO2，可簡寫為C3S；硅酸二鈣2CaO·SiO2，可簡寫為C2S；鋁酸三鈣3Ca0·AI2O3,可簡寫為C3A;鐵相固溶體通常以鐵鋁酸四鈣4CaO·AI2O3·Fe2O3作為代表式，可簡寫成C4AF。

熟料礦物的基本特性292.石膏作用：調(diào)節(jié)凝結時間，提高早強，降低干縮，改善耐久性、抗?jié)B性等；對摻混合材的水泥，石膏還起激發(fā)劑的作用。種類：二水石膏或無水石膏（避免“假凝”現(xiàn)象）摻量：與C3A含量及混合材種類有關

水泥漿通過水泥熟料礦物的水化反應、漿體的凝結硬化過程變成堅硬固體。凝結——水泥與水混合形成可塑漿體，隨著時間推移、可塑性下降，但還不具備強度，此過程即為“凝結”；硬化——隨后漿體失去可塑性，強度逐漸增長，形成堅硬固體，這個過程即為“硬化”。水泥漿體轉變成堅硬固體的過程是一個復雜的物理化學變化過程。三、硅酸鹽水泥的水化、凝結硬化31各熟料礦物的水化過程：?硅酸鹽水泥生成的主要水化產(chǎn)物有:C-H-S凝膠（水化硅酸鈣）、氫氧化鈣、水化鋁（鐵）酸鈣和水化硫鋁（鐵）酸鈣晶體。

32水化硅酸鈣形貌33C-S-H凝膠體和C4AH13晶體34氫氧化鈣CH形貌鈣礬石顯微形貌

36水泥石的組成：未水化水泥顆粒+水化產(chǎn)物+孔隙水化產(chǎn)晶體共生和交錯，形成結晶網(wǎng)絡結構，在其中起骨架作用；C-S-H凝膠填充于其中。水泥石的內(nèi)部孔隙率對其強度有很大影響。影響水泥凝結硬化的因素凝期石膏摻合料濕度溫度種類細度Factors

影響水泥凝結硬化的主要因素有：水泥的種類和細度、石膏摻合料、齡期、溫度和濕度等。Back38四、硅酸鹽水泥品質(zhì)要求1.凝結時間

?初凝：開始失去塑性≥45分（1~3小時）?終凝：完全失去塑性，并開始產(chǎn)生強度硅酸鹽水泥≤6小時30min，普通水泥≤10小時(一般5~7小時)39測定：維卡儀402.強度國家標準（GB/T17671-1999）規(guī)定：水泥的膠砂強度。將水泥和中國ISO標準砂按1:3，水灰比為0.5的比例，以規(guī)定的方法攪拌制成標準試件（尺寸為40mm×40mm×160mm），在標準條件下（20℃士3℃水中）養(yǎng)護至3d和28d，測定個齡期的抗壓強度和抗折強度。強度等級：將硅酸鹽水泥分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、625、62.5R等6個強度等級，其中帶R的為早強型水泥。41水泥凈漿攪拌機水泥砂漿攪拌機42水泥膠砂模具水泥凈漿模具振實臺43標準養(yǎng)護箱電動抗折試驗機44SANS萬能試驗機453.安定性定義：水泥在凝結硬化過程中，體積變化的均勻性。安定性不良原因：①f-CaO過量

②f-MgO過量

③石膏過量（一般按國標要求控制）沸煮法：試餅法、雷氏夾法沸煮箱壓蒸法(可按國標控制）464.細度定義：指粉體材料的粗細程度。國標規(guī)定：①硅酸鹽水泥：比表面積＞300m2/Kg。（比表面積儀）②其他五類水泥：篩析法（水篩、干篩、負壓篩）在80μm標準篩的篩余量不得超過10%或45μm標準篩的篩余量不得超過30%。475.水化熱水泥礦物的水化熱及放熱速率比較

C3A>C3S>C4AF>C2S

水泥水化放熱量和放熱速率還與水泥細度、混合材種類和數(shù)量有關.水泥水化熱對施工工藝有多方面的影響，一般大體積混凝土選擇低水化熱的水泥。486.水泥化學品質(zhì)指標（1）不溶物熟料中未參與礦物形成反應的粘土和結晶SiO2，國標規(guī)定：

P·Ⅰ≤0.75%P·Ⅱ≤1.50%（2）燒失量

P·Ⅰ≤3.0%P·Ⅱ≤3.5%P·O≤5.0%（3）氧化鎂，小于5.0%。（注：方鎂石晶體才有害）（4）SO3

（石膏），除礦渣水泥，不超過3.5%。（5）堿含量Na2O+0.658K2O，不宜大于0.6%，堿集料反應（活性集料）。（6）氯離子含量各類硅酸鹽水泥≤0.06%497.產(chǎn)品質(zhì)量評定

——凝結時間、安定性、強度不合格品：①終凝時間不合格；②細度不合格；③強度低于商品等級規(guī)定的指標。廢品：①初凝時間不合格；②安定性試驗不合格（即f-CaO）；③SO3含量超標；④MgO含量超標。501.淡水（軟水）原因：水泥石中的水化產(chǎn)物，都必須在一定濃度的石灰溶液（硬水）中才能穩(wěn)定存在，若在流動的軟水中，水化產(chǎn)物將被溶解或分解。若靜水：Ca(OH)2飽和則不再溶解。流動水：Ca(OH)2不斷溶解、流失。水泥中堿度↓，其他水化物分解CSHn→C+S+nH該種侵蝕稱為溶出性侵蝕，對于硅酸鹽水泥尤其嚴重（因為硅酸鹽水泥水化生成的Ca(OH)2較多），其他摻混和材的要好一些。五、水泥石的腐蝕及防止512.酸與酸性水（碳酸腐蝕）在雨水及某些泉水中，常溶解有一定量的二氧化碳，它對水泥石的腐蝕作用如下：

Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2OCaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2

（可逆反應）生成的碳酸氫鈣易溶于水。當水中含有較多的碳酸，并超過平衡濃度時，反應向右進行；或者在壓力水作用下，生成的氫氧化鈣將溶于水被水沖走。氫氧化鈣濃度的降低還會導致水泥石中其他水泥水化物的分解，使腐蝕作用進一步加劇。523.硫酸鹽海水、地下水、工業(yè)污水中常常含有硫酸鹽。如：鈉鹽Ca(OH)2+Na2SO4·10H2O→CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O3CaO·Al2O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

（鈣礬石）當水中硫酸鹽濃度較高時，硫酸鈣會在毛細孔中直接結晶成二水石膏，體積增大，引起水泥石的破壞。生成的高硫型水化硫鋁酸鈣體積增加了2.50倍，對水泥石的破壞作用很大。俗稱“水泥桿菌”。若為MgSO4，MgCl2“鎂鹽侵蝕（雙重腐蝕）”534.強堿侵蝕——化學侵蝕反應、結晶侵蝕化學侵蝕反應：

3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH=3Ca(OH)2+Na2O·Al2O3+4H2O結晶侵蝕：生成的鋁酸鈉會和空氣中二氧化碳反應，生成碳酸鈉，碳酸鈉失水結晶膨脹，水泥石疏松開裂。54小結：水泥石易腐蝕的根本原因：防止腐蝕的措施：（1）硅酸鹽水泥石中含有較多易受腐蝕的成分，氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等；（2）本身不密實，含有大量的毛細孔隙。（1）根據(jù)工程所處的環(huán)境特點，選擇合適的水泥品種；（2）提高水泥石的密實程度；（3）表面防護處理。55六、硅酸鹽水泥的特點及應用凝結硬化快、強度高配制高強砼、預應力砼、要求早期強度高的砼，冬季施工抗凍性好，干縮較小嚴寒地區(qū)遭受反復凍融的砼工程抗碳化能力強CO2濃度高的區(qū)域耐磨性好道路、地面工程（高強）耐蝕性差有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境水化熱大大體積砼工程長期受高溫的環(huán)境（如工業(yè)窯爐）（氫氧化鈣）耐熱性差第二節(jié)摻混合材的硅酸鹽水泥定義：是指由硅酸鹽熟料，摻入適量的混合材料和石膏共同磨細制成的水硬性膠凝材料。品種：主要有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥等。一、水泥混合材料定義：在水泥生產(chǎn)過程中，為了節(jié)約水泥熟料，提高水泥產(chǎn)量和擴大水泥品種，同時也改善水泥性能及調(diào)節(jié)水泥強度等級，摻入的天然或人工礦物材料，稱為水泥混合材料。可以充分利用工業(yè)廢渣，提高經(jīng)濟效益，保護環(huán)境。分類：活性混合材料、非活性混合材料1.非活性混合材料定義：常溫下不能與氫氧化鈣或水泥發(fā)生水化反應或反應很弱，也不能產(chǎn)生凝結硬化的混合材料稱為非活性混合材料。常用：磨細石英砂、石灰石、慢冷礦渣等作用：主要起填充作用，摻入硅酸鹽水泥中主要起調(diào)節(jié)水泥強度等級、增加產(chǎn)量、降低水化熱等作用。2.活性混合材料定義：常溫下能與氫氧化鈣或水泥發(fā)生水化反應，生成水硬性的水化物，并能夠逐漸凝結硬化產(chǎn)生強度的混合材料稱為活性混合材料。常用的活性混合材：?；郀t礦渣、火山灰質(zhì)混合材料、粉煤灰等?；钚詠碓矗耗芊磻腟iO2、Al2O3，均可和氫氧化鈣反應。3.活性混合材的水化堿性環(huán)境中：SiO2+nCa(OH)2+mH2O→CnSH(m+n)

Al2O3+nCa(OH)2+mH2O→CnAH(m+n)硫酸鹽激發(fā)劑（石膏）：

Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO4·2H2O+22H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O水化產(chǎn)物特點：發(fā)生二次水化，Ca(OH)2少，低堿性。二、普通硅酸鹽水泥定義：凡由硅酸鹽水泥熟料，6%-15%混合材料，適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為普通硅酸鹽水泥（簡稱普通水泥P?O）。其特性和硅酸鹽水泥略有差別。組成：85%≤熟料+石膏＜94%6%＜活性混合材≤15%強度等級及其他品質(zhì)要求：表3-661三、礦渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥1.組成

20~70%粒化高爐礦渣--------礦渣水泥熟料+石膏+20~40%火山灰質(zhì)混合材--火山灰水泥20~40%粉煤灰--------------粉煤灰水泥2.強度等級及其他品質(zhì)要求見表3-7。62633.三種水泥的特點（1）三種水泥的共性早期強度低、后期強度發(fā)展高。對溫度敏感，適合蒸汽養(yǎng)護。耐腐蝕性好。水化熱小?？箖鲂暂^差?？固蓟暂^差

64（2）三種水泥的特性礦渣硅酸鹽水泥：①保水性差，且干縮較大；②抗?jié)B性差；③耐熱性較好（300~400℃）。礦渣在3.0K下的SEM照片應用：可用于耐熱工程；不宜用于抗?jié)B工程。65火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥：

①火山灰顆粒細，泌水性小，故抗?jié)B性較好；②需水量較大，干縮大，易干縮開裂。

應用：宜用于有抗?jié)B性要求的混凝土工程；不宜用于干燥地區(qū)和受凍部位。66粉煤灰硅酸鹽水泥：?①水化更慢，早強低；②需水量小，可增加混凝土流動性；③干縮較小，抗裂性好；④耐磨性較差。粉煤灰在3.0K下的SEM照片應用：適合用于承載較晚的混凝土工程；不宜用于有耐磨性要求的混凝土工程。四、復合硅酸鹽水泥定義：是由硅酸鹽水泥、兩種或兩種以上混合材料和適量石膏組成。特性：取決于其所摻混合材料的種類、摻量及相對比例。適用范圍：可根據(jù)其摻入的混合材料種類，參照其他混合材水泥適用范圍選用。6768第三節(jié)其它品種水泥一、鋁酸鹽水泥定義：以鋁酸鈣為主的鋁酸鹽水泥熟料，磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為鋁酸鹽水泥（CA）。分類：按Al2O3含量分為：耐高溫工程CA-8077%≤Al2O3CA-5050%≤Al2O3＜60%搶修、早強要求高的工程CA-6060%≤Al2O3＜68%早強要求高的及耐熱工程CA-7068%≤Al2O3＜77%耐熱工程691、鋁酸鹽水泥的主要特性及相應的應用（1）快硬早強。1d強度高，適用于緊急搶修工程。但適用于低溫養(yǎng)護。（2）水化熱大。放熱量主要集中在早期，不宜用于大體積混凝土工程；但適用于寒冷地區(qū)冬季施工的混凝土工程。（3）抗侵蝕性好。適用于抗硫酸鹽及海水侵蝕的工程。（4）耐熱性好。可作為耐熱砂漿或耐熱混凝土的膠結材料，能耐1300～1400℃高溫。2、應用過程需要注意的問題（1）不得與硅酸鹽水泥、石灰等能析出氫氧化鈣的物質(zhì)混合，否則將產(chǎn)生閃凝，且強度降低。（2）鋁酸鹽水泥混凝土后期強度下降較大，應以最低穩(wěn)定強度設計。（3）鋁酸鹽水泥適合低溫養(yǎng)護（5-10℃）。（4）不能與未硬化的硅酸鹽水泥混凝土接觸使用。71二、硫鋁酸鹽水泥

定義：將鋁質(zhì)原料（如礬土）、石灰質(zhì)原料（如石灰石）和石膏適當配合，煅燒成以無水硫鋁酸鈣礦物為熟料，該熟料摻適量石膏共同磨細，即可制得硫鋁酸鹽水泥。主要品種有：快硬性硫鋁酸鹽水泥/低堿度硫鋁酸鹽水泥/膨脹硫鋁酸鹽水泥/自應力硫鋁酸鹽水泥。1.硫鋁酸鹽水泥特性及應用（1）凝結速度較快；早期強度高，后期強度發(fā)展緩慢，但不倒縮。因此可用于搶修工程、冬季施工工程、地下工程、配制膨脹水泥和自應力水泥。（2）空氣中收縮小，抗凍和抗?jié)B性能良好，抗腐蝕性能很強。（3）堿度低，可用于配制玻璃纖維砂漿。72三、白色硅酸鹽水泥定義：凡以適當成分的生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分、氧化鐵含量很少的白色硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為白色硅酸鹽水泥（簡稱白水泥）。性能：與硅酸鹽水泥基本相同，所不同的是嚴格控制水泥原料的鐵含量，并嚴防在生產(chǎn)過程中混入鐵質(zhì)。Fe2O3含量一般小于0.5%，盡可能除掉其他著色氧化物（MnO、TiO2等）。73四、彩色硅酸鹽水泥定義：凡由硅酸鹽水泥熟料及適量石膏（或白色硅酸鹽水泥）、混合材及著色劑磨細或混合制成的帶有色彩的水硬性膠凝材料稱為彩色硅酸鹽水泥。行業(yè)標準《彩色硅酸鹽水泥》（JC/T870-2000）規(guī)定：強度等級為27.5、32.5、42.5；基本色有紅、黃、藍、綠、棕、黑等。應用：建筑物的內(nèi)外裝飾工程。74【案例分析】

1.湖南某廠綜合樓，五層磚混結構1573m2，施工至屋面天溝時突然倒塌。材料為礦渣硅酸鹽水泥，平均氣溫6℃，其中雨雪天36天，<5℃氣候34天。（Why?)原因：礦渣硅酸鹽水泥抗凍性能差，導致混凝土強度很低。2.不同品種水泥的混用概況某單位先用強度等級為32.5礦渣水泥施工正常，因某種原因，與后購進的42.5R普通水泥混合拌制混凝土使用，結果在現(xiàn)澆頂板時混凝土發(fā)生開裂。分析不同品種等級的水泥，性能相差很大。如果將它們混合使用，將會由于水化熱的不同在混凝土內(nèi)部不同部位造成局部高溫和低溫的現(xiàn)象。這種溫差會使混凝土產(chǎn)生不均勻的變形，導致裂縫產(chǎn)生、強度下降。763.鑲貼瓷磚空鼓脫落與水泥質(zhì)量概況某水泥廠在一段時間內(nèi)由于煤的質(zhì)量較差導致熟料燒成率降低，輕燒料較多，且熟料中Al2O3含量較高。為了保證生產(chǎn)42.5P·O水泥的強度，所用13%混合材料由燒頁巖改為活性較高的?；郀t礦渣。經(jīng)檢驗，各項指標均符合普通水泥的國家標準要求，其中水泥細度不變。但客戶反映，在施工較規(guī)范的情況下使用該段時間生產(chǎn)的水泥鑲貼瓷磚卻出現(xiàn)較多的空鼓脫落現(xiàn)象。請分析原因。分析①礦渣的保水性差，泌水嚴重，干縮較大；②熟料中Al2O3含量較高，及C3A含量相對較高，C3A的