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)？

水泥是以水化活性礦物為主要成分的水硬性膠凝材料。水泥的種類(lèi)有哪些？水泥中的主要礦物硅酸鈣硅酸鹽水泥鋁酸鈣鋁酸鹽水泥硫鋁酸鈣硫鋁酸鹽水泥氟鋁酸鈣氟鋁酸鹽水泥鐵鋁酸鈣鐵鋁酸鹽水泥磷酸鹽磷酸鹽水泥···水泥的特性硬化時(shí)膨脹膨脹水泥凝結(jié)速度快快硬水泥強(qiáng)度發(fā)展快早強(qiáng)水泥水化熱低低熱水泥凝結(jié)硬化快雙快水泥耐腐蝕耐腐蝕水泥···耐高溫耐熱水泥水泥的應(yīng)用通用水泥道路水泥大壩水泥油井水泥砌筑水泥···專(zhuān)用水泥硅酸鹽系水泥硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥摻混合材硅酸鹽水泥特種硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥火山灰硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥復(fù)合硅酸鹽水泥水泥在土木工程中的重要作用產(chǎn)量巨大2011年，全國(guó)20.6億噸，占全球總量的50%以上

應(yīng)用極廣性能對(duì)土木工程的功能與質(zhì)量至關(guān)重要！§5.1硅酸鹽水泥

凡由硅酸鹽水泥熟料、0～5％石灰石或?；郀t礦渣、適量（2-3%）二水石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱(chēng)為硅酸鹽水泥（P型水泥，即PortlandCement).硅酸鹽水泥有PⅠ和PⅡ兩類(lèi)，后者含有混合材。

一、硅酸鹽水泥是怎樣制造的？1.原料：硅質(zhì)：粘土，(SiO2、Al2O3)，占1/3鈣質(zhì)：石灰石、白堊等，(CaO)，占2/3調(diào)節(jié)原料：鐵礦與砂，調(diào)節(jié)與補(bǔ)充Fe2O3

與SiO2全國(guó)石灰石可開(kāi)采儲(chǔ)量為520億噸，以現(xiàn)有的水泥產(chǎn)能，僅能用25年。

——信息來(lái)自國(guó)土資源部硅質(zhì)(粘土)鈣質(zhì)(石灰石)1450℃調(diào)節(jié)原料石膏水泥生料熟料混合材水泥制造的“兩磨一燒”粉磨煅燒粉磨

硅酸鹽水泥熟料制造工藝流程二、硅酸鹽水泥的組成硅酸鹽水泥是由下列物質(zhì)混合組成的水泥硅酸鹽水泥熟料Clinkers石膏(CaSO4

2H2O)Gypsum混合材(礦渣或石灰石粉末)MineralAdditives各物質(zhì)的作用熟料：主要膠凝物質(zhì)，能水化硬化；石膏：調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時(shí)間；混合材：調(diào)節(jié)水泥的強(qiáng)度等級(jí)；必要組分礦物名稱(chēng)英文名稱(chēng)縮寫(xiě)分子式礦物式硅酸三鈣AliteC3SCa3SiO53CaO·SiO2硅酸二鈣BeliteC2SCa2SiO42CaO·SiO2鋁酸三鈣AluminateC3ACa3Al2O63CaO·Al2O3鐵鋁酸四鈣FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaO·Al2O3·Fe2O3化學(xué)組成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，F(xiàn)e2O3(=F)少量雜質(zhì)：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。礦物組成：硅酸鹽水泥熟料主要含有四種礦物：礦物組成C3SC2SC3AC4AF水化硬化速度水化熱早期強(qiáng)度后期強(qiáng)度強(qiáng)度組分熔劑組分硅酸鹽水泥熟料礦物各組分強(qiáng)度發(fā)展三、硅酸鹽水泥的水化和硬化1.熟料礦物的水化1）硅酸鈣C3S與

-C2S的水化硅酸鈣水化生成水化硅酸鈣C3S2H3（C-S-H凝膠）和Ca(OH)2—羥鈣石，并放出熱：

硅酸三鈣：2C3S+6H

C3S2H3+3CH+120cal/g

硅酸二鈣：2C2S+4H

C3S2H3+CH+62cal/g(C-S-H)2）鋁酸三鈣C3A的水化純C3A與水反應(yīng)迅速，生產(chǎn)水化鋁酸鈣：C3A+6H2O

[C2AH8+C4AH13]C3AH6

(不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物)(穩(wěn)定產(chǎn)物)

這一反應(yīng)導(dǎo)致水泥漿閃凝或假凝！避免閃凝的有效途徑——加入石膏CaSO4

2H2O

注：這就是硅酸鹽水泥生產(chǎn)中，必須加入石膏與水泥熟料一起粉磨的根本原因！這一發(fā)明是硅酸鹽水泥發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。鋁酸三鈣C3A在石膏存在下的水化反應(yīng)C3A與石膏反應(yīng)首先形成三硫型硫鋁酸鈣，并放出大量熱：

C3A+3C?·H2+26H

C3A·3C?·H32+300cal/g(1)

(鈣釩石)反應(yīng)后期，石膏量不足時(shí)，水化生成單硫型硫鋁酸鈣水化物：

2C3A+C3A·3C?·H32+4H

3（C3A·C?·H12

）

(2)石膏消耗完后，C3A直接水化形成C3AH6：C3A+6H2O

C3AH6(3)石膏緩凝機(jī)理：鈣釩石的形成反應(yīng)(1)速度比純C3A的反應(yīng)(3)慢；在水泥顆粒表面析出鈣礬石晶體構(gòu)成阻礙層，延緩了水泥顆粒的水化，避免閃凝或假凝。3）鐵鋁酸四鈣C4AF的水化鐵鋁酸四鈣C4AF與水發(fā)生類(lèi)似于C3A的水化反應(yīng)，也形成類(lèi)似的產(chǎn)物鈣釩石和單硫型水化物：

C4AF+7HC3AH6

＋CFH

C4AF

+3C?·H2+26H

C3(A,F)·3C?·H32C4AF

+C?·H2+20H

C3(A,F)·C?·H16注：C4AF水化物的組成可變，是鋁酸鹽與鐵酸鹽的固溶體，并由鐵相凝膠產(chǎn)生。注：C4AF的水化反應(yīng)對(duì)整個(gè)水泥的行為影響較小。2.硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化凝結(jié)——水泥與水混合形成可塑漿體，隨著時(shí)間推移、可塑性下降，但還不具備強(qiáng)度，此過(guò)程即為“凝結(jié)”；硬化——隨后漿體失去可塑性，強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，形成堅(jiān)硬固體，這個(gè)過(guò)程即為“硬化”。

兩個(gè)基本概念水泥顆粒分散在水中形成水泥漿體水泥顆粒的水化從表面開(kāi)始，在表面形成水化物膜層水化物膜層隨水化時(shí)間向內(nèi)不斷增厚。水化物膜層向內(nèi)不斷增厚，水泥顆粒粒徑縮小膜層破裂、擴(kuò)展，占據(jù)原來(lái)被水占據(jù)的空間，進(jìn)入凝結(jié)期。水化物成為連續(xù)相，拌和水不斷減少，并被分割成非連續(xù)相。隨著水泥顆粒的不斷水化，水化物不斷填充毛細(xì)孔和水所占據(jù)的空間，固體相成為連續(xù)相，并具有一定強(qiáng)度。進(jìn)入硬化期。硅酸鹽水泥水化時(shí)的放熱曲線(xiàn)水化放熱速度溶解：鈣釩石形成誘導(dǎo)期：Ca2＋濃度增加C-S-H和CH快速形成初凝終凝單硫型硫鋁酸鈣形成擴(kuò)散控制反應(yīng)（1）水泥礦物組成（2）水泥細(xì)度（3）養(yǎng)護(hù)條件（溫度、濕度）與時(shí)間（4）石膏摻量（5）水灰比（6）摻合料及水泥外加劑水泥凝結(jié)硬化的主要影響因素

R(t)=f(C3S)·f(細(xì)度)·f(T)·f(W/C)問(wèn)題？水泥凝結(jié)硬化速度快，好嗎？

答：水化加快，放熱速率加速，升溫并膨脹，凝結(jié)硬化形成的微結(jié)構(gòu)體積較疏松，且在隨后的降溫期間，或受干燥環(huán)境作用收縮變形時(shí)產(chǎn)生大量微裂縫，致使結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度與滲透性（耐久性）受到嚴(yán)重影響。水泥宜在什么條件下凝結(jié)硬化？

答：水泥宜在常溫(20±10

C)與相對(duì)濕度較高的條件下，凝結(jié)硬化。即水泥水化速度適宜的溫度，水化所需水分供應(yīng)充足的條件。應(yīng)用水泥凝結(jié)硬化機(jī)理分析與解答問(wèn)題水泥生產(chǎn)中為什么摻加石膏？C3A在水中溶解度大，反應(yīng)很快，引起水泥漿閃凝；水泥的凝結(jié)速度取決于水泥漿體中水化物凝膠微粒的聚集，Al3＋對(duì)凝膠微粒聚集有促進(jìn)作用；石膏與C3A反應(yīng)形成難溶的硫鋁酸鈣水化物，反應(yīng)速度減緩，并減少了溶液中的Al3＋濃度，延緩了水泥漿的凝結(jié)速度。為什么水泥硬化后能產(chǎn)生強(qiáng)度？水泥漿體硬化后轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹?lái)越致密的固體；在漿體硬化過(guò)程中，隨著水泥礦物的水化，比表面較大的水化物顆粒不斷增多，顆粒間相互作用力不斷增強(qiáng)，產(chǎn)生的強(qiáng)度越來(lái)越高。水泥漿體強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律是什么？水泥漿體的強(qiáng)度隨齡期而逐