第5章 水泥2課件

水泥的原材料與生產(chǎn)水泥的化學(xué)組成水泥的水化和產(chǎn)物水泥的凝結(jié)硬化水泥石的微觀結(jié)構(gòu)石灰石、粘土及其他四種主要成分水化方程四個階段固相組成，孔組成，水C3SC2SC3AC4AF影響因素初始反應(yīng)期潛伏期凝結(jié)期硬化期熟料組成、細(xì)度、石膏摻量、水灰比、養(yǎng)護(hù)時間、溫度與濕度硅酸鹽水泥的基本特性（1）細(xì)度定義：細(xì)度是指水泥粉體的粗細(xì)程度。測量方法篩分析法：80m方孔篩的篩余量百分?jǐn)?shù)；比表面積法：1kg水泥顆粒所具有的總表面積。國標(biāo)要求硅酸鹽水泥的比表面積應(yīng)大于300m2/kg。普通水泥80m方孔篩的篩余量不得超過10.0%。細(xì)度不符合要求的水泥為不合格品！8硅酸鹽水泥的技術(shù)要求國家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》問題：為什么需要規(guī)定水泥的細(xì)度？水泥顆粒細(xì)度影響水化活性和凝結(jié)硬化速度，水泥顆粒太粗，水化活性越低，不利于凝結(jié)硬化；雖然水泥越細(xì)，凝結(jié)硬化越快，早期強(qiáng)度會越高，但是水化放熱速度快，水泥收縮大，對水泥石性能不利；水泥越細(xì)，生產(chǎn)能耗越高，成本增加；水泥越細(xì)，對水泥的儲存也不利，容易受潮結(jié)塊，反而降低強(qiáng)度。（2）凝結(jié)時間定義：

凝結(jié)時間—水泥加水開始到水泥漿失去流動性，即從可塑性發(fā)展到固體狀態(tài)所需要的時間。初凝時間：從水泥加水拌和到水泥漿開始失去可塑性所需的時間；終凝時間：從水泥加水拌和到水泥漿完全失去可塑性，并開始具有強(qiáng)度所需的時間。測定方法：用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿，在規(guī)定的溫度和濕度下，用凝結(jié)時間測定儀來測定。國標(biāo)要求：硅酸鹽水泥初凝時間≥45min；終凝時間＜390min。水泥凝結(jié)時間的規(guī)定是為了有足夠的時間進(jìn)行施工操作和硬化的混凝土質(zhì)量；初凝時間太短，來不及施工，水泥石結(jié)構(gòu)疏松、性能差，水泥無使用價值，即為廢品；終凝時間太長，強(qiáng)度增長緩慢，也會影響施工，即為不合格品。國標(biāo)規(guī)定：凡初凝時間不符合規(guī)定的水泥為廢品；終凝時間不符合規(guī)定的水泥為不合格品。為什么？水泥的體積安定性是指水泥在凝結(jié)硬化過程中體積變化是否均勻的性質(zhì)。若水泥石的體積變化均勻適當(dāng)，則體積安定性良好；若水泥石發(fā)生不均勻體積變化：翹曲、開裂等，則水泥的體積安定性不良。（3）體積安定性國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1346）規(guī)定：游離CaO－雷氏法（平均膨脹值不大于5.0mm)試餅沸煮法（合格）游離MgO－壓蒸法引起的（MgO含量不超過5.0%）石膏－長期浸水法(SO3含量不超過3.5%）

水泥體積安定性不良的原因：水泥熟料中含有過多的游離CaO、MgO和石膏。因為水泥熟料中的游離CaO、MgO都是過燒的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中繼續(xù)與水反應(yīng)，其固體體積增大1.98%和2.48倍，造成水泥石開裂、翹曲。石膏量過多，在水泥凝結(jié)硬化后，石膏繼續(xù)與固態(tài)的水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成鈣釩石，產(chǎn)生膨脹，體積增大1.5倍。

水泥強(qiáng)度是指水泥膠結(jié)能力的大小，用硬化一段齡期的水泥膠砂強(qiáng)度來表示。GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》：試件尺寸：4040160mm 棱柱體；膠砂配比：水泥:ISO標(biāo)準(zhǔn)砂:水=1:3:0.5；振動成型：在頻率為2800~3000次/min，振幅0.75mm的振實臺上成型。振動時間120s。試件養(yǎng)護(hù)：在20C1C，相對濕度不低于90%的霧室或養(yǎng)護(hù)箱中24h，然后脫模在20C1C的水中養(yǎng)護(hù)至測試齡期。（4）強(qiáng)度硅酸鹽水泥各齡期強(qiáng)度要求(GB175-2007)強(qiáng)度等級抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度(MPa)3d28d3d28d42.5≥17.0≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22.0≥42.5≥4.0≥6.552.5≥23.0≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27.0≥52.5≥5.0≥7.062.5≥28.0≥62.5≥5.0≥8.062.5R≥32.0≥62.5≥5.5≥8.0（5）水化熱水化熱是指水泥水化時放出的熱量。以kJ/kg來表示。主要指標(biāo)：放熱總量與放熱速度。影響因素：熟料的礦物組成、水泥的細(xì)度（越細(xì)放熱速度越快），混合材料和外加劑的品種及數(shù)量。例：PO42.5水泥1d水化熱為188kJ/kg，3d水化熱為231kJ/kg，假設(shè)每立方米混凝土用300Kg水泥，混凝土的密度為2400kg/m3，比熱容為0.96kJ/(kg·℃)。求混凝土1d和3d的絕熱升溫。結(jié)果：24.4℃和30.1℃。水化熱對工程的影響水化熱積聚在內(nèi)部不易散發(fā)出去，內(nèi)部溫度常升高到50～60℃以上，內(nèi)部和外部的溫度差所引起的應(yīng)力，可使混凝土產(chǎn)生裂縫，因此水化熱對大體積混凝土是有害因素。在大體積混凝土工程中，不宜采用硅酸鹽水泥，應(yīng)采用低熱水泥。若使用水化熱較高的水泥施工時，應(yīng)采取必要的降溫措施。冬季混凝土施工－水化熱有利于水泥的水化和混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展。

水泥質(zhì)量的判定

技術(shù)性質(zhì)不符合要求細(xì)度不合格品凝結(jié)時間（初凝）廢品（終凝）不合格品體積安定性廢品強(qiáng)度不合格品或降低等級水泥石腐蝕性破壞外因：

環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)，如：軟水；酸、堿、鹽的水溶液等水泥石腐蝕性破壞內(nèi)因：水泥石內(nèi)存在原始裂縫和孔隙，為腐蝕性介質(zhì)侵入提供了通道；水泥石內(nèi)有在某些腐蝕性介質(zhì)下不穩(wěn)定的組分，如：Ca(OH)2，水化鋁酸鈣等；9硅酸鹽水泥的腐蝕與防腐蝕水泥的腐蝕是指水泥石在外界侵蝕性介質(zhì)作用下，結(jié)構(gòu)受到破壞、強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。（1）軟水侵蝕（溶出性侵蝕）侵蝕機(jī)理：軟水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙。在流動水或壓力水作用下，氫氧化鈣不斷溶解流失，一方面產(chǎn)生大量孔隙，另一方面降低了水泥石的堿度。由于水泥水化物需要在一定的堿性環(huán)境下才能保持穩(wěn)定，氫氧化鈣的溶出導(dǎo)致其他水化物的分解溶蝕，最終致使水泥石破壞。破壞形式：水化物的分解、溶失，造成水泥石密實度下降，孔縫增多、強(qiáng)度降低，直至整體破壞。防止措施：混凝土預(yù)先在空氣中放置一段時間，使水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳和水作用，生成一層碳酸鈣外殼，可減輕軟水腐蝕。（2）鹽類侵蝕（硫酸鹽，鎂鹽）硫酸鹽的侵蝕硫酸鹽與水泥石中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成硫酸鈣。硫酸鈣再與水泥石中未水化的鋁酸鈣反應(yīng)，生成鈣礬石，其體積增加1.5倍以上，引起水泥石的破壞。如果硫酸鈣濃度較高，可直接在孔隙中直接結(jié)晶為二水石膏，產(chǎn)生明顯的體積膨脹，引起破壞。鈣礬石水泥石受硫酸鹽侵蝕后，內(nèi)部形成膨脹性結(jié)晶產(chǎn)物水泥石受硫酸鹽侵蝕后，因膨脹性結(jié)晶產(chǎn)物引起的開裂鎂鹽的腐蝕

鎂鹽主要為硫酸鎂和氯化鎂，他們與氫氧化鈣反應(yīng)，生成氫氧化鎂和硫酸鈣或氯化鈣。MgSO4+Ca(OH)2——CaSO4.2H2O+Mg(OH)2MgCl2+Ca(OH)2——CaCl2+Mg(OH)2生成的氫氧化鎂松散且無膠凝性能，氯化鈣易溶于水，二水石膏將引起硫酸鹽的侵蝕。因此鎂鹽對水泥石的侵蝕是雙重腐蝕。碳酸腐蝕－工業(yè)污水、地下水中含有較多的二氧化碳，可通過二次反應(yīng)造成水泥石的破壞。

Ca(OH)2+CO2+H2O——CaCO3+2H2OCaCO3+CO2+H2O→←Ca(HCO3)2一般酸的腐蝕－廢水、地下水等水質(zhì)中中含有的無機(jī)酸對水泥石的破壞

HCl+Ca(OH)2——CaCl2+2H2OH2SO4+Ca(OH)2——CaSO4·2H2O（3）酸類侵蝕水泥石受酸腐蝕后，表面溶失、脫落（4）強(qiáng)堿類侵蝕水泥中的鋁酸鹽含量較高時，遇到強(qiáng)堿（如氫氧化鈉）作用后也可能比侵蝕而破壞。3CaO·Al2O3+6NaOH=3Na2O·Al2O3+3Ca(OH)2鋁酸鈉易溶于水。另外水泥石被氫氧化鈉浸透后再干燥時，容易與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈉，在水泥石毛細(xì)孔中結(jié)晶膨脹，最終造成水泥石結(jié)構(gòu)被漲裂。（5）防止水泥石侵蝕的措施根據(jù)腐蝕原理和不同的腐蝕環(huán)境采取不同的措施。根據(jù)工程的使用環(huán)境特點，合理選擇水泥品種，或適當(dāng)摻加混合材料，減少可腐蝕物質(zhì)的濃度，可提高水泥石對各種侵蝕的抵抗能力。提高水泥石的密實度，采取措施（如降低水灰比、摻加外加劑等）減少水泥石結(jié)構(gòu)的孔隙率，特別是提高表面的密實度，阻塞腐蝕介質(zhì)滲入水泥石的通道。在水泥石結(jié)構(gòu)的表面設(shè)置保護(hù)層（如涂料、貼面等致密的耐腐蝕層），隔絕腐蝕介質(zhì)與水泥石的聯(lián)系。小結(jié)物理力學(xué)性能細(xì)度體積安定性強(qiáng)度水化熱耐久性能軟水腐蝕鹽類腐蝕酸類腐蝕強(qiáng)堿腐蝕施工性能凝結(jié)時間為了滿足土木工程應(yīng)用的要求，水泥需具備三方面的性能(1)凝結(jié)硬化快，早期及后期強(qiáng)度均高，適用于有早強(qiáng)要求的工程，（如冬季施工、預(yù)制、現(xiàn)澆等），高強(qiáng)度混凝土工程（如預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土）。(2)抗凍性好，適合水工混凝土和抗凍性要求高的工程。(3)耐腐蝕性差(水化后氫氧化鈣和水化鋁酸鈣的含量多)。(4)水化熱高，不宜用于大體積混凝土工程。但有利于低溫季節(jié)蓄熱法施工。(5)抗碳化性好。因水化后氫氧化鈣含量較多，故水泥石的堿度不易降低，對鋼筋的保護(hù)作用強(qiáng)。適用于空氣中二氧化碳濃度高的環(huán)境。(6)耐熱性差。因水化后氫氧化鈣含量高。不適用于承受高溫作用的混凝土工程。(7)耐磨性好，適用于高速公路、道路和地面工程。硅酸鹽水泥的性能特點與應(yīng)用硅酸鹽水泥熟料＋石膏＋＋＋＋＋6~15%混合材普通硅酸鹽水泥20~70%礦渣礦渣硅酸鹽水泥20~50%火山灰火山灰硅酸鹽水泥20~40%粉煤灰粉煤灰硅酸鹽水泥16~50%兩種混合材復(fù)合硅酸鹽水泥§4.2硅酸鹽系通用水泥摻混合材料水泥的代號水泥品種組成特點代號普通水泥6％～15％的混合材P·O礦渣水泥20～70％礦渣P·S火山灰水泥20～50％火山灰P·P粉煤灰水泥20～40％粉煤灰P·F復(fù)合水泥15～50％兩種混合材P·C石灰石水泥11％～25％的石灰石P·L水泥混合材料是指在水泥生產(chǎn)過程中，為改善性能、調(diào)節(jié)強(qiáng)度等級所加入的天然或人工礦物材料。通常可分為活性混合材料和非活性混合材料?；旌喜牧系淖饔茫禾畛渥饔?，調(diào)節(jié)強(qiáng)度等級、節(jié)省能源、降低成本、增加產(chǎn)量、降低水化熱等。1水泥混合材料與水泥礦物成分或水化產(chǎn)物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)很弱的混合材料，為非活性混合材料。常見的有：磨細(xì)石英砂；石灰石粉；粘土；慢冷礦渣（1）非活性混合材料火山灰活性：材料細(xì)粉單獨不具有水硬性，但是在常溫下與石灰一起和水拌和后，能生成水硬性化合物的性能?；钚曰旌喜牧希壕哂谢鹕交一钚曰驖撛谒残缘牟牧?，如粒化高爐礦渣、火山灰、粉煤灰等，主要化學(xué)成分為活性氧化硅和活性氧化鋁。這些材料本身不會發(fā)生水化反應(yīng)，不產(chǎn)生膠凝性，但在氫氧化鈣或石膏等溶液中，它們卻能產(chǎn)生明顯的水化反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。（2）活性混合材材料

摻混合材料的硅酸鹽水泥水化時，水泥熟料首先水化產(chǎn)生氫氧化鈣，氫氧化鈣再與活性混合材料中的活性氧化硅和活性氧化鋁反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。因此這一反應(yīng)也稱為“二次反應(yīng)”。二次反應(yīng)的重要意義：第一，混合材料水泥的早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高，這是因為混合材料的二次反應(yīng)發(fā)生在后期。第二，混合材料的水化產(chǎn)物中氫氧化鈣含量少，因此其對軟水、海水、硫酸鹽的腐蝕具有更強(qiáng)的抵抗能力。摻加粉煤灰的水泥石中Ca(OH)2的含量常用活性混合材料高爐礦渣是高爐煉生鐵時所得以硅酸鈣和鋁硅酸鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)淬冷成粒后成為?；郀t礦渣。經(jīng)水淬的高爐礦渣呈疏松多孔玻璃體結(jié)構(gòu)，其中的硅酸基團(tuán)和鋁酸基團(tuán)具有較高的活性。?；郀t礦渣火山灰具有火山灰活性的天然或人工礦物材料稱為火山灰質(zhì)混合材料?；鹕交屹|(zhì)混合材料中含有較多的活性SiO2和活性Al2O3。常用的天然火山灰材料：火山灰、凝灰?guī)r、浮石、沸石巖、硅藻土；人工火山灰材料有：煤矸石、燒頁巖、煤渣等。粉煤灰粉煤灰是從火力發(fā)電廠煤粉爐煙道氣體中收集的粉末，其主要活性組分是含活性SiO2和Al2O3的空心玻璃微珠。粉煤灰和粉煤灰陶粒2普通硅酸鹽水泥

凡以適當(dāng)成分的生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主的水泥熟料加入6-15%的混合材料和適量石膏磨細(xì)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），代號P·O。普通硅酸鹽水泥的組成與硅酸鹽水泥非常相似，因此其性能也與硅酸鹽水泥相似。普通硅酸鹽水泥應(yīng)用范圍和硅酸鹽水泥相同。廣泛應(yīng)用于混凝土和鋼筋混凝土。普通硅酸鹽水泥分為32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個強(qiáng)度等級。普通硅酸鹽水泥的主要性能特點如下：（1）比硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度略低，后期強(qiáng)度高。（2）比硅酸鹽水泥水化熱略低。（3）抗?jié)B性好，抗凍性好，抗碳化能力強(qiáng)，但是較硅酸鹽水泥略差。（4）比硅酸鹽水泥抗侵蝕、抗腐蝕能力稍好。（5）耐磨性、耐熱性能較好，但是較硅酸鹽水泥略差。3礦渣硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料和20-70%的?；郀t礦渣及適量石膏混合磨細(xì)而成的水硬性膠凝材料，稱為礦渣硅酸鹽水泥，其代號為P·S。4火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料和20-50%的火山灰質(zhì)混合材料及適量石膏混合磨細(xì)而成的水硬性膠凝材料，稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥（簡稱火山灰水泥），代號P·P。5粉煤灰硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料和20-40%的粉煤灰及適量石膏混合磨細(xì)而成的水硬性膠凝材料稱為粉煤灰硅酸鹽水泥（簡稱粉煤灰水泥），代號P·F。三種水泥的共同特點：（1）凝結(jié)硬化速度慢。（2）早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高。（2）對溫度敏感，適宜于高溫養(yǎng)護(hù)。（3）水化熱較低，放熱速度慢。（4）具有較強(qiáng)的抗侵蝕、抗腐蝕能力。（5）抗凍性、耐磨性差。三種水泥的各自特點：（1）礦渣水泥和火山灰水泥干縮較大。（2）礦渣水泥耐熱性較好。（3）粉煤灰水泥的干縮較小，抗裂性較好。五種常用水泥的主要性能特性

品種P·ⅠP·

ⅡP·OP·SP·PP·F水化熱高低凝結(jié)時間快較快較慢，低溫下尤甚強(qiáng)度發(fā)展早期強(qiáng)度高早期強(qiáng)度較高早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度可等于同標(biāo)號硅酸鹽水泥抗硫酸腐蝕較差較強(qiáng)當(dāng)SiO2多時，抗硫酸鹽腐蝕性好當(dāng)AlO3多時，抗硫酸鹽腐蝕性差抗凍性好較差干縮性小較大大較小保水性較好差好差蒸養(yǎng)適應(yīng)性不宜高于60～80℃好§4.3專用水泥和特種水泥特種水泥－為了滿足緊急搶修工程、冬季施工、加固結(jié)構(gòu)、建筑裝飾、海工和地下工程的特殊要求，所生產(chǎn)的具有某種比較突出性能的水泥，稱特種水泥。如快硬水泥、抗硫酸鹽水泥、膨脹水泥、鋁酸鹽水泥等。專用水泥－適應(yīng)專門用途的水泥，如道路水泥、低熱大壩水泥、油井水泥、砌筑水泥等。1鋁酸鹽水泥定義－以鋁酸鈣為主的鋁酸鹽水泥熟料磨制的水硬性膠凝材料，稱為鋁酸鹽水泥。代號CA。礦物組成：鋁酸一鈣(CaO.Al2O3，簡寫為CA)，含量可達(dá)50-70％，二鋁酸一鈣（CaO.2Al2O3，簡寫為CA2），其他鋁酸鹽以及少量的硅酸二鈣C2S。分類（鋁酸鹽水泥按Al2O3含量百分?jǐn)?shù)分為四類）：CA-5050%≤Al2O3＜60%CA-6060%≤Al2O3＜68%CA-7068%≤Al2O3＜77%CA-8077%≤Al2O3鋁酸鹽水泥的水化和應(yīng)換主要是鋁酸一鈣的水化和硬化。鋁酸一鈣的水化物組成與溫度有關(guān)：T≤20CCA+10H2O—CAH10

20C≤T≤30C2CA+11H2O—C2AH8

30C≤T3CA+12H2O—C3AH6+2(Al2O33H2O)水化反應(yīng)集中在早期，反應(yīng)速度較快，早期強(qiáng)度增長快；水化物都是晶體，穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生相互間的轉(zhuǎn)化，因而引起強(qiáng)度降低。鋁酸鹽水泥水化和硬化鋁酸鹽水泥的特點與應(yīng)用（1）凝結(jié)硬化速度快，1d強(qiáng)度可達(dá)最高強(qiáng)度的80%。因此可用于工期緊急的工程，如國防、道路、搶修搶險。

（2）水化熱大且放熱集中，1d放出熱量為總量的70-80%?？捎糜诙臼┕ぃ贿m用大體積工程。

（3）普通條件下水化產(chǎn)物不含氫氧化鈣和鋁酸三鈣，且密實度大，因此具有很強(qiáng)的抗硫酸鹽腐蝕作用。

（4）有較高的耐熱性。

（5）長期使用時強(qiáng)度等性能下降，長期強(qiáng)度下降可達(dá)40-50%，因此不可用于長期承重的結(jié)構(gòu)。

（6）不可與硅酸鹽水泥或石灰相混。組成特點：水泥中的氧化鐵的含量低于水泥質(zhì)量的0.5%。性能特點：外觀為白色，按白度分為一級、二級和三級；技術(shù)要求與普通水泥同。應(yīng)用特點：白水泥熟料與顏料、石膏共同磨細(xì)可制得彩色水泥；主要用于建筑室內(nèi)外裝飾等。2白色硅酸鹽水泥組成特點：水泥熟料主要礦物——硅酸鈣和鐵鋁酸鈣國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，道路水泥中鋁酸三鈣含量不大于5.0％，鐵鋁酸四鈣含量不小于16.0％，游離CaO含量不大于1.0％。性能特點：初凝時間較長，≥1h；抗折強(qiáng)度高；耐磨性好，磨損率≤3.60kg/m2；抗裂性好，28d干縮率≤0.10%；3道路硅酸鹽水泥組成特點：熟料中C3S、C3A的含量較高，石膏的摻量略大（其中SO3≤4.0%）。性能特點：水泥的細(xì)度較細(xì)，凝結(jié)硬