第11章 膠凝材料-水硬性膠凝材料

內(nèi)容提要： 主要介紹硅酸鹽水泥的熟料礦物組成、水化硬化機(jī)理、影響水化的因素；硅酸鹽水泥主要技術(shù)性質(zhì)；水泥石的腐蝕和防止；同時(shí)介紹了其它摻混合材的水泥和裝飾水泥的特性及應(yīng)用，達(dá)到正確選擇和使用水泥的目的。重點(diǎn):水泥的性能和使用11.2水硬性膠凝材料

?

水硬性膠凝材料系指既能在空氣中硬化,又 能在潮濕介質(zhì)或水中繼續(xù)硬化,并不斷增進(jìn)其 強(qiáng)度的一類材料，如硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水 泥、硫鋁酸鹽水泥等。?

水泥:凡細(xì)磨材料與水混合后成為塑性漿體，經(jīng)一系列物理化學(xué)作用凝結(jié)硬化變成堅(jiān)硬的石狀體，并能將砂石等散狀材料膠結(jié)成為整體的水硬性膠凝材料，通稱為水泥。裝飾工程中常用的水泥主要有白色水泥和彩色水泥，可以用他們配置裝飾砂漿和裝飾混凝土，或制水磨石、水刷石等。水泥的分類?按礦物組成：硅酸鹽水泥

鋁酸鹽水泥 硫鋁酸鹽水泥 鐵鋁酸鹽水泥?按用途：

通用水泥－硅酸鹽系列的六大品種 專用水泥－道路水泥、大壩水泥、裝飾水泥 特種水泥－膨脹水泥、快硬水泥

輸水管內(nèi)徑6.6m外徑7.5m2008-9-5材料工程系9美國加州引水渠正在建設(shè)中的三峽大壩挪威的海上石油鉆井平臺一、硅酸鹽水泥生產(chǎn)原材料 1、原料：１）石灰質(zhì)原料２）粘土質(zhì)原料主要提供CaO，主要提供SiO2、Al2O3

以及Fe2O3。3）校正原料 補(bǔ)充兩種原料中所缺少的鐵或硅。材料:鐵礦石、黃鐵礦渣、砂巖等。11.2.1硅酸鹽水泥的生產(chǎn)２.硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝概述1)把幾種原材料按適當(dāng)比例配合，在磨機(jī)中磨成生料；

2)將制備好的生料入窯進(jìn)行煅燒，燒至1450℃左右生成以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥“熟料”；3)為調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)速度，在燒成的熟料中加入適量的石膏共同磨細(xì)，即為硅酸鹽水泥。因此，硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝概括起來為“兩磨一燒”。熟料Ⅰ型水泥生料粘土

石膏石灰石

煅燒1450℃

配料磨細(xì)磨細(xì)鐵礦粉

硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝示意圖CaOSiO2,Al2O3,Fe2O3水泥廠照片二、硅酸鹽水泥的組成材料１．硅酸鹽水泥熟料的主要礦物組成

硅酸三鈣3CaO·SiO2，簡式為C3S，37%～60％;硅酸二鈣2CaO·SiO2，簡式為C2S，15%～37％;鋁酸三鈣3CaO·Al2O3，簡式為C3A，7%～15％;鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡式為C4AF，10%～18％。以上四種礦物C3S和C2S占總含量的70%以上，因此稱為硅酸鹽水泥。2、石膏水泥與水相遇會瞬凝，無法施工。摻入石膏可以起緩凝作用。石膏摻量過少起不到緩凝作用，摻量過多又會有促凝效果。因此要控制好摻量。3、混合材料礦物組成硅酸三鈣 C3S硅酸二鈣 C2S鋁酸三鈣 C3A鐵鋁酸四鈣 C4AF與水反應(yīng)速度中慢快中水化熱中低高中對強(qiáng)度的作用早期高低高高后期高高低低耐化學(xué)侵蝕中良差優(yōu)干縮性中小大小硅酸鹽水泥主要礦物組成與特性三、水泥的水化、凝結(jié)、硬化?1、水化－水泥加水拌合后，水泥顆粒立即分散于水中并與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物并放出熱量。?2、凝結(jié)－水泥加水拌和初期形成具有可塑性的漿體，然后逐漸變稠并失去可塑性的過程稱為凝結(jié)。?3、硬化－此后，漿體的強(qiáng)度逐漸提高并變成堅(jiān)硬的石狀固體（水泥石），這一過程稱為硬化。水泥＋水（流體）－可塑性漿體（塑性體）－水泥石(固體)水泥的水化示意圖1水泥凝結(jié)硬化的過程就是：水泥的水化示意圖2水泥的水化示意圖3水化產(chǎn)物不斷生成，各種顆粒連接成網(wǎng)，使水泥凝結(jié)水泥的水化示意圖4隨著水化的進(jìn)行，水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增加，結(jié)構(gòu)更加致密，強(qiáng)度不斷提高。水泥水化產(chǎn)物?晶體－氫氧化鈣20～25％ 水化鋁酸鈣 水化硫鋁酸鈣（石膏作用下生成）?膠體－水化硅酸鈣（C-S-H）50％ 水化鐵酸鈣

水泥石結(jié)構(gòu)：未水化的水泥顆粒+水泥凝膠+毛細(xì)孔（含水）已水化的水泥漿里留下的孔隙 未水化水 泥顆粒四、影響硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化的因素1、水泥孰料的礦物組成2、水泥細(xì)度—越細(xì)反應(yīng)速度越快3、用水量（水灰比）—越大，反應(yīng)速度越快4、齡期（養(yǎng)護(hù)時(shí)間）5、環(huán)境溫濕度（養(yǎng)護(hù)條件）6、石膏摻量—起緩凝作用，摻過少不起作用，會導(dǎo)致速凝。研究水泥凝結(jié)硬化的影響因素目的是為了能更好的調(diào)節(jié)水泥性能，和在混凝土中合理選用水泥。五、硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)1、密度、細(xì)度?密度：3.05～3.20g/cm3，一般取3.1?堆積密度：1.3g/cm3?細(xì)度－指水泥顆粒的粗細(xì)程度，用篩余 或比表面積表示（300～350m2/kg），影響水泥的水化速度、收縮等性質(zhì)粒徑：<3μm水化非常迅速，需水量增大； >40μm水化非常緩慢，接近惰性。水泥標(biāo)準(zhǔn)篩(80mm方孔篩)體積安定性不良體積安定性檢驗(yàn)（試餅法）體積安定性檢驗(yàn)（雷氏夾法）C－A<5mm︱(C2－A2)－(C1－A1)︱<4mm 2.標(biāo)準(zhǔn)稠度及其用水量?國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢驗(yàn)水泥的凝結(jié)時(shí)間和體積安定 性時(shí)需用“標(biāo)準(zhǔn)稠度”的水泥凈漿。?標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量——不同水泥達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)所需的加水量。用水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度測定儀測定。通常用水與水泥質(zhì)量比（水灰比）表示，一般在21～28％。?影響因素－礦物成分、細(xì)度、混合材及摻量。凈漿攪拌先加拌和水：120-150ml;水泥：500g（5-10s內(nèi)加完）攪拌：低速120s停：15s高速:120s標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量測定（標(biāo)準(zhǔn)法）釋放試桿30s時(shí)讀數(shù)：試桿離底板5～7mm的水泥漿為標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥漿 3.凝結(jié)時(shí)間?初凝時(shí)間（t初）－水泥開始加水拌和 至水泥漿開始失去可塑性所需的時(shí)間。?終凝時(shí)間（t終）－水泥開始加水拌和 至水泥漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生 強(qiáng)度所需的時(shí)間。?GB1346規(guī)定：t初≮45min t終≯6.5h4.體積安定性?定義－是水泥硬化后因體積膨脹而產(chǎn)生不均勻變形的性質(zhì)。體積安定性不良的水泥應(yīng)作廢品處理。?原因： 熟料中含游離氧化鈣（f-CaO）過多 熟料中含游離氧化鈣（f-MgO）過多 摻入石膏過多（f-CaO）用沸煮法檢驗(yàn)必須合格（試餅法和雷氏夾法）（f-MgO）：經(jīng)壓蒸安定性檢驗(yàn)必須合格，<5%，允許放寬到6.0%。?三氧化硫(SO3):<3.5%，影響體積穩(wěn)定性體積安定性不良體積安定性檢驗(yàn)（試餅法）體積安定性檢驗(yàn)（雷氏夾法）C－A<5mm︱(C2－A2)－(C1－A1)︱<4mm 5.水泥的強(qiáng)度與強(qiáng)度等級?水泥強(qiáng)度是表征水泥力學(xué)性能的重要指標(biāo)。水泥 強(qiáng)度一般是指水泥膠砂試件單位面積上所能承受 的最大外力。?國標(biāo)規(guī)定：將水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂及水按比例1:3:0.5,用 規(guī)定方法制成40mm×40mm×160mm標(biāo)準(zhǔn)試件， 在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，測得3天和28天強(qiáng)度，根據(jù)28 天抗壓和抗折強(qiáng)度將硅酸鹽水泥分為:42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個(gè)強(qiáng)度等級(ISO法)。影響強(qiáng)度的因素主要有水泥的礦物組成、水泥細(xì) 度、水灰比、齡期、環(huán)境溫度等。標(biāo)號抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度(MPa)3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.538.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0硅酸鹽水泥各齡期強(qiáng)度要求

(GB175-1999) 6.水化熱?定義－水泥水化時(shí)放出的熱量。以J/kg示。 主要集中在水化初期（7d）主要考慮：放熱總量與放熱速度影響因素： 熟料的礦物組成－如C3A 水泥的細(xì)度－越細(xì)，放熱速度越快 水泥的標(biāo)號－越高，放熱速度越快、越大 外加劑－摻加緩凝劑可降低早期水化熱水化熱對工程的影響?對大體積混凝土（高層基礎(chǔ)、大壩等）， 由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，水化熱在混 凝土內(nèi)的聚集造成內(nèi)外溫差過大（可達(dá)

50～70℃），內(nèi)脹外縮的結(jié)果在混凝土產(chǎn) 生拉應(yīng)力－使混凝土產(chǎn)生熱裂縫；?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。橋梁的熱裂縫

洞庭湖大橋

7、堿含量?堿(Na2O、K2O):<0.6%， 以Na2O＋0.658K2O計(jì)，超量造成堿骨料反 應(yīng)破壞。主要在用于混凝土?xí)r，水泥中的堿與骨料中的活性成分在潮濕環(huán)境下緩慢反應(yīng)，生成膨脹性物質(zhì)，使混凝土開裂破壞。該反應(yīng)非常緩慢，可持續(xù)幾年，幾十年?！獕A骨料反應(yīng)堿骨料反應(yīng)引起的錯(cuò)位六、水泥石的腐蝕與防止?定義－水泥石在外界侵蝕性介質(zhì)（軟 水、含酸、含鹽、含堿等）的作用下

結(jié)構(gòu)受到破壞，強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱為 水泥石的腐蝕。?表現(xiàn)形式： 體積膨脹－膨脹型腐蝕 體積收縮－溶出型腐蝕1.軟水的腐蝕軟水－重碳酸鹽(HCO3)-含量比較低的水（如雨水、雪水、內(nèi)陸河水、湖水）腐蝕機(jī)理：氫氧化鈣及其他水化物的分解、溶解，導(dǎo)致水泥石孔隙增大，強(qiáng)度下降，以致全部潰裂防止措施：事先在空氣中硬化成碳酸鈣外殼，可防止溶出性侵蝕。2.酸類腐蝕?碳酸腐蝕－工業(yè)污水、地下水

?一般酸的腐蝕－工業(yè)建筑腐蝕機(jī)理：氫氧化鈣與酸反應(yīng)生成易溶于水的產(chǎn)物，加速氫氧化鈣的溶蝕。堿度降低，強(qiáng)度下降。

酸性水對水泥石腐蝕的強(qiáng)弱取決于水中氫離子濃度，PH值越小，腐蝕就越強(qiáng)烈。3.鹽類的腐蝕?硫酸鹽腐蝕－膨脹腐蝕

二水石膏和鈣釩石?鎂鹽腐蝕－Mg(OH)2松軟無膠結(jié)能力。 MgSO4+Ca(OH)2——CaSO4.2H2O+Mg(OH)2

MgCl2+Ca(OH)2——CaCl2+Mg(OH)24.強(qiáng)堿腐蝕?硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物呈堿性，一般堿類溶液濃度 不大時(shí)不會造成明顯損害。但鋁酸鹽含量較高時(shí) 遇到強(qiáng)堿會發(fā)生反應(yīng)，生成的鋁酸鈉易溶于水。?3CaO·Al2O3+6NaOH—— 3Na2O·Al2O3+3Ca(OH)2?當(dāng)水泥石被氫氧化鈉浸透后又在空氣中干燥，則 溶于水的鋁酸鈉會與空氣中的CO2反應(yīng)生成碳酸 鈉。碳酸鈉在水泥石毛細(xì)管中結(jié)晶膨脹，引起水 泥石疏松、開裂。膨脹裂縫硅酸鹽水泥石腐蝕的原因1、水泥石內(nèi)含有易引起腐蝕的成分2、水泥石本身不密實(shí)3、外界有腐蝕的介質(zhì)存在硅酸鹽水泥石腐蝕的防止1、根據(jù)環(huán)境，合理選擇水泥品種。2、提高水泥石的密實(shí)度。3、加做保護(hù)層，加不透水的瀝青層、涂料、塑料等。1、強(qiáng)度高，尤其是早期強(qiáng)度高2、抗凍性好3、堿度高、抗碳化能力強(qiáng)4、干縮小5、耐磨性好6、水化熱高7、耐腐蝕性差8、耐熱性差9、濕熱養(yǎng)護(hù)效果差七、硅酸鹽水泥的性能及應(yīng)用性能：硅酸鹽水泥的應(yīng)用常用于：?重要結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土工程?要求凝結(jié)快的現(xiàn)場澆注的混凝土工程?冬季施工及嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融的工程不宜用于：?受流動(dòng)的軟水和有水壓作用的工程?受海水和礦物水作用的工程?大體積工程?耐熱、耐酸工程八、硅酸鹽水泥的儲存?存放地點(diǎn)：防潮、防水?堆放高度：袋裝一般不超過10袋?存放時(shí)間： 一般不超過三個(gè)月 超過六個(gè)月必須進(jìn)行檢驗(yàn) 先到先用，后到后用

九、水泥質(zhì)量的仲裁?國家標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)水泥各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)控制的難易程度和對工程的危害程度，將水泥劃分為廢品、不合格品、合格品。?凡氧化鎂、三氧化硫、初凝時(shí)間、安定性中 的任一項(xiàng)不合格，均稱廢品。?凡細(xì)度、終凝時(shí)間、燒失量、混合材料摻加 量和強(qiáng)度任一項(xiàng)不符合要求，稱為不合格品。?水泥包裝標(biāo)志不全的也屬不合格品。?定義－凡在硅酸鹽水泥熟料中，摻入一定量的混合材料和適量的石膏共同磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，均屬摻混合材的硅酸鹽水泥。?摻入目的：改善水泥的性能 增加品種 提高產(chǎn)量 節(jié)約熟料，降低成本11.2.2摻混合材料的硅酸鹽水泥

摻混合材硅酸鹽水泥的品種?普通硅酸鹽水泥：p.o

熟料＋(6~15)%混合材＋石膏?礦渣硅酸鹽水泥p.s：

熟料＋(20~70)%礦渣＋石膏?火山灰水泥：p.p

熟料＋(20~50)%火山灰＋石膏?粉煤灰硅酸鹽水泥P.F

熟料＋(20~40)%粉煤灰＋石膏?復(fù)合硅酸鹽水泥：

P.C

熟料＋(16~50)%兩種或兩種以上混合材＋石膏

一、混合材料?定義－在水泥生產(chǎn)過程中，為改善水泥性能，調(diào) 節(jié)水泥標(biāo)號，擴(kuò)大使用范圍而摻入的天然或人工的礦質(zhì)原料稱為混合材。?分類： 活性混合材－具有火山灰性或潛在水硬性的材料，如礦渣、粉煤灰等。

非活性混合材－不具有潛在水硬性的材料，僅起填充和分散作用。如石灰石粉、慢冷礦渣等

1、潛在水硬性?熟料＋水———C-S-H等水化產(chǎn)物（水硬性）?火山灰＋水——無水化產(chǎn)物 但是：?火山灰＋水＋氫氧化鈣（堿性激發(fā)劑） ＋石膏（硫酸鹽激發(fā)劑） ———C-S-H等水化產(chǎn)物（潛在水硬性）活性混合材料：

2.粒化高爐礦渣?定義－是高爐煉鐵時(shí)所排出的以硅酸鈣和 鋁酸鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)淬冷成粒 后的產(chǎn)品。?主要化學(xué)成分：CaO、SiO2、Al2O3?活性來源： 玻璃體－礦渣融體在淬冷成粒時(shí)，阻 止了融體向結(jié)晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而形成亞穩(wěn)的 玻璃體，因此具有潛在水硬性。

3.粉煤灰?定義－火力發(fā)電廠煤粉燃燒后從煙道中 收集的粉狀物，又稱飛灰（FlyAsh）。?粒徑1～50μm，呈玻璃質(zhì)的空心或空心 球狀顆粒。?化學(xué)成分：SiO2、Al2O3?指標(biāo)：篩余、需水量、燒失量。球狀玻璃體

4.火山灰質(zhì)混合?定義－是具有火山灰性的天然的或人工 的礦質(zhì)物料。?包括： 天然的火山灰、凝灰?guī)r、浮石、硅藻 土等； 人工的燒粘土、燒矸石。?主要化學(xué)成分：SiO2、Al2O3

2、非活性混合材料?這類材料本身不具有潛在的水硬性或火 山灰性，與水泥礦物組成不起化學(xué)作用。?摻入目的：提高水泥產(chǎn)量，調(diào)節(jié)水泥強(qiáng)度等級，擴(kuò)展水泥標(biāo)號，降低水化熱。?常用的有： 磨細(xì)的石英砂、石灰石粉 磨細(xì)的高爐礦渣摻活性混合材硅酸鹽水泥的水化特點(diǎn)：摻活性混合材的硅酸鹽水泥在與水拌合后，首先是水泥熟料水化，水化生成Ca(OH)2作為活性激發(fā)劑，與活性混合材料中的SiO2和Al2O3反應(yīng)，既發(fā)生“二次水化反應(yīng)”。生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。二次水化的特點(diǎn)是：速度慢，水化熱小，對溫度和濕度較敏感。

二、摻混合材的硅酸鹽水泥1.普通硅酸鹽水泥－代號P.O硅酸鹽水泥熟料＋(6~15)%混合材＋石膏（允許用≯5%的窯灰和≯10%的非活性混合材代替。）技術(shù)要求：

1）細(xì)度80μm方孔篩篩余≯10% 2）凝結(jié)時(shí)間t初≮45mint終≯10h 3）等級（GB175-1999）

32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)等級。?性質(zhì)：同硅酸鹽水泥相近標(biāo)號抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度(MPa)3d28d3d28d32.511.032.52.55.532.5R16.032.53.55.542.516.042.53.56.542.5R21.042.54.06.552.522.052.54.07.052.5R26.052.55.07.0普通硅酸鹽水泥各標(biāo)號、各齡期強(qiáng)度數(shù)值 （GB175-1999）2.礦渣硅酸鹽水泥（代號P.S） ?定義： 水泥熟料＋(20~70)%?；V渣＋石膏（允許用≯8%的窯灰或火山灰、粉煤灰代替礦渣） ?等級(GB1344--1999)： 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè) ?技術(shù)要求：SO3≯4.0%， 其余同普通硅酸鹽水泥。 3.火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥（代號P.P）?定義： 由硅酸鹽水泥熟料，火山灰質(zhì)混合材料和 適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料。 熟料＋(20~50)%火山灰＋石膏?等級： 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)強(qiáng)度等級。?技術(shù)要求：同普通硅酸鹽水泥

4.粉煤灰硅酸鹽水泥（代號P.F）?定義： 硅酸鹽熟料＋(20~40)%粉煤灰＋石膏?等級： 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)等級?技術(shù)要求：同普通硅酸鹽水泥標(biāo)號抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度(MPa)3d28d3d28d32.510.032.52.55.532.5R15.032.53.55.542.515.042.53.56.542.5R19.042.54.06.552.521.052.54.07.052.5R23.0

52.54.57.0摻混合材水泥各齡期強(qiáng)度要求

(GB1344－1999)礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的性質(zhì)共性：1、凝結(jié)硬化速度慢，早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高；2、水化放熱速度慢，放熱量低；3、濕熱敏感性高，宜高溫養(yǎng)護(hù)；4、抗軟水、抗腐蝕性好；（氫氧化鈣含量少）5、抗凍性、耐磨性差。（混合材需水量增加，孔隙率大。）6、抗碳化能力差—堿含量低，抗碳化緩沖能力差個(gè)性：?礦渣水泥：保水性差，泌水性大，抗?jié)B性差，但耐熱性比較好。?火山灰質(zhì)水泥：保水性好、抗?jié)B性好、干縮大、耐磨性差。?粉煤灰水泥：泌水性大（快）、抗裂性好。不適于抗凍、干燥地區(qū)的混凝土工程。5、復(fù)合硅酸鹽水泥定義：水泥熟料＋(15~50)%兩種或兩種以上的混合材＋石膏。（允許用≯8%的窯灰代替部分混合材。）?性能： 由于是兩種或多種混合材互摻，可彌補(bǔ)一種混合材性能的不足。特性與前三種相似并取決于所摻混合材料的種類及相對比例。?強(qiáng)度等級與技術(shù)要求：同普通硅酸鹽水泥品種P.ⅠP.ⅡP.OP.SP.PP.F特性1、強(qiáng)度高2、快硬早強(qiáng)3、