第4章水泥與石灰

第四章水泥與石灰主要內容硅酸鹽水泥4.1石灰4.23 2.1.1水泥的基本概念 2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分 2.1.3硅酸鹽水泥的技術性質與技術標準第一節(jié)硅酸鹽水泥2.1.1水泥的基本概念（P145/P161）水泥是重要的建筑材料之一，發(fā)展歷史悠久

1824年，英國人Aspdin發(fā)明了波特蘭水泥，并獲得專利權，在水泥發(fā)展史上具有里程碑意義 自此膠凝材料進入了一個嶄新的發(fā)展時代廣泛用于公路工程及其構造物

主要用于砂、石材料的膠結或混凝土的生產水泥的水硬性

水泥與水混合后，經過一系列的物理化學作用，由可塑性漿體變成堅硬的石狀體。既可以在空氣中硬化，也可以在水中硬化。所以水泥材料既可以用在地上工程，也可以用在地下工程。硅酸鹽水泥定義：硅酸鹽水泥熟料、0%-5%石灰石或?；郀t礦渣（混合材料）、適量石膏共同磨細得到的一種水硬性膠凝材料。不摻加混合料的稱為Ⅰ型硅酸鹽水泥，P?Ⅰ;摻加不超過5%水泥質量的混合料的稱為Ⅱ型硅酸鹽水泥，P?Ⅱ;普通硅酸鹽水泥定義：硅酸鹽水泥熟料、6%-15%混合材料、適量石膏共同磨細得到的一種水硬性膠凝材料，代號P?O。2.1.1水泥定義及分類（1）水泥原料與生料化學組成

原料：石灰質原料提供CaO-(C)（63-67%） 粘土質原料提供SiO2-(S)（21-24%）

Al2O3-(A)（4-7%）

Fe2O3-(F)（2-4%）

生料配制：確定比例、磨細混合（干法及濕法）生料：各種原料按適當比例配合，在磨機上磨細。干法：原料先烘干后磨細；濕法：原料加水后在磨機中磨成生料漿；水泥生產工藝：“兩磨一燒”2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分（P145/P164）（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及化學成分礦物組成化學組成常用縮寫大致含量（%）硅酸三鈣3CaO·SiO2C3S35～65硅酸二鈣2CaO·SiO2C2S10～40鋁酸三鈣3CaO·Al2O3C3A0～15鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF5～152.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分石灰石┐磨細

1450℃

粘土┼───生料───熟料┐鐵礦粉┘石膏┘

磨細————水泥成品硅酸鹽水泥熟料主要礦物組成的特點礦物組成主要特點C3S硅酸鹽水泥中最主要的礦物成分，對硅酸鹽水泥性質有重要影響。遇水反應速度較快，水化熱高，水化產物對水泥早期和后期強度起主要作用C2S硅酸鹽水泥中的主要礦物成分，遇水反應速度較慢，水化熱很低，水化產物對水泥早期強度貢獻較小，但對水泥后期強度起重要作用，耐化學侵蝕性和干縮性較好C3A含量通常在15％以下，是四種主要礦物組成中遇水反應速度最快，水化熱最高的組分。它的含量決定水泥的凝結速度和釋熱量，它與為調節(jié)水泥凝結速度而摻入的石膏形成的水化產物對水泥早期強度起一定作用。耐化學侵蝕性差，干縮性大C4AF含量5-10%，遇水反應較快，水化熱較高。強度較低，但對水泥抗折強度起重要作用。耐磨性、耐化學侵蝕性好，干縮性?。?）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分水化程度：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S水化熱：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S強度早期強度：C3S＞C3A＞C4AF＞C2S

后期強度：C3S~C2S＞C3A～C4AF硅酸鹽水泥的強度主要來自C3S、C2S，因此取名為硅酸鹽水泥（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分干縮性：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S耐化學腐蝕性：C4AF＞C3S＞C2S＞C3A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）與水反應速度中慢快中水化熱中低高中對強度的作用早期良差良良后期良優(yōu)中中耐化學侵蝕性中良差優(yōu)干縮性中小大小各組分比例不同，水泥技術性質發(fā)生相應變化，可根據工程需要，改變組分可制備不同性能的水泥。硅酸鹽水泥熟料主要礦物組成的特點（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分性能指標指標在使用上的意義氧化鎂容易引起體積膨脹，水泥安定性不良的重要誘因，≤

5.0%三氧化硫容易引起體積膨脹，水泥安定性不良的重要誘因，≤

3.5%堿（Na2O+K2O）容易產生堿—集料反應，含堿量≤

0.6%2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分（3）水泥中的有害成分及其危害硅酸鹽水泥是一種多種礦物的聚集體顯微鏡下觀察到的水泥熟料拋光薄片（4）熟料礦物結構2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分C3S---為光亮的棱角形晶體；C2S---為深色倒圓角的晶體；C3A---一般呈不規(guī)則的微晶體，如點滴狀、矩形或柱狀，由于反光能力弱，在反光鏡下呈暗灰色，常稱為黑色中間相；C4AF---呈棱柱狀或圓粒狀，反光能力強，在反光鏡下呈亮白色，稱為白色中間相。（4）熟料礦物結構2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分①C3S結構特征 C3S稱為阿利特或A礦，其晶體斷面為六角形和棱柱形（4）熟料礦物結構2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分具有熱力學不穩(wěn)定性；結構中的鈣離子具有較高活性；C3S結構中進入了Al3＋與Mg2＋離子并形成固溶體，固溶程度越高，活性越大；結構中存在大尺寸的“空穴”，使其具有較大的水化速度。②C2S結構特征 C2S稱為貝利特或B礦，C2S以β-C2S的形式存在β-C2S結構具有熱力學不穩(wěn)定性；β-C2S結構中的鈣離子具有較高活性；β-C2S結構中，雜質和穩(wěn)定劑的存在提高了其結構活性；β-C2S結構中沒有大的“空穴”，水化速度較慢。③C3A結構特征

C3A在900～1100℃開始形成，1100～1200℃時大量生成，且只有當化學成分Al2O3和Fe2O3的重量比大于0.64時才能形成。（4）熟料礦物結構2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分結構中的鋁離子、鈣離子具有較高活性；結構中存在較大的“空穴”，水化速度快。④C4AF結構特征 C4AF稱為才利特或C礦。在透射光下，呈黃褐色或褐色的晶體，有很高的折射率。高溫時形成一種固溶體，在鋁原子取代鐵原子時引起晶格穩(wěn)定性降低。玻璃體

水泥熟料中的重要組成部分。組成不固定，主要成分有Al2O3、Fe2O3、CaO以及少量的MgO，是熟料燒紙部分熔融時部分液相冷卻時來不及結晶的結果，具有熱力學不穩(wěn)定性。游離CaO及MgO

指未與其他礦物結合的以游離狀態(tài)存在的CaO、MgO。 形成原因：配料不當、煅燒不良。 作用及危害：少量的MgO，有利于熟料形成；

MgO過量，可引起安定性不良。（4）熟料礦物結構2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學成分①細度：水泥顆粒的粗細程度細度對水泥性能的影響水化硬化速度（細度，水化）需水量（細度，需水量）和易性（細度，和易性）強度（細度，強度發(fā)展）研究指出：水泥顆粒d<45μm，水化充分

水泥顆粒d>75μm，水化不完全（1）物理性質2.1.3硅酸鹽水泥的技術性質與標準（P151/P172）太細存在的問題不經濟，磨機產量需水量保管困難收縮大，容易開裂，抗凍性活性①細度：水泥顆粒的粗細程度（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準干篩水篩負壓篩篩析法有爭議時，以負壓篩為準負壓篩分儀細度測試方法方法一：篩析法細度測試方法篩析法方法原理：采用45μm方孔標準篩和80μm方孔標準篩對水泥試樣進行篩析試驗，用篩網上所得篩余物的質量百分數來表示水泥樣品的細度；負壓篩析法：用負壓篩析儀，通過負壓源產生的恒定氣流，在規(guī)定篩析時間內使試驗篩內的水泥達到篩分。水篩法：將試驗篩放在水篩座上，用規(guī)定壓力的水流，在規(guī)定時間內使試驗篩內的水泥達到篩分。手工篩析法：將試驗篩放在接料盤（底盤）上，用手工按照規(guī)定的拍打速度和轉動角度，對水泥進行篩析試驗。比表面積儀GB規(guī)定：硅酸鹽水泥細度，比表面積>300m2/kg其他四大水泥，80μm篩上篩余<10%用于硅酸鹽水泥以流體力學理論為基礎根據空氣通過水泥所受到的阻力計算細度測試方法方法二：比表面積法②水泥凈漿標準稠度為使水泥凈漿的具有可比性凝結時間安定性標準法維卡儀試桿多次調試用水量直至，30s6mm±1mm標準稠度=×100%水水泥（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準②水泥凈漿標準稠度將制作好的試件放置于維卡儀上，并將其中心定于試桿下，降低試桿直至與水泥凈漿表面接觸，突然放松，使得試桿垂直自由的沉入水泥凈漿中。在試桿停止沉入或釋放試桿30s時記錄試桿距底板的距離。以試桿沉入凈漿并距底板6mm±1mm的水泥凈漿為標準稠度凈漿。其拌合用水量為該水泥的標準稠度用水量（P），按水泥質量的百分比計算。2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準②水泥凈漿標準稠度代替法試錐法標準稠度=33.4-0.185×S固定用水量，測定試錐下沉深度S影響標準稠度的因素細度（細度，標準稠度用水量）水泥礦物成分（C3A需水量最大，C2S最?。?）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準③凝結時間施工順序：加水拌合運輸澆筑振搗飾面拆模凝結時間：從加水開始，到失去可塑性所需的時間

對模板周轉、后期工程都有重要影響初凝：從加水到開始失去塑性的時間終凝：從加水到完全失去塑性的時間（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準水泥漿初凝和終凝時間的劃分8:009:3013:00③凝結時間（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準測試方法初凝用試針終凝用試針用標準稠度用水量拌合裝入試模，養(yǎng)護30min每隔一段時間，用標準針刺入一次臨近初凝，每隔5min刺入一次維卡儀4mm±1mm初凝時間0.5mm終凝時間③凝結時間（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準注意事項T=20oC，濕度>90%不能振動貫入孔間距>1cm距孔壁>1cm>1cm影響凝結時間的因素水泥品種水泥漿體含水量③凝結時間（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準GB規(guī)定：硅酸鹽水泥初凝時間>45min

終凝時間<390min普通水泥初凝時間>45min

終凝時間<600min實際工程中水泥砼、砂漿比凈漿的凝結時間長得多

T不同，T，凝結時間越短③凝結時間（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準④體積安定性定義：反映水泥漿體硬化后體積變形的均勻程度任何一種水泥，水化過程中體積均會發(fā)生變化

∵若，則產生應力若，則產生裂縫、崩塌影響因素f—MgOf—CaOSO3（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準④體積安定性測定方法有雷氏夾法和試餅法測試方法雷氏夾法標準凈漿裝入濕養(yǎng)護24h恒沸3h測定指針增距增距x>5mm，不合格（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準測定方法有雷氏夾法和試餅法測試方法標準凈漿制成6個試餅濕養(yǎng)24h放入蒸煮箱30min恒沸3h觀察試餅法裂縫彎曲碎斷（1）物理性質2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準強度是的重要依據評價水泥質量確定水泥標號砼配合比設計強度測定可將水泥制成凈漿（不能反映對砂石的膠結力）砂漿（國際通用）砼（砂石難以統(tǒng)一，復雜性）GB規(guī)定：采用ISO法評定水泥的強度等級

ISO標準砂：由德國標準砂公司制備的SiO2含量不低于98%的天然的圓形硅質砂組成，濕含量小于0.2%。中國

ISO標準砂：完全符合ISO標準砂顆粒分布和濕含量規(guī)定?？蓡渭壏职b，也可混合包裝。（1）強度2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準L水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）測試方法Ffhb水泥:砂=1:

3W/C=0.5小梁4×4×16cm標養(yǎng)至規(guī)定齡期(3d,28d)50N/s±10N/s三分點小梁抗折強度Rf（1）強度2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準抗壓強度Rc取斷塊進行抗壓強度試驗測試方法Fc斷塊2400N/s±200N/s（1）強度2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準水泥型號：普通型和早強型(R)R型，3dRc提高10~24%，達同等普通型的50%路面盡量選用R型，減小養(yǎng)護，提早通車強度等級：按規(guī)定齡期的Rc和Rf劃分，按28dRc命名（2）強度2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準硅酸鹽水泥的強度指標要求強度等級抗壓強度（MPa）/不低于抗折強度（MPa）/不低于3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0（2）強度2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準（3）技術標準2.3.4硅酸鹽水泥的技術性質與標準硅酸鹽水泥技術標準技術性能細度比表面積(m2/kg)凝結時間(min)安定性沸煮法不溶物不大于/%MgO/%不大于SO3/%不大于燒失量不大于/%堿含量Na2O+0.658K2O/%初凝終凝I型II型I型II型指標＞300≥45≤390必須合格0.751.505.03.53.03.5≤0.60GB175-2007規(guī)定：凡氧化鎂、燒失量、不溶物、三氧化硫、凝結時間、安定性和強度任一指標不符合要求，即為不合格不合格水泥嚴禁在工程中使用。40 2.2.1原料及組成 2.2.2水化及強度形成機理 2.2.3技術性質及標準第二節(jié)石灰P164/P182 （1）石灰原材料及燒制用于燒制石灰的原料是富含碳酸鈣的一類物質，如石灰石、白云石等。加工成一定規(guī)格的原料在石灰窯中高溫加熱，通過化學反應，燒制成生石灰，其中的化學反應式可表示為：燒制過程中，由于石灰窯爐溫偏差或波動，造成窯內溫度過高過溫度偏低，溫度過高時燒成過燒石灰，而偏低則燒成欠火石灰.2.2.1原料及組成CaCO3CaO+CO2石灰石白云石貝殼石灰產品種類有：

——塊狀生石灰

——生石灰粉

——熟石灰粉由于石灰僅能夠在空氣中在水的參與下凝結硬化，而不能在水中硬化，所以稱石灰為氣硬性膠凝材料.2.2.1石灰產品生石灰塊生石灰粉消石灰粉石灰加水，通過水化反應由生石灰轉化為熟石灰，這一過程稱為石灰的消化。該過程用化學式可表示為：

由于過燒石灰在日后的凝結硬化滯后帶來的消極影響，消化后的石灰往往要“陳伏”一段時間，用于消除過燒石灰造成的危害，陳伏時間通常大約為15d左后.石灰的消解2.2.2石灰的水化及強度形成機理CaO+H2OCa(OH)2+△石灰的硬化——石灰的干燥結晶硬化：隨著石灰中水分的蒸發(fā)損失，石灰逐漸形成結晶體，晶體狀石灰的水溶性明顯降低，形成晶體硬化?！业奶妓峄菏以谒膮⑴c下，與空氣中的CO2作用，形成碳酸鈣。新的產物具有顯著的水不溶性，起著膠凝和硬化的作用。2.2.2石灰的水化及強度形成機理Ca(OH)2+nH2OCa(OH)·nH2OCa(OH)2+H2O+CO2CaCO3+(n-1)H2O2.2.3石灰的技術性質及其標準殘渣量細度含水量有效鈣鎂含量二氧化碳含量物理性質化學性質石灰主要技術性質2.2.3石灰的技術性質及其標準石灰發(fā)揮無機膠凝效果取決于石灰中的有氧化鈣和有效氧化鎂，這類氧化物含量越高，石灰的質量越好；石灰中鈣和