土木工程材料水泥

土木工程材料水泥第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六3.1常用水泥（通用硅酸鹽水泥）概述常用水泥的生產(chǎn)常用水泥的特性常用水泥的水化、凝結(jié)、硬化常用水泥的選用常用水泥的技術(shù)要求影響常用水泥性能的因素

第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.按《水泥的命名、定義和術(shù)語》（GB/T4131-1997）：水泥是指加水拌合成塑性漿體，能膠結(jié)砂石等適當材料并能在空氣和水中硬化的粉狀水硬性膠凝材料。2.水泥是各種混凝土的最基本的組成材料，廣泛用于建筑、道路、水利和國防工程中，素有“建筑業(yè)的糧食”之稱。概述

呈粉末狀，與適量水混合后經(jīng)過一系列物理化學作用，由可塑性漿體變成堅硬的石狀體，并能將散粒狀材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料。就硬化條件而言，水泥漿體不但能在空氣中硬化，還能更好地在水中硬化，保持并繼續(xù)增長其強度。第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六3.水泥發(fā)明于1824年。由于它具有與英國波特蘭城建筑巖石相似的顏色，故稱之為波特蘭水泥（我國稱為硅酸鹽水泥），首先取得這項專利技術(shù)權(quán)的是英國的J·Aspdin。4.水泥的品種：按礦物組成分：硅酸鹽、鋁酸鹽、硫鋁酸鹽等系列水泥；按用途及性能可以分為通用水泥:用于一般土木建筑工程的水泥、專用水泥:專門用途的水泥，如道路水泥；及特種水泥:某種性能比價突出的水泥，如快硬硅酸鹽水泥、白色硅酸鹽水泥；目前，水泥品種已達到100多種。

第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六一、常用水泥的生產(chǎn)1.生產(chǎn)工藝：兩磨一燒硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝流程圖

第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

最關(guān)鍵的是煅燒生產(chǎn)工藝：兩磨一燒第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（1）原材料的破碎與粉磨

石灰質(zhì)原料：提供CaO；有石灰石、貝殼、石灰質(zhì)凝灰?guī)r。粘土質(zhì)原料：提供SiO2、Al2O3和Fe2O3；有粘土、黃土、頁巖校正原料：鐵質(zhì)校正原料、硅質(zhì)校正原料、鋁質(zhì)校正材料。（2）硅酸鹽水泥熟料的燒成

硅酸鹽水泥熟料主要包括下列四種礦物：硅酸三鈣（3CaO·SiO2，簡寫為C3S），含量37%～60%；硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡寫為C2S），含量15%～37%；鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，簡寫為C3A），含量7%～15%；鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡寫為C4AF），含量10%～18%。

第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

3CaO·SiO2（C3S）

37～60%

3CaO·SiO2（C2S）15～37%3CaO·Al2O3(C3A)7～15%4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)10～18%

f-CaOf-MgO水泥安定性不良

SO3

K2O+NaO

砼堿骨料反應礦物組成在水泥熟料中，CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3這四種氧化物，不是以單獨的氧物形式存在，而是經(jīng)過高溫煅燒后，兩種或兩種以上的氧化物反應生成的多種礦物集合體。第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六各種礦物熟料強度增長曲線C3S:

水化速率較快，水化熱較大，水化產(chǎn)物主要在早期產(chǎn)生，早期強度高，且能得到不斷增長。通常決定水泥強度等級高低的最主要礦物。C2S:

水化速率最慢，水化熱最小，水化產(chǎn)物和水化熱主要表現(xiàn)在后期。C3A：水化速率極快，水化熱最集中，對水泥早期（3天以內(nèi)）的強度影響最大，硬化時表現(xiàn)的體積減縮最大，實際強度不高。C4AF：水化速率較快，水化熱中等，抗壓強度較低，但抗折強度相對較高。第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六四種主要礦物成分的水化、凝結(jié)與硬化特性性能指標熟料礦物C3SC2SC3AC4AF水化速率快慢最快快28d水化熱多少最多中收縮中中大小強度早期高低高低后期高高低低在水泥中的相對含量改變時，水泥的技術(shù)性質(zhì)也隨之改變。第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六思考：現(xiàn)有甲、乙兩廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥熟料，其礦物成分如下表所示，試估計和比較這兩廠所生產(chǎn)的硅酸鹽水泥的性能有何差異？生產(chǎn)廠熟料礦物成分（%）C3SC2SC3AC4AF甲56171215乙4235716第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)與硬化

凝結(jié)：水泥加水拌和后，成為可塑的漿體，逐漸變稠，失去塑性，但尚不具有強度的過程。硬化：隨后產(chǎn)生明顯的強度，并逐漸發(fā)展而成為堅硬的人造石。第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

概念理解注意水泥水化是產(chǎn)生凝結(jié)硬化的前提，而凝結(jié)硬化則是水泥水化的結(jié)果。水泥的凝結(jié)硬化是人為劃分的，實際上是一個連續(xù)、復雜的物理化學變化過程。第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六常用水泥的水化、凝結(jié)、硬化1.硅酸鹽水泥熟料礦物的水化反應

水化鐵酸鈣水化硅酸鈣氫氧化鈣C-S-H凝膠水化鋁酸鈣

第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥石的結(jié)構(gòu)

水泥凝膠體（凝膠和晶體）未水化的水泥內(nèi)核水（凝膠水和毛細水）孔隙（毛細孔和膠孔）隨著水泥的水化，水化物體積要大于原來的未水化水泥體積，即固相體積增大。水灰比是影響水泥石結(jié)構(gòu)性質(zhì)的重要因素。

補充：水泥水化后固相體積增大，但總體積縮小。第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六4.石膏在水泥中的作用。控制C3A的水化凝結(jié)硬化速度，調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間。摻量3％左右。C3A的水化：反應迅速，產(chǎn)生急凝，或閃凝。加入石膏：高硫形水化硫鋁酸鈣又稱鈣礬石（俗稱水泥桿菌，針狀），不溶于水，阻止C3A水化，延緩水泥凝結(jié)。石膏耗完C3A與鈣礬石反應單硫形水化硫鋁酸鈣溶于水，水化繼續(xù)

第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六鈣礬石顯微形貌

第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（1）水泥混合材料

在生產(chǎn)水泥時，為改善水泥性能，調(diào)節(jié)水泥強度等級，而加到水泥中去的人工的和天然的礦物材料。5.混合材料在水泥中的作用。混合材料分類化學活性舉例在水泥中作用非活性混合材料與水泥成分不起化學作用或化學作用很小石英砂、石灰石、慢冷礦渣、各種廢渣填充、提高水泥產(chǎn)量、降低水泥強度等級、減少水化熱活性混合材料常溫下，細粉與石灰（或石灰和石膏）加水拌合能生成具有膠凝性的水化產(chǎn)物，在空氣和水中硬化。?；郀t礦渣、火山灰質(zhì)混合材料、粉煤灰上述＋活性效應

第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六?；郀t礦渣煉鐵高爐的熔融礦渣，經(jīng)急速冷卻而成的松軟顆粒；直徑一般為0.5～5mm，需磨細使用；急冷一般用水淬方法進行，故又稱水淬高爐礦渣；成粒在于阻止結(jié)晶，形成玻璃體，具有較高的潛在活性；活性成分，一般認為是活性氧化鋁和活性氧化硅，在常溫下可與氫氧化鈣起作用而產(chǎn)生強度?；鹕交屹|(zhì)混合材料火山灰質(zhì)混合材料：泛指火山灰一類的物質(zhì)?；鹕交遥夯鹕絿姲l(fā)的熔巖急冷形成。含有玻璃體，成分主要是活性氧化硅和活性氧化鋁，使火山灰具有活性。

第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六粉煤灰火力發(fā)電廠煤粉燃燒的煙氣中收集的灰渣，又稱飛灰。顆粒直徑0.001～0.05mm，玻璃態(tài)的實心或空心球狀?；钚詠碜圆Ａw，成分主要是活性氧化硅和活性氧化鋁。

第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（2）活性混合材料的作用自身與水調(diào)和后，不會硬化或硬化極為緩慢，強度很低。在氫氧化鈣溶液中，會發(fā)生顯著的水化。若存在石膏，則石膏與鋁酸鈣反應生成硫鋁酸鈣而具有一定的強度。

第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（3）礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的水化反應分兩步進行水泥熟料顆粒水化；礦渣（火山灰或粉煤灰）受熟料水化時析出的Ca(OH)2和外摻石膏的激發(fā)，生成新的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣。水泥熟料礦物水化后的產(chǎn)物又與活性氧化物進行反應，生成新的水化物。二次（水化）反應

第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（4）激發(fā)劑Ca(OH)2和石膏起著激發(fā)水化（使活性混合材料的潛在活性得以發(fā)揮），促進凝結(jié)硬化的作用，故稱為激發(fā)劑。常用的激發(fā)劑有堿性激發(fā)劑和硫酸鹽激發(fā)劑兩類。堿性激發(fā)劑：石灰，硅酸鹽水泥熟料。硫酸鹽激發(fā)劑：二水石膏、半水石膏和各種化學石膏。硫酸鹽激發(fā)劑的激發(fā)作用必須在有堿性激發(fā)劑的條件下，才能充分發(fā)揮。

第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六6.硬化水泥石中的組成

水化產(chǎn)物。忽略一些次要和少量的成分，水泥水化的最終產(chǎn)物是：水化硅酸鈣（C-S-H凝膠，約70%）、水化鐵酸鈣凝膠，氫氧化鈣（約20%）、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣晶體；未水化的水泥顆粒、水（自由水和吸附水）和孔隙（毛細孔和凝膠孔）。

第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六三、常用水泥的特性品種硅酸鹽水泥普通水泥礦渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥復合水泥主要特性凝結(jié)硬化快凝結(jié)硬化較快凝結(jié)硬化慢凝結(jié)硬化慢凝結(jié)硬化慢與所摻兩種或兩種以上混合材料的種類、摻量有關(guān)，其特性基本上與礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的特性相似早期強度高早期強度較高早期強度低，后期強度增長較快早期強度低，后期強度增長較快早期強度低，后期強度增長較快水化熱大水化熱較大水化熱較低水化熱較低水化熱較低抗凍性好抗凍性較好抗凍性差抗凍性差抗凍性差干縮性小干縮性較小干縮性大干縮性大干縮性較小，抗裂性較好耐蝕性差耐蝕性較差耐蝕性較好耐蝕性較好耐蝕性較好耐熱性差耐熱性較差耐熱性好耐熱性較好耐熱性較好抗碳化能力差抗碳化能力差抗碳化能力差——泌水性大—————抗?jié)B性較好—————和易性較好

第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥石的腐蝕（1）軟水的腐蝕（溶出性腐蝕）軟水:雨水、雪水、蒸餾水及含重碳酸鹽甚少的河水與湖水。水泥石中各水化物能穩(wěn)定存在的極限石灰濃度：Ca(OH)2：1.3gCaO/L；水化硅酸三鈣：1.2gCaO/L；水化鐵鋁酸四鈣：1.06gCaO/L；水化硫鋁酸鈣：0.045gCaO/L。如果水泥石長期處于流水或壓力流水作用下，Ca(OH)2將不斷流失而使水泥石破壞。硬水中不腐蝕：

第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（2）鹽類腐蝕

硫酸鹽腐蝕水化鋁酸鈣鈣礬石體積增加1.5倍以上，膨脹破壞硫酸鹽濃度較高：結(jié)晶破壞鎂鹽腐蝕。硫酸鎂對水泥石有鎂鹽和硫酸鹽雙重腐蝕的作用。

第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Na2SO4在混凝土孔隙中的結(jié)晶

第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（3）酸類腐蝕

碳酸腐蝕“碳化”一般酸腐蝕因為水泥的水化產(chǎn)物呈堿性。，CaCl2溶于水。（4）強堿腐蝕第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六組成成分；細度；養(yǎng)護條件（溫度、濕度和時間）；齡期；拌合用水量；貯存條件。四、影響常用水泥性能的因素養(yǎng)護對水泥強度發(fā)展的影響

第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六五、常用水泥的選用

第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六六、常用水泥的技術(shù)要求1.細度水泥顆粒不能太粗，也不宜太細。測定水泥的細度可以用篩析法和比表面積法。篩析法：用80μm方孔篩的篩余百分數(shù)表示。比表面積法:測單位質(zhì)量粉末的總表面積，以m2/kg表示。2.凝結(jié)時間初凝：標準稠度凈漿開始失去可塑性；終凝：標準稠度凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強度；初凝時間不能過短，終凝時間不能過長；測定水泥凝結(jié)時間采用標準稠度的水泥凈漿。

第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六初凝時間太短，沒有足夠的時間進行攪拌、運輸、澆筑、振搗、成型或砌筑；終凝時間太長，會拖延整個工程的施工工期。初凝時間不符合規(guī)定者為廢品，終凝時間不符合規(guī)定者為不合格品。第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六3.體積安定性檢驗體積安定性不良原因游離氧化鎂（f-MgO）石膏游離氧化鈣（f-CaO）過燒態(tài)過燒態(tài)與水化鋁酸鈣反應生成鈣礬石檢驗沸煮法（餅法/雷氏法）檢驗控制f-MgO含量控制SO3含量氧化鎂、三氧化硫及安定性不良的水泥應作廢品處理。

第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

定義：水泥凝結(jié)硬化時，體積變化的均勻性。原因：f-CaO、f-MgO和石膏過量解釋：①游離CaO和MgO屬過燒，水化速度很慢，在已硬化的水泥石中繼續(xù)與水反應，體積膨脹，引起不均勻的體積變化造成水泥石龜裂、彎曲、甚至崩潰等現(xiàn)象。②若水泥生產(chǎn)中石膏過量，水泥硬化后，石膏還會繼續(xù)與水化鋁酸鈣起反應，生成水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），體積增大1.5倍，同樣引起水泥石開裂。

第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六雷氏夾第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥沸煮箱第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥安定性壓蒸釜第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六4.強度及強度等級

按抗壓強度和抗折強度分為六個強度等級。硅酸鹽水泥各齡期的強度要求強度等級抗壓強度（MPa）抗折強度（MPa）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水泥：標準砂：水＝1：3：0.5注意與舊標準的標號對比！5.堿含量:按Na2O+0.658K2O計算。

第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六技術(shù)指標硅酸鹽水泥普通水泥礦渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥復合水泥Ⅰ型Ⅱ型不溶物≤0.75%1.50%/////燒失量≤3.0%3.5%≤5.0%////氧化鎂≤5.0%，若壓蒸安定性試驗合格，則≤6.0%熟料中MgO≤5.0%，若壓蒸安定性試驗合格，則≤6.0%三氧化硫≤3.5%3.5%4.0%3.5%細度比表面積＞300m2/kg/////80μm方孔篩篩余≤/10.0%10.0%10.0%10.0%10.0%凝結(jié)時間初凝≥45min終凝≤6.5h≤10h安定性沸煮法檢驗合格強度等級42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R42.5、42.5R、52.5、52.5R32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R堿（若使用活性骨料）用戶要求提供低堿水泥時，≤0.60%或由供需雙方商定

由供需雙方商定常用水泥的技術(shù)要求

第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六國家標準（GB/T17671-1999）規(guī)定：水泥的強度用膠砂試件檢驗。條件：

1、材料：水泥:ISO標準砂=1:3，W/C=0.5；

2、試件尺寸：40mm×40mm×160mm；

3、養(yǎng)護條件：20℃士1℃水中；

4、齡期：3d和28d；

5、強度種類：抗折強度和抗壓強度。

6、強度等級：6個強度等級，其中帶R的為早強型水泥。第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥強度檢測儀器水泥凈漿攪拌機第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥強度檢測儀器

水泥養(yǎng)生箱水泥振動臺水泥試模第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥強度檢測儀器水泥抗壓試驗機第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六水泥抗折強度試驗機第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

水泥發(fā)生水化作用時放出的熱量，主要在硬化初期放出。水化熱大的水泥，能加速凝結(jié)硬化過程，但對大體積混凝土來說，由于水化熱在其內(nèi)部積聚熱量，使其內(nèi)部溫度升高，由于內(nèi)外溫差使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應力而開裂破壞。我國《JGJ55-2000普通混凝土配合比設計規(guī)程》上，定義大體積混凝土為：混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸等于或大于1m，或預計會因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導致裂縫的混凝土。日本建筑學會標準(JASS5)規(guī)定：“結(jié)構(gòu)斷面最小厚度在80cm以上，同時水化熱引起混凝土內(nèi)部的最高溫度與外界氣溫之差預計超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土”。

5水化熱第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六？某大體積的混凝土工程，澆筑2周后拆模，發(fā)現(xiàn)擋墻有多道貫穿型的縱向裂縫。該工程使用某水泥廠生產(chǎn)的42.5R型硅酸鹽水泥，其熟料礦物組成如下：

礦物名稱C3SC2SC3AC4AF質(zhì)量分數(shù)（%）61141411思考分析續(xù)下頁第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六【原因分析】由于該工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，導致該水泥的水化熱高。在澆注混凝土后，混凝土的內(nèi)外溫差高，造成混凝土貫穿型的縱向裂縫。【防治措施】首先，對大體積的混凝土工程宜選用低水化熱，即C3A和C3S的含量較低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需適當控制。再次，大體積混凝土工程施工時應采取相應的措施，如外部保溫、內(nèi)部降溫等。第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六3.水泥3.2

其它品種水泥3.1常用水泥

第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

高鋁水泥膨脹水泥白色和彩色硅酸鹽水泥3.2其它品種水泥第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六一、高鋁水泥（礬土水泥）以鋁礬土和石灰石為原料，經(jīng)高溫煅燒得到鋁酸鈣為主的熟料磨細制成。代號CA。按Al2O3的含量百分數(shù)分為四類：CA-50（50％≤Al2O3＜60％），CA-60（60％≤Al2O3＜68％），CA-70

（68％≤Al2O3＜77％），CA-80

（Al2O3≥77％）。

第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六熟料礦物組成鋁酸一鈣（CA）－70％；二鋁酸一鈣（CA2）－少量；硅酸二鈣（C2S）－少量。鋁酸鹽水泥的水化T＜20℃：CA+10H2O→CAH10；T=20～30℃：2CA+11H2O→C2AH8+Al2O3.3H2O；T＞30℃：3CA+12H2O→C3AH6+Al2O3.3H2O強度的產(chǎn)生CAH10、C2AH8相互交織成堅固的結(jié)晶合生體;氫氧化鋁凝膠填充于晶體骨架空隙中;CAH10、C2AH8→C3AH6，強度降低溫度升高，轉(zhuǎn)化加速晶體的轉(zhuǎn)化

第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六快凝、早強。用于緊急工程、搶修工程、冬季施工工程；耐熱性好和耐硫酸鹽腐蝕性強。配制耐熱混凝土和耐硫酸鹽混凝土；水化熱大。不能用于大體積混凝土；長期強度會降低。注意施工溫度（15℃～25℃），按最低穩(wěn)定強度設計；不得與硅酸鹽水泥、石灰等混用；低收縮；耐堿性差;產(chǎn)品標準：《鋁酸鹽水泥》（GB201-2000）。產(chǎn)品特性及應用

第53頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六加水硬化后，體積膨脹而不是收縮。

二、膨脹水泥硅酸鹽膨脹水泥。硅酸鹽水泥為主，外加高鋁水泥和石膏配制而成。

鋁酸鹽膨脹水泥。高鋁水泥水泥為主，外加石膏配制而成。

硫鋁酸鹽膨脹水泥。無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為為主要成分，外加石膏配制而成。

鐵鋁酸鈣膨脹水泥。鐵相、無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為為主要成分，外加石膏配制而成。

第54頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六膨脹原理：生成鈣礬石。調(diào)整組分比例，可得不同的膨脹值。若膨脹受限，則產(chǎn)生自應力。自應力≥2MPa，稱為自應力水泥；自應力＜2MPa，稱為膨脹水泥；應用：補償收縮混凝土、自應力混凝土。產(chǎn)品標準：《膨脹硫鋁酸鹽水泥》（ZBQ11007-87）、自應力硫鋁酸鹽水泥》（JC715-1996）：

第55頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六三、白色和彩色硅酸鹽水泥1.