道路工程材料第7版 課件4 水泥材料

第4章水泥與石灰Cementandlimematerials2025/2/23水泥、石灰礦物組成技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)指標(biāo)道路水泥特性和要求核心知識點水泥混凝土生產(chǎn)石灰混凝土運輸水泥路面施工1無機膠凝料基本知識

2水泥種類和生產(chǎn)工藝

3硅酸鹽水泥熟料礦物

4水泥技術(shù)要求和指標(biāo)

5道路水泥特性和要求本章主要內(nèi)容2025/2/231無機膠凝材料基礎(chǔ)知識

無機膠凝材料定義無機膠凝材料種類水泥的歷史和發(fā)展1無機膠凝材料基礎(chǔ)知識1.1定義和分類2025/2/23定義：經(jīng)過一系列物理、化學(xué)作用，或與其他物質(zhì)（如水等）混合后能由漿體變成堅硬的固體，并能將松散砂石材料膠結(jié)成整體的無機物質(zhì)，又稱礦物膠凝材料分類：氣硬性膠凝材料-只能在空氣中硬化，也只能在空氣中保持和發(fā)展其強度，如石灰

水硬性膠凝材料-不僅能在空氣中，而且能更好地在水中硬化，保持并繼續(xù)發(fā)展其強度，如水泥粉碎+高溫+磨細碳酸鈣分解過程石灰石生石灰1無機膠凝材料基礎(chǔ)知識1.2水泥的歷史和現(xiàn)狀水泥的歷史2025/2/23水泥一詞由拉丁文Caementum發(fā)展而來，可以追溯到古羅馬人在建筑物中使用的石灰和火山灰的混合物1756年，英國工程師J.Smidton發(fā)現(xiàn)，用含有粘土的石灰石燒制而得到的材料強度更高1824年，英國建筑師JosephAspdin發(fā)明了水泥和波特蘭水泥專利。以石灰石、粘土等為原料，煅燒后研磨制成；硬化成類似于英國波特蘭的建筑用石頭，并命名為波特蘭水泥。In1824,JosephAspdin,aLeedsmasontookoutapatentonahydrauliccementthathecoined"Portland"cement(MindessandYoung,1981).Smeaton’sTower1759-1882距英格蘭普利茅斯市海岸22千米英國波特蘭當(dāng)?shù)靥烊皇耐庥^類似于混凝土1889年，唐山“細綿土”廠1906年，改擴建為啟新洋灰公司，年產(chǎn)水泥4萬噸1瀝青材料基礎(chǔ)知識1.2水泥的歷史和現(xiàn)狀水泥混凝土具有抗壓強度高、耐久性好、工藝簡單、造價低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種建筑物、構(gòu)造物20世紀，水泥混凝土成為主要土木工程材料；21實際，水泥混凝土仍作為主要土木工程材料水泥的現(xiàn)狀國家水泥產(chǎn)量（億噸）時間全世界水泥產(chǎn)量（億噸）中國23.62021年43（55%）中國21.82012年35（62%）中國10.42005年23（45%）美國0.922021年43（2%）全球水泥產(chǎn)量統(tǒng)計港珠澳跨海大橋葛洲壩水利工程2025/2/231瀝青材料基礎(chǔ)知識1.2水泥的歷史和現(xiàn)狀水泥路面的發(fā)展2025/2/231889年，GeorgeW.Bartholomew向俄亥俄洲（Ohio）政府建議修建水泥路面1891年，美國俄亥俄洲修建了第一條水泥混凝土路面1913年，美國阿肯色州修建了一條23公里的9英尺（2.7米）寬、5英寸（12.7cm）厚的水泥路面當(dāng)前，水泥混凝土路面是道路工程主要的鋪裝形式之一；2020年底，全國有鋪裝路面總數(shù)約430萬公路，其中瀝青混凝土路面約120萬公里，水泥混凝土路面約為310萬公路俄亥俄洲水泥路面建設(shè)（1891）阿肯色州水泥路面建設(shè)（1913）高速公路水泥混凝土路面機場水泥混凝土跑道2硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝熟料礦物技術(shù)指標(biāo)2硅酸鹽水泥2.1水泥分類2025/2/23按照用途和性能分類通用水泥：土木工程通常采用的水泥，如硅酸鹽水泥專用水泥：專門用途的水泥，如油井水泥，道路硅酸鹽水泥特性水泥：某種性能比較突出的水泥，快硬硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥按照水硬性產(chǎn)物分類硅酸鹽水泥(波特蘭水泥):硅酸三鈣鋁酸鹽水泥：鋁酸一鈣；硫鋁酸鹽水泥：無水硫酸鈣，硅酸二鈣；2硅酸鹽水泥2.2硅酸鹽水泥基礎(chǔ)知識定義：硅酸鹽水泥熟料、0～5％石灰石或?；郀t礦渣，適量石膏磨細而成的水硬性材料分類：Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號P.I，不摻混合材料；Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號P.II，摻加不超過水泥質(zhì)量5％的混合材料2.3硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝原材料：主材石灰質(zhì)原料和粘土質(zhì)原料，輔料：鐵礦粉（黃鐵礦）和礦化劑（螢石）

-石灰質(zhì)原料（石灰石、白堊等）：主要提供CaO；-粘土原料（粘土、黃土等）：主要提供SiO2、Al2O3以及少量Fe2O3成分-這些原材料混合，形成含有適當(dāng)比例的CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3的生料2025/2/232硅酸鹽水泥2.3硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝石灰石粘土鐵礦粉磨細石膏生料水泥磨細配料熟料煅燒1450℃調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間使生料中含有適當(dāng)比例的CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3高溫煅燒產(chǎn)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)適當(dāng)比例的礦物

硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝三種主要原材料

熟料生產(chǎn)：旋轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)1噸水泥消耗：（1）1.4～1.5噸石灰石（2）0.2～0.3噸粘土與少量鐵礦（3）約0.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤2025/2/232硅酸鹽水泥2.4硅酸鹽水泥熟料硅酸三鈣（3CaO·SiO2）—C3S硅酸二鈣（2CaO·SiO2）—C2S鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）—C3A鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）—C4AF礦物含量（％）硅酸三鈣37～60硅酸二鈣15～37鋁酸三鈣7～15鐵鋁酸四鈣10～18熟料礦物組成（1）硅酸三鈣–決定水泥強度（標(biāo)號）的主要礦物水化速度較快，水化熱較大，且主要在早期放出水化產(chǎn)物早期強度高，且不斷增長，是決定水泥標(biāo)號的主要礦物C3S含量高，強度高。2025/2/23（2）硅酸二鈣–保證后期強度增長的主要礦物水化速度最慢，水化熱最小，主要在后期放出，水化產(chǎn)物早期強度不高但后期強度增長率較高，是保證后期強度增長主要礦物C2S含量高，水泥具有較好抗化學(xué)侵蝕和較小干縮性（3）鋁酸三鈣–水化速度最快、體積安定性最差的礦物水化速度最快，水化熱最大，且主要在早期放出水化產(chǎn)物早期強度增長率很快，但是強度不高，而且后期幾乎不增長耐化學(xué)侵蝕差，硬化后體積收縮最大（4）鐵鋁酸四鈣–有利于增強抗折、抗沖擊的礦物水化速度介于C3A于C3S，水化熱較C3A低水化產(chǎn)物早期強度類似于C3A，但后期強度能增加，類似C3S對抗折強度和抗沖擊性能起到重要作用，水化產(chǎn)物耐化學(xué)侵蝕性好，干縮性小2025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)硬化過程物理性質(zhì)強度和標(biāo)號3水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.1水泥的硬化過程1）初始期：水泥熟料顆粒初始水解和水化（約5~10min，放熱7J/g.h)2）潛伏期：水化物薄膜圍繞水泥顆粒成長變厚（約1~2h，放熱4J/g.h)3）凝結(jié)期：膜層破裂，水泥顆粒進一步水化（約6h，放熱20J/g.h）4）硬化期：水化物進一步發(fā)展，填充毛細孔（約6h～若干年）2025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.2水泥的硬化產(chǎn)物硅酸三鈣（3CaO·SiO2）—水化硅酸鈣和氫氧化鈉硅酸二鈣（2CaO·SiO2）—與硅酸三鈣類似鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）—較為復(fù)雜，硫鋁酸鈣鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）—水化硫鐵鋁酸鈣水化硅酸鈣氫氧化鈣2025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.2水泥的硬化產(chǎn)物石膏的緩凝作用鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）水化速度很快，在純水中生成水化鋁酸鈣水化鋁酸鈣呈薄片狀，松散多孔結(jié)構(gòu)，容易造成水泥漿快速失去流動性鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）在石膏溶液中，生成難溶于水的鈣礬石鈣礬石可附著在水泥顆粒表面，阻斷水泥（尤其是鋁酸三鈣）水化反應(yīng)水化鋁酸鈣微觀結(jié)構(gòu)2025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.2水泥的硬化產(chǎn)物各階段水泥材料轉(zhuǎn)變生料

熟料水泥石化學(xué)成分礦物成分水化產(chǎn)物（比例）CaOSiO2Al2O3Fe2O3C3S

C2SC3AC4AF

CaSO4·2H2O

水化硅酸鈣（

～70％）Ca(OH)2（

～20％)三硫型水化硫鋁酸鈣單硫型水化硫鋁酸鈣三硫型水化硫鐵鋁酸鈣單硫型水化硫鐵鋁酸鈣水化鋁酸鈣水化鐵酸鈣(~7%)⑴硅酸三鈣：C3S＋H2O→3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca(OH)2水化硅酸鈣⑵硅酸二鈣：C2S＋H2O→水化硅酸鈣＋Ca(OH)2⑶鋁酸三鈣：在純水中：C3A＋H2O→(C4AH13、C4AH19、C3AH6…)（水泥瞬凝的原因)

水化鋁酸鈣-松散多孔結(jié)構(gòu)在石膏溶液中：C3A＋Ca(OH)2＋H2O→C4AH13C4AH13＋CaSO4·2H2O＋H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O三硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)當(dāng)石膏耗盡后：C4AH13＋鈣礬石→3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O

單硫型水化硫鋁酸鈣⑷鐵鋁酸四鈣:在純水中：C4AF＋H2O→C4AH13＋C4FH13

水化鋁酸四鈣水化鐵酸四鈣在石膏溶液中：C4AF＋Ca(OH)2＋H2O→C4(A、F)H13C4(A、F)H13＋CaSO4·2H2O＋H2O→3CaO·(Al2O3·Fe2O3)3CaSO4·32H2O

三硫型水化鐵鋁酸鈣當(dāng)石膏耗盡后：同鋁酸三鈣，生成單硫型水化硫鐵鋁酸鈣水泥礦物水化反應(yīng)2025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.3技術(shù)指標(biāo)細度Fineness技術(shù)指標(biāo)細度凝結(jié)時間體積安定強度水泥物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo)體系細度是表示水泥顆粒粗細程度或水泥分散程度的指標(biāo)細度越大，水化速度越快，水化越充分，早期強度越大但細度越大，收縮率越大，水泥加工成本高細度應(yīng)控制合理范圍：比表面積≥300m2/kg；篩分80微米篩篩余量≤10%，45微米篩篩余量≤30%GB/T8074水泥比表面積測定方法勃氏法采用一定量空氣，透過具有一定空隙率和一定厚度的壓實粉層時所受的阻力不同而進行測定GB/T1345水泥細度檢驗方法負壓篩析法水篩法手工篩析法2025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.3技術(shù)指標(biāo)凝結(jié)時間Settingtime凝結(jié)時間是表示水泥加水拌和后失去塑性或達到硬化狀態(tài)所需要的時間初凝時間：從水泥加水拌合起，水泥漿開始失去塑性所需的時間（施工可操作時間）終凝時間：從水泥加水拌合起，至水泥漿完全失去塑性并開始產(chǎn)生強度所需的時間（形成強度時間）初凝時間不能太短（不小于45min），終凝時間不宜太長（不大于600min）滑動部分300克3~5mm0.5mm維卡儀2025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.3技術(shù)指標(biāo)安定性Soundness安定性是指硬化后水泥漿體體積穩(wěn)定性，特別是不產(chǎn)生不均勻變形的能力體積安定性不良，可造成水泥石內(nèi)部產(chǎn)生不均勻體積變化，產(chǎn)生開裂等病害原因：水泥中有害成分（如游離氧化鈣、游離氧化鎂、三氧化硫等）繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生的局部體積變化雷氏夾測試體積安定性圖1：雷氏夾及測試設(shè)備圖2：300克砝碼校準(zhǔn)雷氏夾，增加距離處于17.5±2.5mm圖3：試件煮沸180min后，測試指針增加的距離一般不大于5mm，認為體積安定性合格圖1圖2圖32025/2/233水泥技術(shù)性質(zhì)和指標(biāo)3.3技術(shù)指標(biāo)強度Strength強度等級：根據(jù)規(guī)定齡期的抗壓和抗折強度劃分水泥強度等級水泥標(biāo)號：42.5（普通型）；42.5R（早強型）等水泥膠砂抗折強度水泥膠砂抗壓強度強度試驗：水泥:標(biāo)準(zhǔn)砂＝1:3、水灰比＝0.5，試件4×4×16㎝，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，(GB/T17671)

《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》強度等級抗壓強度/MPa抗折強度/MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.04.052.523.052.54.07.052.5R27.05.062.528.062.55.08.062.5R32.05.5硅酸鹽水泥各齡期強度要求（GB175-2020）