1、第 五 节 硅 酸 盐 水 泥Portland Cement概 述 v什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？水泥中的主要矿物硅酸盐系水泥铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥磷酸盐系水泥硫铝酸钙硅酸钙铝酸钙磷酸钙,镁 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。概 述 v什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？水泥的特性膨胀水泥快 硬 水 泥低 热 水 泥抗腐蚀水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系
2、水泥等。硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好 根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。概 述 v什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？硅酸盐系水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。 根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。v硅酸盐系水泥品种硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥；掺混合材的硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥v硅酸盐水泥有P和P两类，后者含有混合材。 水泥在土木工程中的重要作用v水
3、泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！v水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！v水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！主 要 内 容v什么是硅酸盐水泥？v硅酸盐水泥是怎样制造？v硅酸盐水泥的组成？v水泥浆如何转变成坚硬固体？v水泥应满足哪些技术性质？v如何正确使用水泥？u重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。 凡由硅酸盐水泥熟料、05石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅
4、酸盐水泥(即国外通称的Portland Cement). 学 习 目 的v学习硅酸盐水泥的矿物组成，及其与其他水泥的差别；水泥的生产过程及其对性质的影响。 v掌握水泥凝结硬化机理和凝结硬化过程的影响因素；应用这些基本理论，说明水泥和混凝土的性质，指导合理选择与使用水泥，改善水泥基材料的性能。v熟悉水泥各种性质的含义和工程意义；水泥性质的影响因素及其规律；水泥性质的检验方法和评定标准。 一、硅酸盐水泥是怎样制造的？v原原 料：料：硅质：粘土，硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占占1/3 钙质：石灰石、白垩等，钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占占2/3调节原料：铁矿与砂调节原料：铁矿与砂，
5、调节与补充，调节与补充Fe2O3 与与SiO2v制造工艺：制造工艺：原料经原料经粉磨粉磨混合后得到混合后得到水泥生料水泥生料生料经窑内生料经窑内煅烧煅烧得到得到水泥熟料水泥熟料水泥熟料石膏水泥熟料石膏(或再混合材）一起经或再混合材）一起经粉磨粉磨混合混合后得到后得到水泥水泥v自动化生产过程自动化生产过程“两磨一烧”水泥生料可以是：u 与水混合成浆体湿法工艺u 加少量水制成料球半干法工艺u 加稍多水制成湿球半湿法工艺u 干粉混合物干法工艺硅质(粘土)钙 质(石灰石)1450调节原料石膏石膏石膏石膏水水 泥泥生生 料料熟熟 料料混合材混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉粉 磨磨煅煅 烧烧粉粉 磨
6、磨 原料采掘原料采掘原料磨细原料磨细原料混合原料混合反应物产物反应物产物中间产物中间产物预热器回转窑产产 物物熟料冷却熟料冷却熟料储存熟料储存硅酸盐水泥熟料制造工艺流程二、硅酸盐水泥的组成v硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥硅酸盐水泥熟料 Clinkers石膏(CaSO42H2O) Gypsum混合材(矿渣或石灰石粉末) Mineral Additivesv各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时间；混合材：调节水泥的强度等级；必要组分矿物名称 英文名称 缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO
7、42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3含 量(mass%)376015377151018v化学组成：化学组成：主要成分：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F)少量杂质：少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。等。v矿物组成：矿物组成： 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成水泥熟料化学组成与矿物组成的确定方法v水泥熟料中化学成分及其含量直接通过化学分析方法
8、确定： GB/T 1761996 水泥化学分析方法(eqv ISO 680：1990)v水泥熟料的4种矿物的含量不能直接通过分析方法确定，而是采用Bogue方程计算获得： Bogue方程: (C3S) = 4.07(C)7.60(S)6.72(A)1.43(F)2.85() (C2S) = 2.87(S)0.754(C3S) (C3A) = 2.65(A)1.69(F) (C4AF) = 3.04(F)式中：括号表示该物相的质量百分数， = SO3三、水泥浆如何转变成坚硬固体？ 水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体v凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性
9、下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；v硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。 水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。为什么水泥能由浆体变成固体？v水泥与水能发生化学反应水泥与水能发生化学反应水化反应；水化反应；v水化反应将结合占水泥质量水化反应将结合占水泥质量30左右的拌左右的拌和水；和水；v水化反应的产物水化反应的产物水化物能相互凝聚成水化物能相互凝聚成三向网络结构；三向网络结构；v水化反应产物有很大的表面能，而且相互水化反应产物有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。间有很强的次价键力。需学习与掌握的内容：需学习与掌握的内容
10、：v化学过程水泥熟料矿物的水化反应v石膏的作用v物理过程水泥浆的凝结硬化v硬化水泥浆的组成与结构 v水泥浆凝结硬化的影响因素1. 水泥熟料矿物的水化反应v特征：水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应；其水化反应均是放热反应；水化反应是固液异相反应。v反应速度序列：半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO的水化铝酸三钙C3A的水化铁铝酸四钙C4AF的水化硅酸三钙C3S的水化硅酸二钙 - C2S的水化 来自水泥粉磨过程中二水石膏的脱水分解：CaSO42H2O CaSO40.5H2O+1.5H2O硅酸钙C3S与- C2S的水化v硅酸钙水化生成水化硅酸钙C3S2H3C-S-H凝胶和C
11、a(OH)2羟钙石，并放出热： 硅酸三钙：2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g 硅酸二钙：2C2S + 4H C3S2H3 + CH + 62cal/g (C-S-H ) + 羟钙石v特征：形成相同的水化物组成不确定的C-S-H凝胶，组成为： CaxH6-2xSi2O7.zCa(OH)2 nH2O (x, z与温度、水灰比等有关) 其中钙硅比(C/S)： CaO/SiO2 = (xz)/2 C3S反应速度比C2S快，其放热量比C2S大。v水化机理溶液中反应固相颗粒表面的局部反应。水化度水化度水化时间（天）水化时间（天）溶液中的反应v机理：溶解机理：溶解 扩散扩散
12、沉淀沉淀离子在水中的扩散C3S表面离子水化弱化晶体中的化学键，增加pH值水化产物成核CSH析出、凝聚、脱水离开水相，形成凝胶，CH结晶生长表面局部反应v机理：颗粒表面水化物层的形成与扩散 水化物层在固液界面上形成，并不断增厚颗粒表面离子的水化和水解C-S-H的成核Ca(OH)2的成核和生长铝酸三钙C3A的水化v铝酸钙C3A的水化行为在水泥水化早期特别重要v纯C3A与水反应迅速，生产水化铝酸钙： C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13 C3AH6 (不稳定的中间产物) (稳定产物) 这一反应导致水泥浆闪凝或假凝，必须避免！v避免闪凝的有效途径加入石膏CaSO42H2O 这就是硅酸盐
13、水泥生产中，必须加入石膏与水泥熟料一起粉磨的根本原因！ 这一发明是硅酸盐水泥发展史上的一个里程碑。铝酸三钙C3A在石膏存在下的水化反应vC3A与石膏反应首先形成三硫型硫铝酸钙钙矾石晶体，并放出大量热： C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 + 300 cal / g (1) (钙钒石)v反应后期，石膏量不足时，水化生成单硫型硫铝酸钙水化物： C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12 (2)v石膏消耗完后， C3A直接水化形成C3AH6： C3A + 18H2O C3AH6 (3)石膏缓凝机理：v 钙钒石的形成反应(1)速度比纯C3A的反应(3)慢；v 在水泥颗粒表面析出
14、钙矾石晶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝或假凝。铁铝酸四钙C4AF的水化v铁铝酸四钙C4AF与水发生类似于C3A的水化反应，也形成类似的产物钙钒石和单硫型水化物： C4AF + 7H C3AFH6 CFH C4AF + 3CH2 + 26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2 + 20H C3(A,F)C3H16vC4AF水化物的组成是可变，是铝酸盐与铁酸盐的固溶体，并由铁相凝胶产生。vC4AF的水化反应对整个水泥的行为影响较小。Summaryv硅酸钙的水化2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH + 120cal/g2C2S + 4H C3S2H3 + CH +
15、 62cal/g C-S-H + 羟钙石羟钙石v铝酸钙的水化C3A + 18H2O C2AH8 + C4AH13C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 + 300 cal / g （钙钒石）（钙钒石）C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12v铁铝酸钙的水化C4AF + 13H C4(A,F)H13 C4AF + 3CH2+26H C3(A,F)3C3H32 C4AF + CH2+26H C3(A,F)C3H12水泥的水化过程：v当水泥颗粒分散在水中，石膏和熟料矿物溶解进入溶液中，液相被各种离子饱和；v几分钟内，Ca2、SO4 、 Al3 、 OH离子间反应，形成钙钒石；v
16、几小时后，Ca(OH)2晶体和硅酸钙水化物C-S-H开始填充原来由水占据、并溶解熟料矿物的空间；v几天后，因石膏量不足，钙钒石开始分解，单硫型硫铝酸钙水化物开始形成。v此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。石膏的作用v避免水泥浆的闪凝和假凝现象。v调节水泥的凝结时间。v导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。水 泥水 溶 解沉 淀水泥浆的凝结硬化过程扩 散2. 水泥浆的凝结硬化物理过程水泥颗粒水泥颗粒水水水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体硅酸盐水泥水化物理过程模型水泥水化物膜层水泥水化物膜层水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。水化物
17、膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。v先在固液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积；v早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期；v因渗透压或Ca(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期；v随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物
18、颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结；v由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。水泥浆凝结硬化的物理过程证据一：熟料矿物水化物量随时间的增长 随着水泥的水化，水化产物量不断增加，水化物固相所占据的空间越来越多，而原来由水占据的空间越来越少，固体连续相逐渐形成。证据二：水泥浆凝结硬化过程的放热曲线熟料矿物和水泥的水化放热量水泥熟料矿物的水化反应是放热过程硅酸盐水泥水化时的放热曲线水化放热速度水化放热速度溶解：溶解：钙钒石钙钒石形成形成诱导期：诱导期：C
19、a2浓度增加浓度增加C-S-H和和CH快速形成快速形成初凝初凝终凝终凝单硫型硫铝单硫型硫铝酸钙形成酸钙形成扩散控制反应扩散控制反应水泥浆水化放热过程v水泥熟料矿物的水化是放热反应，水泥熟料矿物的水化是放热反应，C3S和和C3A放放热最大，最快；而热最大，最快；而C2S放热最小，最慢。放热最小，最慢。v水泥水化放热有明显的四个阶段：水泥水化放热有明显的四个阶段：1.初始放热初始放热水泥与水一接触，立即放热，放热速度水泥与水一接触，立即放热，放热速度dQ/dt 很快，表明反应激烈。很快，表明反应激烈。2. 放热停滞期放热停滞期 放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。3
20、.放热加速期放热加速期 放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明反应逐渐加快。反应逐渐加快。4.放热减速期放热减速期 放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表明反应逐渐减速。明反应逐渐减速。应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题v水泥生产中为什么掺加石膏？C3A在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；水泥的凝结速度取决于水泥浆体中水化物凝胶微粒的水泥的凝结速度取决于水泥浆体中水化物凝胶微粒的聚集，聚集，Al3对凝胶微粒聚集有促进作用；对凝胶微粒聚集有促进作用；石膏与石膏与C3A反应形成难溶的
21、硫铝酸钙水化物，反应速度反应形成难溶的硫铝酸钙水化物，反应速度减缓，并减少了溶液中的减缓，并减少了溶液中的Al3浓度，延缓了水泥浆的浓度，延缓了水泥浆的凝结速度。凝结速度。v为什么水泥硬化后能产生强度？水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；在浆体硬化过程中，随着水泥矿物的水化，比表面较在浆体硬化过程中，随着水泥矿物的水化，比表面较大的水化物颗粒不断增多，颗粒间相互作用力不断增大的水化物颗粒不断增多，颗粒间相互作用力不断增强，产生的强度越来越高。强，产生的强度越来越高。 v水泥浆体强度的增长规律是什么？ 水泥浆体的强度随龄期而逐渐增长，早期增长快，水泥浆体的
22、强度随龄期而逐渐增长，早期增长快，后期增长较慢，但是只要维持一定的温度和湿度，其后期增长较慢，但是只要维持一定的温度和湿度，其强度可在相当长的时期内增长。这与水泥矿物的水化强度可在相当长的时期内增长。这与水泥矿物的水化反应规律是一致的。反应规律是一致的。v为什么强度发展与环境温、湿度有关？ 水泥的水化需要水，如果没有水，水泥的水化就将水泥的水化需要水，如果没有水，水泥的水化就将停止；提高温度可加快水泥的凝结硬化，而降低温度停止；提高温度可加快水泥的凝结硬化，而降低温度就会减缓水泥的凝结硬化。就会减缓水泥的凝结硬化。v为什么水泥的储存与运输时应防止受潮？ 水泥受潮，因表面水化结块，丧失凝胶能力，
23、强度水泥受潮，因表面水化结块，丧失凝胶能力，强度大为降低。大为降低。 3、硬化水泥浆体水泥石的组成与结构v水泥石的组成固相水泥水化物与未水化的水泥颗粒u胶体相：水化硅酸钙C-S-H凝胶和铁相凝胶等；u晶体相：硫铝酸钙水化物、水化铝酸钙与氢氧化钙晶体等；气相各种尺寸的孔隙与空隙u凝胶孔u毛细孔u工艺空隙液相水或孔溶液u自由水u吸附水u凝胶水v水泥石的组成随水泥水化度而变硬化水泥浆体水泥石的微结构v水泥浆体凝结硬化后形成的固体称为水泥石v水泥石微结构特点多物相固体颗粒堆聚的多孔结构体；各种物相分布不均；各种物相的尺寸不等，形貌不一。 由水化物(胶体和晶体)颗粒、未水化的水泥颗粒内核相互聚集形成连续
24、固体颗粒堆聚结构，大小不等的凝胶孔和毛细孔分布其中。水化良好的水泥石微结构： “A”代表结晶性差、胶体尺寸(1100nm)的C-S-H堆聚体，颗粒间隙尺寸0.53.0nm； “H”代表六方晶体相，尺寸为1m； “C”代表没有被水化物填充，原来由水占据的毛细孔隙或空隙，尺寸在10nm m 。水泥浆中的固体相v水泥石中有四种主要固体相硅酸钙水化物氢氧化钙硫铝酸钙水化物未水化的水泥颗粒水泥浆中的固体相( 2 ) Ca(OH)2羟钙石(portlandite)缩写：缩写：CH体积含量体积含量: 占水泥石体积的占水泥石体积的20 25 %；特征：特征： 表面积较小、次价键力弱表面积较小、次价键力弱 耐久
25、性和强度。耐久性和强度。组成特点：组成特点： 组成确定组成确定Ca(OH)2。 结构特点：结构特点： 六方片状晶体，与天然羟钙石六方片状晶体，与天然羟钙石Portlandite 相似。相似。形貌：形貌： 大片状晶体的堆积体。大片状晶体的堆积体。（3）水化硫铝酸钙）水化硫铝酸钙Calcium Sulfoaluminate Hydrates缩写：缩写：Aft、Afm含量：含量： 占水泥石体积的占水泥石体积的 15 20 %。 组成特点：组成特点：开始时，形成三硫型硫铝酸钙开始时，形成三硫型硫铝酸钙钙钒石钙钒石 ettringite(Aft)后期，转变为后期，转变为 单硫型硫铝酸钙单硫型硫铝酸钙 m
26、onosulfate hydrates(Afm)结构特点：结构特点： 结晶性好的晶体结晶性好的晶体形貌：形貌： Aft针状晶体；针状晶体；Afm六方片状晶体六方片状晶体水泥浆中的固体相v未水化的水泥颗粒内核v处于水化物包裹中v水灰比越小，其含量越多水泥浆中的固体相水泥石中的孔隙vC-S-H凝胶中的层间孔隙凝胶孔 gel pores尺寸尺寸 = 5 25 含量：约占含量：约占C-S-H凝胶的凝胶的28%对强度和抗渗性无害，对干缩和徐变有一定影响对强度和抗渗性无害，对干缩和徐变有一定影响v毛细孔 Capillary Voids尺寸50 nm ，与水灰比有关 对强度和抗渗性有害，对干缩和徐变有重大影
27、响v空隙 Air Voids夹杂的空气泡: 3 mm引入的空气泡: 50 200 m对强度和抗渗性非常有害黑色代表孔隙黑色代表孔隙凝胶孔凝胶孔毛细孔毛细孔凝胶凝胶水泥石的孔结构模型水泥石中孔分布与水灰比水泥石中孔分布与水化龄期水泥石中的水v水蒸气 大的孔隙部分被水填充，剩余空间是与环境温、湿度和压力平衡的水蒸气。v毛细孔水毛细孔和 大的凝胶孔中的水孔径50nm的孔隙中的水自由水孔径50nm的孔隙中的水毛细张力水v吸附水 固体表面吸附的水，5个水分子层，厚度1.3nm，干燥到30的相对湿度，可失去。v层间水 小于2.6nm的 凝胶孔中的水，强干燥到10 相对湿度时，可失去。v化学结合水 水泥水化
28、反应所结合到水化物中的水，只有加热到9001000C才会失去。化学结合水量可用于测定水泥水化度。 (105C)可蒸发水(105C)不可蒸发水水泥石中的水的分布模型层间水层间水毛细孔水毛细孔水吸附水吸附水（1）水泥矿物组成）水泥矿物组成（2）水泥细度）水泥细度（3）养护条件（温度、湿度）与时间）养护条件（温度、湿度）与时间 （4）拌合用水量）拌合用水量（5）水泥中的混合材）水泥中的混合材（6）水泥外加剂）水泥外加剂水泥凝结硬化的主要影响因素 水泥浆的凝结硬化取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数： R(t) = f(C3S)f(细度细度)f(T)f(W/C
29、)水泥熟料中单一矿物的水化速度水化度()时间(天)水泥熟料矿物组成的影响v水泥熟料矿物的水化速度： C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2Sv水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快；v水泥的C3A和C3S含量越低，凝结硬化速度越慢；石膏掺量的影响v石膏主要降低C3A的水化速度；v掺量太少，凝结较快；v过多，凝结硬化影响不大。石膏掺量对C3A浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量)的影响放热速度(W/kg)试时间(h)石膏掺量增加： 放热速度减慢 放热峰延后石膏掺量对石膏掺量对C3A与硅酸钙与硅酸钙浆体初凝时间的影响浆体初凝时间的影响 石膏掺量增加，凝结硬化加快； 掺量
30、达到一定后，再增加，影响不大。水泥颗粒细度的影响v水泥颗粒越细，水化速度越快，为什么？ 答：水泥的水化反应是液固异相反应，反应首先发生在液固界面上； 水泥颗粒越细，比表面积越大，界面区越大，反应点越多，因此水化速度越快。比表面积比表面积 m2/kg放热速度放热速度时间时间/小时小时细度(比表面积)对C3S浆体(水/固比1.0)水化速度(放热量)的影响水泥浆比表面积与水化度随时间的关系水泥浆比表面积与水化度随时间的关系水化度(%)比表面积(m2/cm3)水泥细度水泥细度Fineness of Cement粒径： 3m 水化非常迅速，需水量增大； 90 m 几乎接近惰性。温度与湿度的影响v温度升高
31、，水化反应加快，凝结硬化加速，为什么？v温度升高10C，速度加快一倍。v温度低于0C时，水化反应基本停止。v保持一定湿度，有利于水泥的水化。温度升高，放热速度加快，诱导期时间缩短温度升高，放热速度加快，诱导期时间缩短未水化未水化水泥水泥毛细孔毛细孔水泥凝胶水泥凝胶体积比体积比水灰比水灰比长时间放长时间放置在水中置在水中的水泥浆的水泥浆体水化最体水化最终生成物终生成物体积比体积比未水化未水化水泥水泥水泥凝胶水泥凝胶毛细孔毛细孔长时间密长时间密封放置的封放置的水泥浆体水泥浆体水化最终水化最终生成物生成物水灰比水灰比拌和用水量的影响v重要概念：水灰比水泥浆体中拌和水量与水泥质量之比(W/C)；v水泥
32、熟料矿物完全水化的理论水灰比0.23；v水灰比越大，需要水化物固相填充的孔隙越多，凝结硬化所需时间越长；v水灰比越大，水泥石中孔隙越多，强度越低。水灰比对水泥浆体中水化物与孔隙体积的影响SummaryvC3S、C3A含量多，凝结硬化快，反之亦然。含量多，凝结硬化快，反之亦然。v掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。v有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。 v细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。 v水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝结硬化水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝结硬化
33、速度越慢。速度越慢。v提高温度，加快水泥的凝结硬化；保持足够的水提高温度，加快水泥的凝结硬化；保持足够的水分有利于水泥的凝结硬化分有利于水泥的凝结硬化 问题？v水泥凝结硬化速度快，好吗？ 答：水化加快，放热速率加速，升温并膨胀，凝结硬化形成的微结构体积较疏松，且在随后的降温期间，或受干燥环境作用收缩变形时产生大量微裂缝，致使结构混凝土强度与渗透性（耐久性）受到严重影响。v水泥宜在什么条件下凝结硬化？ 答：水泥宜在常温(2010C)与相对湿度较高的条件下，凝结硬化。即水泥水化速度适宜的温度，水化 所需水分供应充足的条件。四、硅酸盐水泥应满足哪些技术性质v密度与堆积密度密度与堆积密度v细度细度v标
34、准稠度用水量标准稠度用水量v凝结时间凝结时间v体积安定性体积安定性v强度强度v水化热水化热v不溶物和烧失量不溶物和烧失量v碱含量碱含量v耐腐蚀性耐腐蚀性软水侵蚀软水侵蚀盐类侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀酸类腐蚀强碱腐蚀强碱腐蚀防腐措施防腐措施1.密度与堆积密度v密度密度 3.053.20，混凝土配合比计算时，一般取，混凝土配合比计算时，一般取3.10。v堆积密度堆积密度 10001600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取，在工地计算水泥仓库时，一般取1300 kg/m3 。v密度的测量方法密度的测量方法 排液法，用煤油作为测量液体。排液法，用煤油作为测量液体。 2. 细细 度度v定义定义 细度是指
35、水泥粉体的粗细程度。细度是指水泥粉体的粗细程度。v测量方法测量方法筛分析法筛分析法 以以80 m方孔筛的筛余量表示；方孔筛的筛余量表示；比表面积法比表面积法 以以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来水泥颗粒所具有的总表面积来表示。表示。 v国标要求国标要求硅酸盐水泥的比表面积应大于硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。普通水泥普通水泥80 m方孔筛的筛余量不得超过方孔筛的筛余量不得超过10.0%。v细度不符合要求的水泥为细度不符合要求的水泥为不合格品不合格品！ 问题：为什么需要规定水泥的细度？解答：解答：v水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度
36、，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；v虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；利；v水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；v水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。降低强度。3. 标准稠度用水量 v标准稠度：标准稠度： 按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，试锥下沉（282）mm时的水泥
37、净浆的稠度。 v标准稠度用水量：标准稠度用水量： 是指水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量，用水与水泥质量的比来表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水泥量一般在21%28%。 试锥下降高度试锥下降高度水泥浆水泥浆试锥试锥问题：标准稠度用水量与什么因素有关？为什么？ v解答：解答： 与水泥细度、水泥矿物组成、混合材与水泥细度、水泥矿物组成、混合材掺量等有关。因为水泥颗粒越细，比表掺量等有关。因为水泥颗粒越细，比表面越大，表面吸附水越多；水泥矿物组面越大，表面吸附水越多；水泥矿物组成和混合材掺量不同，颗粒的表面吸附成和混合材掺量不同，颗粒的表面吸附特性不同，吸附水量不同。特性不同，吸附水量不同。 4. 凝结
38、时间 v概念：概念： 凝结时间水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝时间初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；所需的时间；终凝时间终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。并开始具有强度所需的时间。v测定方法：测定方法： 用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。v国标要求：硅酸盐水泥国标要求：硅酸盐水泥初凝时间初凝时间45min；终凝时间终凝时间390min。水泥凝结时间的测定水泥凝结时间的测定标准稠度标准稠度
39、水泥浆水泥浆离底离底12mm为初凝为初凝园弧形园弧形压痕压痕终终凝凝 国标国标 规定：凡初凝时间不符合规定的水泥为规定：凡初凝时间不符合规定的水泥为废品废品；终凝时间不符合规定的水泥为终凝时间不符合规定的水泥为不合格品不合格品。为什么？。为什么？ 答：答：v水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量；操作和硬化的混凝土质量；v初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用价值，即为能差，水泥无使用价值，即为废品废品；v终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即终凝时间
40、太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即为为不合格品不合格品。5. 体积安定性 v基本概念：基本概念：水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。若水泥石的体积变化均匀适当，则水泥的体积安定性良好；若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。v体积安定性不良的水泥为体积安定性不良的水泥为废品废品！ 为什么？v水泥体积安定性不良的原因：水泥熟料中含有过多的游离水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。和石膏。因为水泥熟料中的游离因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体度很慢。在已
41、硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。泥石开裂、翘曲。石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀生膨胀 。5. 体积安定性 v检测方法：检测方法：试饼法试饼法 雷氏夹法雷氏夹法 5. 体积安定性 试饼法试饼法雷氏夹法雷氏夹法合格标准：5mm。肉眼观察表面肉眼观察表面有无裂纹有无裂纹用直尺检查有无弯曲用直尺检查有无弯曲合格标准：无裂纹、无弯曲。试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹，用直尺检查没
42、有弯曲，则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体积安定性不合格。6. 强 度 v检验方法检验方法软练胶砂法，分别测量抗压强度软练胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。和抗折强度。试件尺寸：试件尺寸：4040160mm棱柱体；棱柱体；胶砂配比：胶砂配比： 水泥水泥 : ISO标准砂标准砂 : 水水= 1 : 3 : 0.5；振动成型：振动成型： 在频率为在频率为28003000次次/min，振幅，振幅0.75mm的振实台的振实台上成型。振动时间上成型。振动时间120s。试件养护：试件养护：
43、在在20 C 1C，相对湿度不低于，相对湿度不低于90%的雾室或养护的雾室或养护箱中箱中24h，然后脱模在，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试的水中养护至测试龄期；龄期；100mm160mmP抗折强度试验抗折强度试验PP抗压强度试验抗压强度试验强度测量：强度测量： 将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600mm2。 结果计算：结果计算： 抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平均值。强度等级：根据强度等级：根据3 3天和天和2828天强度测试结果，将水泥强度划分若天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级干个强度等级 3d
44、28d时间（时间（d）强度强度（MPa）水泥强度发展规律v早期增长快，随后逐渐减慢；v28天，基本达到极限强度的80以上；v在合适的温湿度条件下，强度增长可以持续几十天 乃至几十年。问题：为什么水泥强度检验方法要规定试件问题：为什么水泥强度检验方法要规定试件尺寸、试件配比、养护条件、养护时间等？尺寸、试件配比、养护条件、养护时间等？ v解答解答：水泥胶砂试件的强度与水泥的组成、试件的水灰比水泥胶砂试件的强度与水泥的组成、试件的水灰比和砂灰比、水泥的水化程度，以及试件的大小有关，和砂灰比、水泥的水化程度，以及试件的大小有关，而水泥的水化程度与养护条件和养护时间有关；而水泥的水化程度与养护条件和养
45、护时间有关；水泥强度检验目的是检验具有确定组成的水泥的强水泥强度检验目的是检验具有确定组成的水泥的强度，因此，为排除其它因素的影响，将这些因素统度，因此，为排除其它因素的影响，将这些因素统一规定，以便相互比较。一规定，以便相互比较。水泥石强度的影响因素v水泥石强度来自水化物颗粒间的相互作用力次价键力在整个表面积上的积分和；v水泥石内部水化物颗粒的表面积很大，因此，理论强度大于600MPa；v影响水泥石强度的关键因素是孔隙率P： Powerss公式：k(1-P3)v影响孔隙率的因素均影响水泥石的强度水灰比 水灰比越大，孔隙率越大，强度越低水泥组成：熟料矿物、混合材养护条件：温度、湿度、龄期水泥细
46、度：水泥颗粒越细，强度发展越快水泥石强度与孔隙率的关系水泥熟料矿物组成对强度的影响水泥品种对强度的影响水泥细度对强度的影响7.水化热 v概念：概念： 水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。v放热特征放热特征： 水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。内释放。v水化热的益处与危害：水化热的益处与危害： 水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大体积
47、混凝土，更是如此。体积混凝土，更是如此。v水化热和放热速度的影响因素：水化热和放热速度的影响因素：水泥矿物组成水泥矿物组成水泥细度水泥细度 问题？v为什么水泥颗粒越细，水化放热越快？为什么水泥颗粒越细，水化放热越快？ 答答: : 水泥矿物的水化反应是放热反应，水泥颗粒越细，水泥矿物的水化反应是放热反应，水泥颗粒越细，水化反应速度越快。水化反应速度越快。v硅酸盐水泥熟料的四种矿物中，哪一种水化热最硅酸盐水泥熟料的四种矿物中，哪一种水化热最大？哪一种水化热最小？大？哪一种水化热最小？ 答：答： 铝酸三钙铝酸三钙C3A水化热最大；硅酸三钙水化热最大；硅酸三钙C3S次之；硅次之；硅酸二钙酸二钙C2S水
48、化热最小。水化热最小。v为什么要限制水泥的不溶物含量和烧失量？为什么要限制水泥的不溶物含量和烧失量？ 答：答：不溶物是指水泥经酸和碱处理后，不能被溶解的不溶物是指水泥经酸和碱处理后，不能被溶解的残余物；烧失量是指水泥经高温灼烧后的质量损失率。这残余物；烧失量是指水泥经高温灼烧后的质量损失率。这两项指标超标表示水泥中不能水化的杂质含量大，影响水两项指标超标表示水泥中不能水化的杂质含量大，影响水泥硬化后的性能。泥硬化后的性能。问题？v试从应用的角度，分析水泥的技术性质及其要求？试从应用的角度，分析水泥的技术性质及其要求？ 答：答：水泥是一种胶凝材料，是主要的结构材料之一，因此，水泥是一种胶凝材料，
49、是主要的结构材料之一，因此，它必须具有强度和体积安定性；它必须具有强度和体积安定性；细度和标准稠度用水量是相互关联的，用水量大将影响细度和标准稠度用水量是相互关联的，用水量大将影响强度；强度；为了浇注成型施工，应对凝结时间有所限制；为了浇注成型施工，应对凝结时间有所限制；水化热对水泥硬化过程和硬化后的水泥石体积稳定性有水化热对水泥硬化过程和硬化后的水泥石体积稳定性有影响；影响；碱含量、不溶物和烧失量影响水泥的品质；碱含量、不溶物和烧失量影响水泥的品质；为了结构物自重的计算，必须知道水泥的密度。为了结构物自重的计算，必须知道水泥的密度。水泥质量的判定 技术性质技术性质 不符合要求不符合要求 细细
50、 度度 不合格品不合格品凝结时间凝结时间 （初凝）（初凝）废品废品 （终凝）不合格品（终凝）不合格品体积安定性体积安定性 废废 品品 强强 度度 不合格品或降低等级不合格品或降低等级不溶物和烧失量不溶物和烧失量 不合格品不合格品8. 水泥的耐腐蚀性水泥的耐腐蚀性 v基本概念：基本概念： 在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。水泥石抵抗这种作用、而保持不变的能力称水泥石抵抗这种作用、而保持不变的能力称为其为其
