1、第四章 水 泥 水泥的定义及分类1、水泥定义：水泥呈粉末状，与水混合，成可塑性浆体，经过物理化学反应过程可形成坚固的石状休，既能在空气硬化，又能在水中硬化的水硬性胶凝材料。2、水泥分类铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥、铁铝酸盐系水泥水泥硅酸盐系水泥 通用水泥 专用水泥 特性水泥 大量用于大量用于般土木般土木工程的水泥工程的水泥,如硅酸如硅酸盐水泥、普通水泥盐水泥、普通水泥等六大常用水泥等六大常用水泥专门用途的水泥，如油井水专门用途的水泥，如油井水泥泥、大坝水泥大坝水泥某种性能比较突出的水泥，某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥如快硬硅酸盐水泥常用水泥六大品种水泥硅酸盐水泥掺混合材料硅酸盐水泥普通
2、硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥的定义及分类 凡以硅酸盐水泥熟料（凡以适当生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主的水泥熟料），05的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，称为硅酸盐水泥硅酸盐水泥(即国外通称的波特兰水泥)。 当硅酸盐水泥中不掺混合材料时，称为型硅酸盐水泥，代号P.。 当硅酸盐水泥中混合材料掺量不超过5%时，称为型硅酸盐水泥，代号P.。二、硅酸盐水泥的生产及熟料矿物组成 1 1、水泥生产、水泥生产 原料主要有：石灰质原料（主要提供氧原料主要有：石灰质原料（主要提供氧化钙）和粘土质原料（主要提供氧化硅、氧化钙）和粘土
3、质原料（主要提供氧化硅、氧化铝及氧化铁），还有校正原料（主要是铁化铝及氧化铁），还有校正原料（主要是铁质校正原料，硅质校正原料）。硅酸盐水泥质校正原料，硅质校正原料）。硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是的生产工艺概括起来就是“两磨一烧两磨一烧”。 生产工艺过程：“两磨一烧” 煅烧的过程：100-200 水分蒸发，干燥阶段300-500 原材料预热阶段500-800 分解阶段，粘土开始脱水，生 成氧化硅、氧化铝及氧化铁，石灰石有少量分解生成氧化钙900-1100 固相反应阶段1100-1200 反应较完全1300-1450 生成硅酸三钙的过程，时间足够长。 2、孰料矿物组成 硅酸三钙(简写式C3S
4、)其矿物组成为3CaOSiO2，含量约50%左右 硅酸二钙(简写式C2S)其矿物组成为2CaOSiO2，含量约20%左右 铝酸三钙(简写式C3A)其矿物组成为3CaOAl2O3，含量7%15% 铁铝酸四钙(简写式C4AF)矿物组成为4CaOAl2O3Fe2O3，含量10%18% 硅酸盐水泥熟料中还含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁及少量的碱(氧化钠和氧化钾)。它们可能对水泥的质量及应用带来不利影响。硅酸盐水泥熟料矿物水化、凝结硬化特性名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙凝结硬化速度28d水化放热量强度 快多高 慢少早期低，后期高 最快最多低 快中低 三、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化1、水化222
5、22)(3032363OHCaHSiOCaOOHSiOCaO22222)(3234)2( 2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaOOHOAlCaOOHOAlCaO2322326363OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374OHCaSOOAlCaOOHOHCaSOOHOAlCaO2432224232313319)2( 363 2、硬化 硬化后的水泥石是由胶体粒子、晶体粒子、凝胶孔、毛细孔及未水化的水泥颗粒所组成。其结构如图所示。 A未水化水泥颗粒B胶体粒子C晶体粒子D毛细孔（毛细孔水）E凝胶孔四、硅酸盐水泥的技术要求1、细度：水泥颗粒的粗细程度。国家
6、标准规定：硅酸盐水泥的细度用透气式比表面积仪测定，要求其比表面积测定，要求其比表面积大于300m2/kg；用筛析法，要求在0.08mm方孔筛上的筛余量不得超过10%。2、凝结时间：（1）初凝时间：水泥加水拌合至标准稠度净浆开始失去可塑性的时间。国家标准规定不早于45min。（2）终凝时间：水泥加水拌合至标准稠度净浆开始失去可塑性的时间。国家标准规定不迟于390min。3.体积安定性（1）概念：指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。（2）危害：水泥体积安定性不良产生膨胀性裂缝，降低建筑物质量 ，甚至引起严重工程事故。因此体积安定性不合格的水泥作废品处理。（3）水泥安定性不良的原因：熟料中含有过
7、多的游离氧化钙或游离氧化镁，或者水泥粉磨时所掺的石膏过量。（4）国家标准规定：用沸煮法检验必须合格。（5）检测方法：可采用试饼法或雷氏法检验。在有争议时以雷氏法为准。试饼法：沸煮三小时、肉眼观察有没有裂纹，直尺检查有没有弯曲现象。雷氏法：看膨胀值。在规定的范围内属合格。氧化镁含量不得超过5.0%、三氧化硫含量不得超过3.5% 4.强度及强度等级 （1 1）意义：水泥的强度是评定其质量的重要指标，也是）意义：水泥的强度是评定其质量的重要指标，也是划分水泥强度等级的依据。划分水泥强度等级的依据。（2 2）国家标准规定：采用）国家标准规定：采用ISOISO法检验水泥胶砂强度。法检验水泥胶砂强度。该法
8、是将水泥和标准砂按该法是将水泥和标准砂按1 1：3.03.0混合，加入规定数量的水混合，加入规定数量的水( (水灰比水灰比0.50),0.50),并按规定的方法制成并按规定的方法制成40mm40mm40mm40mm160mm160mm的的试件，在标准温度试件，在标准温度(20(20士士1)1)的水中养护，分别测定其的水中养护，分别测定其3d3d和和28d28d的抗压强度和抗折强度。的抗压强度和抗折强度。（3 3）强度等级：根据）强度等级：根据3d、28d的抗压强度和抗折强度的抗压强度和抗折强度结果结果, ,将硅酸盐水泥分为将硅酸盐水泥分为42.542.5、42.5R42.5R、52.552.5
9、、52.5R52.5R、62.562.5和和62.5R62.5R六个强度等级。水泥按六个强度等级。水泥按3d3d强度又分为普通型和早强强度又分为普通型和早强型两种类型，其中有代号型两种类型，其中有代号R R者为早强型水泥。者为早强型水泥。五、硅酸盐水泥的腐蚀与防止 1、已经硬化的水泥制品在一般条件下，具有良好的耐久性 ，但在某些腐蚀性液体和气体（统称侵蚀介质）的作用下，有时也会逐渐遭到破坏，引起强度降低甚至造成建筑物结构破坏，这样的现象叫做侵蚀对水泥石的腐蚀。产生水泥石腐蚀的主要原因有以下几种：（1）.淡水腐蚀 水泥石中氢氧化钙等易溶于水的成分，在淡水中有较大的溶解度(1升水中能溶氢氧化钙1.
10、3克以上），水质越纯，溶解度越大。特别是在流动水的冲刷或压力水的渗透作用下会加速其溶解，致使水泥石的孔隙增大强度降低，逐渐被破坏。（2）. 酸性腐蚀 在工业废水、地下水、沼泽水中常含有不同种类的酸，这些酸与水泥石中的氢氧化钙作用，生成的化合物有的易溶于水，有的体积膨胀，使水泥石受到腐蚀以至破坏。 （3）.硫酸盐腐蚀 在海水、地下水或某些工业废水中常含有钠、钾、铵等硫酸盐，它们与水泥石中的氢氧化钙起置换作用，在水泥石的孔隙中形成石膏，石膏进一步与水泥石中水化铝酸钙起作用，生成针状结晶的水化硫驴酸钙，体积增大22.5倍，从而对水泥石产生巨大的破坏作用。因水化硫铝酸钙的针状结晶与细菌中的杆菌外形相似
11、，所以被称为“水泥杆菌”。此外，镁盐、碳酸水及强碱等对水泥石均有一定的腐蚀作用。 根据产生腐蚀的原因可采取下列防止措施：（1） 根据建筑物所处的环境，选用适当的水泥；（2） 提高水泥制品本身的密实度，减少侵蚀介质的渗透；（3） 当侵蚀作用很强时，在水泥结构物表面加做防护层，如涂刷沥青、粘贴瓷砖等。六、硅酸盐水泥的运输及保管 水泥很容易吸收空气中的水分，发生水化作用凝结成块状，从而失去胶结能力。因此水泥在运输和保管中应特别注意防水，防潮。工地存储水泥应有专用仓库，库房要干燥。存放袋装水泥时，地面垫板要离地30cm，四周离墙 30cm，堆放高度一般以10袋为宜，水泥的储存应按照到货先后依次堆放，尽
12、量作到先到先用，防止存放过久。不同品种不同标号的水泥要分别存放，不得混杂，并要防止其他杂务混入。一般水泥的储存气为三个月，三个月后的强度降低约1020%，时间越长，强度降低越多，使用存放三个月以上的水泥，必须重新检验其强度，否则不得使用。对于受潮水泥可以进行处理，然后再使用。七、硅酸盐水泥的特性、应用 1.快硬、高强 硅酸盐水泥强度等级比较高，主要用于地上、地下和水中重要结构的高强度混疆土和颈应力混凝土工程。由于这种水泥硬化较快，还适用于早期强度要求高和冬季施工的混凝土工程。这是由于决定水泥石28d以内强度的C3S含量高以及凝结硬化速率高，同时对水泥早期强度有利的C3S含量较高。2.抗冻性好
13、水泥石的抗冻性主要取决于它的孔隙率和孔隙特征。硅酸盐水泥如 采用较小水灰比，并经充分养护，可获得密实的水泥石。因此这种水泥适用于严寒地区遭受反复冻融的混凝土工程。 特性、应用特性、应用3.耐腐蚀性差 硅酸盐水泥石中含有较多的氢氧化钙和水化铝酸钙，所以不宜用于受流动及压力水作用的混凝土工程也不宜用于海水、矿物水等腐蚀作用的工程。4.耐热性较差 硅酸盐水泥石的主要成分在高温下发生脱水和分解，结构遭受破坏。因而从理论上讲，硅酸盐水泥并不是理想的防火材料。5.水化热高硅酸盐水泥中C3S及C3A含量较多，它们的放热大，因而不宜用于大体积混凝土工程。6、干缩小 硅酸盐水泥硬化时干燥收缩小，不易产生干缩裂纹
14、，故适用于干燥环境。掺掺混合材料的硅酸盐水泥 一、混合材料1、定义： 在生产水泥时，为改善水泥性能，调整水泥标号而加入到水泥当中去的天然或人工的矿物材料。 混合材料还可促使水泥中的矿物组分发生变化，使某些性能如水化热、抗侵蚀性等得到改善。2、分类（1）活性混合材混合材料磨成细粉，与石灰或与石灰和石膏拌合在一起，并加水后，能生成具有胶凝性的水化产物，既能在空气中，又能在水中硬化的，称活性混合材料。粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰都属于活性混合材料。 （2）非活性混合材磨细的石英砂、石灰石、慢冷矿渣和各种废渣等属于非活性混合材料，它们与水泥成分不起化学作用或化学作用很小。只起提高水泥产量，降
15、低水泥标号，减少水化热等作用。配高标号混凝土用。降低成本，改善性能的作用。 3、活性混合材料的作用 与水调和后，本身不会硬化，但在氢氧化钙的溶液就会发生显著的水化，而在饱和的氢氧化钙的溶液中水化更快，水化反应一般认为：xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO SiO2 nH2Ox与混合材料的种类、石灰和活性氧化硅的比例、环境温度及作用所延续的时间等有关，一般认为1或稍大，n值一般为1-2.5。Ca(OH)2与SiO2作用的过程是无定形的硅酸吸收钙离子，开始形成不定成分的吸附系统，后形成无定形的水化硅酸钙，再经过较长一段时间后慢慢转变成结晶不完善的凝胶。Ca(OH)2与Al2O3作用形成水
16、化铝酸钙，石膏存在时与水化铝酸钙作用生成水化硫铝酸钙。激发剂：激发水化，促进凝结硬化的作用。分为碱性激发剂和硫酸盐激发剂。 1、普通硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、615混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥)代号P.O。 2、矿渣硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和2070的粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥(简称矿渣水泥)，代号P.S。 3、 火山灰质硅酸盐水泥： 由硅酸盐水泥熟料和2050的火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥(简称火山灰水泥)，代号P.P。4、 粉煤灰硅酸盐水泥：
17、由硅酸盐水泥熟料和2040的粉煤灰及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥(简称粉煤灰水泥)，代号P.F。 5、复合硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥,代号PC。二、掺混合材料的酸盐水泥 三、掺混合材料的硅酸盐水泥的水化硬化：水化：分二步进行：硅酸盐水泥熟料与水发生反应，生成的产物与硅酸盐水泥相同，随后是熟料矿物水化析出的氢氧化钙和掺入水泥中的石膏分别作为碱性激发剂和硫酸盐激发剂，与活性混合材料的活性成分发生二次水化反应，生成水化产物。凝结硬化与硅酸盐水泥基本相同，但稍慢。二次水化：水泥熟料矿物水
18、化后的产物与活性氧化物进行反应，生成新的水化产物，称二次水化。四、掺混合材料的硅酸盐水泥的技术性质：1、细度：0.08mm方孔筛，筛余量不得超过10.0%。2、凝结时间：初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。3、体积安定性：除了矿渣水泥中三氧化硫含量不得超过4.0%外，其他技术要求均与硅酸盐水泥相同。4、强度及强度等级：强度等级有强度等级有32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R。1.凝结硬化建度慢，早期强度低，但后期强度增长较多，甚至可超过同强度等级的硅酸盐水泥或普通水泥。故这三种水泥不宜用于有早强要求的工程2.耐热性好。氢氧化钙含量低。3.水化放热速度
19、慢，放热量低宜用大体积混凝土工程4.抗软水和抗硫酸盐腐蚀的能力较强所以抗这两种腐蚀的能力比硅酸盐水泥或普通水泥要强故适用于受软水或硫酸盐腐蚀的水利工程，海港工程及地下工程5.抗冻性差这三种水泥早期强度低受冻易损害，且混合材料加入需水量大，又因为保水性差，易在水泥内产生孔隙通道，抗冻性差。故不宜用于严寒地区，特别是严寒地区水位经常变动的部位个性矿渣水泥矿渣水泥耐热性较好耐热性较好可用于耐热砼可用于耐热砼泌水性、干缩性较大，易形成孔隙通道，抗渗性泌水性、干缩性较大，易形成孔隙通道，抗渗性差。差。火山灰水泥火山灰水泥抗滲性好抗滲性好适宜于抗滲砼（干燥环境第二步反应适宜于抗滲砼（干燥环境第二步反应停止
20、）停止）干缩较大、不耐干燥干缩较大、不耐干燥不宜用于干燥环境不宜用于干燥环境粉煤灰水泥粉煤灰水泥干缩小、抗裂性好干缩小、抗裂性好铝酸盐水泥 一、高铝水泥的生产、矿物组成与水化产物1.生产：高铝水泥又称矾土水泥，它是以铝矾土和石灰石为原料，经锻烧制得以铝酸钙为主要成分、氧化铝含量约50的熟料，再磨细制成的水硬性胶凝材料。2.矿物组成：高铝水泥的主要矿物成分为铝酸一钙(简写为CA)，另外还有二铝酸一钙(简写为CA2)、硅铝酸二钙(简写为C2AS)、七铝酸十二钙(简写为Cl2A7)，以及少量的硅酸二钙(C2S)等。3.水化产物：高铝水泥的水化产物主要为十水铝酸一钙(CAH10)、八水铝酸二钙(C2A
21、H8)和铝胶 (A1203.3H20)。CAH10和C2AH8具有细长的针状和板状结构，能互相结成坚固的结晶连生体，形成晶体骨架。析出的氢氧化铝凝胶难溶于水，填充于晶体骨架的空隙中，形成较密实的水泥石结构。高铝水泥初期强度增长很快，但后期强度增长不显著。CAH10和C2AH8是介稳型晶体，随时间的推移会逐渐转变为稳定的水化铝酸三钙(C3AH6)。二、高铝水泥的特性及应用1.快凝早强，1d强度可达最高强度的80以上。2.水化热大，且放热量集中，1d内放出水化热总量的70一80，使混凝土内部温度上升较高，故即使在一10下施工，高铝水泥也能很快凝结硬化。3.抗硫酸盐性能很强，因其水化后无Ca(OH)
22、2生成。4.耐热性好，能耐13001400高温。5.长期强度要降低，一般降低40一50。立方体晶体C3AH6相互搭接差，使骨架强度降低。二是在晶型转化的同时，固相体积将减缩约50，使孔隙率增加。二是在晶形 转变过程中析出大量游离水，进一步降低了水泥石的密度，从而使强度下降。6. 施工适宜温度为15，应控制在不大于25。也不能进行蒸汽养护。高铝水泥不能用于长期承重的结构及高温高湿环境中的工程，适用于紧急军事工程(筑路、桥)，抢修工程(堵漏等)、临时性工程，以及配制耐热混凝土，如高温窑炉炉衬等。配制高铝水泥混凝土时应采用低水灰比。不经过试验，高铝水泥不得与硅酸盐水泥或石灰相混，以免引起闪凝和强度下
23、降。其他品种水泥其他品种水泥 1 1、快硬水泥、快硬水泥2 2、白色硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥3 3、膨胀水泥和自应力水泥、膨胀水泥和自应力水泥4 4、道路硅酸盐水泥、道路硅酸盐水泥5 5、中热水泥和低热矿渣水泥、中热水泥和低热矿渣水泥快硬水泥 1、快硬硅酸盐水泥 凡以硅酸盐水泥熟料和石膏磨细制成，以3 d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥）。 快硬水泥以3d强度确定其标号。制造过程与硅酸盐水泥基本相同，只是适当增加了熟料中硬化快的矿物，即硅酸三钙含量达50一60，铝酸三钙为8一14，两者总量应不少于60一65。同时适当增加石膏掺量(达8)，并提高水泥的粉磨细度
24、，通常比表面积达450m2kg。 快硬硅酸盐水泥水化放热速率快，水化热较高，早期强度高，但干缩率较大。主要用于配制早强混凝土，适用于紧急抢修工程和低温施工工程。2、快硬硫铝酸盐水泥凡以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物，加入适量石膏磨细制成的早期强度高的水硬性胶凝材料，称为快硬硫铝酸盐水泥。快硬硫铝酸盐水泥的主要矿物为无水硫铝酸钙和-C2S 。膨胀水泥和自应力水泥 硅酸盐膨胀水泥是以硅酸盐水泥为主，外加高铝水泥和石膏配制而成。膨胀源均来自于在水泥石中形成钙矾石产生体积膨胀而致。膨胀水泥适用于补偿混凝土收缩的结构工程，作防渗层或防渗混凝土；填灌构件的接缝及管道接头；结构
25、的加因与修补；固结机器底座及地脚螺丝等。自应力水泥适用于制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件。 使水泥产生膨胀的反应主要有三种：Ca0水化生成Ca(OH)2、Mg0水化生成Mg(OH)2以及形成钙矾石，因为前两种反应产生的膨胀不易控制，目前广泛使用的是以钙矾石为膨胀组分的各种膨胀水泥。 自应力硅酸盐水泥:以适当比例的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、高铝水泥和天然二水石膏磨制而成的膨胀性的水硬性胶凝材料称为自应力硅酸盐水泥。自应力铝酸盐水泥:自应力铝酸盐水泥是以一定量的高铝水泥熟料和二水石膏粉磨而成的大膨胀率胶凝材料。按1 ：2标准砂浆28 d自应力值分为3.0，4.5和6.0三个级别。膨胀硫铝酸盐水
26、泥: 凡以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量二水石膏磨细制成的具有可调膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为膨胀硫铝酸盐水泥。白色硅酸盐水泥 普通水泥的颜色主要因其化学成分中所含氧化铁所致。因此，白水泥与普通水泥制造上的主要区别，在于严格控制水泥原料的铁含量，并严防在生产过程中混入铁质。白水泥中铁含量只有普通水泥的110左右。此外，锰、铬等氧化物也会导致水泥白度的降低，故生产中亦须控制其含量。 白水泥与普通水泥生产方法基本相同，但对原材料要求不同。生产白水泥用的石灰石及粘土原料中的氧化铁含量应分别低于01和07。常用的粘土质原料有高岭土、瓷石、白泥、石英砂
27、等，石灰岩质原料则采用白垩。 根据国家标准GB201591规定，白色硅酸盐水泥分为325、425、525、625四个标号，白水泥按白度分为特级、级，二级和三级四个等级。 白色和彩色硅酸盐水泥在装饰工程中常用来配制彩色水泥浆，配制装饰混凝土，配制各种彩色砂浆用于装饰抹灰，以及制造各种色彩的水刷石、人造大理石及水磨石等制品。道路硅酸盐水泥 由较高铁铝酸钙含量的道路硅酸盐水泥熟料，010活性混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥（简称道路水泥）。对道路水泥（Portland cement for road）的性能要求是：耐磨性好、收缩小、抗冻性好、抗冲击性好，有高的抗折强度和良
28、好的耐久性。道路水泥的上述特性，主要依靠改变水泥熟料的矿物组成、粉磨细度、石膏加入量及外加剂来达到。道路水泥熟料的矿物组成，与普通水泥熟料相比，一般适当提高C3S和C4AF含量，C4AF的脆性小，体积收缩最小，提高C4AF的含量，对提高水泥的抗折强度及耐磨性有利。水泥的粉磨细度增加，虽可提高强度，但水泥的细度增加，收缩增加很快，从而易产生微细裂缝，使道路易于破坏。适当提高水泥中的石膏加入量，可提高水泥的强度和降低收缩，对制造道路水泥是有利的。另外，为了提高道路混凝土的耐磨性，可加入5以下的石英砂。中热水泥和低热矿渣水泥中热水泥和低热矿渣水泥 中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥的主要特点为水化热低，适用于大坝和大体积混凝土工程。中热硅酸盐水泥是由适当成分的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏磨细而成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料，简称中热水泥。低热矿渣硅酸盐水泥是由适当成分的硅酸盐水泥熟料加入矿渣和适量石膏磨细而成具有低水化热的水硬性胶凝材料，简称低热矿渣水泥。其矿渣掺量为水泥质量的2060，允许用不超过混合材总量50的磷渣或粉煤灰代替矿渣。
