1、第四章第四章 石灰与水泥石灰与水泥 本章学习要点：本章学习要点：以硅酸盐水泥的矿物组成及其特点以硅酸盐水泥的矿物组成及其特点（水化速度、放热量、对强度的贡献程度等）、技（水化速度、放热量、对强度的贡献程度等）、技术性质及要求为主要介绍内容；对道路硅酸盐水泥、术性质及要求为主要介绍内容；对道路硅酸盐水泥、掺混合材料的硅酸盐水泥做简单介绍；最后介绍石掺混合材料的硅酸盐水泥做简单介绍；最后介绍石灰的化学组成、消化、硬化机理。灰的化学组成、消化、硬化机理。第一节第一节 硅酸盐水泥硅酸盐水泥水泥水泥水硬性胶凝材料，不仅能在空气中硬化，水硬性胶凝材料，不仅能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增
2、长其强度。还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度。主要内容主要内容q 水泥的矿物组成及其技术特性水泥的矿物组成及其技术特性q 水泥的技术性质水泥的技术性质 v 硅酸盐水泥：硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料、硅酸盐水泥熟料、0 05 5石灰石或粒化高炉矿渣，石石灰石或粒化高炉矿渣，石膏膏v 硅酸盐水泥类型：硅酸盐水泥类型：型硅酸盐水泥，代号型硅酸盐水泥，代号P.IP.I，不掺混合材料，不掺混合材料 型硅酸盐水泥，代号型硅酸盐水泥，代号P.IIP.II，掺加不超过水泥质量，掺加不超过水泥质量5 5的混合材料的混合材料普通硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料、615%的石灰石或粒化高炉矿渣、适
3、量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥。代号为POPO。一、一、硅酸盐水泥的矿物组成与化学成分硅酸盐水泥的矿物组成与化学成分1、硅酸盐水泥原料与生料的化学组成、硅酸盐水泥原料与生料的化学组成 原料原料生料生料(主要化学成分主要化学成分)：CaOSiO2Al2O3Fe2O3 生产工艺生产工艺二磨一烧二磨一烧 石灰石石灰石 磨细磨细 1450 粘粘 土土 生料生料 熟料熟料 铁矿粉铁矿粉 石膏石膏2、硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的矿物组成（1）熟料的四种主要矿物）熟料的四种主要矿物 硅酸三钙（硅酸三钙（3CaOSiO2）简写简写C3S 硅酸二钙（硅酸二钙（2CaOSiO2）简
4、写简写C2S 铝酸三钙（铝酸三钙（3CaOAl2O3）简写简写C3A 铁铝酸四钙（铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3）简写简写C4AF 磨细磨细水泥水泥（2 2）四种矿物的技术特性）四种矿物的技术特性 C C3 3S S是无色晶体，含量是无色晶体，含量50%50%左右，水化速度快，水化热高，左右，水化速度快，水化热高，且早期强度高，水化物对水泥早期强度和后期强度起主要作且早期强度高，水化物对水泥早期强度和后期强度起主要作用。用。C C2 2S S含量在含量在20%20%左右，水化速度慢，水化热低，早期强度左右，水化速度慢，水化热低，早期强度低，后期强度高，耐化学侵蚀性和干缩性较好。低，后
5、期强度高，耐化学侵蚀性和干缩性较好。C C3 3A A水化速度最快，水化热最高，耐化学侵蚀性差，干水化速度最快，水化热最高，耐化学侵蚀性差，干缩性大。缩性大。C C4 4AFAF水化速度介于水化速度介于C C3 3A A和和 C C3 3S S 之间之间，水化热较高，强度低，水化热较高，强度低，但对于抗折强度起重要作用，耐化学侵蚀性好，干缩性小。但对于抗折强度起重要作用，耐化学侵蚀性好，干缩性小。（3）四种矿物的技术特性比较四种矿物的技术特性比较 水化程度：水化程度：C3AC3SC4AFC2S P147 图4-1 几种矿物的水化程度 释热量：释热量：C3AC3SC4AFC2S 图4-2 几种矿
6、物的水化释热量 强度强度 早期强度：早期强度：C3SC3AC4AFC2S 后期强度：后期强度：C3SC2SC3AC4AF 图4-3 几种矿物强度发展特征 干缩性干缩性 C3AC3SC4AFC2S 耐化学腐蚀耐化学腐蚀 C4AF C3S C2S C3A 图图4-1 不同龄期时四种矿物的水化速率不同龄期时四种矿物的水化速率C3AC3SC4AFC2S 24h：大约有：大约有65%的的C3A水化，水化，C3S水化水化50%左右；左右；90d：四种矿物的水化程度已经接近：四种矿物的水化程度已经接近图图4-2 四种矿物的水化热与龄期的关系四种矿物的水化热与龄期的关系C3AC3SC4AFC2S图图4-3 四
7、种矿物的强度随龄期的发展四种矿物的强度随龄期的发展3.石膏（石膏（CaSO42H2O）掺量：掺量：35作用：缓凝、调节凝结速度作用：缓凝、调节凝结速度4.水泥中的有害物质水泥中的有害物质 游离氧化钙游离氧化钙 f-CaO、氧化镁、氧化镁 f-MgO 三氧化硫三氧化硫 SO3 碱含量碱含量“碱集料反应碱集料反应”（1）水泥熟料矿物的水化反应及其水化生成物）水泥熟料矿物的水化反应及其水化生成物 硅酸三钙：硅酸三钙：C3SH2O 3CaO2SiO23H2OCa(OH)2 水化硅酸钙水化硅酸钙 硅酸二钙：硅酸二钙：C2SH2O 水化硅酸钙水化硅酸钙Ca(OH)2 铝酸三钙铝酸三钙:在纯水中：在纯水中：
8、C3AH2O(C4AH13、C4AH19、C3AH6)（水泥瞬凝的原因（水泥瞬凝的原因)水化铝酸钙水化铝酸钙在石膏溶液中：在石膏溶液中：C3ACa(OH)2H2O C4AH13 C4AH13CaSO42H2O H2O 3CaOAl2O33CaSO432H2O 三硫型水化铝酸钙三硫型水化铝酸钙(钙矾石钙矾石)当石膏耗尽后：当石膏耗尽后：C4AH13钙矾石钙矾石 3CaOAl2O3CaSO412H2O 单硫型水化硫铝酸钙单硫型水化硫铝酸钙 二二、硅酸盐水泥的技术性质、硅酸盐水泥的技术性质 铁铝酸四钙铁铝酸四钙:在纯水中：在纯水中：C4AFH2O C4AH13C4FH13 水化铝酸四钙水化铝酸四钙
9、水化铁酸四钙水化铁酸四钙缩写缩写C4(A、F)H13在石膏溶液中：在石膏溶液中：C4AFCa(OH)2H2O C4(A、F)H13 C4(A、F)H13CaSO42H2OH2O3CaO(Al2O3Fe2O3)3CaSO432H2O 三硫型水化铁铝酸钙三硫型水化铁铝酸钙当石膏耗尽后：同铝酸三钙，生成单硫型水化硫铁铝酸钙当石膏耗尽后：同铝酸三钙，生成单硫型水化硫铁铝酸钙1）初始反应期：水泥熟料颗粒初始水解和水化（约）初始反应期：水泥熟料颗粒初始水解和水化（约510min，放热，放热7J/g.h)水泥水化过程水泥水化过程2）潜伏期：水化物薄膜围绕水泥颗粒成长变厚（约）潜伏期：水化物薄膜围绕水泥颗粒成
10、长变厚（约12h，放热，放热 4J/g.h)3）凝结期：膜层破裂，水泥颗粒进一步水化（约）凝结期：膜层破裂，水泥颗粒进一步水化（约6h，放热，放热20J/g.h）4）硬化期：水化物进一步发展，填充毛细孔（约）硬化期：水化物进一步发展，填充毛细孔（约6 h若干年）若干年）图图2-4 水泥的凝结硬化过程示意图水泥的凝结硬化过程示意图 凝结硬化机理小结凝结硬化机理小结 水泥熟料水化生成紧密、相互交结的水化物体系而凝聚产生强度水泥熟料水化生成紧密、相互交结的水化物体系而凝聚产生强度 硬化水泥石由水化物、未水化水泥熟料颗粒、水及孔隙所组成硬化水泥石由水化物、未水化水泥熟料颗粒、水及孔隙所组成图图4-4
11、水泥的凝结硬化过程示意图水泥的凝结硬化过程示意图 水泥水化小结水泥水化小结生生 料料 熟熟 料料 水泥石水泥石主要化学成分主要化学成分主要矿物成分主要矿物成分主要水化产物（比例主要水化产物（比例）CaOSiO2Al2O3Fe2O3C3S C2SC3AC4AF CaSO42H2O 水化硅酸钙（水化硅酸钙（70）Ca(OH)2（20)三硫型水化铝酸钙（钙矾石三硫型水化铝酸钙（钙矾石7%)单硫型水化铝酸钙单硫型水化铝酸钙三硫型水化铁铝酸钙三硫型水化铁铝酸钙单硫型水化铁铝酸钙单硫型水化铁铝酸钙2.硬化水泥石的腐蚀硬化水泥石的腐蚀 腐蚀原因腐蚀原因 水泥石中存在着引起腐蚀的成分水泥石中存在着引起腐蚀的成
12、分 Ca(OH)2（约（约20)水化铝酸钙水化铝酸钙 有侵蚀性介质存在：各种盐类、硫酸盐类及酸类物质有侵蚀性介质存在：各种盐类、硫酸盐类及酸类物质 水泥石本身不密实水泥石本身不密实(1)水化物水化物Ca(OH)2的溶失与置换的溶失与置换1）溶析性侵蚀）溶析性侵蚀（淡水腐蚀）（淡水腐蚀）Ca(OH)2在动水或有压力水中直接溶失在动水或有压力水中直接溶失2）盐类腐蚀）盐类腐蚀 MgCl2Ca(OH)2 CaCl2（易溶易溶）Mg(OH)2 3）酸类腐蚀）酸类腐蚀 碳酸腐蚀：碳酸腐蚀：CO2H2O Ca(OH)2 CaCO3H2O CO2H2O CaCO3 Ca(HCO3)2 盐酸腐蚀：盐酸腐蚀：H
13、ClCa(OH)2 CaCl2（易溶易溶）H2O(2)硫酸盐腐蚀硫酸盐腐蚀（在（在Ca(OH)2存在的情况下）存在的情况下）水化铝酸钙水化铝酸钙C C4 4AHAH1313 钙矾石（体积比水化铝酸钙增加钙矾石（体积比水化铝酸钙增加2.52.5倍）倍）Ca(OH)2 Na2SO4 CaSO42H2ONaOHH2O 水中水中Ca(OH)2 Mg SO4 CaSO42H2OMg(OH)2 水中水中Ca(OH)2 H2SO4 CaSO42H2OH2O 水中水中CaSO42H2OC4AH13 Ca(OH)23C3A3CaSO432H2O 水泥石中水泥石中 钙矾石钙矾石 腐蚀的危害腐蚀的危害 水泥石密度下
14、降、强度降低水泥石密度下降、强度降低 混凝土开裂与崩解混凝土开裂与崩解（3）水泥石腐蚀的防止水泥石腐蚀的防止1）合理选择水泥品种（根据侵蚀环境特点选择）合理选择水泥品种（根据侵蚀环境特点选择）2）提高水泥石的密实程度）提高水泥石的密实程度 合理降低水灰比合理降低水灰比 使用减水剂使用减水剂3）加作保护层）加作保护层三、三、水泥的技术要求水泥的技术要求主要指标：细、凝、安、强，以强为主主要指标：细、凝、安、强，以强为主1.物理力学性质指标物理力学性质指标（1）细度细度意义意义：细度愈大，凝结速度愈快，早期强度愈高。细度愈大，凝结速度愈快，早期强度愈高。过细：生产成本高、在空气中硬化收缩大、不宜保
15、存过细：生产成本高、在空气中硬化收缩大、不宜保存 图图4-5 水泥细度与干缩率水泥细度与干缩率指标指标：比表面积法（：比表面积法（m2/kg）筛析法（筛析法（80m方孔筛上的筛余量百分率）方孔筛上的筛余量百分率）规范规定：硅酸盐水泥比表面积应不小于规范规定：硅酸盐水泥比表面积应不小于300/kg；80m的方孔筛筛余不大的方孔筛筛余不大 于于10%。图图4-5 水泥细度与干缩率的关系水泥细度与干缩率的关系负压筛（2 2）标准稠度）标准稠度目的：目的：为使水泥凝结时间以及体积安定性等多种性质具有可为使水泥凝结时间以及体积安定性等多种性质具有可 比性，必须采用标准稠度的水泥净浆。比性，必须采用标准稠
16、度的水泥净浆。测定方法：测定方法：试杆法：标准试杆沉至距底板试杆法：标准试杆沉至距底板6mm6mm1mm1mm时的水泥净浆时的水泥净浆为标准稠度净浆，其拌和用水量为该水泥标准稠度用为标准稠度净浆，其拌和用水量为该水泥标准稠度用水量。水量。水泥标准稠度试验水泥标准稠度试验 1水泥标准稠度试验水泥标准稠度试验 3水泥标准稠度试验水泥标准稠度试验 4水泥标准稠度试验水泥标准稠度试验 5（3）凝结时间凝结时间初凝初凝：水泥加水拌和起至水泥浆开始失去塑性所需时间：水泥加水拌和起至水泥浆开始失去塑性所需时间终凝终凝：水泥加水拌和时起至水泥浆完全失去塑性所需时间：水泥加水拌和时起至水泥浆完全失去塑性所需时间
17、测定方法测定方法：图图4-6 水泥凝结时间测试示意图水泥凝结时间测试示意图 国家标准规定：初凝不小于国家标准规定：初凝不小于45min45min，终凝不迟于，终凝不迟于390min390min。初凝不合格者为废品，终凝不合格者也为不合格品。初凝不合格者为废品，终凝不合格者也为不合格品。图图4-6 水泥凝结时间测试示意图水泥凝结时间测试示意图（4)体积安定性体积安定性-水泥浆在硬化过程中，体积变化水泥浆在硬化过程中，体积变化 的均匀性能。的均匀性能。意义意义：水泥浆在硬化后因体积膨胀不均匀而变形的情况：水泥浆在硬化后因体积膨胀不均匀而变形的情况测定方法测定方法：沸煮法：沸煮法 压蒸法压蒸法图图4
18、-7 压蒸法测试示意图压蒸法测试示意图 国家标准规定国家标准规定:MgO 5%SO3 3.5%体积安定性不良的水泥为废品体积安定性不良的水泥为废品 安定性不良的主要原因 （1）熟料中游离氧化钙，游离氧化镁过多，游离氧化钙，游离氧化镁过烧，结构致密，熟化慢，硬化后，才熟化，体积膨胀开裂。（2）水泥熟料中石膏过量，水泥硬化后，仍有硫酸钙存在，则固态水化铝酸钙与之反应，形成水化硫铝酸钙，体积膨胀开裂。30分钟内加热至水沸腾，然后恒沸分钟内加热至水沸腾，然后恒沸3hb-a小于5mm即为安定性合格试件冷却后测指针尖端的距离试件冷却后测指针尖端的距离（5）强度等级和标号强度等级和标号意义意义：强度是水泥的
19、重要技术性质之一：强度是水泥的重要技术性质之一 也是划分水泥强度等级的主要依据也是划分水泥强度等级的主要依据 强度等级强度等级 强度试验条件：水泥强度试验条件：水泥:标准砂标准砂1:3、水灰比、水灰比0.5，试件，试件4416，标准养护、测定，标准养护、测定3d与与28d抗压强度与抗折强度抗压强度与抗折强度 型号：早强型型号：早强型R和普通型（根据和普通型（根据3d强度）强度）强度等级：强度等级：硅酸盐水泥硅酸盐水泥42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R 普通水泥普通水泥32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R 表表1硅酸盐水泥各龄期强度值硅酸
20、盐水泥各龄期强度值 影响强度等级因素影响强度等级因素：熟料矿物熟料矿物 C3S、C2S，强度，强度 细度细度大，水化反应快并充分，强度高大，水化反应快并充分，强度高硅酸盐水泥各龄期强度值（硅酸盐水泥各龄期强度值（GB175-2019）强度等级强度等级抗压强度抗压强度/MPa抗折强度抗折强度/MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0 3、技术标准、技术标准见教材见教材P154页页 表表4-5
21、及相应规定及相应规定 废品水泥废品水泥：MgO、SO3、初凝，安定性，任意一、初凝，安定性，任意一项不合格。项不合格。不合格品水泥：不合格品水泥：细度，终凝，不溶物，烧失量及细度，终凝，不溶物，烧失量及混合料过多，强度过低。混合料过多，强度过低。小结：小结：硅酸盐水泥的各项技术性质主要包括：水泥的酸盐水泥的各项技术性质主要包括：水泥的化学性质、物理性质及力学性质。其中：水泥标准稠化学性质、物理性质及力学性质。其中：水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性及强度等级是本次课的度用水量、凝结时间、安定性及强度等级是本次课的重点内容，重点内容，道路硅酸盐水泥熟料道路硅酸盐水泥熟料：以适当成分的生料烧至部
22、分熔融，所得以硅酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸钙的硅酸盐熟料，称为道路硅酸盐熟料。道路水泥：由道路硅酸盐熟料及由道路硅酸盐熟料及0 01010活性混活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称合材料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。为道路硅酸盐水泥简称道路水泥。四、四、道路硅酸盐水泥道路硅酸盐水泥1）作用和使用要求）作用和使用要求 用途：供道路面层和机场道面结构专用用途：供道路面层和机场道面结构专用 主要技术要求：抗折强度高主要技术要求：抗折强度高 干缩性小干缩性小 耐磨性好耐磨性好2）矿物组成对技术性能的影响）矿物组成对技术性能的影响 抗折强度高：抗折
23、强度高：C3S、C4AF、C3A、f-CaO。干缩性小（抗渗、抗冻）：干缩性小（抗渗、抗冻）：C3A，C4AF 耐磨性好：耐磨性好：C4AF，C3S，C3A，强度高，强度高3）化学品质要求（高铁低铝）化学品质要求（高铁低铝）C3S：5160%，以提高早期强度，尽早放开交，以提高早期强度，尽早放开交 通；通；C2S：不宜过多，其早期强度过低：不宜过多，其早期强度过低 C3A5%，考虑到其水化生成物耐腐蚀性较差，考虑到其水化生成物耐腐蚀性较差 C4AF16%，提高水泥的抗折强度，提高水泥的抗折强度 控制碱含量控制碱含量一、名词解释一、名词解释1.水泥的凝结和硬化水泥的凝结和硬化2.水泥的体积安定性
24、水泥的体积安定性3.混合材料混合材料4.水泥标准稠度用水量水泥标准稠度用水量5.水泥的初凝时间和终凝时间水泥的初凝时间和终凝时间6.胶凝材料胶凝材料单项选择题单项选择题1.有硫酸盐腐蚀的混凝土工程应优先选择（有硫酸盐腐蚀的混凝土工程应优先选择（）水泥。）水泥。A 硅酸盐硅酸盐 B 普通普通 C 矿渣矿渣 D 高铝高铝2.有耐热要求的混凝土工程，应优先选择（有耐热要求的混凝土工程，应优先选择（）水泥。）水泥。A 硅酸盐硅酸盐 B 矿渣矿渣 C 火山灰火山灰 D 粉煤灰粉煤灰3.有抗渗要求的混凝土工程，应优先选择（有抗渗要求的混凝土工程，应优先选择（）水泥。）水泥。A 硅酸盐硅酸盐 B 矿渣矿渣
25、C 火山灰火山灰 D 粉煤灰粉煤灰4.下列材料中，属于非活性混合材料的是（下列材料中，属于非活性混合材料的是（）。）。A 石灰石粉石灰石粉 B 矿渣矿渣 C 火山灰火山灰 D 粉煤灰粉煤灰5.为了延缓水泥的凝结时间，在生产水泥时必须掺入适量（为了延缓水泥的凝结时间，在生产水泥时必须掺入适量（）。）。A 石灰石灰 B 石膏石膏 C 助磨剂助磨剂 D 水玻璃水玻璃6.对于通用水泥，下列性能中（对于通用水泥，下列性能中（）不符合标准规定为废品。）不符合标准规定为废品。A 终凝时间终凝时间 B 混合材料掺量混合材料掺量 C 体积安定性体积安定性 D 包装标志包装标志7.通用水泥的储存期不宜过长，一般不
26、超过（通用水泥的储存期不宜过长，一般不超过（）。）。A 一年一年 B 六个月六个月 C 一个月一个月 D 三个月三个月8.对于大体积混凝土工程，应选择（对于大体积混凝土工程，应选择（）水泥。）水泥。A 硅酸盐硅酸盐 B 普通普通 C 矿渣矿渣 D 高铝高铝9.硅酸盐水泥熟料矿物中，水化热最高的是（硅酸盐水泥熟料矿物中，水化热最高的是（）。）。A C3S B C2S C C3A D C4AF10.有抗冻要求的混凝土工程，在下列水泥中应优先选择（有抗冻要求的混凝土工程，在下列水泥中应优先选择（）硅酸盐水泥。）硅酸盐水泥。A 矿渣矿渣 B 火山灰火山灰 C 粉煤灰粉煤灰 D 普通普通简述题简述题1.
27、通用水泥的哪些技术性质不符合标准规定为废品？哪些技术性质不符合标通用水泥的哪些技术性质不符合标准规定为废品？哪些技术性质不符合标准规定为不合格品准规定为不合格品？2.矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥与硅酸盐水泥和普通水泥相比，三种矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥与硅酸盐水泥和普通水泥相比，三种水泥的共同特性是什么水泥的共同特性是什么？3.水泥在储存和保管时应注意哪些方面？水泥在储存和保管时应注意哪些方面？答：（1）防水防潮；要做到“上盖下垫”。（2）不同品种和强度等级的水泥不能混存混放。（3）堆垛不能过高；一般不超过10袋，若场地狭窄最多不超过15袋。（4）“先进先用”；水泥的储存期不能过长；水泥的储存期一般不超过3个月，储存期超过3个月的水泥强度要降低。4.防止水泥石腐蚀的措施有哪些？防止水泥石腐蚀的措施有哪些？5.简述气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料的区别。简述气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料的区别。6.石灰的用途如何？在储存和保管时需要注意哪些方面？石灰的用途如何？在储存和保管时需要注意哪些方面？7.生石灰在熟化时为什么需要陈伏两周以上？为什么在陈伏时需在熟石灰表面保留一层水？
