1、第三章 水泥,教学内容：1、水泥的生产过程、水泥熟料的矿物组成及水化性能、水泥凝结硬化机理、技术性质及应用；2、掺混合料的硅酸盐水泥的技术性质及应用；重点、难点：六大水泥的特性与选用,自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料。,1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明,通过煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料,它制成砖块的颜色很像英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头,由此将这种胶凝材料命名波特兰水泥,2010年，我国水泥生产达18.68亿吨,水泥的定义、发展趋势及分类,水泥的定义： 水泥是一种水硬性的胶凝材料，呈粉末状，加水拌和后成浆体后，能胶结砂、石等散粒
2、材料，并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。,水泥的品种很多，但是工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容,定义 P30 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。,3.1硅酸盐类水泥概述,生产硅酸盐水泥熟料的原料： 石灰石、粘土、铁矿石,石灰石,粘 土,铁矿粉,配料、,磨细、,均化,生料,窑,煅烧（14500C）,熟料,磨细,成品水泥,1、水泥的生产：“两磨一烧”,P29,2.硅酸盐水泥的分类,石膏,混合材料,
3、硅酸盐水泥熟料,通用硅酸盐水泥,水泥的分类,按性能和用途分,P29,六大水泥,3. 硅酸盐水泥的组成,石膏,混合材料,硅酸盐水泥熟料,表3-1 硅酸盐水泥熟料的化学成分及矿物组成,凝结水泥加水拌和形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑性，这一过程称为凝结。 硬化水泥浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的水泥石，这一过程称为硬化。,3.2.2 硅酸盐水泥凝结硬化,分散在水中的水泥颗粒水泥颗粒表面形成水化物膜层膜层长大并互相连接（凝结）水化进一步发展，填充毛细孔（硬化）,水泥的凝结硬化是个长期而又复杂的物理化学变化过程，水泥加水后经溶解期、凝结期、硬化期三个交错进行的过程，即由可塑状浆体变为坚固的水
4、泥石。,水泥凝结硬化过程,18,Construction Materials,溶解期,溶解期,凝结期,硬化期,水泥水化产物,胶体水化硅酸钙（C-S-H） 70 水化铁酸钙（C-F-H） 晶体氢氧化钙（CH） 2025 水化铝酸钙（C-A-H ） 水化硫铝酸钙（Aft Afm）,A凝胶体（CSH凝胶）；B晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D未水化的水泥颗粒,水泥石的结构水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。 水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能
5、影响最大。, 由于水泥石中含有大量的CH ， 其它水化(产)物是在CH 的饱和溶液中生长发育且保持稳定，故水泥石是一种碱性物质，其PH值 12.5由于砂石为惰性物质，水泥石呈碱性，故砼(砂浆)是碱性物质水泥石呈碱性，故砼(砂浆)容易被自然界中的酸、盐类物质腐蚀砼呈碱性，砼对埋入其中的钢筋形成碱性保护，使钢筋不易锈蚀,基本常识,表3-2硅酸盐水泥主要矿物组成及其特性,C3S,C2S,C3A,C4AF,图3-2 熟料矿物的凝结硬化特征,图3-2 熟料矿物的水化特征,水化热对工程的影响,对大体积混凝土（高层基础、大坝等），由于混凝土是热的不良导体，水化热在混凝土内的聚集造成内外温差过大（可达5070
6、），内胀外缩的结果在混凝土产生拉应力使混凝土产生热裂缝；所以对于大体积混凝土工程，应选择水化热较低的水泥，或者采取特殊措施降低水化热的危害。 冬季混凝土施工水化热有利于水泥的水化和混凝土早期强度的发展。,四种矿物的比例对水泥性质的影响:(1)提高C3S的含量,可得到高强硅酸盐水泥;(2)提高C3S和C2S的含量, 可制得快硬硅酸盐泥;(3)降低C3S和C3A的含量, 可得低热或中热硅酸盐水泥.,某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S 61C2S 14C3A 14C4AF 11,工程实例分
7、析2,挡墙开裂与水泥的选用,由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝,原因分析,首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。,防治措施,3.影响硅酸盐水泥凝结硬化因素,主要介绍石膏的作用：P30 石膏在水泥硬化中起缓凝剂的作用。 纯水泥熟料磨细后，与水拌和，凝结时间很短，因此不便使用，为调节水泥的凝结时间，掺入适量（3%左右）的石膏，石膏与凝结速度最快的铝酸三钙作用，生成了难溶的水化硫酸铝钙，
8、覆盖在铝酸三钙的周围，阻止其继续快速水化，因而延缓了水泥的凝结时间。,图3-3 水泥强度发展与龄期的关系,3.2.3 硅酸盐水泥的技术性质,1 细度： 细度直接影响水泥的水化、凝结硬化、 强度和水化热；一般水泥颗粒限制在7200um范围内。,水泥细度的测定方法：,方法一：比表面积法（适合硅酸盐水泥） 以1kg水泥所具有的总的表面积（m2/kg)表示；（一般硅酸盐水泥300 m2/kg）方法二：筛析法（适合其他种类水泥） 包括负压筛析法（0.045mm筛)、水筛法(0.08mm筛)和手工干筛法(0.08mm筛) 。,2 凝 结 时 间,初凝时间：是指水泥从加水到水泥浆开始失去流动性所用的时间；终
9、凝时间：是指水泥从加水到水泥浆完全失去流动性所用的时间；,通用水泥的技术要求,水泥凝结时间的测定,国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min,终凝时间不得迟于6.5h； 原因：初凝时间过早，下一道工序无充足的施工时间，终凝时间过迟，会拖延整个工程的施工工期；水泥凝结时间的测定：凝结时间测定仪,3 强度,采用水泥胶砂评定： 方法：按质量计的一份水泥、三份ISO标准砂，用0.5的水灰比拌制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准条件养护； 分别测定试件3d和28d的抗压强度及抗折强度，根据测定结果， 按P33 表3-3确定水泥的强度等级：42.5、42.5R、52.5、52.5R、
10、62.5、62.5R。R表示该水泥的早期强度。,1d温度为201，相对湿度90以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入201的水中养护,标准养护条件,检验方法（ISO法）,水泥:标准砂:水=1:3:0.5，制成40mm40mm160mm棱柱体试件,标准养护3d、28d，分别测定抗折强度、抗压强度。,表3-3 硅酸盐水泥各强度等级及各龄期的强度值,注：R型为早强型，主要是3d强度较高。,废品、不合格品的定义,废品：凡氧化镁(5%)、三氧化硫（3.5%)、安定性、初凝时间中任一项不符合标准规定的，均为废品；不合格品：凡细度、终凝时间、强度低于规定指标时称为不合格品；废品水泥在工程中严禁使用；若仅强
11、度低于规定指标时，可降级使用。,A凝胶体（CSH凝胶）；B晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D未水化的水泥颗粒,水泥石的结构水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。 水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。,3.2.4 水泥石的腐蚀及防止,水泥石在外界侵蚀性介质的作用下结构受到破坏，强度降低的现象,1、水泥石主要侵蚀类型,（1）软水侵蚀（2）盐类侵蚀（3）酸类侵蚀 一般酸腐蚀 碳酸腐蚀（4）强碱腐蚀,2、防止水泥石腐蚀的措施（1）合理选择
12、水泥品种。（2）提高混凝土的密实度。（3）在水泥石结构的表面设置保护层。,（）合理选择水泥品种。或适当掺加混合材料，减少可腐蚀物质的浓度，防止或延缓水泥的腐蚀。如处于软水环境的工程，常选用掺混合材料的矿渣水泥、火山灰水泥或粉煤灰水泥，因为这些水泥的水泥石中氢氧化钙含量低，对软水侵蚀的抵抗能力强。,2、水泥石腐蚀的防止,（）提高混凝土的密实度。采取措施减少水泥石结构的孔隙率，特别是提高表面的密实度，阻塞腐蚀介质渗入水泥石的通道。（）设置隔离层或保护层。隔绝腐蚀介质与水泥石的联系。如采用涂料、贴面等致密的耐腐蚀层覆盖水泥石，能够有效地保护水泥石不被腐蚀。,2、水泥石腐蚀的防止,3.2.5 硅酸盐水
13、泥的特性及应用,1.凝结硬化快，早期及后期强度均高，适用于有早强要求的工程。2.抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。3.耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。4.水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。,3.2.5 硅酸盐水泥的特性及应用,5.抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。6.耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工程。7.耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。,硅酸盐水泥的应用,常用于： 重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程。 要
14、求凝结快的现场浇注的混凝土工程。 冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程。 不宜用于： 受流动的软水和有水压作用的工程。 受海水和矿物水作用的工程 。 大体积工程。 耐热、耐酸工程。,3.3 掺混合材料的硅酸盐水泥,根据掺入混合材料的数量和品种的不同：（1）普通硅酸盐水泥；（2）矿渣硅酸盐水泥；（3）火山灰质硅酸盐水泥；（4）粉煤灰硅酸盐水泥；（5）复合硅酸盐水泥。,掺入目的：改善水泥的性能 ；增加品种 ；提高产量 ；节约熟料，降低成本,掺混合材料的硅酸盐水泥的种类,通用硅酸盐水泥定义、组分、代号,1. 活性混合材料： 有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等。,主要化学成分为活性氧化硅和活性
15、氧化铝。其主要作用是改善水泥的某些性能，还具有扩大水泥强度等级范围、降低水化热、增加产量和降低成本的作用。,2.非活性混合材料： 有磨细石英砂、石灰石、粘土、缓冷矿渣等。 它们掺入水泥，不与水泥成分起化学反应或化学反应很弱，主要起填充作用，可调节水泥强度，降低水化热及增加水泥产量等。,3.3.1 水泥混合材料,1. 普通硅酸盐水泥（P.O）P36,普通硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。各等级水泥在不同龄期的强度要求见下表。,3.3.2 掺混合材料的硅酸盐水泥,硅酸盐水泥熟料61的混合材料适量石膏,4,普通硅酸盐水泥的主要性能特点如下：（
16、1）早期强度略低，后期强度高。（2）水化热略低。（3）抗渗性好，抗冻性好，抗碳化能力强。（4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。（5）耐磨性较好；耐热性能较好。,普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同。,2、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,表3-5矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥各强度等级 各龄期强度值（GB1344-1999),矿渣硅酸盐水泥的主要性能特点如下：（1）早期强度低，后期强度高。 对温度敏感，适宜于高温养护。（2）水化热较低，放热速度慢。（3）具有较好的耐热性能。（4）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力（5）泌水性大，干缩较大。（6）抗渗性差，抗冻性较差，抗碳化能力差。,火山灰水泥的主要性能
17、特点如下：（1）早期强度低，后期强度高。 对温度敏感，适宜于高温养护。（2）水化热较低，放热速度慢。（3）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力（4）需水性大，干缩率较大。（5）抗渗性好，抗冻性较差， 抗碳化能力差,耐磨性差。,粉煤灰水泥的主要性能特点如下：（1）早期强度低，后期强度高。 对温度敏感，适宜于高温养护。（2）水化热较低，放热速度慢。（3）具有较强的抗侵蚀、抗腐蚀能力（4）需水量低，干缩率较小，抗裂性好。（5）抗冻性较差，抗碳化能力差，耐磨性差。,图3-4 不同水泥强度发展的比较,3.3.5 复合硅酸盐水泥（PC）,复合硅酸盐水泥（PC） 与硅酸盐水泥相比，由于掺入了两种或两种以上的混合材料
18、，复合水泥的水化热较低；早期强度较高，其强度要求与普通水泥的强度要求相同。,通用水泥的选用,通用水泥是土建工程中用途最广、用量最大的水泥品种；选用时可参考P41表38,通用硅酸盐水泥的特性,通用水泥的技术要求,通用水泥的强度等级,3.4 其他品种水泥,（1）特种水泥： 具有特种用途的水泥。 高铝水泥：水化热大，适合冬季施工；快硬硅酸盐水泥：适合紧急工程的抢修；抗硫酸盐水泥：适合水利、港口、地下隧道等程；膨胀水泥：大口径输水管、输油、输气管；白色或彩色水泥: 装饰工程中的雕塑艺术和各种装饰部件，如配置各类混凝土、水泥砂浆等。,（2）专用水泥,道路水泥：道路路面和飞机跑道；中、低热水泥：用于大体积
19、混凝土工程，如水坝或厚大的基础等工程；砌筑水泥：用做工业和民用建筑的砌筑 砂浆与内墙的抹面砂浆。,四、膨胀水泥与自应力水泥,收缩补偿水泥：能大致抵消干缩所引起的拉应力，防止混凝土的干缩裂缝。 自应力水泥：有较高的膨胀率，在膨胀的过程中对钢筋有握裹力，使钢筋受拉应力时，当外界因素使混凝土结构产生较大的拉应力时，可被预先具有的压应力所抵消或降低克服抗拉强度不足的缺陷。,膨胀水泥及自应力水泥,当水泥自应力值大于或等于 2 MPa 时，称为自应力水泥；当自应力值小于2 MPa 则称为膨胀水泥 我国常用的膨胀水泥品种如下: (1) 硅酸盐膨胀水泥 ；(2) 铝酸盐膨胀水泥 ； (3) 硫铝酸盐膨胀水泥
20、；(4) 铁铝酸钙膨胀水泥。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；结构加固与修补；固结机械底座及地脚螺丝等。 自应力水泥适用制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件。,3.6.3 白色水泥和彩色水泥,白色硅酸盐水泥简称白水泥。它与硅酸盐水泥的主要区别在于氧化铁含量少，因而色白。由于水泥中存在氧化铁（Fe2O3）等成分之故。当含量在 34% 时，熟料呈暗灰色；在 0.450.7% 时，带淡绿色；而降低到 0.350.40% 后，略带淡绿，接近白色。白色水泥和彩色水泥主要用于建筑装饰工程。,彩色水泥方砖,露石混凝土路面,例如：某施工队使用以煤渣掺量为30
21、的火山灰水泥铺筑路面，见图。使用两年后，表面耐磨性差，已出现露石，且表面有微裂缝。按JTJ 01294公路混凝土路面设计规范，对于水泥混凝土路面，“水泥可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和道路硅酸盐水泥。中等及轻交通的路面，也可以采用矿渣硅酸盐水泥。”所以说火山灰水泥铺筑路面是选用水泥不当,请观察此使用一年多的水泥混凝土道路表面，该水泥混凝土选用普通硅酸盐水泥，其熟料矿物组成分别为 C3S 53，C2S 25，C3A 15，C4AF 7。请从水泥的角度分析其选用有否不当之处,观察与讨论1,道路水泥混凝土质量与水泥选用,该路面磨损较严重，已出现较多裂纹。可见表面水泥砂浆层干缩较大、耐磨性较差。从资
22、料可见，所选用的水泥熟料矿物组成中C3A含量较高，当水泥中C3A含量较高，其耐磨性较差、干缩较大，可见选用水泥不当,讨 论,某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S 61C2S 14C3A 14C4AF 11,工程实例分析2,挡墙开裂与水泥的选用,由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝,原因分析,首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S
23、的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。,防治措施,以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。,观察与讨论4,熟料矿物组成对早期强度及水化热的影响,A水泥的C3S及C3A含量高，而C3S及C3A的早期强度及水化热都较高，故A硅酸盐水泥的早期强度与水化热高于B水泥,C3S在最初四个星期内强度发展迅速，它实际上决定着硅酸盐水泥四个星期以内的强度；C3S的水化热较多，其含量也最多，故它放出的热量最多；但其耐腐蚀性较差。 C2S的硬化速度慢，在大约4个星期后才发挥其强度作用，约一年左右达到C3S四个星期的发挥程度；而其水化热少；
24、耐腐蚀性好。C3A硬化速度最快，但强度低，其对硅酸盐水泥在13 d或稍长的时间内的强度起到一定作用；C3A的水化热多；耐腐蚀性最差。C4AF的硬化速度也较快，但强度低，其对硅酸盐水泥的强度贡献小；其水化热和耐腐蚀性均属中等。,讨 论,水泥强度检验用标准砂管理办法,各省、自治区、直辖市及计划单列市经贸委(经委)、计委(发展改革委)：为规范水泥强度检验用标准砂研制、生产、销售和使用，根据中华人民共和国标准化法和中华人民共和国产品质量法规定精神，特制定水泥强度检验用标准砂管理办法。现印发给你们，请按照执行。附：水泥强度检验用标准砂管理办法 二三年十二月十六日主题词：水泥管理通知,标准砂是指符合国家标准GB/T17671水泥胶砂强度检验方法（ISO法）要求的在中国境内生产、销售、使用的一种水泥行业基准材料；水泥强度检验必须使用标准砂；所有标准砂用户必须在定点经销单位购买标准砂。厦门艾思欧标准砂有限公司为国内标准砂的定点企业，自治区经委直属企业广西华桂建材供销有限公司（下简称华桂公司）则是厦门艾思欧公司确定的广西唯一合法的标准砂销售单位。,谢谢！,
