第三章 水硬性膠凝材料(水泥)

土木工程材料

水泥3.水泥3.2

其它品種水泥3.1常用水泥（通用硅酸鹽水泥）

3.1常用水泥（通用硅酸鹽水泥）概述常用水泥的生產(chǎn)影響常用水泥性能的因素常用水泥的水化、凝結(jié)、硬化常用水泥的品種及特性常用水泥的的選用常用水泥的技術(shù)要求

1.按《水泥的命名、定義和術(shù)語(yǔ)》（GB/T4131-1997）：水泥是指加水拌合成塑性漿體，能膠結(jié)砂石等適當(dāng)材料并能在空氣和水中硬化的粉狀水硬性膠凝材料。2.水泥是各種混凝土的最基本的組成材料，廣泛用于建筑、道路、水利和國(guó)防工程中，素有“建筑業(yè)的糧食”之稱。

我國(guó)近年水泥產(chǎn)量一覽表概述

3.水泥發(fā)明于1824年。由于它具有與英國(guó)波特蘭城建筑巖石相似的顏色，故稱之為波特蘭水泥（我國(guó)稱為硅酸鹽水泥），首先取得這項(xiàng)專利技術(shù)權(quán)的是英國(guó)的J·Aspdin。4.水泥的品種：按礦物組成分：硅酸鹽、鋁酸鹽、硫鋁酸鹽等系列水泥；按用途及性能可以分為通用水泥、專用水泥及特種水泥；目前，水泥品種已達(dá)到100多種。

一、常用水泥的生產(chǎn)1.生產(chǎn)工藝：兩磨一燒硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝流程圖

（1）原材料的破碎與粉磨

石灰質(zhì)原料：提供CaO；粘土質(zhì)原料：提供SiO2、Al2O3和Fe2O3；校正原料：鐵質(zhì)校正原料、硅質(zhì)校正原料、鋁質(zhì)校正材料。（2）硅酸鹽水泥熟料的燒成

硅酸鹽水泥熟料主要包括下列四種礦物：硅酸三鈣（3CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫為C3S）含量37%～60%；硅酸二鈣（2CaO·SiO2，簡(jiǎn)寫為C2S）含量15%～37%；鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，簡(jiǎn)寫為C3A）含量7%～15%；鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡(jiǎn)寫為C4AF）含量10%～18%。

（3）水泥成品的磨制磨制水泥成品的原材料包括：硅酸鹽水泥熟料、石膏和混合材料。

二、常用水泥的水化、凝結(jié)、硬化1.硅酸鹽水泥熟料礦物的水化反應(yīng)

水化鐵酸鈣水化硅酸鈣氫氧化鈣C-S-H凝膠水化鋁酸鈣

2.硅酸鹽水泥熟料礦物水化、凝結(jié)硬化特性低低高高后期低低低高早期強(qiáng)度中最多少多28d水化熱快最快慢快水化凝結(jié)硬化速度C4AFC3AC2SC3S熟料礦物性能指標(biāo)

3.硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)與硬化表面水化，形成水化物膜層，水泥漿具有可塑性和流動(dòng)性。膜層長(zhǎng)厚，并伴隨破裂、擴(kuò)展至連接，漿體形成絮凝結(jié)構(gòu)。初凝：開始失去流動(dòng)性，終凝。完全失去可塑性，并開始產(chǎn)生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。硬化：水泥漿體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度的水泥石固體。

（1）分散在水中未水化的水泥顆粒（2）在水泥顆粒表面形成水化物膜層（3）膜層長(zhǎng)大并相互連接（凝結(jié)）（4）水化物進(jìn)一步發(fā)展，填充毛細(xì)孔（硬化）水泥凝結(jié)硬化過(guò)程示意圖1——水泥顆粒；2——水分；3——凝膠；4——晶體；5——水泥顆粒未水化內(nèi)核；6——毛細(xì)孔

4.石膏在水泥中的作用?？刂艭3A的水化凝結(jié)硬化速度，調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時(shí)間。摻量3％左右。C3A的水化：反應(yīng)迅速，產(chǎn)生急凝，或閃凝。加入石膏：高硫形水化硫鋁酸鈣又稱鈣礬石（俗稱水泥桿菌，針狀），不溶于水，阻止C3A水化，延緩水泥凝結(jié)。石膏耗完C3A與鈣礬石反應(yīng)單硫形水化硫鋁酸鈣溶于水，水化繼續(xù)

（1）水泥混合材料

在生產(chǎn)水泥時(shí)，為改善水泥性能，調(diào)節(jié)水泥強(qiáng)度等級(jí)，而加到水泥中去的人工的和天然的礦物材料。5.混合材料在水泥中的作用。

?；郀t礦渣煉鐵高爐的熔融礦渣，經(jīng)急速冷卻而成的松軟顆粒；直徑一般為0.5～5mm，需磨細(xì)使用；成粒在于阻止結(jié)晶，形成玻璃體，具有較高的潛在活性；活性成分，一般認(rèn)為是活性氧化鋁和活性氧化硅，在常溫下可與氫氧化鈣起作用而產(chǎn)生強(qiáng)度。

火山灰質(zhì)混合材料火山灰質(zhì)混合材料具有火山灰活性的天然的或人工的礦質(zhì)物料。主要化學(xué)成分：活性SiO2和Al2O3天然的火山灰、凝灰?guī)r、浮石、硅藻土；人工的燒粘土、燒矸石、硅灰粉煤灰火力發(fā)電廠煤粉燃燒的煙氣中收集的灰渣，又稱飛灰。顆粒直徑0.001～0.05mm，玻璃態(tài)的實(shí)心或空心球狀?；钚詠?lái)自玻璃體，成分主要是活性氧化硅和活性氧化鋁。

（2）活性混合材料的作用自身與水調(diào)和后，不會(huì)硬化或硬化極為緩慢，強(qiáng)度很低。在氫氧化鈣溶液中，會(huì)發(fā)生顯著的水化。若存在石膏，則石膏與鋁酸鈣反應(yīng)生成硫鋁酸鈣而具有一定的強(qiáng)度。

（3）礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的水化反應(yīng)分兩步進(jìn)行水泥熟料顆粒水化；礦渣（火山灰或粉煤灰）受熟料水化時(shí)析出的Ca(OH)2和外摻石膏的激發(fā)，生成新的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣。水泥熟料礦物水化后的產(chǎn)物又與活性氧化物進(jìn)行反應(yīng)，生成新的水化物。二次（水化）反應(yīng)

（4）激發(fā)劑Ca(OH)2和石膏起著激發(fā)水化（使活性混合材料的潛在活性得以發(fā)揮），促進(jìn)凝結(jié)硬化的作用，故稱為激發(fā)劑。常用的激發(fā)劑有堿性激發(fā)劑和硫酸鹽激發(fā)劑兩類。

堿性激發(fā)劑：石灰，硅酸鹽水泥熟料。硫酸鹽激發(fā)劑：二水石膏、半水石膏和各種化學(xué)石膏。硫酸鹽激發(fā)劑的激發(fā)作用必須在有堿性激發(fā)劑的條件下，才能充分發(fā)揮。

組成成分；細(xì)度；外加劑；水灰比；養(yǎng)護(hù)條件（溫度和濕度）；養(yǎng)護(hù)時(shí)間（齡期）。三、影響常用水泥性能的因素養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥強(qiáng)度發(fā)展的影響

1、礦物組成

熟料礦物28天后的水化速度大小順序?yàn)椋篊3A＞C3S＞C4AF＞C2S

水泥的凝結(jié)速度既與熟料礦物水化難易有關(guān)，又與各礦物的含量有關(guān)。

C3A含量↑時(shí)，水泥迅速凝結(jié)C3A含量較少時(shí)，C3S起主導(dǎo)作用，凝結(jié)正常C3A減少、增加C2S（水泥速度慢）水泥凝結(jié)變慢2、水泥細(xì)度水泥粉磨越細(xì)，其比表面積就越大，晶體產(chǎn)生扭曲、錯(cuò)位等缺陷越多，水化速度越快，凝結(jié)越迅速；反之凝結(jié)越慢。90um惰性，60慢，＜40um快，占65-75%，＜10um迅速，占25-30%。水泥過(guò)細(xì)，產(chǎn)量↓，成本↑。顆粒過(guò)粗，不利于水泥活性發(fā)揮。硅酸鹽水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

80μm方孔篩篩余不超過(guò)（≤）10%

比表面積不小于（≥）300m2/kg3、外加劑

緩凝劑：延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間

促凝劑：縮短凝結(jié)時(shí)間影響水泥的凝結(jié)快慢因素是多方面的，最主要是C3A，因此在水泥生產(chǎn)中通常是摻入適量外加劑來(lái)控制水泥的凝結(jié)時(shí)間。石膏是常用的一種緩凝劑。有時(shí)，根據(jù)需要也摻入其他調(diào)凝外加劑。4、水灰比（W/C）水灰比：水和水泥的質(zhì)量之比（w/c）水灰比越大，水化越快，凝結(jié)反而變慢。這是因?yàn)榧铀窟^(guò)多，顆粒間距增大，水泥漿體結(jié)構(gòu)不易緊密，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以形成的緣故。水灰比過(guò)大時(shí)，會(huì)使水泥石結(jié)構(gòu)中孔隙太多，降低其強(qiáng)度，故水灰比不宜太大。適宜的用水量應(yīng)滿足兩方面的要求：

水泥水化反應(yīng)

水泥漿體稠度5、養(yǎng)護(hù)條件溫度升高，水化加快，凝結(jié)時(shí)間縮短，反之則凝結(jié)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。夏季和冬季施工時(shí)，注意采取適當(dāng)?shù)拇胧员ＷC正常的凝結(jié)時(shí)間。低于0℃凝結(jié)停止。潮濕環(huán)境下的水泥石，能保持有足夠的水分進(jìn)行水化和凝結(jié)硬化

保溫

增濕6、養(yǎng)護(hù)時(shí)間水泥的水化是由水泥顆粒的表面向內(nèi)顆粒內(nèi)部進(jìn)行，隨延長(zhǎng)，水泥的水化程度在不斷增加，水化產(chǎn)物不斷增加并填充毛細(xì)孔，很顯然毛細(xì)減少。一般來(lái)說(shuō)，水化28d前水化較快，28d后水化速率減慢，所以通常用28d強(qiáng)度來(lái)評(píng)定水泥的強(qiáng)度。四、常用水泥的技術(shù)要求

1.細(xì)度水泥顆粒不能太粗，也不宜太細(xì)。測(cè)定水泥的細(xì)度可以用篩析法和比表面積法。篩析法：用80μm方孔篩的篩余百分?jǐn)?shù)表示。比表面積法:測(cè)單位質(zhì)量粉末的總表面積，以m2/kg表示。2.凝結(jié)時(shí)間初凝：標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿開始失去可塑性；終凝：標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度；初凝時(shí)間不能過(guò)短，終凝時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)；測(cè)定水泥凝結(jié)時(shí)間采用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿。

3.體積安定性檢驗(yàn)體積安定性不良原因游離氧化鎂（f-MgO）石膏游離氧化鈣（f-CaO）過(guò)燒態(tài)過(guò)燒態(tài)與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石檢驗(yàn)沸煮法（餅法/雷氏法）檢驗(yàn)控制f-MgO含量控制SO3含量氧化鎂、三氧化硫及安定性不良的水泥應(yīng)作廢品處理。

4.強(qiáng)度及強(qiáng)度等級(jí)

按抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分為六個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。硅酸鹽水泥各齡期的強(qiáng)度要求水泥：標(biāo)準(zhǔn)砂：水＝1：3：0.5注意與舊標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)號(hào)對(duì)比！5.堿含量:按Na2O+0.658K2O計(jì)算。6水化熱

常用水泥的技術(shù)要求

普通硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥復(fù)合硅酸鹽水泥五、摻混合材水泥的品種及特性

普通硅酸鹽水泥（代號(hào)P·O）P·O水泥的組分硅酸鹽水泥熟料＋>5%且≤20%的混合材料＋適量石膏P·O水泥的技術(shù)性質(zhì)（與硅酸鹽水泥相近）相同點(diǎn)MgO含量、SO3含量、初凝時(shí)間、安定性、細(xì)度的技術(shù)要求相同。不同點(diǎn)終凝時(shí)間：不遲于10h；燒失量：不得大于5.0%；強(qiáng)度等級(jí)：普通硅酸鹽水泥分為42.5、42.5R、52.5、52.5R四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。各齡期的強(qiáng)度不低于下表的規(guī)定。P·O水泥的主要特性

1）早期強(qiáng)度略低，后期強(qiáng)度高。2）水化熱略低。3）抗?jié)B性好，抗凍性好，抗碳化能力強(qiáng)4）抗侵蝕、抗腐蝕能力稍好。5）耐磨性較好；耐熱性能較好。P·O水泥的應(yīng)用

P·O水泥的應(yīng)用范圍和硅酸鹽水泥相同。礦渣硅酸鹽水泥（P·S·A/P·S·B）

代號(hào)P.S—Portlandblast-furnaceslag水泥熟料＋(20~70)%礦渣＋石膏強(qiáng)度等級(jí)：強(qiáng)度等級(jí)劃分為32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R共六個(gè)等級(jí)。各齡期的強(qiáng)度要求見表3-9火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥代號(hào)P.P—Portlandpozzolanacement熟料＋(20~50)%火山灰質(zhì)混合材料＋石膏強(qiáng)度等級(jí)：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)粉煤灰硅酸鹽水泥代號(hào)P.F-Portlandfly-ashcement熟料＋(20~40)%粉煤灰＋石膏強(qiáng)度等級(jí)：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)主要特性（與硅酸鹽水泥、普通水泥相比）三種水泥的共同特性凝結(jié)硬化較慢，早強(qiáng)強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快；水化熱較低，放熱速度慢；抗硫酸鹽腐蝕和抗水性較好；蒸汽養(yǎng)護(hù)適應(yīng)性好；抗凍性、耐磨性及抗碳化性能較差。復(fù)合硅酸鹽水泥(P.C)硅酸鹽水泥熟料+兩種或兩種以上規(guī)定的混合材料+石膏，水泥中混合材料摻量按質(zhì)量百分比計(jì)應(yīng)大于15%，但不超過(guò)50%。強(qiáng)度等級(jí)：32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)與硅酸鹽水泥相比，由于摻入了兩種或兩種以上的混合材料，復(fù)合水泥的水化熱較低；早期強(qiáng)度較高，其強(qiáng)度要求與摻混合材的水泥的強(qiáng)度要求相同。摻混合材水泥的技術(shù)特點(diǎn)適宜濕熱養(yǎng)護(hù)蒸養(yǎng)的混凝土構(gòu)件溫度低時(shí)影響強(qiáng)度發(fā)展不宜冬季低溫、抗凍施工，注意保溫速度慢放熱小消耗CH溫度影響大凝結(jié)硬化慢，強(qiáng)度早期低，后期高加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，不宜搶修、早強(qiáng)工程水化放熱速度慢，放熱量低；適宜大體積混凝土耐腐蝕性一般較好（抗軟水）適于水下、耐腐蝕工程抗碳化能力差特別是P.F，適當(dāng)增加保護(hù)層厚度六種常用水泥的對(duì)比

水泥石的腐蝕與防止水泥石腐蝕的方式軟水侵蝕（溶出性侵蝕）酸的腐蝕（溶解性化學(xué)腐蝕）一般酸的腐蝕碳酸水的腐蝕硫酸鹽腐蝕（膨脹性化學(xué)腐蝕）強(qiáng)堿腐蝕防止水泥石腐蝕的措施1）根據(jù)工程的環(huán)境特點(diǎn)，合理選擇水泥品種。2）提高水泥石的密實(shí)度。3）在水泥石結(jié)構(gòu)的表面設(shè)置保護(hù)層。內(nèi)因：孔隙、水泥石中存在易蝕成分（CH、C3AH6）外因：腐蝕性介質(zhì)六、常用水泥的選用

3.水泥3.2

其它品種水泥3.1常用水泥

具有快硬早強(qiáng)性能的水泥膨脹水泥白色和彩色硅酸鹽水泥3.2其它品種水泥一、具有快硬早強(qiáng)性能的水泥1、快硬硅酸鹽水泥簡(jiǎn)稱快硬水泥。是由硅酸鹽水泥熟料、加入適量石膏經(jīng)磨細(xì)制成的以三天抗壓強(qiáng)度表示強(qiáng)度等級(jí)的水泥。32.5、37.5、42.5三個(gè)等級(jí)。特點(diǎn)：凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。適用：要求早期強(qiáng)度高的工程、緊急搶修工程、冬季施工的工程以及制作預(yù)應(yīng)力鋼筋砼或高強(qiáng)砼預(yù)制構(gòu)件缺點(diǎn)：由于水化熱較高，不能由于大體積砼工程。

一、具有快硬早強(qiáng)性能的水泥2、鋁酸鹽水泥以鋁酸鈣為主的鋁酸鹽水泥熟料，磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，代號(hào)CA特點(diǎn)：早期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不顯著。適用：要求早期強(qiáng)度高的特殊工程、也可用于寒冷地區(qū)冬季施工的混凝土工程，可制成耐熱混凝土。缺點(diǎn)：水化熱大，耐堿性差，長(zhǎng)期強(qiáng)度會(huì)降低，不宜用于大體積砼工程及長(zhǎng)期承重的結(jié)構(gòu)和接觸堿性溶液的工程。

3、快硬硫鋁酸鹽水泥也稱超強(qiáng)水泥，以低品位礬土、石灰石和石膏為原料，配制成適當(dāng)成分的生料，煅燒成以無(wú)水硫鋁酸鈣和β型硅酸二鈣為主要礦物的熟料，適量石膏磨細(xì)制成的早期強(qiáng)度高的水硬性膠凝材料。初凝不早于25min，終凝不遲于3h特點(diǎn)：快凝、早強(qiáng)、不收縮，良好的抗凍性、抗?jié)B性。適用：可用于配制早強(qiáng)、抗?jié)B和抗硫酸鹽侵蝕的砼，如：負(fù)溫施工、漿錨、噴錨支護(hù)、搶修、堵漏、水泥制品及一般建筑工程。缺點(diǎn)：堿度低、耐熱性差。

一、具有快硬早強(qiáng)性能的水泥加水硬化后，體積膨脹而不是收縮。

二、膨脹水泥硅酸鹽膨脹水泥。硅酸鹽水泥為主，外加高鋁水泥和石膏配制而成。

鋁酸鹽膨脹水泥。高鋁水泥水泥為主，外加石膏配制而成。

硫鋁酸鹽膨脹水泥。無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為為主要成分，外加石膏配制而成。

鐵鋁酸鈣膨脹水泥。鐵相、無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為為主要成分，外加石膏配制而成。

膨脹原理：生成鈣礬石。調(diào)整組分比例，可得不同的膨脹值。若膨脹受限，則產(chǎn)生自應(yīng)力。自應(yīng)力≥2MPa，稱為自應(yīng)力水泥；自應(yīng)力＜2MPa，稱為膨脹水泥；應(yīng)用：補(bǔ)償收縮混凝土、自應(yīng)力混凝土。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：《膨脹硫鋁酸鹽水泥》（ZBQ11007-87）、自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥》（JC715-1996）：

三、白色和彩色硅酸鹽水泥1.白色硅酸鹽水泥（白水泥）硅酸鹽水泥熟料中氧化鐵等含量少。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：《白色硅酸鹽水泥》（GB/T2015-2005）。技術(shù)要求：三氧化硫、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、安定性、水泥白度（≥87）、強(qiáng)度（32.5、42.5、52.5）。2.彩色硅酸鹽水泥生料＋著色物質(zhì)、熟料＋著色物質(zhì)、白水泥＋著色物質(zhì)。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：《彩色硅酸鹽水泥》（JC/T870-2000）。技術(shù)要求：三氧化硫、細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、安定性、強(qiáng)度、色差。3.應(yīng)用：用于各種裝飾裝修。