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1、第 四 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
2、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。 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
3、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！ 硅酸盐水泥的历史 v埃及时代 煅烧石膏金字塔 v希腊与罗马人 发明了煅烧石灰石快硬石灰砖石结构砂浆 v希腊与罗马人 黏土获泥土、石灰与砂胶凝材料 v罗马人 用火山灰、石灰与砂水硬性胶凝材料混凝土、砌 块 v中世纪，该项技术失传，到11世纪建材低到最低点 v14世纪后期，石灰技术和火山灰利用再次升起 v175
4、91759年, 英国人John Smeaton将石灰与火山灰混合胶凝 材料； v法国的Lesage 和Vicat，英国的Frost 和Parke，煅烧石灰与粘 土混合物水泥 v1824年，英国的砖瓦匠Joseph Aspdin发明了现代生产硅酸盐 水泥的专利技术 v1871年，美国宾夕法尼亚，发明世界上第一台回转窑，使水 泥生产大规模化 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 基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用
5、。 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 料： 硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占1/3 钙质：
6、石灰石、白垩等，(CaO)，占2/3 调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3 与SiO2 v制造工艺： 原料经粉磨混合后得到水泥生料 生料经窑内煅烧得到水泥熟料 水泥熟料石膏(或再混合材）一起经粉磨混合 后得到水泥 v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 水 泥 生 料 熟 料 混合材 水泥制造的“两磨一烧”工艺流程 粉 磨煅 烧 粉 磨 原料采掘 原料磨细 原料混合 反应物产物 中间产物 预热器
7、回转窑 产 物 熟料冷却 熟料储存 硅酸盐水泥熟料制造工艺流程 水泥制造厂全貌 水泥的制造工艺全貌 水泥生料煅烧回转窑 回转窑尾 14501500C 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 Additives v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BeliteC2SCa2
8、SiO42CaOSiO2 铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3 铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3 含 量(mass%) 3760 1537 715 1018 v化学组成： 主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F) 少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。 v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 法确定： GB/T 1761996 水泥化
9、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 水泥颗粒宏观形貌 水泥颗粒的结构 水泥熟料颗粒细观形貌 水泥熟料矿物微观结构 硅酸盐水泥的品种及矿物含量 C3S 48 65 31 42 C2S 24 11 40 34 C3A
10、13 8 12 2 C4AF 9 9 12 15 特点： 普通 早强 低热 抗硫酸盐 A B C D CaO 66 67 64 64 SiO2 21 21 22 23 Al2O3 7 5 7 4 Fe2O3 3 3 4 5 f-CaO 1 1 1 1 SO3 2 2 2 2 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
11、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化反应； v水化反应将结合占水泥质量30左右的拌 和水； v水化反应的产物水化物能相互凝聚成 三向网络结构； v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。 需学习与掌握的内容： 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
12、-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Ca(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： CaxH6-2xSi
13、2O7.zCa(OH)2nH2O (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 水化时间（天） 溶液中的反应 v机理：溶解 扩散 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
14、长 CSH凝胶体结构 水化硅酸钙的形成 重新排列和凝聚后的凝胶体结构 硅酸钙矿物颗粒的电镜照片硅酸钙矿物水化后的电镜照片 硅酸钙矿物水化物的特征 硅酸钙的水化产物C-S-H与Ca(OH) 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
