{建筑材料管理}建筑材料之水泥概述

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1、黑龙江大学水利电力学院 史长莹,第4章 水 泥,Cement,4.1 概述,水泥的特点 水泥是一种粉末状材料，加水拌合均匀后形成的浆体不仅能够在干燥的环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或继续提高其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。 水泥适用范围 不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。,4.1 概述,按性能和用途分,水 泥,通用水泥,专用水泥,特性水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,石灰石硅酸盐水泥,如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等,如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等,

2、4.1 概述,按主要水硬性物质分,4.2 硅酸盐水泥,4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成,硅酸盐水泥的原材料 生产硅酸盐水泥熟料的原材料 石灰质原料 ：如石灰石等。 粘土质原料：主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。 铁矿粉：采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。 石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。 混合材料：包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。,硅酸盐水泥的生产工艺“两磨一烧”工艺 生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种 ； 硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料加适量石膏、或者再

3、加不超过5%的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成,4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成,石灰石,粘 土,铁矿粉,生 料,石 膏,硅酸盐水泥,混合材料,熟 料,按比例混合,磨细,1450,煅烧,磨细,的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。 硅酸盐水泥分为：型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。 煅烧步骤：1.生料的干燥与脱水；2.碳酸钙分解；3.固相反应；4.烧成阶段；5.熟料的冷却。 1.生料的干燥与脱水：干燥阶段（水分的蒸发：100150），生料的脱水（预热带，500800，高岭石、蒙脱石及伊利石脱水，生成无定形的SiO2和Al2O3） 2.碳酸钙分解（ 8001000

4、 ）：生成CaO,4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成,3.固相反应（ 8001000 1300） ：CaO与SiO2、Fe2O3和Al2O3发生固相反应，随着温度的升高固相反应加速，逐步生成2CaOSiO2（C2S）、3CaOAl2O3（C3A）和4CaOAl2O3Fe2O3（C4AF）。同时有部分CaO剩余 4.烧成阶段（ 13001450 1300）：C3A与C4AF烧至熔融，将C2S与剩余的CaO反应生成3CaOSiO2（C3S） 煅烧水泥的关键！ 5.熟料的冷却：煅烧完成后，迅速冷却，得到熟料。,4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成,4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成,熟料的

5、矿物组成,水泥熟料矿物,硅酸二钙,铁铝酸四钙,游离氧化钙和氧化镁,铝酸三钙,硅酸三钙,SO3,2CaOSiO2，C2S,4CaOAl2O3Fe2O3，C4AF,fCaO和fMgO,3CaOAl2O3，C3A,3CaOSiO2，C3S,4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成,水泥熟料矿物的主要特性 熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。,4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,凝结硬化的概念 凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程； 硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。 水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程

6、较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。,4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,熟料矿物的水化反应 硅酸三钙 2（3CaOSiO2）6H2O = 3CaO2SiO23H2O3Ca（OH）2 硅酸二钙 2（2CaOSiO2）4H2O = 3CaO2SiO23H2OCa（OH）2 铝酸三钙 3CaOAl2O3H2O = 3CaOAl2O36H2O 3CaOAl2O36H2O3（CaSO42H2O）19H2O = 3CaOAl2O33CaSO431H2O 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O37H2O = 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3

7、H2O,4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,熟料矿物的水化反应过程 水化初期 熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。 水化中期 以水化硅酸钙（CSH）和氢氧化钙的快速形成为特征。 水化后期 由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。,4.2.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,A凝胶体（CSH凝胶，水化

8、硅酸钙凝胶）； 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。,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,1.密度、堆积密度和各成分含量,注：表中百分数均为质量百分数。,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,2.细度 细度是指水泥颗粒的粗细程度。 水泥颗粒的粗细，直接影响其水化反应速度、活性和强度。 国家标准中规定，水泥的细度用筛析法

9、和比表面积法来测定。硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2/kg。 筛析法,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,3.标准稠度用水量 水泥净浆达到标准稠度时，所需的拌和水量，称为标准稠度用水量。 水泥磨得越细，标准稠度用水量越大。 当其他条件相同时，水泥的标准稠度用水量越小越好。,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,4.凝结时间 凝结时间 分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。 水泥初凝时间不宜过早，终凝时间不宜过迟。 国家标准GB1751999规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h。,4.2

10、.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,5.体积安定性 体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的均匀性。水泥在硬化过程中体积变化不均匀，即为体积安定性不良。 水泥安定性不良的原因： 熟料中含有过量的游离氧化钙（fCaO），或含有过量的游离氧化镁（fMgO）； 生产水泥时掺入的石膏过量。 国家标准GB1751999规定，硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格。 体积安定性不良的水泥严禁用于工程中。,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,6.强度及强度等级 （1）胶砂强度 按照国家标准规定，水泥和标准砂按1：3质量比混合，加入规定量的水（水灰比为0.50），经标准试验方法搅拌成型。制成40mm40mm160

11、mm的标准试件，在标准条件下养护。根据水泥品种不同，分别测定3d、28d的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,（2）强度等级 根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级。硅酸盐水泥的强度等级划分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R如下表所示共六个等级。,注：R型为早强型，主要是3d强度较高。,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,7.水化热 水泥的水化热是指在水化过程中的放热量，单位为kJ/kg。 水化热的高低与熟料矿物的相对含量有关。铝酸三钙、硅酸三钙的水化热高，而铁铝酸四钙、硅酸二钙的水化热较低。因此要降低水化热，可适

12、当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量。 水化热主要对大体积混凝土工程有影响。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。,4.2.4 环境水对水泥石的侵蚀,水泥石腐蚀的方式 （1）软水侵蚀（溶出性侵蚀） （2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀） 一般酸的腐蚀 碳酸性腐蚀 （3）硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀） （4）镁盐腐蚀 防止水泥石腐蚀的措施 （1）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种。 （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。,硅酸盐水泥的特性及应用,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。 抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高

13、的工程。 耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。 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。 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。 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。 耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。,4.3混合材料及掺有混合材料的硅酸盐水泥,4.3.1 混合材料,混合材料：为了改善水泥性能、提高水泥的产量，在生产时掺入的天然或人工矿物质材料。 活性混合材料（水硬性混合材料） 粒化高炉矿渣； 粉煤灰； 火山灰质混合材料 非活性混合材料（

14、填充性混合材料）：如磨细石灰石粉、磨细石英砂等。,4.3.2 普通硅酸盐水泥（代号PO）,定义 硅酸盐水泥熟料620的混合材料适量石膏 技术性质要求（与硅酸盐水泥相比） 相同点 MgO含量、SO3含量、初凝时间、安定性的技术要求相同。 不同点 细度：80m方孔筛筛余量不超过10.0%； 终凝时间：不迟于10h； 烧失量：不得大于5.0%；,4.3.2 普通硅酸盐水泥（代号PO）,强度等级：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。各龄期的强度不低于下表的规定。,4.3.2 普通硅酸盐水泥（代号PO）,主要特性 （1）早期强度略低，后期强度高

15、。 （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。 应用 普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同。,4.3.3 矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,定义 技术性质要求（与普通水泥相比） 相同点 MgO含量、细度、凝结时间、安定性的技术要求相同。 不同点,熟料,适量石膏,20%80%粒化高炉矿渣,20%40%粉煤灰,20%40%火山灰质混合材料,矿渣水泥 （PS）,粉煤灰水泥 （PF）,火山灰水泥 （PP）,磨细,磨细,磨细,4.3.3 矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,三氧化硫含量：矿渣水泥不超过4.0；火山灰质水

16、泥、粉煤灰水泥不得超过3.5。 强度等级：强度等级划分为32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R共六个等级。各龄期的强度要求见下表。 密度：水泥的密度为28003000kg/m3。,4.3.3 矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,主要特性（与硅酸盐水泥、普通水泥相比） 三种水泥的共同特性 凝结硬化较慢，早强强度较低，后期强度增长较快； 水化热较低，放热速度慢； 抗硫酸盐腐蚀和抗水性较好； 蒸汽养护适应性好； 抗冻性、耐磨性及抗碳化性能较差。 三种水泥各自特性 矿渣水泥的抗渗性较差，但耐热性好，可用于温度不高于200的混凝土工程中。 火山灰水泥的抗渗性好，但干缩较大，不适用于长期处于干燥环境中的混凝土工程。 粉煤灰水泥干缩小，抗裂性好。,4.3.4 复合硅酸盐水泥和石灰石硅酸盐水泥,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，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。 石灰石硅酸盐水泥（PL） 凡由硅酸盐水泥熟料和石灰石、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材