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1、3.4 水泥一、课外知识： 1. 波特兰水泥的发明 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 , 它制成砖块很像由波特兰半岛采下来的波特兰石, 由此将这种胶 凝材料命名 “ 波特兰水泥 “ Port l andCem ent 。 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。至 2005年，我国水泥总需求量达到了7亿吨左右，占世界水泥用量的 1/3, 水泥混凝土的总需求量也达到了50亿吨。 2. 水泥基材料的发展历程： 波特兰水泥（ 1824年）砂浆、混凝土钢筋混凝土（ 1850年）石棉水 泥（1900年）预应
2、力混凝土（ 1929年）外加剂混凝土（ 1935年）聚合物 水泥混凝土（ 20世纪50年代）高强混凝土（ 20世纪70年代）高性能混凝土 （20世纪90年代） 。 二、水泥的定义、分类和发展趋势 1. 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、 石等散粒材料，并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。 2. 分类 （1）按其组成成分分类，可分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫酸盐系 水泥和硫铝酸盐系水泥等。 （2）按其性能及用途可分为三类：通用水泥：用于一般土木建筑工程的水 泥；专用水泥：专门用途的水泥；特性水泥：某种性能比较突出的水泥。 （3）按掺和了的不同，
3、可分为普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥和 火山灰水泥。 3. 发展趋势： （1）在水泥品种方面，将加速发展快硬、高强、低热等特种和多用途的水 泥； （2）大力发展水泥外加剂； （3）大力发展高标号水泥； 三、硅酸盐水泥 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（即国外通称的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分 两种类型，不掺加混合材料的称I 型硅酸盐水泥，代号P.I 。在硅酸盐水泥粉磨 时掺入不超过水泥质量5石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称型硅酸盐水 泥，代号 P.。 （一） 、硅酸盐水泥熟料的烧成1. 生产原料：石灰质原料（如石灰岩） 、
4、粘土质原料（如粘土、粘土质页岩）和少量辅助原料（如铁矿粉）；2. 生产过程：两磨一烧。（二） 、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及水化特性硅酸盐水泥熟料矿物组成名称矿物成分简称含量（ % ）密度（ g/cm3）硅酸三钙3CaO SiO2C3S 3760 3.25 硅酸二钙2CaO SiO2C2S 1537 3.28 铝酸三钙3CaO Al2O3C3A 715 3.04 铁铝酸四钙4CaO Al2O3Fe2O3C4AF 1018 3.77 硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性 硅 酸 三钙 C3S硅酸二钙 C2S铝酸三钙 C3A铁 铝 酸 四 钙 C4AF 水化反应速度快慢最快快 水化热大小最大中强 度高早期低
5、 后期高低较低耐化学侵蚀性中良差优 干 缩中小大小 例题 挡墙开裂与水泥的选用 现象：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 C2S C3A C4AF 61% 14% 14% 11% 分析讨论： 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，就形成混凝土贯穿型的纵向裂缝。 课堂练习 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估 计和比较这两厂所生产的硅酸盐
6、水泥的硬化速度、水化热和强度有何差异？生产厂家熟料矿物成分（）C3S C2S C3A C4AF 甲56 17 12 15 乙42 35 7 16 答: 从上表可见， 由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水 化热以及 28d 的强度均高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥，但耐腐蚀 性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。（三）硅酸盐水泥的凝结硬化过程 水化物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。 凝结水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去可塑 性的过程称为凝结。 硬化浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石），这一过程称 为硬
7、化。 影响水泥凝结硬化的因素主要有：熟料矿物成分、水泥的细度、用水量、养 护时间、石膏掺量、温度、湿度和外加剂等。 思考题：简述石膏在水泥中的主要作用？ 答：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， 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。石膏的掺量主要取决于铝酸三钙和SO3的含量。 （四）硅酸盐水泥的技术要求 1. 密度、堆积密度： 在进行混凝土配合比的设计中，一般水泥密度取3.1g/cm3,
8、堆积密度取 1300kg/m32. 细度： 是指水泥颗粒的粗细程度。 （1）细度对水泥的影响： 细度直接影响水泥的水化、凝结硬化、强度和水化热 （2）细度测定的方法： 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) 。 3. 凝结时间 初凝为水泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝 为水泥加水拌和时起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时 间
9、。 硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h30min。 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 【思考题】 现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉和 白色硅酸盐水泥，请加以鉴别（化学分析除外）。 分析取相同质量的四种粉末，分别加入适量的水拌合为同一稠度的浆体。放 热量最大且有大量水蒸气产生的为生石灰粉；在分钟内凝结硬化并具有 一定强度的为建筑石膏； 在分钟到小时内凝结硬化的为白色水泥；加水 后没有任何反应和变化的为白色石灰石粉。 4. 体积安定性 安定性是指水泥在凝
10、结硬化过程中体积变化的均匀性。当水泥浆体硬化过程 发生了不均匀的体积变化，会导致水泥石膨胀开裂、翘曲，即安定性不良。安定 性不良的水泥会降低建筑物质量，甚至引起严重事故。 引起水泥安定性不良的原因有三个：熟料中游离氧化镁过多； 石膏掺量 过多；熟料中游离氧化钙过多。 测试方法可以用试饼法也可用雷氏法，本书实验部分介绍了这两种方法，有 争议时以雷氏法为准。 5. 强度及强度等级 水泥强度是采用软练胶砂法测定： 该方法是由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 40mm*40mm*160mm的试件，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，划分
11、水泥的强度等级：42.5 、42.5R、52.5 、52.5R、62.5 、62.5R。 R表示该水泥为早强型。 6. 碱含量 水泥中碱含量按 Na2O 0.653K2O计算值来表示。 若使用活性骨料， 用户要求 提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商定。 7. 水泥的不合格品和废品的含义： 废品 ：国家标准GB175-1999 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥还规定：凡 氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中任一项不符合本标准规定时，均为废品。 不合格品：凡细度、终凝时间中的任一项不符合本标准规定或混合材料掺加 量超过最大限量和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标
12、志中 水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。 （五）水泥石的腐蚀与防止 水泥制品在一般使用条件下， 具有较好的耐久性， 但在某些侵蚀介质 （如软 水、含酸或盐的水等）作用下，强度降低甚至造成建筑物结构破坏，这种现象称 为水泥石的腐蚀。 （1）软水腐蚀；（2）酸性腐蚀；（3）盐类腐蚀；（4）强碱的腐蚀 四、掺混合材料的硅酸盐水泥（一） 、掺混合材料的硅酸盐水泥的定义、分类 1. 定义： 在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料的硅酸盐水泥。 2. 分类： （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
13、。 活性混合材料 粒化高炉矿渣： 凡在高炉冶炼生铁时， 所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成 分的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣，简称矿渣。 粉煤灰 ：从煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰。 火山灰质混合材料： 凡天然的或人工的以氧化硅、 氧化铝为主要成分的矿 物质材料，本身磨细加水拌和并不硬化， 但与气硬性的石灰混合后， 再加水拌和， 则不单能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化的，称为火山灰混合材料。 （二） 、几大水泥的特性及选择 1. 六大水泥的特性与选用 六大水泥的特性，见教材 六大水泥的选用，见教材 2. 通用水泥的组成与技术要求 普通硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料， 615混合
14、材料，适量石膏磨细制成的水硬性凝 胶材料，成为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）代号P.O，水泥中混合材料掺加 量按质量百分比计。 与硅酸盐水泥相比，早期硬化速度稍慢，其3d 的抗压强度稍低，抗冻性与 耐磨性能也稍差。 在应用性能方面， 普通水泥与硅酸盐水泥也相似，广泛应用于 各种混凝土或钢筋混凝土工程，是我国主要水泥品种之一。 矿渣水泥 凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性凝胶材料 称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥） ，代号P.S。水泥中粒化高炉矿渣掺加量 按质量百分比计为2070。 火山灰水泥 凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝 材料称为火
15、山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥）。代号 P.P。水泥中火山灰质 混合材料掺加量按质量百分比计为2050。 粉煤灰水泥 凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉 煤灰硅酸盐水泥 （简称粉煤灰水泥）。代号 . 。水泥中粉煤灰掺加量按质量百 分比计为 2040。 复合水泥 凡由硅酸盐水泥熟料、 两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成 的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号 P.C。水泥中 混合材料总掺加量按质量百分比计应大于15，但不超过 50。五、其他品种的水泥 1. 高铝水泥以铝酸钙为主、氧化铝含量约50% 的熟料，磨细制成的水硬性胶凝材
16、料，称为高铝水泥。 高铝水泥的特点：（1）强度发展非常迅速， 24h内几乎可达到最高强度，标 号以 3d 抗压强度来表示。该水泥分425、525、625、725 四个标号。其 28d 强度 不得低于 3d 强度指标。 （2） 是在低温（510） 也能很好硬化，而在高温 （30） 养护时强度剧烈下降。因此高铝水泥使用温度不得超过30，更不宜采用蒸汽 养护。 高铝水泥抗硫酸盐性能好， 对碳酸和稀酸（pH不小于 4） 也有很好的稳定性， 但对浓酸和浓碱的耐蚀性不好。 目前高铝水泥主要用于配制膨胀水泥、自应力水 泥和耐热混凝土。2. 快硬硫铝酸盐水泥以适当的生料烧至部分熔融， 得到以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成 分的熟料，加入适量的石膏磨细的具有早期强度高的特点的水硬性胶凝材料，称 为快硬硫铝酸盐水泥。 强度发展很快，早期强度高，且结构致密，孔隙率小，抗渗性高，水化产物 中 Ca(OH)2的含量少，抗硫酸盐侵蚀能力强。因此快硬硫铝酸盐水泥
