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1、3.4 硅酸盐水泥硅酸盐水泥 最早采用具有水硬性胶凝材料制备混凝土的是中国人，而不是 多少年来一直误认为的古罗马人。据甘肃省考古研究所于1980年和 1983年考察，在该省秦安县的大地湾（黄河支流渭水之畔，西安以 西约600公里处）先后发掘出两个大型住宅遗址，该遗址的地坪系 用混凝土建造，经测算距今已有5千年，相当于“新石器时代”。 从大地湾发掘出的混凝土是用水硬性的水泥所制成。这种水泥以礓 石一种富含碳酸钙的粘土为原料煅烧而成。 中国1889年于唐山建立了第一座水泥厂，1906年在唐山成立了 启新洋灰股份有限公司，开创了中国的水泥工业，1949年的水泥产 量为66万吨，到1984年已达到1.
2、2亿吨，水泥品种从单一的硅酸盐 水泥发展到能生产60余种水泥。 1985年，水泥产量达到1.6亿吨， 居世界第一，1997年达到5亿吨，2003年10月我国水泥年产量已经 突破7亿吨。 国际水泥会议组织主席马考姆谢尔伯恩2003年9月4日在北 京说，中国不仅生产世界上超过三分之一的水泥，也是全球在过去 10年发展最快的水泥市场。今后几年内，在中国新建的水泥厂将多 于世界其他地区新建水泥厂的总和。 但： 质量水平低于国际平均水平 目前ISO42.5以上的水泥产量仅占10%左右，水泥早期强度比国际同标号水泥低2025%，水泥流动性差、泌水率大、后期收缩明显。 资源与环境问题严峻 制造1吨水泥熟料约
3、产生0.8吨CO2； 制造1吨水泥熟料约需要1.2吨石灰石； 能源消耗175.3公斤标煤/吨熟料，比国外先进水平高50%。 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、 铁铝酸盐水泥 水泥 硅酸盐水泥 通用水泥 专用水泥 特性水泥 化学成分化学成分 性能和用途性能和用途 用于用于般土木工程的水泥般土木工程的水泥, ,如普通硅酸盐水泥如普通硅酸盐水泥 专门用途的水泥，如砌筑水泥专门用途的水泥，如砌筑水泥、道路水泥道路水泥 某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥 水泥分类水泥分类 硅酸盐水泥硅酸盐水泥 腐蚀与防止 特性应用 生 产 矿物组成和 特性 技术标准 3.4.1 硅
4、酸盐水泥的定义、分类及生产硅酸盐水泥的定义、分类及生产 1 定义 凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主 的水泥熟料，掺入适量石膏、05的石灰石或粒化 高炉矿渣磨细制成的水硬性胶凝材料，就是硅酸盐水硅酸盐水 泥泥(也称波特兰水泥)。 当硅酸盐水泥中不掺混合材料时，称为型硅酸盐水泥， 代号P.。 当硅酸盐水泥中混合材料掺量不超过5%时，称为型硅 酸盐水泥，代号P.。 2 分类 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 3 生产 （1）生料制备（粉磨、预均化） 石灰质原料（如石灰石、白垩等，主要提供氧化钙）和黏土质原料（如黏 土、页岩
5、等，主要提供氧化硅及氧化铝与氧化铁），还有少量辅助原料， 如铁矿石。 （2）熟料煅烧煅烧所得的熟料还要加入作缓凝剂用的石膏磨制水泥。 （3）水泥粉磨熟料、石膏、混合材一起粉磨成水泥。 硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是“二磨一烧” 3.4.2 通用硅酸盐水泥的组成材料 1 熟料 硅酸三钙(简称C3S) 其矿物组成为3CaO SiO2， 含量约50%左右。 硅酸二钙(简称C2S) 其矿物组成为2CaO SiO2， 含量约20%左右。 铝酸三钙(简称C3A) 其矿物组成为 3CaO Al2O3，含量7%15%。 铁铝酸四钙(简称C4AF) 其矿物组成为 4CaO Al2O3 Fe2O3，含量10%1
6、8%。 其它矿物组成硅酸盐水泥熟料中还含有少量 的游离氧化钙和游离氧化镁及少量的碱(氧化钠和 氧化钾)。它们可能对水泥的质量及应用带来不利 影响。 水泥颗粒显微外貌 C3S C2S 2 石膏 天然二水石膏 工业副产物石膏 3 混合材料 在水泥生产过程中，为改善水泥性能、调节水泥标 号，而加到水泥中去的天然或人工矿物材料，称为 混合材料。 活性混合材料： 活性混合材料具有一定的活性组分，单独与水调和 时无水化作用或很少，但在有激化剂存在的情况下 （如水化产物CH、石灰或石灰与石膏混合等）能 生成具有胶凝性质的稳定化合物 磨细粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料 硅灰 非活性混合材料 无化学活性
7、或化学作用很小的混合材料。 如：磨细石英砂、石灰石等 4 助磨剂 3.4.3 通用硅酸盐水泥的技术要求 1 化学指标 不溶物含量酸处理、碱处理、残渣 烧失量石膏含量、杂质 三氧化硫 氧化镁 氯离子 2 碱含量 Na2O+0.658%K2O 0.6% 3 物理指标 （1）凝结时间 水泥的凝结时间有初凝与终凝之分；自加水起至水泥浆开水泥的凝结时间有初凝与终凝之分；自加水起至水泥浆开 始失去塑性、流动性减小所需的时间，称为初凝时间。自始失去塑性、流动性减小所需的时间，称为初凝时间。自 加水时起至水泥浆完全失去塑性、开始有一定结构强度所加水时起至水泥浆完全失去塑性、开始有一定结构强度所 需的时问，称为
8、终凝时间。需的时问，称为终凝时间。 水泥凝结时间的测定，是以标准稠度的水泥净浆，在规定水泥凝结时间的测定，是以标准稠度的水泥净浆，在规定 温度和湿度下，用凝结时间测定仪来测定。所谓标准稠度温度和湿度下，用凝结时间测定仪来测定。所谓标准稠度 是指水泥净浆达到规定稠度时所需的拌合水量，以占水泥是指水泥净浆达到规定稠度时所需的拌合水量，以占水泥 重量的百分率表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水量，一般重量的百分率表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水量，一般 在在24一一30之间。之间。 规定水泥的凝结时间在施工中具有重要的意义。规定水泥的凝结时间在施工中具有重要的意义。 初凝不宜过快是为了保证有足够的时间在初凝
9、之初凝不宜过快是为了保证有足够的时间在初凝之 前完成混凝土成型等各工序的操作；终凝不宜过前完成混凝土成型等各工序的操作；终凝不宜过 迟是为了使混凝土在浇捣完毕后能尽早完成凝结迟是为了使混凝土在浇捣完毕后能尽早完成凝结 硬化，产生强度，以利于下道工序的及早进行。硬化，产生强度，以利于下道工序的及早进行。 水泥标准稠度（代用法）和凝结时间测定（代水泥标准稠度（代用法）和凝结时间测定（代 用法）用法） 水泥标准稠度（标准法）和凝结时间（标准法）水泥标准稠度（标准法）和凝结时间（标准法） 测定测定 （2）.体积安定性体积安定性 水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的水泥的体积安定性是指水泥
10、在凝结硬化过程中体积变化的 均匀性。水泥体积安定性不良会使水泥制品、混凝土构均匀性。水泥体积安定性不良会使水泥制品、混凝土构 件产生膨胀性裂缝，降低建筑物质量件产生膨胀性裂缝，降低建筑物质量 ，甚至引起严重，甚至引起严重 工程事故。因此体积安定性不合格的水泥作废品处理。工程事故。因此体积安定性不合格的水泥作废品处理。 水泥安定性不良的原因是由于其熟料矿物组成中含有过多水泥安定性不良的原因是由于其熟料矿物组成中含有过多 的游离氧化钙或游离氧化镁，以及水泥粉磨时所掺石膏的游离氧化钙或游离氧化镁，以及水泥粉磨时所掺石膏 超量等所致。超量等所致。 熟料中所含的游离氧化钙或游离氧化镁都是在高温下生成熟料
11、中所含的游离氧化钙或游离氧化镁都是在高温下生成 的，属过烧石灰，水化很慢，它要在水泥凝结硬化后才的，属过烧石灰，水化很慢，它要在水泥凝结硬化后才 慢慢开始水化，水化时产生体积膨胀，从而引起不均匀慢慢开始水化，水化时产生体积膨胀，从而引起不均匀 的体积变化而使硬化水泥石开裂。的体积变化而使硬化水泥石开裂。 国家标准规定，由游离氧化钙引起的水泥安定性不良可采用国家标准规定，由游离氧化钙引起的水泥安定性不良可采用 试饼法或雷氏法检验。在有争议时以雷氏法为准。试饼法或雷氏法检验。在有争议时以雷氏法为准。 水泥安定性不良的原因是由于其熟料矿物组成中含有过多的 游离氧化钙或游离氧化镁，以及水泥粉磨时所掺石
12、膏超量 等所致。 熟料中所含的游离氧化钙或游离氧化镁都是在高温下生成的， 属过烧石灰，水化很慢，它要在水泥凝结硬化后才慢慢开 始水化，水化时产生体积膨胀，从而引起不均匀的体积变 化而使硬化水泥石开裂。 当水泥中石膏掺量过多时，多余的石膏将与已固 化的水化铝酸钙作用生成水化硫铝酸钙晶体，产 生体积膨胀1.5倍，从而造成硬化水泥石开裂破坏。 石膏的危害作用需经长期浸在常温水中才能发现。 因氧化镁和石膏的危害作用不便于快速检验，因 此常在水泥生产中严格加以控制。国家标准规定， 水泥中游离氧化镁含量不得超过5.0，三氧化硫 含量不得超过3.5。 （3）强度及强度等级）强度及强度等级 水泥的强度是评定其
13、质量的重要指标，也是划分水泥强度水泥的强度是评定其质量的重要指标，也是划分水泥强度 等级的依据。国家标准规定，采用等级的依据。国家标准规定，采用软练胶砂法测定水泥强测定水泥强 度，该法是将水泥和标准砂按度，该法是将水泥和标准砂按1：3.0混合，加入规定数量混合，加入规定数量 的水的水(水灰比水灰比0.50),并按规定的方法制成并按规定的方法制成 40mm40mm160mm的试件，在标准温度的试件，在标准温度(20士士1) 的水中养护，分别测定其的水中养护，分别测定其3d和和28d的抗压强度和抗折强度。的抗压强度和抗折强度。 根据测定结果根据测定结果,将硅酸盐水泥分为将硅酸盐水泥分为42.5、4
14、2.5R、52.5、 52.5R、62.5和和62.5R等六个强度等级。水泥按等六个强度等级。水泥按3d强度又强度又 分为普通型和早强型两种类型，其中有代号分为普通型和早强型两种类型，其中有代号R者为早强型者为早强型 水泥。水泥。 试件的养护 （4）.细度 细度是指水泥颗粒的粗细程度。水泥细度通常采用 筛分析法或比表面法(勃氏法)测定。筛析法以80m 方孔筛的筛余量表示。比表面法以 lkg水泥所具 有的总表面积(m2kg)表示。 国家标准规定，硅酸盐水泥的细度用比表面积表示， 应大于300m2kg。普通水泥的细度用筛余量表示， 其筛余量不得超过10.0。凡水泥细度不符合规 定者为不合格品。 3
15、.5 通用硅酸盐水泥的水化与性能 3.5.1 硅酸盐水泥的水化硬化 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。 反应速度序列： 半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-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 矿物组成和特性矿物组成和特性 矿物水化矿物水化 硅酸三钙水化硅酸三钙水化 (C(C- -S S- -H H凝胶凝胶) )和氢氧化钙。和氢氧化钙。 3CaOSiO2+3CaOSiO2+n nH2O=H2O=x xCaOSiO2CaOSiO2y yH2O
16、+(3H2O+(3- -x x)Ca(OH)2)Ca(OH)2 硅酸二钙的水化硅酸二钙的水化 - -C2SC2S的水化与的水化与C3SC3S相似，只不过水化速度慢而已。相似，只不过水化速度慢而已。 2CaOSiO2+2CaOSiO2+n nH2O=xCaOSiO2H2O=xCaOSiO2y yH2O+(2H2O+(2- -x x)Ca(OH)2)Ca(OH)2 所形成的水化硅酸钙在所形成的水化硅酸钙在C/SC/S和形貌方面与和形貌方面与C3SC3S水化生成的都无大区别，故也水化生成的都无大区别，故也 称为称为C C- -S S- -H H凝胶。但凝胶。但CHCH生成量比生成量比C3SC3S的少，结晶却粗大些。
