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1、第四节 水 泥,1、水泥的起源与发明：,水泥是一种水硬性胶凝材料。水泥起源于胶凝材料，是在胶凝材料的发展过程中逐渐演进和发明的。,2、分类：,气硬性胶凝材料： 水硬性胶凝材料：,有机胶凝材料：无机胶凝材料：,如：沥青、 各种树脂,如：石灰、石膏,如：水泥,水泥的发明19世纪初（18101824年），用人工配合粘土与石灰石经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料已经开始组织生产。1824年，英国人阿斯普丁将粘土与石灰石配合烧制成块（熟料），再经磨细而成水硬性胶凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石，并具有较高强度，其外观与当时建筑上常用的英国波特兰岛上出产的岩石相似，故称之为“波特兰水泥”（Portland
2、 Cement)，并于1824年10月21日首先获得该产品的专利权。,水泥的定义和分类 水泥是一种细磨成粉末状，加入适量水后成为可塑性的浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结成具有一定强度的水硬性胶凝材料。 按用途和性能分类,用于一般土木建筑工程中的水泥，如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等,具有专门用途水泥 ，如中、低热水泥，道路水泥等,具有某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥等,按其化学成分类虽然水泥品种繁多，分类方法各异，但我国水泥产量的90%左右属以硅酸盐为主要水硬性矿物的硅酸盐水泥。,一、硅酸盐水泥现行国家标准GB175-1999定义：凡由硅
3、酸盐水泥熟料、05的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（国外统称为波特兰水泥）。,（一）硅酸盐水泥的生产工艺 生产原料主要是石灰质原料和粘土质原料两类。 石灰质原料：如石灰石、白垩等，主要提供CaO 粘土质原料：如粘土、粘土质页岩等，主要提供SiO2、 Al2O3、Fe2O3 有时两种原料化学组成不能满足要求，还要加入少量校正原料(如铁矿粉等)调整。,生产工艺概述硅酸盐水泥的生产工艺可概括为三个阶段： 生料制备：以石灰石、粘土和铁矿粉为主要原料（有时需加入校正原料），将其按一定比例配合、磨细，制得具有适当化学成分、质量均匀的生料。 熟料煅烧：将生料在水泥窑内经
4、1450高温煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料。 水泥粉磨：将熟料加适量石膏和05的石灰石或粒化高炉矿渣共同磨细得到硅酸盐水泥。,补充：中国的水泥工业概况,第一个水泥厂唐山细棉土厂（后改组为启新洋灰公司，现为启新水泥厂）1889年建于河北省唐山，并于1892年建成投产。之后，又相继建成了大连、上海、中国、广州等水泥厂。,据英文 “Cement”的音译,据其和水后成泥状物的特性,水泥的名称：,细棉土 士敏土 水门汀 洋灰 水泥,硅酸盐水泥的生产工艺,石灰质原料 CaO,黏土质原料 SiO2、Al2O3、 Fe2O3,校正原料,生料,熟料,石膏,石灰石或粒化矿渣,按比例,混合磨
5、细,煅烧,1450,水泥,磨细,“两磨一烧”,（二）硅酸盐水泥熟料的矿物组成,生料,SiO2,CaO,化合反应,8001450,800左右,分解反应,Al2O3,Fe2O3,2CaOSiO2,3CaOSiO2,3 CaO Al2O3,4 CaOAl2O3Fe2O3,（三）硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 水化水泥加水拌和后，水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应，生成各种水化物。硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙铝酸三钙 水化铝酸钙铁铝酸四钙 水化铝酸钙 水化铁酸钙,水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙，也称为钙矾石晶体：水化硫铝酸钙（钙矾石）经过上述
6、水化反应后，主要水化产物为：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等。,凝结硬化随着时间的推延，水泥浆逐渐失去塑性，形成具有一定强度的石状体，这个过程叫水泥的凝结硬化。,硅酸盐水泥的水化与凝结硬化可简述如下： 水泥水具有流动性、可塑性浆体失去可塑性凝结 随后水泥浆体开始产生强度， 坚硬的水泥石硬化,水化,水泥加水拌合后的水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便
7、开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。,随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。水泥的硬化期可以延续至很长时间，但28天基本表现出大部分强度。,（四）水泥的技术性质 细度细度指水泥颗粒的粗细程度。一般情况下，水泥颗粒越细，其总表面积越大，与水反应时接触的面积也越大，水化反应速度就越快，所以相同矿物组成的水泥，细度越大，凝结硬化速度越快，早期强度越高。一般认为，水泥颗粒粒径小于40m时才具有
8、较大的活性。但水泥颗粒太细，使混凝土发生裂缝的可能性增加，此外，水泥颗粒细度提高会导致生产成本提高。,水泥全部加入水中,开始失去可塑性,完全失去可塑性,初凝时间,终凝时间,凝结时间 水泥从加水时至水泥浆失去可塑性所需的时间。凝结时间分初凝时间和终凝时间。 初凝时间：从水泥加水至水泥浆开始失去可塑性所经历的时间； 终凝时间：从水泥加水至水泥浆完全失去可塑性所经历的时间。,水泥的初凝时间不宜过短，终凝时间不宜过长。水泥的初凝时间太短，则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工；水泥的终凝时间过长，则将延长施工进度和模板周转期。我国现行国标(GB175-1999)规定，硅酸盐水泥初凝不得早于45mi
9、n，终凝不得迟于6.5h。普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h。,水泥的体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀程度。如果这种体积变化是轻微的均匀的，则对建筑物的质量没什么影响，但是如果混凝土硬化后，由于水泥中某些有害成分的作用，在水泥石内部产生了剧烈的、不均匀的体积变化，则会在建筑物内部产生破坏应力，导致建筑物的强度降低。若破坏应力发展到超过建筑物的强度，则会引起建筑物开裂、崩塌等严重质量事故，这种现象称为水泥的体积安定性不良。,强度水泥技术要求中最基本的指标，它直接反映了水泥的质量水平和使用价值。水泥的强度越高，其胶结能力也越大。硅酸盐水泥的强度主要取决于熟料的矿物
10、组成和水泥的细度，此外还与水灰比、试验方法、试验条件、养护龄期等因素有关。,我国现行标准水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB176711999）规定：将水泥、标准砂及水按规定的比例（水泥：标准砂：水1：3：0.5），用规定方法制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准条件（24h之内在温度201，相对湿度不低于90的养护箱或雾室内，24h后在201的水中）下养护，测定其3d和28d的抗折强度和抗压强度 。相对湿度：空气中实际所含水蒸气密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比值。,水泥强度等级按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分，硅酸盐水泥各龄期强度不低于规定数值。在规定各龄期的抗压强度和抗折
11、强度均符合某一强度等级的最低强度值要求时，以28d抗压强度值（MPa）作为强度等级，硅酸盐水泥强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。,水泥型号 为提高水泥早期强度，我国现行标准将水泥分为普通型和早强型（或称R型）两个型号。早强型水泥3d的抗压强度较同强度等级的普通型强度提高10%24%；早强型水泥的3d抗压强度可达28d抗压强度的50%。,硅酸盐水泥强度标准（GB1751999）水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。,硅酸盐水泥强度标准（GB1751999）水泥混凝土路面用水泥，在供
12、应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。,（六）硅酸盐水泥石的腐蚀与防止硅酸盐水泥硬化后形成的水泥石，在正常环境条件下将继续硬化，强度不断增长。但在某些腐蚀性液体或气体的长期作用下，水泥石就会受到不同程度的腐蚀，严重时会使水泥石强度明显降低甚至完全破坏，这种现象称为水泥石的腐蚀。,水泥石腐蚀的基本原因 内因：水泥石中存在有引起腐蚀的组成成分氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身不密实，有很多毛细孔通道，侵蚀性介质易进入其内部； 外因 ：外界存在腐蚀性介质和条件。,硅酸盐水泥的生产工艺,石灰质原料 CaO,黏土质原料 SiO2、Al2O3、 Fe2O3,校正原料,生料,
13、熟料,石膏,石灰石或粒化矿渣,按比例,混合磨细,煅烧,1450,水泥,磨细,“两磨一烧”,硅酸盐水泥熟料的矿物组成,生料,SiO2,CaO,化合反应,8001450,800左右,分解反应,Al2O3,Fe2O3,2CaOSiO2,3CaOSiO2,3 CaO Al2O3,4 CaOAl2O3Fe2O3,温故知新,1、水泥的生产工艺,2、水泥的技术性质：细度、凝结时间、体积安定性、强度,硅酸盐水泥强度标准（GB1751999）比如：水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。,（七）硅酸盐水泥的特性与应用 凝结硬化快，早期及后期强度均高。适用
14、于有早强要求的工程（如冬季施工、预制、现浇等工程），高强度混凝土工程（如预应力钢筋混凝土，大坝溢流面部位混凝土）。 抗冻性好。适用于抗冻性要求高的工程。 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。 耐腐蚀性差。因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。不宜用于流动的淡水接触及有水压作用的工程，也不适用于受海水、矿物水等作用的工程。,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，对钢筋的保护作用较强。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。,（八）硅酸盐
15、水泥的储存与运输 硅酸盐水泥在储存和运输过程中，应按不同品种、不同强度等级及出厂日期分别储运，不得混杂。 要注意防潮、防水。 水泥的有效储存期是3个月。一般水泥在储存3个月后，强度降低约1020，6个月后降低1530。存放超过3个月的水泥必须经过检验后才能使用。,二、掺混合材料的硅酸盐水泥为改善硅酸盐水泥的某些性能，同时达到增加产量和降低成本的目的，在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定数量的混合材料和适量石膏共同磨细的水硬性胶凝材料，称为掺混合材料的硅酸盐水泥 。可分为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥。,（一）普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、6%15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥），代号PO。水泥中混合材料掺量按质量百分比计，掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量5的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时，最大掺量不得超过水泥质量10%。,普通硅酸盐水泥强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。 普通硅酸盐水泥强度标准（GB1751999）,
