土木工程材料第3章_水泥

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1、第三章 水 泥 Cement,内容提要： 重点介绍硅酸盐水泥的矿物组成、水化硬化机理、影响水化因素；硅酸盐水泥主要技术性质；水泥石的腐蚀和防止；同时介绍了其它掺混合材的水泥、特种水泥；达到正确的选择和使用水泥。,水泥素有“建筑业的粮食”之称。 土木工程基本建设的四大材料： 水泥 钢材 木材 塑料,水泥是水硬性无机胶凝材料，是目前建筑工程中用量最大、最重要的建筑材料之一。,1824年英国人约瑟夫阿斯普丁（Joseph Aspdin）取得了波特兰水泥（即硅酸盐水泥）的发明专利。硅酸盐水泥的首批大规模使用是在18251843年修建泰晤士河隧道。我国第一个水泥厂是清政府在“洋务运动”中于1889年于开

2、平矿务局创办的唐山细棉土厂。,水泥的英文是cement。但cement这个词在波特兰水泥发明之前就已存在，源于罗马语caementum，原指一种能在水中硬化的、消石灰与火山灰的混合物，文献中称为罗马水泥(Roman cement)。,水泥的生产和使用在世界上已有180多年的历史。目前，世界上水泥的品种已达200多种。解放后，我国水泥产量快速上升，1985年我国水泥产量已跃居世界第一位，品种亦达70多种。现在已有100余种。 目前我国水泥品种虽然很多，但大量使用的是六大品种水泥：,硅酸盐水泥：P.、P.；(portland cement),普通硅酸盐水泥：P.O；(ordinary portla

3、nd cement),矿渣硅酸盐水泥：P.S.A、P.S.B；(slag portland cement),粉煤灰硅酸盐水泥：P.F；(fly ash portland cement),复合硅酸盐水泥：P.C；(composite portland cement),火山灰质硅酸盐水泥：P.P；(pozzolanic portland cement),输水管,内 径 6.6m 外 径7.5m,巴西Itaipu坝,正在建设中的三峡大坝,三峡大坝,美国加州引水渠,挪威的海上石油钻井平台,加拿大Montreal体育馆,水泥分类,按组成，水泥分为：硅酸盐（又称波特兰水泥）、铝酸盐（又称高铝水泥、矾土水泥

4、）、硫铝酸盐三大系列水泥，其中硅酸盐系列水泥应用最广。,按性能和用途，水泥分为：通用水泥（应用最多，产量最大，属硅酸盐系列水泥）、专用水泥（专门用于某些工程的水泥，如砌筑水泥(masonry cement)、道路水泥、油井水泥、防射线水泥等。）、特种水泥(special cement)（某种性能较突出的水泥，如白色及彩色水泥、低热水泥、膨胀水泥、快硬水泥、抗硫酸盐水泥等。）。,3.1 硅酸盐水泥,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。 分类： 型硅酸盐水泥( P.)不掺混合材 型硅酸盐水泥( P. )掺小于5的混合材 依GB175-200

5、7: 42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级,一、硅酸盐水泥的生产,水泥生产可概括为“两磨一烧”：将钙质原料（石灰石、白垩、泥灰岩、贝壳等）和硅质原料（粘土、页岩等）按比例配合，在磨机中磨成生料(raw meal)（生料制备方法分为湿法、干法。湿法是将原料加水在磨机中磨成生料浆。干法是将原料先烘干、再入磨机磨成生料粉），生料入窑（煅烧窑分为立窑、回转窑）煅烧（煅烧温度1450）成熟料(clinker)，熟料配以适量石膏、混合材(blended material)磨细成为水泥成品。,水泥厂照片,二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成,硅酸三钙（3CaO.SiO2）C3S

6、3760 硅酸二钙（2CaO.SiO2）C2S 1537 铝酸三钙（3CaO.AlO3）C3A 715 铁铝酸四钙（4CaO.AlO2.Fe2O3）C4AF 1018 除四种主要成分外，水泥中尚含有少量游离CaO、MgO、SO3、及碱（K2O、Na2O）这些均为有害成分，国家标准中有严格限制.,三、水泥的水化、凝结、硬化,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），这一过程称为硬化。 水泥水（流体）可塑性浆体（塑性体）固体,水泥水化反应

7、,2(3CaOSiO2)+6H2O3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2,2(2CaO.SiO2)+4H2O3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2,3CaO.Al2O3+6H2O3CaO. Al2O3.6H2O 4CaO.AlO3.Fe2O3+7H2O3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O,晶体 胶体,水泥加水后，石膏迅速溶解于水，C3A极快速（13天）水化生成水化铝酸三钙（C3AH6），C4AF快速水化生成水化铝酸三钙和水化铁酸一钙，C3S快速（4周）水化生成水化硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙，C2S缓慢（1年）水化生成水化硅酸钙和氢氧化钙。 部分水化铝

8、酸钙与石膏反应生成高硫型水化硫铝酸钙（AFt，称为钙矾石(ettringite)），石膏消耗完后，部分高硫型水化硫铝酸钙与C3A、C4AF反应生成低硫型水化硫铝酸钙（AFm）。在充分水化的水泥石中，C-S-H凝胶约占70%，氢氧化钙约占20%，AFt和Afm约占7%。,水泥的水化硬化会延续数年，但前3个月即完成约70%。水泥石结构(structure of hardened cement paste)是由未水化的水泥颗粒、水化产物、水、孔隙组成。示意如下。,水泥水化产物,晶体氢氧化钙 2025 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙（为了调节水泥的凝结时间，在 熟料粉磨时掺入适量35石膏。在石膏作用下生成）

9、 胶体水化硅酸钙（C-S-H） 70 水化铁酸钙 C-S-H尺度为1.0100nm,1nm=10-9m,水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）,C-S-H,钙矾石,C-S-H 水化硅酸钙凝胶,CH Crystal 氢氧化钙晶体,电镜下的水泥水化产物图,熟料矿物对水泥性质的影响,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 原因分析：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

10、度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。 防治措施：首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。,工程实例分析,水泥石的结构,水泥石的组成： 未水化水泥颗粒 水化产物晶体、胶体 毛细孔、毛细水 水泥石是多相（固相、液相、气相）多孔体系，水泥石的工程性质取决于水泥石的结构组成，即决定于水化物的类型和相对含量、内部孔的大小、形状和分布状态。 毛细孔未被水化产物所填充的原充水空间 凝胶孔C-S-H内部的结构孔 28,新拌水泥浆,硬化水泥浆,硬化水泥浆结构图,硬化水泥浆体空隙中水分存在形式,硬化水泥浆体空隙中水分

11、存在形式,四、硅酸盐水泥的技术性质,1、细度 密度：3.053.20g/cm3，一般取3.1 g/cm3 堆积密度：1.3 g/cm3 细度指水泥颗粒的粗细程度，用筛余率或比表面积表示，影响水泥的水化速度、收缩等性质 粒径： 40 m 水化非常缓慢，接近惰性。 GB1752007规定，硅酸盐水泥以比表面积表示，不小于 300m2/kg。,2、凝结时间,初凝时间（t初）水泥开始加水拌和至水泥浆开始失去可塑性所需的时间。 终凝时间（t终） 水泥开始加水拌和至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。 GB175-2007规定： 硅酸盐水泥初凝不小于45min,终凝不大于390min。,凝结时间

12、的工程意义,水泥的初凝时间不宜过早，以便在施工时有足够的时间完成混凝土或砂浆的搅拌、运输、浇注和砌筑等工作。 水泥的终凝时间不宜过迟，以免延误施工工期。 异常情况闪凝无石膏 假凝温度过高、石膏少 缓凝温度过低、有机质,3、体积安定性,定义是水泥硬化后因体积膨胀而产生不均匀变形的性质。体积安定性不良的水泥为不合格品，不得在工程中使用。 原因： 熟料中含游离氧化钙（f-CaO）过多 熟料中含游离氧化镁（f-MgO）过多 掺入石膏过多,游离氧化钙、镁膨胀原因,熟料中f-CaO、f-MgO都是过烧的，结构致密，水化很慢； 水泥硬化后才吸收孔隙中水分熟化： CaO+H2O=Ca(OH)2 MgO+H2O

13、=Mg(OH)2 体积膨胀97以上，从而引起不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。,体积安定性不良的检验,国家标准（GB/T1346）规定采用： 雷氏法（平均膨胀值不大于5.0mm) 试饼沸煮法（合格） 压蒸法 MgO引起的（不超过5.0） 长期浸水法石膏引起的(so3不超过3.5）,f-CaO引起的,4、强度,水泥强度是表征水泥力学性能的重要指标。影响强度的因素主要有水泥的矿物组成、水泥细度、水灰比、龄期、环境温度等。 强度等级依水泥胶砂强度检验方法 (Method of testing cement-Determination of strenght)（GB/T 17671-1999）规定，水泥强

14、度用胶砂试件检验，将水泥和中国ISO标准砂试件（尺寸为40mm 40mm 160mm )，在标准条件下（201）的水中养护至3d和28d，测定两个龄期的抗折和抗压强度。根据测定结果将硅酸盐水泥分为:42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。,硅酸盐水泥各龄期强度要求(GB175-2007),5、水化热,定义水泥水化时放出的热量。以J/kg示。主要集中在水化初期（7d） 主要考虑：放热总量与放热速度 影响因素： 熟料的矿物组成如C3A 水泥的细度越细，放热速度越快 水泥的强度等级越高，放热速度越快、越大 外加剂掺加缓凝剂可降低早期水化热,水化热对工程的影响,对

15、大体积混凝土（高层基础、大坝等），由于混凝土是热的不良导体，水化热在混凝土内的聚集造成内外温差过大（可达5070），内胀外缩的结果在混凝土产生拉应力使混凝土产生热裂缝； 冬季混凝土施工水化热有利于水泥的水化和混凝土早期强度的发展。,洞庭湖大桥,大 坝,五、水泥石的腐蚀,定义水泥石在外界侵蚀性介质（软水、含酸、含盐、含碱等）的作用下结构受到破坏，强度降低的现象称为水泥石的腐蚀。,碱骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝,膨胀裂缝,膨胀开裂,水泥石腐蚀的原因,内因水泥石存在不稳定的Ca(OH)2和介稳的水化硫铝 酸钙； 外因环境中有害介质（软水、酸、盐等）的存在； 联系水泥石中的孔缝系统，产生有害介质的侵蚀、交 换作用。 长期性、后期加剧性,1、软水的腐蚀,软水重碳酸盐含量比较低的水（如雨水、雪水、内陆河水、湖水） 腐蚀机理： 1、长期饱水水泥石中Ca(OH)2晶体逐渐溶出； 2、在静水、无水压下溶液饱和溶解作用停止； 3、在有压、流动的软水下 Ca(OH)2不断溶出并带走并引起在一定碱度下稳定的C-S-H的分解溶出水泥石崩溃； 4、在硬水下重碳酸盐与 Ca(OH)2反应生成不溶的碳酸钙堵塞毛细孔阻止腐蚀的进行。 Ca(OH)2Ca(HCO3)22CaCO3+2H2O,2、盐类的腐蚀,硫酸盐腐蚀膨胀腐蚀 水泥杆菌 镁盐腐蚀双重腐蚀 MgSO4+Ca(OH)2CaSO4.