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1、第四章 水 泥,什么是水泥(cement)？水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。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。,第一节概 述,水泥在土木工程中的重要作用,水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！,在5,000 年前，水泥的一些形式已经被人们所使用。考古发现5000年前修建的甘肃秦安大地湾的大型宫殿，地面抹有类似
2、水泥的砂浆，相当于100号水泥的强度，是古人打磨石器过程中产生的碎石粉末与水、砂混合后的凝结物。,4500年前，埃及人用石灰砂浆建造金字塔；公元80年，罗马人用水凝水泥建造罗马圆形大剧场，随后的几百年，他们又建筑了同样著名的众神庙和古壁石道。,公元82年第度凯旋门,公元一世纪命运神庙,什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？,水泥中的主要矿物,硅酸盐系水泥,铝酸盐系水泥,硫铝酸盐系水泥,磷酸盐系水泥,硫铝酸钙,硅酸钙,铝酸钙,磷酸钙镁,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。,第一节概 述,
3、什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？,水泥的特性,膨胀水泥,快 硬 水 泥,低 热 水 泥,抗腐蚀水泥,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。,硬化时膨胀,硬化速度快,水化热低,耐腐蚀性好,根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。,第一节概 述,第一节概 述,什么是水泥(cement)？ 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？,硅酸盐系水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,掺混合材硅酸盐水泥,特性硅酸盐水泥,根据水泥的主要矿物成分，有：
4、硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。,根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。,硅酸盐系水泥品种硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥；掺混合材的硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥,硅酸盐水泥有P和P两类，后者含有混合材料。,第二节硅酸盐水泥,1、什么是硅酸盐水泥？2、硅酸盐水泥是怎样生产？3、硅酸盐水泥的组成？4、水泥浆如何转变成坚硬固体？5、水泥应满足哪些技术性质？6、如何正确使用水泥？,重点论述硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。,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
5、酸盐水泥。,一、硅酸盐水泥是怎样生产的？,原 料：硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占1/3 钙质：石灰石、白垩等，(CaCO3)，占2/3调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3 与SiO2制造工艺：原料经粉磨混合后得到水泥生料生料经窑内煅烧得到水泥熟料水泥熟料石膏(或混合材）一起经粉磨混合后得到水泥,“两磨一烧”,硅质(粘土),钙 质(石灰石),1450,调节原料,石膏,石膏,水 泥,生 料,熟 料,混合材,水泥制造的“两磨一烧”工艺流程,粉 磨,煅 烧,粉 磨,原料采掘,原料磨细,原料混合,反应物产物中间产物,预热器回转窑,产 物,熟料冷却,熟料储存,硅酸盐水泥熟料制造工艺流程,水
6、泥制造厂全貌,水泥生料煅烧回转窑,回转窑尾,14501500C,水泥窑系统中发生的化学反应,二、硅酸盐水泥的组成,硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥硅酸盐水泥熟料 Clinkers石膏(CaSO42H2O) Gypsum混合材(矿渣或石灰石粉末) Mineral Additives各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时间；混合材：调节水泥的强度等级；,必要组分,化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。矿物组成： 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：,硅酸盐水
7、泥熟料的组成,熟料矿物的基本特性,水泥颗粒宏观形貌,水泥颗粒的结构,水泥熟料颗粒细观形貌,水泥熟料矿物微观结构,三、水泥浆如何转变成坚硬固体？,水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体,凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。,水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。,为什么水泥能由浆体变成固体？,水泥与水能发生化学反应水化反应；水化反应将结合占水泥质量30左右的拌和水；水化反应的产物水化物能相互凝聚成三向网络结构；水化反应产物
8、有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。,1. 水泥熟料矿物的水化反应,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。,Summary,水泥的水化过程：当水泥颗粒分散在水中，石膏和熟料矿物溶解进入溶液中，液相被各种离子饱和；几分钟内，Ca2、SO4 、 Al3 、 OH离子间反应，形成钙矾石；几小时后，Ca(OH)2晶体和硅酸钙水化物C-S-H开始填充原来由水占据并溶解熟料矿物的空间；几天后，因石膏量耗尽，钙钒石开始分解，单硫型硫铝酸钙水化物开始形成。此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。,主要水化产物：,Ca-Al,C-S-H凝胶
9、,CH,水化铝（铁）酸钙,水化硫铝（铁）酸钙,石膏的作用,调节凝结时间，提高早期强度，降低干缩变形，改善耐久性、抗渗性等性能，对混合材起活性激发作用。 石膏太少，不能合适地调节水泥正常凝结时间；石膏太多，可能导致水泥体积安定性不良。,水泥浆的凝结硬化过程：,2. 水泥浆的凝结硬化物理过程,水泥cement,水泥浆Cement paste,+水,凝结、硬化,水泥石Hardened cement paste,初凝状态,终凝状态,硬化阶段,可塑态,流动态,固态,凝结阶段,3d,28d,时间（d）,强度（MPa）,水泥强度发展规律,早期增长快，随后逐渐减慢；28天，基本达到极限强度的80以上；在合适的
10、温湿度条件下，强度增长可以持续几十天 乃至几十年。,四、硅酸盐水泥应满足哪些技术性质,密度与堆积密度细度标准稠度用水量凝结时间体积安定性强度水化热碱含量,耐腐蚀性软水侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀强碱腐蚀防腐措施,1. 细 度,定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。测量方法筛分析法 以80m方孔筛的筛余量表示；比表面积法 以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。 细度不符合要求的水泥为不合格品！,问题：为什么需要规定水泥的细度？,解答：水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石
11、性能不利；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。,2. 凝结时间,概念： 凝结时间水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。测定方法： 用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。国标要求：硅酸盐水泥初凝时间45min；终凝时间390min。,3. 体积安定性,基本概念：水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。若水泥石的体积变化均匀适当，则水
12、泥的体积安定性良好；若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。体积安定性不良的水泥为废品！,水泥体积安定性不良的原因：水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀 。,4. 强 度,检验方法分别测量抗压强度和抗折强度。,胶砂（水泥1+中国ISO标准砂3+水0.5）,棱柱体试件（40mm40mm160mm）,脱模,201湿气,24h,201水中,预
13、定龄期（3d、28d）,测定抗压强度和抗折强度,强度等级：根据3天和28天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级,5.水化热,概念： 水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。放热特征： 水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。水化热的益处与危害： 水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大体积混凝土，更是如此。水化热和放热速度的影响因素：水泥矿物组成水泥细度,思考,以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。,在水泥中含碱是引起混凝土产生碱-骨料反应的条件 ，为了
14、避免碱-骨料反应的发生，导致混凝土不均匀膨胀破坏。,6. 碱含量,四. 水泥的耐腐蚀性,基本概念： 在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。水泥石抵抗这种作用、而保持不变的能力称为其耐腐蚀性。,导致水泥石腐蚀性破坏的原因,外因： 环境中的腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等。内因：水泥石不密实，为腐蚀性介质侵入提供了通道；水泥石内存在易被腐蚀的成分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等；环境条件（高温、高压、冲刷、干湿交替等）。,软水侵蚀（溶出性侵蚀）,机理：淡水能使水泥水化物Ca(OH)2溶解，并促使其它水化物分解，
15、从而造成水泥石结构的破坏。 破坏形式： 水化物的分解、溶失，造成水泥石密实度下降，孔缝增多、强度降低，直至整体破坏。,硫酸盐(sulphate)（钾、钠、铵等）与水泥石中的Ca(OH)2起置换反应生成硫酸钙，进而与水化铝酸钙反应生成钙矾石，造成水泥石膨胀开裂。镁(magnesium)盐（硫酸镁、氯化镁）与水泥石中的Ca(OH)2起复分解反应，生成的氢氧化镁松软无胶凝能力，氯化钙极易溶于水，硫酸钙造成双重腐蚀。,盐类腐蚀,钙矾石,水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物,水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂,酸类腐蚀,水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落,腐蚀机理：水泥石中的水化物都是碱性化合物，与碳酸、盐酸、硫酸、醋酸、蚁酸等酸反应生成可溶性盐。另一方面，氢氧化钙浓度的降低，会导致水泥石中其它水化物的分解，使腐蚀作用加剧。破坏形式： 溶失性破坏，组成与结构发生很大改变。,强碱腐蚀,腐蚀机理：水泥混凝土具有一定的耐碱腐蚀能力。但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇强碱（NaOH、KOH），生成的铝酸钠易溶于水，而渗入水泥石中的NaOH在干燥时与CO2反应生成碳酸钠结晶，造成胀裂。,
