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1、5 水 泥,通过对硅酸盐水泥较详细的阐述，以了解硅酸盐水泥熟料的矿物组成及对硬化水泥浆体结构、性能的影响，理解各通用水泥的技术要求、性质及应用范围，重点掌握白水泥和彩色水泥的生产、技术要求、性质以及在建筑装饰工程中的应用。,本章提要,所谓胶凝材料，即胶结料，是指在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固石状体，并胶结其他物料而且具有一定机械强度的物质。 胶凝材料可分为有机和无机胶凝材料两大类，沥青和各种树脂属于有机胶凝材料，无机胶凝材料按硬化条件不同又可分为水硬性和非水硬性两种 。,水泥是指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料，既能在空气中硬化，又能在水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。它是各种类
2、型水泥的总称。 水泥的分类详见表5.1。 白色水泥、彩色水泥以其良好的装饰性能应用于各种建筑装饰工程中，通常称其为装饰水泥。,表5.1 水泥的分类,本 章 内 容,5.1 通用水泥 5.2 白水泥与彩色水泥,5.1 通用水泥,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。 硅酸盐水泥分两种：不掺加混合材料的称型硅酸盐水泥，用代号P表示；在硅酸盐水泥粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣的称型硅酸盐水泥，用代号P表示。,5.1.1 硅酸盐水泥 Portland cement,5.1.1.1 硅酸盐水泥的定义与代号,（1）硅酸盐水泥熟
3、料 凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的烧结物，称硅酸盐水泥熟料，简称熟料。 （2）混合材料 混合材料是指在粉磨水泥时与熟料、石膏一起加入磨内用以提高水泥产量，降低水泥生产成本，增加水泥品种，改善水泥性能的矿物质材料，如粒化高炉矿渣、石灰石、粉煤灰、火山灰质混合材料等。,5.1.1.2 组成材料,粒化高炉矿渣是高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物经急速冷却成粒后的产品。 石灰石为水泥工业原料，在水泥中掺入少量石灰石可以起到混合材料的作用。 火山灰质混合材料是指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。,粉煤灰是从煤粉炉烟道气体中收集的粉尘。 （3）
4、石膏 石膏是用作调节水泥的凝结时间的组分。可用天然石膏，也可以用工业副产品石膏。,生产硅酸盐水泥的主要原料有石灰质原料、粘土质原料，有时加入少量铁矿粉等。 将各种原料经破碎后按比例配合、磨细并调配成为成分合适、质量均匀的生料，称生料的制备； 生料在水泥窑内煅烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，称为熟料煅烧；,5.1.1.3 硅酸盐水泥的生产,熟料加适量石膏、混合材料共同磨细成粉状的水泥，并包装或散装出厂，称为水泥制成及出厂。 生料制备的主要工序是生料粉磨，水泥制成及出厂的主要工序是水泥的粉磨，因此，亦可将水泥的生产过程概括为“两磨一烧”。 其生产工艺流程如图5.1所示。,图5
5、.1 硅酸盐水泥生产过程示意图,熟料主要由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3四种氧化物组成，总量在95%以上，它们经一系列复杂的物理化学反应形成熟料矿物。硅酸盐水泥熟料的主要矿物有以下四种： （1）硅酸三钙3CaOSiO2，简写成C3S，含量37%60%； （2）硅酸二钙2CaOSiO2，简写成C2S，含量15%37%；,5.1.1.4 硅酸盐水泥熟料的矿物组成,（3）铝酸三钙3CaOAl2O3，简写成C3A，含量7%15%； （4）铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3，简写成C4AF，含量10%18%。 通常熟料中硅酸三钙、硅酸二钙的含量占75%左右，统称为硅酸盐矿物。 铝酸三钙和铁
6、铝酸四钙，含量占22%左右。 熟料中四种主要矿物的性能见表4.2。,表5.2 四种熟料矿物的性能,凝结和硬化是同一过程中的不同阶段，凝结标志着水泥浆体失去流动性而具有一定的塑性强度，硬化则表示水泥浆体固化后形成的结构具有一定的机械强度。 狭义讲，水泥水化是水泥凝结硬化的基础，水泥凝结硬化是水泥水化的必然结果；广义讲，水泥的水化是从水化开始到硬化的整个过程。,5.1.1.5 硅酸盐水泥的水化、凝结硬化,（1）硅酸盐水泥的水化 水泥水化的主要反应式可近似表示如下： C3S、C2S与水反应生成水化硅酸钙和氢氧化钙 ：,在CaO饱和液下且温度较高时，C3A与水反应形成水化铝酸钙，反应式如下: 在水泥粉
7、磨时都需掺入适量的石膏以延缓水泥的凝结时间防止急凝的发生。其反应式如下：,（2）硅酸盐水泥的凝结硬化 当水泥与水接触后，水泥颗粒表面开始水化，生成可溶性水化产物立即溶于水中，水泥颗粒内部未水化的水泥继续反应，直至溶液达到饱和。当溶液浓度达到较高的过饱和度时，水化产物沉淀为胶体颗粒，或由水化反应直接生成胶体析出。随水化产物逐渐沉淀凝聚，水泥浆体逐渐失去流动性和可塑性而凝结。,（3）影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素 a,熟料矿物组成的影响 b,水泥细度的影响 7-200um c,拌合加水量的影响 w/c=0.40,孔隙率29.6%；w/c=0.70，孔隙率50.3%； d,养护湿度和温度的影响 e
8、,养护龄期的影响 f,调凝外加剂的影响 g,水泥受潮与久存 3个月内。,硅酸盐水泥的技术指标主要有不溶物、烧失量、细度、凝结时间、安定性、氧化镁、三氧化硫、碱及强度指标共9项。 硅酸盐水泥的技术指标见表5.3、表5.4。 （1）强度 水泥强度是水泥试体净浆在单位面积上所能承受的外力。,5.1.1.6 硅酸盐水泥的技术要求和性质,表5.3 硅酸盐水泥化学物理指标（依据GB1751999）,表5.4 硅酸盐水泥的强度指标（依据GB1751999）,一般称3d或7d以前的强度为早期强度，28d及其后的强度称后期强度，也有将3个月以后的强度称为长期强度。 水泥胶砂强度检验方法GB/T17671-199
9、9；水泥：标准砂=1：3 质量比；w/c=0.5，40mm 40mm 160mm; 201左右，养护3d或28d的抗折抗压强度； 由于水泥到28d时强度大部分已发挥出来，以后强度增大相当缓慢，所以通常用28d强度作为水泥质量的分级来划分不同的强度等级。 硅酸盐水泥强度等级分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R。 普通水泥强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R。,（2）细度 细度即水泥的粗细程度，通常以比表面积或筛余数表示。 比表面积1kg水泥的总表面积大于300m2/kg；筛余量不得超过10%； （3）不溶物和烧失量 不溶物是
10、指水泥经酸和碱处理，不能被溶解的残留物。其主要成分是结晶SiO2，其次是R2O3 水泥烧失量是指水泥在9501000高温下煅烧失去的质量百分数。,（4）水泥体积安定性 水泥硬化后体积变化的均匀性称为水泥体积安定性，简称安定性。用试餠法或雷氏法检验； （5）水泥标准稠度和用水量 标准稠度是为了使水泥凝结时间、体积安定性的测定具有可比性所规定的水泥净浆的稠度。,（6）凝结时间 水泥凝结时间是水泥从拌水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间，分初凝时间和终凝时间两种。 初凝时间是指水泥加水拌和到标准稠度净浆开始失去塑性的时间；p型不得早于45min； 终凝时间是指水泥加水拌和直至
11、标准稠度净浆完全失去塑性的时间。 P型不得迟于6.5h；po不得迟于10h； 水泥凝结时间的测定-标准稠度用水量。,（7）碱 标准中规定水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值来表示。水泥中碱的含量不得大于0.6%； （8）密度、堆积密度 硅酸盐水泥的密度一般在3.13.2g/cm3之间，松散堆积密度一般在10001300kg/m3，紧密堆积密度一般在15001900kg/m3 。 （9）水化热 水泥在水化过程中放出的热为水泥的水化热,（10）包装标志及储运 水泥袋上表明：产品名称，代号，净含量，强度等级，生产许可证编号，生产者名称和地址，出厂编号，执行标准号，包装年月日。 硅酸盐水泥和
12、普通水泥的印刷为红色标志；,对于水泥耐久性有害的环境介质主要有淡水、酸和酸性水、硫酸盐溶液和碱溶液等。 在环境介质的侵蚀作用下，硬化的水泥结构会发生一系列物理化学变化，强度降低，甚至溃裂破坏。 环境介质对硬化水泥浆体的侵蚀作用可分为三类，具体见表5.5。,5.1.1.7 硅酸盐水泥的腐蚀及防止方法,（一）水泥石的主要几种侵蚀作用 1、软水侵蚀（溶出性侵蚀） 氢氧化钙微溶于水，溶解度1.23g/L; 由于水泥石周围的碱度降低导致水化产物溶解与松散，导致流失破坏；称为溶析；,2、盐类侵蚀 a, 硫酸盐侵蚀 含水铝酸钙与硫酸盐的反应，生成水化硫铝酸钙膨胀晶体；水泥石开裂而破坏； b,镁盐侵蚀 镁盐与
13、氢氧化钙反应产生的氢氧化镁胶结力差，生成的可容盐易溶于水等； 3、酸类侵蚀 a, 碳酸的侵蚀 酸碱中和的重碳酸盐易溶于水； b,一般酸的侵蚀 4、强碱的侵蚀 强碱与铝酸盐反应生成可溶的铝酸钠等。,表5.5 环境介质对硬化水泥浆体的侵蚀作用分类及特点,根据环境介质对硬化水泥浆体的腐蚀特点，可以采取以下三方面措施防止腐蚀。 根据腐蚀环境特点，合理运用水泥品种。 控制氢氧化钙、铝酸盐等含量，掺活性材料等； 通过各种途径提高水泥石的密实度，防止侵蚀性介质渗入。 振捣密实与外加剂的使用； 在水泥石表面设耐蚀保护层，以隔离侵蚀介质与水泥石接触。 外表加不透水的保护层或聚合物混凝土等；,（1）硅酸盐水泥早期
14、强度高，凝结硬化快，水化热高，抗冻性好，适用于早期强度要求较高的工程及在低温下需要强度发展较快的工程。 （2）硅酸盐水泥抗水性差，耐酸碱和硫酸盐类的化学侵蚀能力差，适用于一般地上工程和不受侵蚀性作用的地下工程以及不受水压作用的工程和无腐蚀性水中的受压工程。 （3）硅酸盐水泥水化热较高，不适用于大体积混凝土工程。,5.1.1.8 硅酸盐水泥的性能及应用,除硅酸盐水泥（、）外，通用水泥还有普通硅酸盐水泥、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、石灰石硅酸盐水泥六大类，它们同属于硅酸盐水泥系列，都是以熟料为主要组成，以石膏作缓凝剂。不同品种水泥之间的差别主要在于所掺加混合
15、材料的种类和数量不同。,5.1.2 掺混合材料的硅酸盐水泥,混合材料主要是各种工业废渣及天然矿物质材料，掺入的目的主要有： 生产不同品种的水泥，以便合理利用水泥，满足各项建设工程的需要； 提高水泥产量，降低水泥生产成本，节约能源，达到提高经济效益的目的； 有利于改善水泥的性能，如改善水泥的安定性，降低水泥水化热，提高混凝土的抗蚀能力等； 综合利用工业废渣，减少环境污染，实现水泥工业生态化。,混合材料：活性混合材料和非活性混合材料； 活性混合材料：粒化高炉矿渣，火山灰质混合材料，粉煤灰； 材料内部储存有大量的化学潜能。,（1）普通硅酸盐水泥（根据GB1751999） 凡由硅酸盐水泥熟料、6%15
16、%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。 掺入活性混和材料时，最大掺入量不得超过15%。,5.1.2.1 定义与代码,（2）矿渣硅酸盐水泥(根据GB13441999) 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胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥），代号PS。Portland Slag 水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为20%70%。 标志采用绿色印刷； 用于水泥和混凝土中粒化高炉矿渣粉（GB/T18046-2000） 分级：S105，S95，S75；,（3）火山灰质硅酸盐水泥(根据GB13441999) 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山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号PP。Portland pozzuolana 水泥中火山灰质混合材料掺加量按质量百分比计为20%50%。 标志上注明：“掺火山灰”。
