土木工程材料,第3章,水 泥,水泥的历史、现状和发展,1824年获得专利：波特兰水泥 我国1876年在塘山建立第一家洋灰公司启新洋灰公司 1876年钢筋混凝土诞生 我国目前水泥产量8亿多吨学习目标,1.熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理，熟练掌握硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥和复合水泥等通用水泥的性能特点，相应的检测方法及选用原则 2.了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点,难点是硅酸盐水泥的组成、技术要求，重点是几种通用水泥的性能特点和选用原则水泥品种繁多，建议学习中以硅酸盐水泥为点，搞清楚此点后拓展至其它通用水泥，再拓展至其它特性水泥和专用水泥，采用点面结合、对比的学习方法水泥分类,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,性能和用途,用于般土木工程的水泥,如普通硅酸盐水泥,专门用途的水泥，如砌筑水泥、道路水泥,某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥,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,硅酸盐水泥,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.硅酸盐水泥的生产,原料主要有：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，如铁矿石煅烧所得的熟料还要加入作缓凝剂用的石膏磨制水泥硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是“二磨一烧”，如图所示 水泥燃烧过程在窑内进行,水泥窑型主要有回转窑、立窑两前者产量大，质量稳定，但建厂一次投资大烧制水泥虽烧成设备各异，但生料 在窑内都要经历干燥、预热、分解、烧成和冷却等五个阶段，才能形成熟料其中烧成带的反应是煅烧水泥的关键硅酸盐水泥的矿物组成和特性,一、矿物组成：,硅酸三钙(简称C3S)其矿物组成为3CaOSiO2，含量约50%左右 硅酸二钙(简称C2S)其矿物组成为2CaOSiO2，含量约20%左右 铝酸三钙(简称C3A)其矿物组成为3CaOAl2O3，含量7%15% 铁铝酸四钙(简称C4AF)其矿物组成为4CaOAl2O3Fe2O3，含量10%18% 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二、矿物特性,,表3-2 硅酸盐水泥主要矿物组成及其特性,三、矿物水化,硅酸三钙水化 硅酸三钙在常温下的水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙 3CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2硅酸二钙的水化-C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢而已2CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别，故也称为C-S-H凝胶但CH生成量比C3S的少，结晶却粗大些铝酸三钙的水化 铝酸三钙的水化迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大，先生成介稳状态的水化铝酸钙，最终转化为水石榴石（C3AH6）在有石膏的情况下，C3A水化的最终产物与起石膏掺入量有关最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用AFt表示若石膏在C3A完全水化前耗尽，则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)铁相固溶体的水化 水泥熟料中铁相固溶体可用C4AF作为代表它的水化速率比C3A略慢，水化热较低，即使单独水化也不会引起快凝。
其水化反应及其产物与C3A很相似四、水泥的凝结硬化,水泥水可塑性浆体水泥颗粒表面矿物与水反应，生成水化物，水化物析出(水化硅酸钙凝胶、水化硫铝酸钙晶体、氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体、水化铁酸钙凝胶等)，形成水化物膜层膜层增厚，水泥颗粒接近，形成凝聚结构，开始失去可塑性，达到初凝凝聚结构加强，完全失去可塑性，达到终凝凝聚和晶体长大、共生、交错，产生强度 随着凝胶体膜层的逐渐增厚，水泥颗粒内部的水化愈来越困难，经过长时间(几个月甚至若干年)的水化以后，除原来极细的水泥颗粒外，多数颗粒仍剩余尚未水化的内核所以，硬化后的水泥石是由凝胶体(凝胶和晶体)、末水化的水泥颗粒内核和毛细孔组成；它们在不同时期相对数量的变化，使水泥石的性质随之改变 在水泥石中，水化硅酸钙凝胶对水泥石的强度及其它主要性质起支配作用1000 800 600 400 200 0,（a） 水泥熟料矿物在不同龄期的抗压强度 （b） 水泥熟料矿物在不同龄期的水化放热 图3-2 熟料矿物的水化和凝结硬化特性,五、凝结硬化的影响因素,1.水泥的熟料矿物组成及细度 水泥熟料中各种矿物的凝结硬化特点不同，当水泥中个矿物的相对含量不同时，水泥的凝结硬化特点就不同。
水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水的接触面大，水化速度快，凝结硬化快，早期强度就高 2.水泥浆的水灰比 水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比当水泥浆中加水较多时，水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢,且空隙多，降低水泥石的强度3.石膏的掺量 硅酸盐水泥中加入适量的石膏会起到良好的缓凝效果，且由于钙矾石的生成，还能提高水泥石的强度但是石膏掺量过多时，可能危害水泥石的安定性 4.环境温度和湿度 水泥水化反应的速度与环境的温度有关，只有处于适当温度下，水泥的水化、凝结和硬化才能进行通常，温度较高时，水泥的水化、凝结和硬化速度就较快当环境温度低于0时水泥水化趋于停止，就难以凝结硬化 水泥水化是水泥与水之间的反应，必须在水泥颗粒表面保持有足够的水分，水泥的水化、凝结硬化才能充分进行保持水泥浆温度和湿度的措施，称水泥的养护 5.龄期 水泥浆随着时间的延长水化物增多，内部结构就逐渐致密，一般来说，强度不断增长硅酸盐水泥的技术性质,1.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0.080mm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负压筛试验装置,细度（筛余率）的测定,负压筛：标准方法利用负压抽吸的原理 水筛：用水冲洗烘干 手工干筛：简单方便 计算：25g总量筛余量m(g),,,2.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，以占水泥重量的百分率表示硅酸盐水泥的标准稠度用水量，一般在2430之间 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之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硬化，产生强度，以利于下道工序的及早进行。
水泥标准稠度和凝结时间测定,标准稠度的测定,一、标准法：称取500g水泥试样；量取拌和水（按经验确定），5s10s内将水泥加入水中；慢速搅拌120s，停拌15s，接着快速搅拌120s后自动停机拌和完毕后1.5min内完成测试试验结果的确定调整用水量以试杆沉入净浆并距底板6mm1mm时的水泥净浆为标准稠度净浆，此拌和用水量即为水泥的标准稠度用水量（按水泥质量的百分比计）如超出范围，须另称试样，调整水量，重做试验，直至达到6mm1mm时为止计算：PW/500,二、代用法： 1.调整水量法 2.固定水量法：500g水泥，142.5mL水 计算：P33.4-0.185S,初凝试针 终凝试针 试模 图-7 (单位：mm),凝结时间测试装置,3.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 ，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 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。
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 雷氏法测定水泥的安定性的动画演示,用标准稠度用水量拌制成水泥净浆，然后制作试件 （1）雷氏夹法：先测量试件指针头端间的距离（A），精确到0.5mm，恒沸180 min5min测量试件指针头端间的距离C，精确至0.5mm当两个试件煮后增加距离（C-A）的平均值不大于5.0mm时，即安定性合格，反之为不合格当两个试件的（C-A）值相差超过4mm时，应用同一样品立即重做一次试验2）试饼法：制成直径为7080mm，中心厚约10mm，边缘渐薄，表面光滑的试饼恒沸180 min5min目测试饼，若未发现裂缝，再用钢直尺检查也没有弯曲时，则水泥安定性合格，反之为不合格当两个试饼判别结果有矛盾时，为安定性不合格无变形,无裂缝,变形,变形,开裂,4.强度及强度等级,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，采用软练胶砂法测定水泥强度，该法是将水泥和标准砂按1：3.0混合，加入规定数量的水(水灰比0.50),并按规定的方法制成40mm40mm160mm的试件，在标准温度(20士1)的水中养护，分别测定其3d和28d的抗压强度和抗折强度。
根据测定结果,将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R等六个强度等级水泥按3d强度又分为普通型和早强型两种类型，其中有代号R者为早强型水泥试验方法： 水泥与标准砂的质量比为1：3，水灰比为0.5 每成型三条试件需称量水泥4502g，标准砂13505g拌合用水量为2251ml 一组三个试件，两个龄期，共6个试件 抗折强度： 3个强度求平均值，当3个强度值中有一个超过平均值的10%时，应予剔除，取其余两个的平均值；如有2个强度值超过平均值的10%时，应重做试验b,,,,h,,,,,,,L,,,,,,P,抗压强度,抗折试验后的6个断块，采用抗压夹具测试抗压强度，试体受压断面为40mm40mm，试验时，以试体的侧面作为受压面，并使夹具对准压力机压板中心 式中：A为受压面积，即40mm40mm 抗压强度结果的确定是取一组6个抗压强度测定值的算术平均值；如6个测定值中有一个超出6个平均值的10%，就应剔除这个结果，而以剩下5个的平均值作为结果；如果5个测定值中再有超过它们平均数10%的，则此组结果作废表2-4 硅酸盐水泥各强度等级、各龄期的强度值（GB175-1999）,5.碱含量,水泥中碱含量按Na2O0.653K2O计算值来表示。
若使用活性骨料，用户要求提供低水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商定国家标准GB 175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥还规定： a.氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定。