《建筑材料》第三章水泥

3水泥本章主要讲述了硅酸盐水泥的生产、矿物组成、凝结硬化、技术性质、性能及适用范围等；在硅酸盐水泥的基础上，讲述了普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、复合水泥的组成、性能及选用等；概要介绍了其他品种水泥。本章提要1824年，英国泥瓦匠Aspding偶然发现并申请专利；命名为波特兰水泥(PortlandCement)。水泥的分类：按其组成成分分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥和铁铝酸盐类水泥等。按其性能及用途可分为通用水泥(如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等)、专用水泥(如中热、低热水泥等)及特性水泥(如快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥等)三类。《通用硅酸盐水泥》GB175-2007：通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏及混合材料制成的水硬性胶凝材料。分类：硅酸盐水泥（P·Ⅰ和P·Ⅱ）普通硅酸盐水泥（P·O）矿渣硅酸盐水泥（P·S·A和P·S·B）火山灰质硅酸盐水泥（P·P）粉煤灰硅酸盐水泥（P·F）复合硅酸盐水泥（P·C）彩色水泥白水泥彩色水泥水泥本章内容3.1硅酸盐水泥3.2掺混合材料的硅酸盐水泥3.3其他品种水泥及水泥的储运和保管3.1硅酸盐水泥硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、0~5%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。硅酸盐水泥分两种类型：I型硅酸盐水泥（P·I）：（熟料+石膏）100%II型硅酸盐水泥（P·II）：（熟料+石膏）≥95%+（矿渣或石灰石）≤5%1硅酸盐水泥的生产及矿物组成2硅酸盐水泥的凝结硬化3硅酸盐水泥的主要技术性质4水泥石的腐蚀和防止措施5硅酸盐水泥的特点与应用硅酸盐水泥是以石灰质原料(如石灰石等)与粘土质原料(如粘土、页岩等)为主，有时加入少量的校正原料（铁矿粉等），按一定比例配合，磨细成生料粉，经均化后送入回转窑或立窑中煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，再与适量石膏、混合材料共同磨细，即可得到硅酸盐水泥。其生产工艺流程(简称为“两磨一烧”)如图3.1所示。1硅酸盐水泥的生产及矿物组成我国第一个水泥厂——唐山启新水泥厂小水泥厂之害何时休?山东水泥厂外景最干净的水泥厂-江西亚东水泥公司水泥库袋装水泥出库散装水泥车图3.1硅酸盐水泥生产工艺流程示意图混合材料矿物组成主要是：（1）硅酸三钙(3CaO·SiO2，简写为C3S，占37%~60%)（2）硅酸二钙(2CaO·SiO2，简写成C2S，占15%~37%)（3）铝酸三钙(3CaO·Al2O3，简写成C3A，占7%~15%)（4）铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF，占10%~18%)。名称水化反应速度水化放热量强度耐化学侵蚀性干缩硅酸三钙快大较高中中硅酸二钙慢小早期低后期高良小铝酸三钙最快最大低差大铁铝酸四钙快中较低优小表3.1硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性水泥加水拌和后，成为可塑性浆体，随后，水泥浆逐渐变稠而失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的凝结。凝结过后，水泥浆产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬的固体，这一过程称为水泥的硬化。其化学反应式有：2硅酸盐水泥的凝结硬化222222(3)63233()CaOSiOHOCaOSiOHOCaOH222222(2)4323()CaOSiOHOCaOSiOHOCaOH2322323636CaOAlOHOCaOAlOHO232322322324736CaOAlOFeOHOCaOAlOHOCaOFeOHO水化硅酸钙胶体（C-S-H凝胶）水化铝酸钙晶体水化铁酸钙胶体氢氧化钙晶体为了调节水泥的凝结时间，掺入适量石膏，这些石膏与反应最快的铝酸三钙的水化产物作用生成难溶的水化硫铝酸钙，覆盖于未水化的铝酸三钙周围，阻止其继续快速水化。其反应式为：2324222342363(2)193331CaOAlOHOCaSOHOHOCaOAlOCaSOHO高硫型水化硫铝酸钙针状晶体/钙矾石/AFt综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，水化产物有：凝胶类：水化硅酸钙凝胶、水化铁酸钙凝胶；晶体类：氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占70%，氢氧化钙约占20%。影响水泥凝结硬化的主要因素1）水泥矿物成分的影响水泥矿物组成及各组分的比例，是影响水泥凝结硬化的最主要因素。如前面所述，不同矿物单独和水反应时，所表现出来的特点是不同的。如水泥中提高C3A的含量，将使水泥的凝结硬化加快，同时水化热加大。一般来讲，若在水泥熟料中掺加混合材料，将使水泥的抗侵蚀性提高，水化热降低，早期强度降低。2）水泥细度的影响水泥颗粒的粗细直接影响水泥的水化、凝结硬化、强度增长及水化热等。这是因为水泥颗粒越细，其总表面积越大，与水的接触面积也越多，因此水化迅速，凝结硬化也相应加快，早期强度较高。但是，水泥颗粒如果过细，硬化时产生的收缩也较大，而且耗能多，成本也高。3）石膏掺量的影响石膏掺量若少，缓凝效果不显著；掺量过多，其本身会生成一种促凝物质，反而使水泥产生快凝。适宜的石膏掺量，主要取决于水泥中C3A的含量和石膏中SO3的含量。石膏掺量一般为水泥重量的3%-5%。若水泥中石膏掺量超过规定的限量，会引起水泥强度的降低，严重时会引起水泥体积安定性不良，使水泥石产生膨胀性破坏。4）养护条件的影响养护环境有足够的温度和湿度，有利于水泥的水化、凝结硬化和早期强度的发展。如果环境湿度十分干燥，水泥中的水分会迅速蒸发，导致水泥不能充分水化，同时硬化也将停止，严重时会使水泥石发生裂缝。通常，养护时温度升高，水泥的水化速度加快，早期强度发展也快。当温度低于0℃以下时，水泥的水化反应停止，强度不但不会增长，甚至会因水结冰而导致水泥石结构破坏。5）养护龄期的影响水泥的水化、凝结硬化是一个较长时期内不断进行的过程，水泥石的强度随龄期增长而增加。实践证明:水泥一般在7d内的强度发展最快，28d内的强度发展较快，28d以后增长缓慢。6）外加剂的影响凡对C3S和C3A的水化能产生影响的外加剂，都能改变水泥的水化、凝结硬化性能。如加入适量促凝剂就能促进水泥的水化、凝结硬化，提高早期强度。相反，掺加缓凝剂就会延缓水泥的水化、凝结硬化，影响水泥早期强度的发展。7）贮存条件的影响水泥如果贮存不当，会使水泥受潮，颗粒表面发生水化而结块，严重降低强度。即便有良好的贮存条件，在空气中的水分和CO2的作用下，也会发生缓慢的水化和碳化。储存三个月，强度约降低10%-20%；储存六个月，强度约降低20%-30%；储存一年后，强度将降低25%-40%。因此，水泥的有效贮存期一般为三个月。1)水泥的密度、堆积密度、细度2)水泥标准稠度用水量3)凝结时间（初凝时间和终凝时间）4)体积安定性5)强度与强度等级6)其他技术要求3硅酸盐水泥的主要技术要求1)密度、堆积密度、细度硅酸盐水泥的密度约为3.10g/cm3。其松散状态下的堆积密度为1000~1200kg/m3，紧密堆积密度达1600kg/m3细度是指水泥颗粒的粗细程度，是影响水泥性能的重要指标。水泥的测定方法有2种：筛析法：干筛法、水筛法、负压筛法(为准)比表面积法水泥细度负压筛析仪比表面积测定仪国标规定①硅酸盐水泥和P·O：比表面积不小于300㎡/㎏②其余四种水泥：80μm方孔筛筛余不大于10%或45μm方孔筛筛余不大于30%。为了测定水泥的凝结时间及体积安定性等性能，应该使水泥净浆在一个规定的稠度下进行，这个规定的稠度称为标准稠度。水泥达到标准稠度时的用水量称为标准稠度用水量，以水与水泥质量之比的百分数表示。按《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB1346—2001)规定的方法测定。2)标准稠度用水量凝结时间分初凝和终凝。3)凝结时间初凝时间：水泥加水拌和时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间。为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥初凝不能过短。终凝时间：水泥加水拌和时起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。当施工完成，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝不能太长。图3.3水泥凝结时间示意图国标规定硅酸盐水泥：初凝：不得早于45min；终凝：不得迟于390min。其他水泥：初凝：不得早于45min；终凝：不得迟于600min。水泥体积安定性简称水泥安定性，是指水泥浆硬化后体积变化是否均匀的性质。当水泥浆体在硬化过程中或硬化后发生不均匀的体积膨胀，会导致水泥石开裂、翘曲等现象，称为体积安定性不良。引起水泥体积安定性不良的原因主要有熟料中含有过量的游离氧化钙(f－CaO)、游离氧化镁(f－MgO)或掺入的石膏过多。4)体积安定性检测方法：沸煮法测游离CaO过多。采用两种方法：试饼法和雷氏法。国标规定氧化镁和三氧化硫的含量GB规定：用水泥胶砂强度试验测水泥强度①配合比：水泥：标准砂：水=1：3：0.5试验采用水泥450g，标准砂1350g，水225ml。②标准尺寸：40×40×160mm的棱柱体（一天后脱模）③标准养护条件：温度20±2℃；相对湿度：90%以上龄期：早期——3天；后期——28天5)强度与强度等级水泥强度是表示水泥力学性能的一项重要指标，是评定水泥强度等级的依据。根据GB175—2007规定，硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R等6个强度等级，各强度等级水泥在各龄期的强度值不得低于表3.2中的数值。表3.2硅酸盐水泥的强度指标（依据GB175—2007）强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3d283d2842.517.042.53.56.542.5R22.04.052.523.052.54.07.052.5R27.05.062.528.062.55.08.062.5R32.05.5(1)水化热水化热是指水泥与水发生水化反应时放出的热量，通常用J/kg表示。水化热的大小主要与水泥的细度及矿物组成有关。颗粒愈细，水化热愈大；矿物中C3S、C3A含量愈多，水化热愈大。硅酸盐水泥不能用于大体积混凝土工程中。6)其他技术要求(2)碱含量：以Na2O+0.658K2O计算值表示，应不大于水泥质量的0.60%或由买卖双方协商确定。(3)氯离子因一定含量的氯离子会腐蚀钢筋，故加以限制，应不大于水泥质量的0.06%或由买卖双方协商确定。水泥石在正常使用条件下，具有较好的耐久性，但在某些腐蚀性介质作用下，水泥石的结构逐渐遭到破坏，强度下降以致全部溃裂，这种现象叫水泥石的腐蚀。主要类型有：1)软水腐蚀2)硫酸盐腐蚀3)镁盐腐蚀4)碳酸性腐蚀4水泥石的腐蚀和防止措施1）软水腐蚀（淡水侵蚀、溶出性侵蚀）雨水、雪水、蒸馏水、工业冷凝水及含重碳酸盐很少的河水及湖水都属于软水。当水泥石长期与这些水分相接触时，水泥中的氢氧化钙最先溶出（每升水中能溶解氢氧化钙1.3g以上）。在静水及无压力水作用下，由于周围的水易被溶出的氢氧化钙所饱和而使溶解作用停止，溶出仅限于结构的表面，所以影响不大。但是，若水泥石在流动的水中或有压力的水中，溶出的氢氧化钙不断被冲走。由于氢氧化钙浓度的继续降低，还会引起其他水化物的分解溶解。侵蚀作用不断深入内部，使水泥石空隙增大，强度逐渐下降，使水泥石结构遭受进一步破坏，以致全部溃裂。溶出性侵蚀的强弱程度，与水质的硬度有关。（每升水中重碳酸盐含量以CaO计为10mg时，称为一度）。当水质较硬时，氢氧化钙的溶解度较小，同时水中的重碳酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成几乎不溶于水的碳酸钙，沉积在水泥石的孔隙内，不仅起到密实的作用，而且还可阻止外界水的渗入和内部氢氧化钙的溶出。其化学反应方程式为:Ca（OH）2+Ca（HCO3）2=2CaCO3+2H2O在实际工程中，将与软水接触的水泥构件事先在空气中硬化一定时间，形成碳酸钙外壳，可对溶出性侵蚀起到防止作用。2）硫酸盐腐蚀绝大多数的硫酸盐（硫酸钡除外）对水泥石都有显著的侵蚀作用，这主要是由于硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙起置换反应，生成硫酸钙（二水石膏），硫酸钙再与水泥石中固态的水化铝酸钙作用，生成比原体积增加1.5倍以上的高硫型水化硫铝酸钙。3CaO·Al2O3·6