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1CivilEngineeringMaterials2.2硅酸盐水泥Portlandcement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。2CivilEngineeringMaterials水泥的起源•最早采用具有水硬性胶凝材料制备混凝土的是中国人，而不是多少年来一直误认为的古罗马人。•据甘肃省考古研究所于1980年和1983年考察，在该省秦安县的大地湾（黄河支流渭水之畔，西安以西约600公里处）先后发掘出两个大型住宅遗址，该遗址的地坪系用混凝土建造，经测算距今已有5千年，相当于“新石器时代”。从大地湾发掘出的混凝土是用水硬性的水泥所制成。这种水泥以礓石——一种富含碳酸钙的粘土为原料煅烧而成.3CivilEngineeringMaterials•古罗马水泥－1796年，用含有一定比例粘土成分的石灰石煅烧而成，如古罗马“庞贝”城遗址；•PortlandCement－1824年，英国泥瓦工约瑟夫.阿斯普丁（JosephAspdin）申报波特兰水泥专利：把粘土和焙烧过的石灰石混合，经煅烧至二氧化碳释放，将所得到的产物磨细成粉末。这种粉末在与水拌合时，具有水硬胶凝性，由于它硬化后外观象波特兰（英国一港口城市）的石头，就起名为波特兰水泥。4CivilEngineeringMaterials水泥的分类•依矿物组成：硅酸盐类水泥铝酸盐类水泥硫铝酸盐类水泥铁铝酸盐类水泥•依用途：通用水泥－六大品种专用水泥－油井水泥、大坝水泥特种水泥－膨胀水泥、快硬水泥5CivilEngineeringMaterials输水管内径6.6m外径7.5m6CivilEngineeringMaterials巴西Itaipu坝7CivilEngineeringMaterials正在建设中的三峡大坝三峡大坝8CivilEngineeringMaterials美国加州引水渠9CivilEngineeringMaterials挪威的海上石油钻井平台10CivilEngineeringMaterials加拿大Montreal体育馆11CivilEngineeringMaterials尽管水泥的种类很多，但土木工程中涉及的水泥品种主要是通用水泥。通用硅酸盐水泥按混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。各品种的组分和代号应符合表3-5的规定。12CivilEngineeringMaterials2.2.1通用硅酸盐水泥的含义和组成材料1.定义－以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏或/和混合材料制成的水硬性胶凝材料。2.组成材料（1）硅酸盐水泥熟料（2）石膏①天然石膏②工业副产石膏13CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials（3）混合材料①活性混合材料②非活性混合材料③窑灰（4）助磨剂水泥粉磨时允许加入助磨剂，其加入量应不大于水泥质量的0.5%，助磨剂应符合JC/T667的规定。14CivilEngineeringMaterials2.2.2硅酸盐水泥•定义－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，称为PortlandCement。•分类：Ⅰ型硅酸盐水泥(P.Ⅰ)－不掺混合材Ⅱ型硅酸盐水泥(P.Ⅱ)－掺小于5％的混合材•依GB175-2007（2008-06-01实施）:42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级15CivilEngineeringMaterials一、硅酸盐水泥的生产石灰石熟料水泥生料铁矿粉粘土石膏煅烧1450℃配料、磨细、匀化磨细硅酸盐水泥生产工艺示意图16CivilEngineeringMaterials水泥厂照片17CivilEngineeringMaterials18CivilEngineeringMaterials二、硅酸盐水泥的熟料成分•硅酸三钙（3CaO.SiO2）－C3S37～60％•硅酸二钙（2CaO.SiO2）－C2S15～37％•铝酸三钙（3CaO.AlO3）－C3A7～15％•铁铝酸四钙（4CaO.AlO2.Fe2O3）－C4AF10～18％•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止19CivilEngineeringMaterials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－此后，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20CivilEngineeringMaterials水泥水化反应2(3CaO.SiO2)+6H2O→3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)22(2CaO.SiO2)+4H2O→3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)23CaO.Al2O3+6H2O→3CaO.Al2O3.6H2O4CaO.AlO3.Fe2O3+7H2O—3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O晶体胶体21CivilEngineeringMaterials水泥水化产物•晶体－氢氧化钙20～25％水化铝酸钙水化硫铝酸钙（石膏作用下生成）•胶体－水化硅酸钙（C-S-H）70％水化铁酸钙C-S-H尺度为1.0～100nm,1nm=10-622CivilEngineeringMaterials水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）C-S-H钙矾石23CivilEngineeringMaterialsC-S-H水化硅酸钙凝胶CHCrystal氢氧化钙晶体电镜下的水泥水化产物图24CivilEngineeringMaterials熟料矿物对水泥性质的影响矿物名称特性强度发展水化热水化反应速度早期后期C3S高高较多较快C2S低高最少最慢C3A低低最多极快C4AF低低中快25CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图26CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图227CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图328CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图429CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图530CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图631CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图732CivilEngineeringMaterials水泥的水化示意图833CivilEngineeringMaterials34CivilEngineeringMaterials35CivilEngineeringMaterials36CivilEngineeringMaterials37CivilEngineeringMaterials水化产物填充空隙并将水泥颗粒连接在一起38CivilEngineeringMaterials已水化的水泥浆里留下的孔隙未水化水泥颗粒39CivilEngineeringMaterials四、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％40CivilEngineeringMaterials硬化水泥浆体空隙中水分存在形式图3-2硬化水泥浆体孔中水的存在形式硬化水泥浆体空隙中水分存在形式41CivilEngineeringMaterials影响水泥石结构的因素•水灰比（Water/Cement）•水化程度•水化时间－龄期•温度42CivilEngineeringMaterials养护对水泥强度发展的影响43CivilEngineeringMaterials蒸汽养护蒸气养护的水泥混凝土构件44CivilEngineeringMaterials2.2.3、通用硅酸盐水泥的技术性质1.化学性质化学指标应符合表2的规定。45CivilEngineeringMaterials表2%品种代号不溶物（质量分数）烧失量（质量分数）三氧化硫（质量分数）氧化镁（质量分数）氯离子（质量分数）硅酸盐水泥P·I≤0.75≤3.0≤3.5≤5.0a≤0.06P·Ⅱ≤1.50≤3.5普通硅酸盐水泥P·O-≤5.0矿渣硅酸盐水泥P·S·A--≤4.0≤6.0bP·S·B---火山灰质硅酸盐水泥P·P--≤3.5≤6.0b粉煤灰硅酸盐水泥P·F--复合硅酸盐水泥P·C--a如果水泥压蒸试验合格，则水泥中氧化镁的含量（质量分数）允许放宽至6.0%。•b如果水泥中氧化镁的含量（质量分数）大于6.0%时，需进行水泥压蒸安定性试验并合格。•c当有更低要求时，该指标由买卖双方协商确定。46CivilEngineeringMaterials2.2.3、通用硅酸盐水泥的技术性质2.碱含量（选择性指标）水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。47CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials3.物理性质（1）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。48CivilEngineeringMaterials标准稠度及其用水量•国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定性时需用“标准稠度”的水泥净浆。•标准稠度用水量－不同水泥达到标准稠度时所需的加水量。用水泥标准稠度测定仪测定。一般在21～28％。•影响因素－矿物成分、细度、混合材及掺量。49CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials50CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials51CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials52CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials53CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials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。硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于390min；普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥初凝不小于45min，终凝不大于600min。54CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials（2）安定性水泥硬化后因体积膨胀而产生不均匀变形的性质。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）过多掺入石膏过多沸煮法合格。55CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials56CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials57CivilEngineeringMaterialsCivilEngineeringMaterials（3）强度水泥强