建筑材料水泥

水泥主要内容：常用（硅酸盐）水泥的生产工艺常用（硅酸盐）水泥的特性影响常用水泥性能的因素重点内容：硅酸盐水泥矿物成分特点硅酸盐水泥的凝结和硬化难点：硅酸盐水泥的凝结和硬化要求：掌握硅酸盐水泥的矿物成分特点掌握硅酸盐水泥凝结和硬化参考资料：《土木工程材料》陈志源《道路建筑材料》严家伋《道路建筑材料》孙凌《公路工程水泥和水泥混凝土试验规程》《道路建筑材料》集中训练试验补充教材《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》技术标准GB175-19991824年10月21日，英国利兹（Leeds）城的泥水匠阿斯普丁（J.Aspdin）获得英国第5022号“波特兰水泥”专利证书，从而一举成为流芳百世的水泥发明人。强生确定了水泥制造的两个基本条件：第一是烧窑的温度必须高到足以使烧块含一定量玻璃体并呈墨绿色；第二是原料比例必须正确而固定，烧成物内部不能含过量石灰，水泥硬化后不能开裂。这些条件确保了“波特兰水泥”质量，解决了阿普斯丁无法解决的质量不稳定问题。从此，现代水泥生产的基本参数已被发现。1824年，英国石匠阿斯浦丁偶然发现粘土+石灰+水——人造石（波特兰水泥）特点：强度高、耐久性好、防水、防火。水泥：是一种多组分的人造矿物粉料，它与水拌和后成为塑性胶体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂石等材料胶结成具有一定强度的整体。（水泥是水硬性胶凝材料。）硅酸盐水泥铝酸盐水泥水泥硫铝酸盐水泥系列硫酸盐水泥其他水泥硅酸盐水泥系列——是以硅酸钙为主要成分的水泥熟料、一定量的混合材料和适量石膏，经共同磨细而成。我是建筑业的粮食！硅酸盐水泥（0~5%）普通水泥（6%~20%）矿渣水泥（20～70%）火山灰水泥（20～40%）粉煤灰水泥（20～40%）复合水泥（20～50%）专用水泥——专门用于某些工程的水泥,如道路水泥、油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥——某种性能较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、彩色水泥、膨胀水泥等。硅酸盐水泥系列通用水泥下述百分含量为混合材料的掺量硅酸盐系列水泥的分类彩色水泥彩色水泥彩色水泥普通水泥水泥粉样第一节硅酸盐水泥1.定义：凡由硅酸盐水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥[国外通称的波特兰水泥（Portlandcement）]。2.类型及代号硅酸盐水泥Ⅰ型硅酸盐水泥：不掺混合材料的，代号P·Ⅰ。Ⅱ型硅酸盐水泥：粉磨时掺加不超过水泥重量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料，代号P·Ⅱ。一、硅酸盐水泥的定义、类型及代号硅酸盐水泥分42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级（R代表早强型水泥）二、硅酸盐水泥的生产1.原料（1）石灰质原料：主要提供CaO。采用石灰岩、凝灰岩和贝壳等。（2）粘土质原料：主要SiO2、Al2O3及Fe2O3。采用粘土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩及河泥等。主要原料二、硅酸盐水泥的生产（3）校正原料（辅助原料）：为满足成分要求用。如：铁矿粉的铁质原料补充氧化铁的含量。砂岩的硅质原料增加二氧化硅的成分等。第10页2.生产过程硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是“二磨一烧”，如图所示：3.生料CaO：62%~67%SiO2:20%~24%Al2O3:4%~7%Fe2O3：2.5%~6.0%生料在窑内经历：干燥——预热——分解——烧成——冷却φ3.5×10m中卸烘干磨（生料粉磨）生料粉磨工艺熟料煅烧工艺五级旋风预热器CDC窑外分解系统电收尘器φ3.3×50m旋转窑篦式冷却机水泥粉磨及包装φ3.8×13m水泥磨水泥皮带输送机八嘴回转式微机包装机水泥库三、硅酸盐水泥熟料的矿物组成组成矿物名称分子式简称含量（%）硅酸盐矿物硅酸三钙3CaO·SiO2C3S37~60硅酸二钙2CaO·SiO2C2S15~37熔剂矿物铝酸三钙3CaO·Al2O3C3A7~15铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10~18次要成分游离氧化钙CaO游离氧化镁MgO含碱矿物及玻璃体三、硅酸盐水泥熟料的矿物组成1.主要成分：主要由四种矿物化学组成2.其它成分:游离CaO、MgO及SO3：其含量过高将造成水泥安定性不良。碱矿物及玻璃体等：其中的Na2O和K2O含量较高时，遇到活性骨料时，易产生碱——骨料反应，影响混凝土质量。3.石膏加入石膏的目的是调节水泥的凝结时间，使之不发生急凝现象，含量：3~5%。23四.水泥混合材料为了改善硅酸盐水泥的某些性能或调节水泥强度等级，生产水泥时,在水泥熟料中掺入人工或天然矿物材料，这种矿物材料称为混合材料。混合材料分活性混合材料和非活性混合材料两种。（1）活性混合材料活性混合材料是其本身不具备水硬性，但在激发剂的作用下，能生成水硬性物质的矿物。混合材料的这种性质，称为火山灰性。常用的激发剂有碱性激发剂（石灰）与硫酸盐激发剂（石膏）两类。24活性混合材料常经过骤冷处理，结构呈非晶体（玻璃体）状态，内部贮存有大量的化学潜能。活性混合材料的化学成分以活性氧化硅及活性氧化铝为主，在氢氧化钙饱和溶液中，发生化学反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙及水化铝酸钙。水化铝酸钙在石膏的作用下，生成水化硫铝酸钙。水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙均同水泥的水化生成物。25工程上常用的活性混合材料有以下三类：①粒化高炉矿渣（或粒化高炉矿渣粉）。粒化高炉矿渣（或粒化高炉矿渣粉）是冶炼生铁时高炉中的熔融矿渣，经骤冷处理而成的粒状矿物。粒化高炉矿渣质地疏松、呈玻璃体结构，主要化学成分为二氧化硅及三氧化二铝。②火山灰质混合材料。凡具有火山灰性的天然或人工的矿物质材料，统称为火山灰质混合材料。火山灰质材料中含有较多的活性氧化硅及活性氧化铝，能与石灰在常温下反应，生成水化硅酸钙及水化铝酸钙。火山灰质混合材料品种较多，天然的主要有火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土等，人工的主要有煤矸石、烧页岩、烧粘土、硅质渣、硅粉等。③粉煤灰。粉煤灰是火山灰质混合材料的一种。粉煤灰是从火力发电厂的煤粉炉烟道气体中收集的粉末，主要化学成分为氧化硅及氧化铝，含少量氧化钙，具有火山灰性质。26（2）非活性混合材料凡不具有活性或活性甚低的人工或天然矿物质材料，统称为非活性混合材料。非活性混合材料经磨细后，掺加到水泥中，可以调节水泥强度等级，节约水泥熟料，还可以降低水泥的水化热。常用的非活性混合材料，主要有磨细的石灰岩、砂岩以及活性指标低于国家标准规定的活性混合材料。非活性混合材料应具有足够的细度，不含或较少含有对水泥有害的杂质。五、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化（一）硅酸盐水泥的水化水泥+水拌合可塑性具（水泥石）水化的水泥浆凝结硬化流动性水化•水泥和水拌合——表面的熟料矿物立刻与水发生化学反应——各组分开始逐渐溶解——放出一定热量——固相体积也逐渐增加。其反应式如下：2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2硅酸三钙水化硅酸钙氢氧化钙2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2硅酸二钙水化硅酸钙氢氧化钙3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O铝酸三钙水化铝酸三钙4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O铁铝酸四钙水化铁酸一钙3CaO·Al2O3·6H2O+CaSO4——3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O水化铝酸钙石膏或3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O水化硫铝酸钙或单硫型水化硫铝酸钙•主要水化产物（在完全水化的水泥石中）：水化硅酸钙70%（凝胶）氢氧化钙20%（晶体）水化铝酸钙（晶体）水化硫铝酸钙晶体（也称钙矾石）7%是水泥石形成强度的最主要化合物•水化反应为放热反应，其放出的热量称为水化热。其水化热大，放热的周期也较长，但大部分（50%以上）热量是在3天以内。特别是在水泥浆发生凝结、硬化的初期放出。（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程硅酸盐水泥的凝结硬化过程可分为：初始反应期、潜伏期、凝结期、硬化期4个阶段。a.分散在水中未水化的水泥颗粒；b.在水泥颗粒表面形成水化物膜层；c.膜层长大并互相连接（凝结）；d.水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）；1－水泥颗粒；2－水份；3－凝胶；4－晶体；5－水泥颗粒的未水化内核；6－毛细孔水泥凝结硬化过程的各个阶段不是彼此截然分开而是交错进行的。（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程1.水化早期初始反应期（凝胶膜的生成期）（诱导期）20℃，3h3.水化后期，硬化•更长时间•水化反应减慢——水化产物填充由水占据的空间——晶体相互搭接——整体——水泥石——硬化•硬化：浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体——水泥石2.水化中期，凝结•20~30h，30%的水泥已经水化——包裹膜——增厚•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。（二）硅酸盐水泥的凝结硬化过程加水初凝终凝凝结硬化诱导期稠硬不流动浆体刚性固体随时间增强塑性流动浆体初凝时间终凝时间水泥凝结时间与水泥浆体状况的关系AAAAAAAADDBDCE水泥石的结构A-未水化水泥颗粒；B-胶体粒子（C-S-H等）；C-晶体粒子（Ca(OH)2等）;D-毛细孔（毛细孔水）；E-凝胶孔水泥石的组成：凝胶体（水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体）未水化的水泥颗粒内核毛细孔及凝胶孔它们在不同时期相对数量的变化，使水泥石的性质随之而改变。（三）影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素1.熟料矿物组成的影响硅酸盐水泥熟料矿物组成，是影响水泥的水化速度、凝结硬化过程及产生强度等的主要因素。硅酸三钙（C3S）：Tricalciumsillicate；硅酸二钙（C2S）：Dicalciumsillicate铝酸三钙（C3A）：Tricalciumaluminate；铁铝酸四钙（C4AF）：Tetriacalciumaluminoferrie（四种主要熟料矿物中，C3A是决定性因素。）性能指标熟料矿物C3SC2SC3AC4AF水化速率中慢快中凝结硬化速率中慢快中28d水化热中低高中强度早期良差良良后期良优中中耐化学腐蚀性中良差优干缩性中小大小硅酸盐水泥熟料矿物的水化、凝结硬化特性水化热大小比较高钙硅酸盐和铝酸盐与水反应，同时放出热量，其每克的热量为：Ｃ3ＳＣ2ＳＣ3ＡＣ4ＡＦ12060320100说明:放热出现裂缝（内外温差高达50℃）应用:水化热大，适于断面尺寸小的预应力砼。（冬季施工）应用：大坝水泥：大体积工程——水化热小应选低热水泥——Ｃ2S含量多。冬季预应砼施工：水化热大（C3S、Ｃ3Ａ）道路水泥（抗折性好）：Ｃ3Ａ、Ｃ4ＡＦ2.水泥细度的影响直接影响：水化，凝结硬化，强度，干缩及水化热。越细:凝结速度越快，早期强度越高。但过细——易与空气中的水分及二氧化碳反应，并且硬化时收缩也较大，且成本高。3.拌合加水量的影响影响硬化水泥石强度的主要因素。拌合加入水量越大，硬化水泥石中毛细孔就越多。水泥石的强度随其毛细孔隙率的增加呈线性关系下降，从而强度低。4.养护湿度和温度的影响（1）湿度——应该保持潮湿状态（2）温度——提高温度也可以加速水化反应。在0℃以下，当水结成冰时，水泥的水化、凝结硬化作用将停止，因而，在冬季施工时，需要采取保温等措施。5.养护龄期的影响水泥水化硬化是一个较长时期不断进行的过程。随着龄期的增长——水泥石的强度逐渐提高。水泥在3~14d内强度增长较快，28d后增长缓慢。养护到28d。6.水泥受潮与久存的影响水泥也不可储存过久三个月后其强度降低约10~20%半年后降低约15~30%一年后降低约25~40%受潮水泥颗粒——重磨可使其暴露出新鲜表面而恢复部分活性。对于微结块的水泥，强度约降低10~20%——适当方式压碎后用于次要工程。一般，南方水泥置放不能过雨季。五、水泥石的腐蚀与防止水泥石的腐蚀：在某些环境条件（如受到某些侵蚀性液体或气体的作用）下，引起水泥石的结构逐渐破坏，强度降低，以致全部溃裂的现象称为水泥石的腐蚀。水泥石的抗腐蚀性能可用耐蚀系数表示。耐蚀系数：以同一龄期分别浸在侵蚀性溶液