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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、0～5％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Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅰ。当硅酸盐水泥中混合材料掺量不超过5%时，称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅱ。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3CaO·SiO2，含量约50%左右硅酸二钙(简称C2S)——其矿物组成为2CaO·SiO2，含量约20%左右铝酸三钙(简称C3A)——其矿物组成为3CaO·Al2O3，含量7%～15%铁铝酸四钙(简称C4AF)——其矿物组成为4CaO·Al2O3·Fe2O3，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。C3SC2S二、矿物特性矿物组成和特性表3-2硅酸盐水泥主要矿物组成及其特性特矿物组成性指标3CaO·SiO2（C3S）2CaO·SiO2（C2S）3CaO·Al2O3（C3A）4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF）密度（g/cm3）3.253.283.043.77水化反应速率快慢最快快水化放热量大小最大中强度早期高低低低后期高收缩中中大小抗硫酸盐侵蚀性中最好差好矿物组成和特性三、矿物水化①硅酸三钙水化(C-S-H凝胶)和氢氧化钙。3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2硅酸二钙的水化β-C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢而已。2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(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。③铝酸三钙的水化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)。④铁相固溶体的水化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。矿物组成和特性四、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。10008006004002000C3S80706050403020100072890180360龄期（天）抗压强度（MPa）C2SC3AC4AFC3S0372890龄期（天）水化放热量（J/g）C2SC3AC4AF（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矿物组成和特性五、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。矿物组成和特性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细度凝结时间体积安定性强度、强度等级碱含量技术标准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(m2／kg)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300m2／kg。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。ф142258521ф160ф150图Ⅰ-3负压筛(单位：mm)1.筛网2.筛框ф24045ф160200654321图Ⅰ-4筛座(单位：mm)1.喷气嘴2.微电机3.控制板开口4.负压表接口5.负压源及吸尘器接口6.壳体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)m100%25筛余率＝技术标准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24％~30％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406050754指针5标尺3松紧螺丝2金属圆棒1铁座图I-5标准稠度仪图Ⅰ-6b试锥和锥模（代用法）(单位：mm)ф1050图I-6a试杆和试模（标准法）(单位：mm)40ф75ф65玻璃板一、标准法：称取500g水泥试样；量取拌和水（按经验确定），5s~10s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6mm±1mm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6mm±1mm时为止。计算：P＝W/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：P＝33.4-0.185S40ф75ф6550ф1.13ф5ф1.13500.530初凝试针终凝试针试模图Ⅰ-7(单位：mm)凝结时间测试装置技术标准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180min±5min。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。AC（2）试饼法：制成直径为70～80mm，中心厚约10mm，边缘渐薄，表面光滑的试饼。恒沸180min±5min。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.强度及强度等级技术标准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40mm×40mm×160mm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450±2g，标准砂1350±5g。拌合用水量为225±1ml。•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