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第三章 水泥Cement水泥概述3.1 硅酸盐水泥3.2 掺混合材料的硅酸盐水泥3.3 高铝水泥3.4 其它品种水泥水 泥 概 述1、水泥定义凡磨细成粉末状，与水混合后，经过物理、化学反应，能由可塑性浆体变成坚硬石状物，既能在空气中、又能在水中硬化，保持并增长强度的水硬性胶凝材料作用通式：水泥+水  水泥浆  石状物 水泥石 硬化水泥浆1824年，英国人Joseph Aspdin发明2、重要性（1）功能强大——水硬性，可加工性（2） 不可替代——住宅、办公楼、道路、桥 梁、机场跑道、海港等等（3）应用形式的多样性——混凝土，砂浆（4）前景——地球、太空开发3、品种硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥硅酸盐系列水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥高铝水泥硫铝酸盐水泥第一节 硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥一、定义 一）硅酸盐水泥 Portland cement 定义: 熟料 + 混合材（0-5%）+ 石膏类型：P.I：熟料 + 0 混合材+ 石膏 P.II：熟料 + 5% 混合材+ 石膏 二）普通硅酸盐水泥 定义: 熟料 + 5 - 15 % 混合材+ 石膏 类型： P.O 上述两种水泥简称为硅水与普硅水二、硅酸盐水泥的生产一）原料组成：SiO2、Al2O3 ———粘土CaO —————— 石灰石Fe2O3 ——————铁矿石二）生产工艺 原料 —— —— 熟料 —— 水泥 条件 条件 条件 (配料、磨细)(1450C煅烧) (加石膏、磨细)三、硅酸盐水泥熟料Clinker（一）矿物组成 2CaO·SiO2 ————— C2S（ 15%-37%） 3CaO·SiO2 ————— C3S（ 36%-60 %） 3CaO·Al2O3 ————— C3A（7%-15%） 4CaO·Al2O3.Fe2O3 —— C4AF（10%-18%） 其中C3S+C2S = 75%-82%。

因此称之为硅酸盐水泥熟料二）化学组成仍为CaO、 SiO2 、 Al2O3 、 Fe2O3（三）杂质 1、游离CaO，f - CaO类似于过火石灰2 、 游离MgO，f - MgO3 、 含碱矿物与玻璃体含Na2O、K2O这三种杂质均对水泥不利水泥熟料= 四种矿物 + 三种杂质四种矿物性能的迭加构成水泥的性能（四）每一种矿物单独水化的特征（五）四种矿物数量的调整———水泥性能的调整快硬高强水泥——C3S、C3A？低热大坝水泥———C3S、C3A、C2S？*思考题：熟料主要需要C3S、C2S，为何还含有C3A、C4AF？四、水化与凝结硬化 思路： 加水—— 复杂过程 —— 产物—— 机理 — 影响因素 —— 技术性质 —— 腐蚀与防止现象： 水泥颗粒 + 水 —— 塑性浆体 —— 石状物 化学反应（本质）（一）水化 Hydration 水化： 主要是熟料4种矿物水化的迭加1、C3S3CaO.SiO2 + nH2O == xCaO.SiO2.yH2O + (3-x) Ca(OH)2简写： C3S + nH == CxSHy + (3-x) CH C-S-H或 CSH2、C2SC2S + nH == C-S-H + (2-x) CH3、 C3A多种水化可能性，因此较复杂。

1）单独水化C3A + 6H == C3AH6（2）在饱和CH溶液中， C3A + 12H + CH== C4AH13实际上水泥中，按（2）进行然而有一个后果：瞬时凝结，闪凝 Flash set原因：迅速增多且使水泥颗粒相互搭接对闪凝的控制：加石膏 CaSO4. 2H2O （3）生成高硫型水化硫铝酸钙 C4AH13 + 3CSH2 + 14H == C3A. 3CS. H32 + CH其中， C3A. 3CS. H32 ：水化硫铝酸钙，高硫型又称钙矾石，或AFt（4）石膏耗尽，生成低硫型水化硫铝酸钙C3A. 3CS. H32 + 2 C4AH13 == 3 C3A. CS. H12 + 2CH + 20H其中， C3A. CS. H12 ：低硫型水化硫铝酸钙 AFm4、C4AF反应与C3A类似C4AF +22 H + 4CH== C4AH13 + C4FH13C4AH13 + C4FH13 + 6CSH2 + 28H == C3A. 3CS. H32 + C3A. 3CS. H32 + 2CHC3A. 3CS. H32 + C3A. 3CS. H32 + 4 C4AH13 == 3 C3A. CS. H12 + 3C3A. CS. H12 + 4CH + 40H5、综合水化特征Cement + H2O —— C3A立即反应C3S、C4AF迅速反应 C2S反应较慢——————————  开始水化几分钟后即生成AFt, C-S-H, CH, C4AH136、水化产物形态C-S-H：凝胶，针状、片状、花瓣状 AFt ：晶体，针状 C4AH13 ：晶体，六角板状CH：晶体，六角板状（二）凝结与硬化 1、水化产物的特征 C-S-H：凝胶，几乎不溶于水，网状高强度结构 AFt ：晶体，强度较低， C4AH13 ：晶体，难溶于水，包裹水泥颗粒 CH：可溶性晶体，强度、耐水性与耐腐蚀性差 2、凝结硬化 1）水化反应的初始反应期 5-10min后，水化产物在水泥颗粒表面形成膜，主要为水化硫铝酸钙和水化硅酸钙 2）水化反应 水化产物在水泥颗粒表面形成膜，水化速度减慢，浆体变干稠，流动性基本不变。

3）水化反应凝结期 潜伏期结束后，水泥浆开始凝结（初凝）， 1-6小时内,重复包裹与破裂，开始失去塑性 4）硬化期 水化产物填充颗粒间空隙，毛细孔减少，浆体密实，产生强度五、水泥石的构成与强度影响因素 一）构成 水化产物；未水化水泥颗粒；毛细孔与气孔 二）强度影响因素 1、水灰比 W//C大，硬化慢，毛细孔多，强度低 2、龄期 适宜条件下，龄期长，水化程度高，强度高 3、养护条件 1）温度高，水化快，强度发展快，强度低 负温停止水化 2）湿度大，水化充分六、硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥技术性质 执行《硅酸盐、普通硅酸盐水泥》（GB175 - 99) （一）细度 水泥粒径在7-200μm，40 μm以下有活性 表示方法：比表面积法（cm2/g） 筛余百分率（%） (80 μm方孔筛） 国家标准要求硅酸盐水泥的比表面积大于3000c m2/g 普通硅酸盐水泥筛余量不得大于10% （二）凝结时间 1、初凝与终凝 初凝时间：水泥加水至水泥浆开始失去塑性的时间 终凝时间：水泥加水至水泥浆完全失去塑性时间 初凝与终凝时间用凝结时间测定仪进行测定2、工程对初凝与终凝的要求 初凝时间不宜过快—搅拌、运输、浇注、振捣 终凝时间不宜过长—浇注、振捣后凝结硬化3、国标的要求与调整方法 初凝时间≥45min；终凝时间≤ 硅水 6h 30min 普水 10h 掺入石膏调整凝结时间（过量与过少）4、凝结时间影响因素 1）C3A多，石膏少，凝结快； 2）细度大，凝结快； 3）水灰比小，凝结速度快； 4）温度高，凝结速度快； 5）混合材料掺量高，凝结速度。

三）体积安定性 水泥硬化后，水泥浆发生不均匀体积变形，即体积安定性不良这会使水泥石产生膨胀性裂缝，降低结构物的质量，甚至引起严重的事故 1、引起体积安定性不良的原因 水泥熟料中f – CaO、 f – MgO或石膏掺量过高2、评定方法 饼 法：水泥净浆试饼沸煮3h后，观察外观（裂缝、弯 曲、崩裂） 雷氏法：水泥净浆在雷氏夹沸煮3h后，测量其膨胀值3、国家标准规定 f – MgO ≤ 5% (水化极其缓慢，压蒸法可以检出） SO3 ≤ 3.5% （长期浸水体积膨胀）4、体积稳定性不良产品处置方法 不合格产品属废品，不得使用有些放置一段时间，吸水水化，变合格（四）强度 1、影响因素 水泥熟料矿物组成、细度、掺合料种类与掺量、养护条件、龄期、试验方法 2、评定方法与强度等级划分 1）评定方法 水泥、ISO标准砂、水按一定比例制成的砂浆，按规定的方法成型成40×40×160mm试件，在标准养护条件下养护（20±1ºC水中），测定其3d和28d抗压强度与抗折强度。

2）强度等级划分 根据上述试验方法测得的抗压强度与抗折强度，将硅水分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R等6个，普硅水分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等6个等级见表）（五）水化热 1、水化热：水泥水化过程放出来的热量 2、水化热影响因素 1）矿物组成：C3A最高，C2S最低； 2）细度：颗粒越细，水化热越高； 3）掺合料：掺入粉煤灰、磨细矿渣，水化热低； 4）缓凝剂：掺入缓凝剂，可以降低水化热低 3、水化热的在工程中的作用 1）大型基础、水坝、桥墩等大体积混凝土，易引起 温度应力，产生裂缝 2）冬季施工过程中，利用水化热促进水化速度（六）其他物理性能 密度：3，平均值取3.1g/cm3 堆积密度：1000-1600Kg/m3 七、水泥石的腐蚀与防止 在通常使用条件下，硅酸盐水泥的水泥石具有良好的耐久性，但是在某些腐蚀性液体与气体介质中，会逐步受到腐蚀。

一）水泥石的腐蚀 1、产生腐蚀原因 1）内因：存在C4AH13、CH等水化产物； 水泥石有毛细孔、气孔等 外因：周围的水与有害介质 2）几种典型的腐蚀 软水侵蚀、盐类腐蚀、酸类腐蚀、强碱腐蚀二）几种腐蚀产生的原因与危害 （一）软水腐蚀 水泥石与流动的软水接触时，首先溶解CH带走，PH值降低，引起其他水化产物分解溶出，结构破坏 遇到静水时，仅在表面发生；水泥石先在空气中碳化，形成Ca(OH)2外壳，可起到保护作用 （二）硫酸盐腐蚀 海水、盐沼泽、地下水、工业废水等含有SO42- 盐 SO42-+ Ca(OH)2 + H2O—CaSO4·2H2O CaSO4·2H2O + C4AH13—AFt AFt体积膨胀1.5倍，结构破坏，因此称AFt为“水泥杆菌”（三）镁盐腐蚀 海水及地下水含有镁盐 MgSO4+ Ca(OH)2 + H2O—CaSO4·2H2O+ Mg(OH)2 MgCl2+ Ca(OH)2 —CaCl2+ Mg(OH)2 Mg(OH)2无胶凝性，CaSO4·2H2O产生AFt腐蚀。

四）酸类腐蚀 1、碳酸腐蚀 地下水、工业废水等含有大量CO2，与水泥石反应 CO2+ Ca(OH)2 + H2O—CaCO3+ 2H2O CO2 浓度大时 CO2+ CaCO3+ 2H2O—Ca(HCO3)2 Ca(HCO3)溶于水，发生溶出腐蚀2、一般酸腐蚀 地下水、工业废水、沼泽水等含有大量酸，与水泥石反应如下： 2HCl+ Ca(OH)2 —CaCl2+ 2H2O H2SO4+ Ca(OH)2—CaSO4+ H2O(CaSO4还产生AFt腐蚀)（五）强碱腐蚀 硅酸盐水泥中C3A含量高，遇强碱NaOH或KOH，发生反应，生成溶于水的反应物三）防止腐蚀的措施 （一）根据侵蚀介质的特点，选择合理的水泥品种； （二）提高水泥石密实度； （三）加做保护层六、硅水与普硅水的性能与应用 一）强度等级高，强度发展速度快 适合制造高强混凝土、预应力混凝土、早期强度要求高的混凝土和冬季施工混凝土 二）抗冻性好 低水灰比，充分养护条件下，适宜用于严寒地区受反复冻融循环作用的混凝土 三）耐腐蚀性差。

不宜使用于软水流动部位与遭受海水腐蚀的部位 四）水化热高 不宜用于大型基础、桥墩、水坝等大体积混凝土 五）抗碳化性好 适用于CO2浓度高的车间及翻砂铸造车间 六）耐热性差 不宜用于耐热工程混凝土 七）干燥收缩小 适宜用于干燥环境 八）耐磨性好 适用于道路工程与地面工程七、运输与存放第二章 掺入混合材料的硅酸盐水泥一、混合材料 一）混合材料 生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥标号，提高水泥产量，而加到水泥中的人工或天然矿物材料分为有活性混合材料和非活性混合材料 二）几种水泥混合料 1、活性混合材料 与石灰或石膏拌合在一起，常温下与水作用，能生成水硬性胶凝材料的混合材料 1）粒化高炉矿渣 活性SiO2玻璃体、活性Al2O3玻璃体 2）火山灰质混合材料 活性SiO2、活性Al2O3，含有一定含量玻璃体 硅藻土、蛋白石、火山灰、凝灰岩、沸石、煅烧煤矸石、烧粘土 3）粉煤灰 活性SiO2、活性Al2O32、非活性混合材料 常温下不能与石灰或石膏反应生成水硬性胶凝材料 磨细石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣（二）活性混合材料的作用 xCa(OH)2+SiO2+mH2O — x CaO · SiO2 · mH2O yCa(OH)2+AlO3+nH2O — y CaO · Al2O3 · nH2O x、y与PH值温度、时间有关二、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸 盐水泥（简称、火山灰水泥和粉煤灰水泥） 一）定义 1、矿渣水泥 熟料 + 20 - 70 % 粒化高炉矿渣+ 石膏 代号：P·S 2、火山灰水泥 熟料 + 20 - 50 % 火山灰质混合材+ 石膏 代号：P· P 3、粉煤灰水泥 熟料 + 20 - 40 % 粉煤灰+ 石膏 代号：P·F二）技术要求 1、强度等级 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R（见表） 2、体积安定性 1）MgO ≤ 5% 2)SO3 矿渣≤ 4.0%；火山灰与粉煤灰≤ 3.5%。

（三）三种水泥性质与应用 三种水泥组成与活性来源类似，因此其性质有许多相似之处但是活性混合材料的物理性质及其矿物组成的差别，使水泥性质存在一些差别 1、共同点 1） 早期强度低，后期强度增进率大 熟料掺量少→C3A、C3S含量少→二次反应慢→早期强度低，后期强度上去 应用：不宜用于早期强度要求高的砼，如现浇砼、冬季施工砼2）强度发展受温度影响大（1）对温度的敏感性，比普硅水泥或硅酸盐水泥大2）低温下水化明显减慢，强度低3）采用高温养护时，加大二次反应速率，可提高早 期强度，而且不影响后期常温下的强度发展3）耐腐蚀性好 熟料少→Ca(OH)2少，且与SiO2反应→抗腐蚀性好 熟料少→C3AH6少，且与SiO2反应→抗腐蚀性好 掺入烧粘土等Al2O3 含量高的掺合料时，而硫酸盐腐蚀性差4）水化热低 熟料少 →C3A，C3S含量少 →水化热低 应用： 适宜用于大体积砼工程5）抗冻性与耐磨性差 密实度低→抗冻，耐磨性差 应用：不宜用于严寒地区水位上升部位内砼工程及有 耐磨要求工程6）抗碳化性差 水泥石中Ca(OH)2含量少，抗碳化能力差。

应用：不宜用于高CO2车间的砼工程 2、矿渣水泥的性质与应用特点 1）泌水性和干缩性较大 玻璃体吸水性差，颗粒呈棱角状，故保水性差易泌水，干缩大 应用：不适宜用于有抗渗要求的砼工程冻融干 湿交 替作用砼工程 2）耐热性好 水泥石Ca(OH)2含量少 →200℃温度下，强度不下降 矿渣的耐热性好 → 200℃温度下，强度不显著下降 应用：适宜用于受热砼 3）上述三种混合水泥中矿渣水泥的混合材料掺量最高，因此其耐腐蚀性也最好，最稳定3、火山灰水泥的性质与应用特点 1）抗掺性好 磨细的火山灰材料，泌水量少，在潮湿环境下，生成的水化产物CSH凝胶，使水泥石结构致密，具有很高的抗渗性 应用：适宜用于渗砼工程2）干缩大，易起粉（1）火山灰水泥的干缩比矿渣水泥显著，干燥空气中 易收缩，产生裂缝（2）空气中CO2与C-S-H反应生成CaCO3与SiO2粉状 物，使硬化的水泥石表面易产生“起粉”现象 应用：加强养护，保持潮湿环境 不宜用于干湿变替环境及有耐磨要求的砼工程4、粉煤灰水泥的物质与应用特点1）早期强度低 粉煁灰颗粒是致密的球形颗粒，不易水化，其活性发挥在后期。

早期强度发展比矿渣水泥，火山灰水泥低，但是使其可以赶上2）干缩小，抗裂性高 吸水率小→需水量少→干缩小，抗裂性好四、复合水泥（一）定义：凡由硅酸盐水泥熟料，两种或两种以上混 合材，适量的石膏磨细而成的水硬性胶凝材料 代号P.C 混合材掺量：混合材料15～50%，允许用≤8%的 窑灰替代部分混合材料二）性质：复合水泥掺入了两种以上的混合材料，改 善了上述矿渣水泥等三种水泥的性质，其 性质接近于普硅水，并且水化热低，耐腐 蚀与抗渗性好（三）强度等级 强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等六等级具体强度等级与水泥的特性见表第三章 高铝水泥高铝水泥：以铝矾土和石灰石为原料，经煅烧得到以铝 酸钙为主，氧比铝含量约50%的熟料，磨制 的水硬性胶凝材料。

又称矾土水泥高铝水泥具有快硬，早强，耐腐蚀，耐热等特点一、水泥的矿物组成及水化 1、主要矿物组成CaO·Al2O3,其它仍为铝酸盐矿物 CA活性高，凝结正常，但是硬化迅速，是水泥主要强度来源 2、CA的水化 低于20℃， CaO ·Al2O3 · 10H20（水化铝酸一钙） 20～30℃，2 CaO ·Al2O3 · 8H20（水化铝酸二钙） 高于30℃， 3 CaO ·Al2O3 · 6H20 （水化铝酸三钙） 水化铝酸－钙，水化铝酸二钙为高强度片状或针状结晶连生，属亚稳定的晶体，随时间的推移转化为稳定的铝酸三钙晶型转化后，孔隙率增大，强度降低，耐腐蚀性差 一般5年后强度仅为早期的一半二、强度等级与技术性质 1、强度等级 标号有425、525、625、725等，具体见表 2、细度 0.08mm 方孔筛筛余不得超过10% 3、凝结时间 初凝不得早于40min，终凝不得迟于10h三、高铝水泥的性质与应用 1、早期强度增长快，改性硬性水泥。

1d可达3 d强度的80%以上 适用于紧急拖修工程和早期强度要求高的特殊工程但必需考虑后期强度的降低使用时还需要严格控制养护温度，不超过25ºC最宜15ºC 2、水化热大，而且放热集中 1d可达总数热量的70～80%不适宜用在大体积砼工程 3、抗硫酸腐蚀性强 无Ca(OH)2，而且结构致密，（结合水量0.5左右，而标准需水量同于硅水），故抗硫酸盐腐蚀与抗镁盐腐蚀性强 4、抗碱腐蚀能力差 不得用于与碱渗液接触的工程 5、耐热性好，在高温下保持较高的强度 1300℃时仍可达早期强度的50% 6、不得与硅酸盐水泥或石灰混合。