土木工程材料(04水泥1)

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程
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料
水 泥
二、水泥的凝结和硬化原理
2(3CaO SiO2 ) 6H 2O 3CaO SiO2 3H 2O 3Ca(OH ) 2
硅酸三钙
水 水
水化硅酸钙 水化硅酸钙
氢氧化钙 氢氧化钙
凝 结 和 硬 化
2(2CaO SiO2 ) 4H 2O 3CaO 2SiO2 3H 2O 3Ca(OH ) 2
料
水 泥
二、水泥的凝结和硬化原理
水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶 的水化硫铝酸钙针状结晶体，也称为钙矾石晶体：
3(CaSO 2 H 2O) 3CaO Al2O3 6 H 2O 19H 2O 4 3CaO Al2O3 3CaSO 31H 2O 4
凝 结 ２、硅酸盐水泥的“凝结” 水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中 和 硬 起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在 化 溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表
技 术 性 质
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水 泥
三、水泥的主要技术性质
５、强度及标号（强度等级）
技 术 性 质
成型 破型
水泥胶砂强度标准试验
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水 泥
三、水泥的主要技术性质
表3-1硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求 (GB175-1999)
强度 等级 抗压强度（MPa） 3d 28d 17.0 42.5 22.0 42.5 23.0 52.5 27.0 52.5 28.0 62.5 32.0 62.5 抗折强度（MPa） 3d 28d 3.5 6.5 4.0 6.5 4.0 7.0 5.0 7.0 5.0 8.0 5.5 8.0
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土木工程材料
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第三章
水泥
水泥是最主要的建筑材料之一， 是一种加水拌和成塑性浆体后， 能胶结砂、石等适当材料并能在 空气和水中硬化的粉状水硬性胶 凝材料。
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本次课主要内容
介绍水硬性胶凝材料------水泥的生产、矿物 组成、凝结和硬化原理及主要技术性质等。 一、水泥的生产及矿物成分； 二、水泥的凝结和硬化原理；
三、水泥的主要技术性质；（重点）
四、水泥强度的主要影响因素。
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水 泥
一、水泥的生产及矿物成分 原料
水 泥 的 生 产
？
石灰质（石灰石） 粘土质（粘土、页岩）
适量铁粉、萤石等 补充铁质 改善煅烧条件
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一、水泥的生产及矿物成分
生产水泥的基本工序：“两磨一烧”。
先将原材料破碎并 按其化学成分配料后， 在球磨机中研磨为生料。 然后入窑锻烧至部分熔 融，所得以硅酸钙为主 要成分的水泥熟料，配 以石膏及混合材料在球 磨机中研磨至一定细度， 即得到硅酸盐水泥。
凝 结 和 硬 化
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三、水泥的主要技术性质
技 术 性 质
水泥的主要技术性质有： （重点） １、细度 ； ２、标准稠度用水量； ３、凝结时间 ； ４、体积安定性 ； ５、强度及标号 ； ６、碱含量 。
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水 泥
三、水泥的主要技术性质
１、水泥的细度
水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响。水 泥颗粒粒径一般在7～200 μm范围内。 国标GB175-1999规定，水泥的细度可用比表面积 或0.08 mm方孔筛的筛余量（未通过部分占试样总量的 百分率）来表示。其筛余量不得超过规定的限值。比表 面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和 （cm2/g 或 m2/kg）。一般常为317～350m2/kg。
面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距 逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此 时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。
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二、水泥的凝结和硬化原理
由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使 工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石 膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会 与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶 解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面， 从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化 产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初 凝时间得以延缓。当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥 颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所 胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行， 水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆 的塑性逐渐消失，直到终凝。
3CaO·Al2O3
极快 较多 很大
小
4CaO·Al2O3 10%～18% 很快 较低 ·Fe2O3
C3S和C2S称为硅酸盐矿物，C3Ａ和Ｃ4AF称为溶剂矿物。
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一、水泥的生产及矿物成分
由表中所述可知，几种矿物成分的性质是不同的， 当其相对含量发生改变时，水泥的技术性质也随之改变。 例如，要使水泥具有快硬高强的性质，就必须适当提高 熟料中C3S和C3Ａ的含量；若要求水泥发热量较低，就必 须适当提高C2S及Ｃ4AF的含量。 此外，硅酸盐水泥生产中加入石膏，原因是石膏在 水泥水化硬化过程中起缓凝作用。可以调节石膏的添加 量来调节水化硬化的时间。
了便于理解，人为划分的几个阶段，工程中常用初凝时 间和终凝时间。一般地： 初凝时间：１～３小时； 终凝时间：５～８小时。
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二、水泥的凝结和硬化原理
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二、水泥的凝结和硬化原理
1-水泥颗粒； 2-水分； 3-凝胶； 4-晶体； 5-水泥颗粒的 未水化内核； 6-毛细孔
凝 结 和 硬 化
硬 化
实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部 很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、 未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。
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水 水化 水 水化 流 水化 塑 水化 失 水化 水 变 状 水解 塑 水解 石 态 态 性 水 凝 溶解阶段 结 初凝 和 硬化 终凝 硬 当然，凝结与硬化没有截然的界限，上述过程是为 化
技 术 性 质
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三、水泥的主要技术性质
４、体积安定性
水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性称为水 泥的体积安定性。即水泥硬化浆体能保持一定形状， 不开裂，不变形，不溃散的性质。体积安定性不良的 水泥应作废品处理，不得应用于工程中，否则将导致 严重后果。 导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料 中的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入石膏过多等原因 造成的，其中游离氧化钙是一种最为常见，影响也是 最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是 过烧的，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其它成 分所包裹，使得其在水泥已经硬化后才进行熟化，生
技 术 性 质
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三、水泥的主要技术性质
成六方板状的Ca（OH）2晶体，这时体积膨胀９７％以 上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。
技 术 性 质
此外，当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余 石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约 1.5倍，从而导致水泥石开裂。 国家标准规定：水泥的体积安定性用沸煮法（包 括雷氏法和试饼法）检验，当两者检测不一致时，以 雷氏法为准。
水 泥 的 生 产
磨
烧
磨 产 品
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矿物 组成
一、水泥的生产及矿物成分
化学 成分 3CaO·SiO2 2CaO·SiO2 与水 水化 早期 热 强度 反应 贡献 36%～60% 很快 较多 较大
15%～37%
7% ～15%
含 量
矿 物 组 成
硅酸三钙 硅酸二钙
较慢 较低
小
铝酸三钙
铁铝酸四钙
硅酸二钙
3CaO Al2O3 6H 2O 3CaO Al2O3 6H 2O 铝酸三钙 水 水化铝酸三钙
4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O
铁铝酸四钙
水
水化铝酸三钙
水化铁酸钙
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凝 结 和 硬 化
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二、水泥的凝结和硬化原理
３、硅酸盐水泥的硬化 随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不 断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙 凝 晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具 结 有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段并逐渐变成坚 和 硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。
技 术 性 质
国标还规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安 定性中的任何一项不符合标准规定时，均为废品。凡细 度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任何一项不符合标 准规定或混合材料掺加量超过最大限度和强度低于商品 标号规定的指标时称为不合格品。 废品水泥在工程
技 术 性 质
42.5 42.5R 52.5 52.5R 62.5 62.5R
注：表中Ｒ表示早强型，其它为普通型。
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三、水泥的主要技术性质
６、碱含量
水泥中含有较多的强碱物Na2O或 K2O时， 容易发 生不良反应对结构造成危害。因而国标规定，水泥中的 含碱量（按Na2O+0.658K2O计算）不得大于0.6%。
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三、水泥的主要技术性质
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三、水泥的主要技术性质
５、强度及标号（强度等级）
强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标。 水泥的强度是按照GB/T17961-1999《水泥胶砂强度检 验方法（ISO）法》的标准方法制作的水泥胶砂试件， 在20〒1℃ 温度的水中，养护到规定龄期时检测的强 度值。标准试件尺寸为4cm〓4cm〓16cm，胶砂中水泥 与标准砂之比为 1：3 （W/C=0.5），标准试验龄期 分别为３d和28d．分别检验其抗压强度和抗折强度。 按 照 测 定 结 果 ， 将 硅 酸 盐 水 泥 分 为 42.5 、 42.5R 、 52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。
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三、水泥的主要技术性质
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三、水泥的主要技术性质
３、凝结时间
水泥从加水开始到失去其流动性，即从液体状态发展 到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程。这个过 程所需要的时间称为凝结时间。 凝结时间分初凝时间和终凝时间。初凝时间为水泥加 水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性所需的时间。终 凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性 并开始产生强度所需的时间。 国标规定，水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆， 在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定。 硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟 于6h30min。凡初凝时间不符合规定的，为废品；终凝时 间不符合规定的，为不合格品。
水泥凝结硬化过程示意图
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膜层长大并相互连接（凝结）； d水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）
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二、水泥的凝结和硬化原理 ４、水泥强度的增长规律
水泥石的强度随着硬化龄期增长而逐渐增长，早 期增长很快，往后逐渐减慢。硅酸盐水泥和普通水泥 在加水后３～７天内强度发展很快，大约２８天后便 显著减慢。因此，水泥标准中一般以３、７、２８天 为测定水泥强度的标准龄期，以２８天的强度评定水 泥的标号。
矿 物 组 成
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二、水泥的凝结和硬化原理
水化（化学反应）
原理： 水泥＋水 凝 结 和 硬 化
硬化（物理反应）
水泥石＋放热
１、硅酸盐水泥的水化反应 硅酸盐水泥加水后，水泥中的矿物成分C3S、C2S、C3Ａ、 Ｃ4AF等经水化水解后，生成五种主要水化物。水化硅酸 钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及 水化硫铝酸钙。这些新生矿物的结晶程度较好。
技 术 性 质
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三、水泥的主要技术性质
技 术 性 质 水泥细度实验录象
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三、水泥的主要技术性质
２、标准稠度用水量
稠度用水量是水泥浆达到一定流动度时的需水量。 国标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”是人为规定的 稠度，其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定。硅酸盐 水泥的标准稠度用水量一般在２１％～２８％之间。 标准稠度用水量在一定程度上影响混凝土的性能。 标准稠度用水量较大的水泥，拌制同样稠度的混凝土， 加水量也较多，故硬化时收缩较大，硬化后的强度及密 实性也较差。因此，当其它条件相同时，标准稠度用水 量越小越好。