专业基础精讲第十二章土木工程材料(三)02

第三节水泥
水泥属于水硬性胶凝材料。

普通建造工程中常用的是通用水泥，包括硅酸盐水泥（代号P·Ⅰ，P·Ⅱ）、普通硅酸盐水泥（简称普通水泥，代号P·O）、矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥，代号P·S）、粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥，代号P·F）、火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥，代号P·P）和复合硅酸盐水泥（简称复合水泥，代号P·C）六大种。

一、硅酸盐水泥
由硅酸盐水泥熟料，0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细而成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。

硅酸盐水泥分为两种类型，不掺加混合材料的称为Ⅰ型硅酸盐水泥，代号为P·Ⅰ；掺加不超过水泥质量5%石灰石或或粒化高炉矿渣的称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。

1、硅酸盐水泥熟料矿物组成及主要特征
硅酸盐水泥熟料矿物组成及其主要特征见下表。

调节各矿物的比例水泥的性能会发生变化，如提高硅酸三钙的含量可制得高强水泥。

硅酸盐水泥熟料矿物组成与主要特征
因为铝酸三钙凝结硬化速度很快，会使水泥浆体浮上瞬时凝结的现象，影响水泥的正常使用，掺入石膏可以达到延缓凝结的目的，即石膏起缓凝作用。

2、硅酸盐水泥的水化过程及水化产物
硅酸盐水泥水化放热曲线见图2，其中第一放热峰对应的是铝酸三钙与石膏反应生产钙钒石的反应，第二放热峰为硅酸三钙的水化放热峰，第二放热峰浮上的时光对应于水泥的初凝时光。

硅酸三钙的水化产物为C-S-H凝胶和氢氧化钙。

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图2 硅酸盐水泥的水化放热曲线
硅酸盐水泥的水化产物有水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。

在彻低水化的水泥石中，水化硅酸钙凝胶约占70％，氢氧化钙约占20％，水化硫铝酸钙约占7%，其中水化硅酸钙凝胶对水泥石的强度和其它性质起决定性作用。

3、水泥石的组成
水泥浆硬化后的水泥石是由水化产物（包括凝胶和晶体）、未水化的水泥熟料颗粒、孔隙（包括凝胶孔、毛细孔和蔼孔）和水（包括化学结合水、凝胶水、毛细孔水等）组成的不均质体。

水化硅酸钙凝胶孔尺寸为1~5nm，毛细孔尺寸约为10~100nm，水化较为充足的水泥石中，毛细孔尺寸通常小于50nm，由引气剂形成的封闭气孔尺寸约为1mm左右。

[例题1]水泥熟料矿物中水化放热量最大的是：
A.硅酸三钙
B.硅酸二钙
C.铝酸三钙
D.铁铝酸四钙
【解析】水泥熟料中水化放热量最大的是铝酸三钙，最少的是硅酸二钙
【答案】C
[例题2]普通硅酸盐水泥的水化反应为放热反应，并且有两个典型的放热峰，其中第二个放
热峰对应
A.硅酸三钙的水化
B.硅酸二钙的水化
C.铁铝酸四钙的水化
D.铝酸三钙的水化
【提醒】普通硅酸盐水泥的水化反应为放热反应，并且有两个典型的放热峰，其中第一放热峰对应的是铝酸三钙与石膏反应生产钙钒石的反应，第二放热峰为硅酸三钙的水化放热峰。

【答案】A
二、水泥石的腐蚀及防腐
1、水泥石在某些腐蚀性介质的持久作用下，结构逐渐受到破坏，强度和耐久性降低的现象，称为水泥石的腐蚀。

2、腐蚀机理
溶出性腐蚀：流动的软水将Ca(OH)2溶解并随流水而流失，使水泥石孔隙率增大。

分解性腐蚀：盐或酸与Ca(OH) 2反应生成溶解度更大的产物（如CaCl2），加速Ca(OH) 2分解破坏，或同时生成没有胶凝性的产物，如Mg(OH)2。

膨胀性腐蚀（亦称硫酸盐腐蚀）：硫酸盐与Ca(OH) 2生成硫酸钙，直接以二水石膏结晶，膨胀；或再与水化铝酸钙生成水化硫铝酸钙，体积增大1.5倍，使水泥石膨胀破坏。

3、引起腐蚀的缘故
（1）存在引起腐蚀的成分：氢氧化钙和水化铝酸钙。

（2）存在毛细孔，结构不密实，易使腐蚀介质进入。

4、防腐措施
（1）合理挑选水泥品种：减少氢氧化钙含量。

（2）提高水泥石的密实度—减少加水量，降低毛细孔含量。

（3）加做保护层。

[例题3] 水泥混凝土遭遇最严重的化学腐蚀是：
A.溶出性腐蚀
B.普通酸腐蚀
C.镁盐腐蚀
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D.硫酸盐腐蚀
【提醒】溶出性腐蚀是指流动的软水将Ca(OH)2溶解并随流水而流失，结果会使混凝土孔隙率的增大，C-S-H分解。

普通酸与Ca(OH) 2反应生成溶解度更大的产物，加速Ca(OH) 2分解破坏。

镁盐与Ca(OH) 2反应生成的Mg(OH) 2很柔软，没有胶凝能力。

硫酸盐与Ca(OH) 2生成硫酸钙，直接以二水石膏结晶体积膨胀，或再与水化铝酸钙生成水化硫铝酸钙，体积增大1.5倍，这两种膨胀性产物的形成，会导致混凝土开裂，甚至破坏。

比较而言，硫酸盐腐蚀是最严重的化学腐蚀。

【答案】D
三、通用水泥的主要特性及适用范围
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[例题4]现有一座大体积混凝土结构并有耐热耐火要求的高温车间工程，可选用下列哪种水泥？
A.硅酸盐水泥
B.火山灰硅酸盐水泥
C.矿渣硅酸盐水泥
D.粉煤灰硅酸盐水泥
【解析】硅酸盐水泥不能用于大体积混凝土工程。

矿渣硅酸盐水泥耐热性好，可用于有耐热耐火要求的高温车间工程。

【答案】C
四、水泥的技术性质
1、细度：水泥颗粒的粗细程度。

颗粒越细，水化速度快，早期强度高，但硬化收缩较大。

颗粒过粗，不利于水泥活性的发挥，强度低。

硅酸盐水泥比表面积应大于300m2/kg。

其它通用水泥的细度用筛析法测定，用筛余量表示，其80μm方孔筛的筛余量不得超过10.0％。

2、标准稠度用水量：达到标准稠度时的用水量。

标准稠度为标准规定的一种稠度状态，用于测定凝结时光和体积安定性。

3、凝结时光：初凝时光为水泥加水拌和起，至水泥浆开始失去塑性所需时光。

终凝时光是从水泥加水拌和起，至水泥浆彻低失去塑性并开始产生强度所需时光。

初凝时光不宜过短，终凝时光不宜过长。

规定通用水泥初凝时光不早于45分钟，硅酸盐水泥终凝时光不迟于390min，其它通用水泥的终凝时光不迟于10h。

4、体积安定性：是指水泥在凝结硬化过程中，体积变化的匀称性。

水泥体积安定性不良会导致构件产生膨胀性裂纹或翘曲变形，造成质量事故。

引起安定性不良的缘故是熟料中游离氧化钙或游离氧化镁过剩或石膏掺量过多。

国家标准规定，由游离氧化钙引起的安定性不良用沸煮法检验。

游离氧化镁和石膏不便迅
速检测，标准规定游离MgO≯5.0%，SO3≯3.5%
5、强度：指胶砂强度。

水泥:标准砂=1:3，水灰比为0.5，按规定主意制作40×40×160mm 试件，（20±1）℃水中养护，测定3d和28d的抗压、抗折强度，以此划分水泥的强度等级。

6、碱含量：碱含量按Na2O+0.658K2O计算，碱含量将影响构件的质量或引起质量事故。

[例题5]水泥颗粒的大小通常用水泥的细度来表征，水泥的细度是指：
A、单位质量水泥占有的体积
B、单位体积水泥的颗粒总表面积
C、单位质量水泥的颗粒总表面积
D、单位颗粒表面积的水泥质量
解析：水泥颗粒的大小通常用水泥的细度来表征，水泥的细度是指单位质量水泥颗粒的总表面积（m2/kg），或0.08mm方孔筛的筛余量。

答案：C
五、练习题
1、水泥中不同矿物的水化速率有较大的差别，因此可以通过调节其在水泥中的相对含量来满意不同工程对水泥水化速率和凝结时光的要求。

早强水泥要求水泥水化速率快，因此以下矿物含量较高的是：
A、硅酸三钙
B、硅酸二钙
C、铁铝酸四钙
D、石膏
提醒：早强水泥要求水化速率快，早强强度高。

水泥熟料矿物中水化速度最快是的铝酸三钙，第二是硅酸三钙，早强强度最高的是硅酸三钙。

答案：A
2、我国通用硅酸盐水泥标准中，符号P.O代表：
A、普通硅酸盐水泥
B、硅酸盐水泥
C、复合硅酸盐水泥
D、粉煤灰硅酸盐水泥
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提醒：我国通用硅酸盐水泥标准中，符号P.O代表普通硅酸盐水泥。

答案：A
3、硬化水泥浆体中的孔隙分为水化硅酸钙凝胶的层间孔隙、毛细孔隙和蔼孔，其中对材料耐久性产生主要影响的是毛细孔隙，其尺寸的数量级为：
A、nm
B、um
C、mm
D、cm
提醒：水化硅酸钙凝胶孔尺寸为1~5nm，毛细孔尺寸约为10~100nm，水化较为充足的水泥石中，毛细孔尺寸通常小于50nm，由引气剂形成的封闭气孔尺寸约为1mm左右。

答案：A
4、按照水泥石侵蚀的缘故，下列哪条是不准确的抗侵蚀措施：
A、提高水泥强度等级
B、提高水泥石的密实度
C、按照侵蚀环境特点，选用适当品种的水泥
D、在混凝土或砂浆表面设置耐侵蚀且不透水的防护层
提醒：水泥石抗侵蚀措施主要有：选用合适的水泥品种，减少容易被侵蚀成分，如氢氧化钙的含量；提高水泥石的密实度，降低孔隙率；表面做保护层。

采用高强度水泥不一定可以提高抗侵蚀能力。

答案：A
5、早期强度要求较高，抗冻性较好的混凝土应优先选用：
A、普通硅酸盐水泥
B、矿渣硅酸盐水泥
C、火山灰硅酸盐水泥
D、粉煤灰硅酸盐水泥
提醒：普通硅酸盐水泥早期强度较高，抗冻性较好。

答案：A
6、陪同着水泥的水化和各种水化产物的陆续形成，水泥浆的流动性发生较大的变化，其中水泥浆的初凝是指其：
A、开始显然固化
B、黏性开始减小
C、流动性基本丧失
D、强度达到一定水平
提醒：水泥浆的初凝是指开始失去可塑性，即浆体开始显然固化；终凝是指浆体彻低失去可塑性，即流动性基本丧失。

所以在凝结过程中，浆体变稠，黏性增大。

答案：A
7、测定水泥强度，是将水泥与标准砂按一定比例混合，再参加一定量的水制成标准尺寸试件举行实验。

水泥与标准砂的比例为：
A、1:1
B、1:2
C、1:3
D、1:4
提醒：测定水泥强度时水泥与标准砂的比例为1:3。

答案：C
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