土木工程材料,第三章水泥的介绍.

▪
加入的石膏与水化铝酸三钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，
水化硫铝酸钙呈针状晶体，难溶于水。
▪
3(CaSO4．2H2O)＋ 3CaO．Al2O3＋ 25H2O→
▪
二水石膏
铝酸三钙（ C3S）
▪
3CaO．Al2O3 . 3CaSO4 .31H2O
▪
高硫型水化硫铝酸钙(C3AS3H31)
▪
▪
忽略次要的和少量的成份，水泥完全水化后，水化硅酸钙
矿物名称
矿物组成
简写式
矿物含量
硬化速度
矿 早期强度
物 特
后期强度
性 水化热
耐腐蚀性
硅酸三钙 3CaO.SiO2
C3S 37%－60%
快 高 高 大 差
硅酸二钙 2CaO.SiO2
C2S 15%－37%
慢 低 高 小 好
铝酸三钙 3CaO.Al2O3
C3A 7%－15%
最快 低 低
最大 最差
铁铝酸四钙 4CaO.Al2O3Fe2O3
的含量和石膏中三氧化硫的含量，通过试验调整。
▪
3、养护时间 水泥中所有颗粒全部水化反应所需时间
较长，一般在28天内强度发展较快，以后强度增长缓慢。但只要
保持一定的温度、湿度环境，水泥强度的增长可以延续几十年。
▪
4、温度、湿度 温度对水泥的凝结硬化有显著影响，
提高温度可加速水化反应，使早期强度较快发展，但后期强度可
▪ 六、碱含量
▪ 出碱—集指料水反泥应中（NAa2lkOa。li—K2AOg的gre含g量ate。—1R94e0a年cti，on美，国简首称先AA发R现）并。提
▪
当水泥中的碱含量超过0.6%后，与混凝土中的活性集料砂
石发生反应，生成物体积膨胀，造成混凝土开裂破坏。
▪
碱含量（%）= Na2O（%）+0.658K2O（%）
的水泥。
▪ 八、密度和堆积密度 硅酸盐水泥的密度为3.0－3.15g/cm3，通 常采用3.1g/cm3。堆积密度通常采用1300kg/m3。
▪
3.1 硅酸盐水泥
▪ 八、硅酸盐水泥的腐蚀与防止
▪ 1、水泥石腐蚀的原因
▪
（1）、软水腐蚀（溶出性腐蚀） 水泥石长期在流水环境下
（江河水、雨水），氢氧化钙不断地被溶出并由流水带走，水泥石中
C4AF 10%－18%
快 中 低 中 中
水泥中还有少量的游离氧化钙、游离氧化镁，总含量不超过10％。
改变水泥熟料中矿物成份间的比例，可以制得不同性质的水泥品种， 如提高硅酸三钙含量，可以制得高强水泥和早强水泥，提高硅酸二钙含量 并降低硅酸三钙与铝酸三钙的含量，可制得低热水泥或大坝水泥。
3.1 硅酸盐水泥
3.1 硅酸盐水泥
▪ 硅酸盐水泥的强度发展曲线
180
160
抗压强度（％）
120 100
80 60
40 20
0 3 7 14
28
60
龄期/d
3.1 硅酸盐水泥
▪
三、影响水泥凝结硬化的因素
▪
1、细度 水泥颗粒越细，总表面积越大，与水接触的
面积也越大，水化速度快，凝结硬化速度快。反之则慢。
▪
2、石膏掺入量 一般由生产厂家根据水泥中铝酸三钙
▪
在氢氧化钙饱和溶液中，水化铝酸三钙和水化铁酸钙还会与
氢氧化钙发生二次反应，分别生成水化铝酸钙和水化铁酸四钙。
3.1 硅酸盐水泥
▪ ㈤、石膏 水泥熟料在不加入石膏的情况下与水拌和后会立即产生 凝结，为调节凝结时间，加入的石膏量太少，缓凝作用不明显，加 入过多，会引起水泥安定性不良，适宜的加入量为水泥质量的3％ －5％。
型水化硫铝酸钙，体积比原体积增加1。5倍以上，产生膨胀破坏，通
常称为水泥杆菌。氢氧化钠、氢氧化镁松软而无胶结力，氯化钙易溶
于水。
3.1 硅酸盐水泥
▪
（3）、碳酸性腐蚀 水中溶解的二氧化碳与水泥石中的氢
氧化钙作用生成碳酸钙：
▪
Ca（OH)2 ＋ CO2 ＋ H2O → CaCO3
▪
生成的碳酸钙再与含碳酸的水作用转变成为重碳酸钙，此反应
▪ 4、体积安定性 （水泥凝结硬化过程中，体积变化的均匀 程度。产生安定性不良的因素是水泥中含有过多的游离氧 化钙和游离氧化镁以及石膏掺入量过高。安定性测定方法 可以用雷氏法或试饼法。）
3.1 硅酸盐水泥
▪ 五、强度与标号
▪
硅酸盐水泥的强度取决于水泥熟料的矿物
成份和细度。水泥强度测定按《水泥胶砂强度
为 石可中逆其反他应水；化重产碳物酸的钙 分溶 解于 ，水 使而 腐消 蚀失 进←。 一氢 步氧 加化 剧钙 。浓度降低，导致水泥
▪
CaCO3＋ CO2 ＋ H2O → Ca（HCO3)
▪
（4）、一般酸类的腐蚀 地下水及某些工业废水中，含有
无机酸和有机酸，它们与氢氧化钙作用后的生产物，或易溶于水，或
快，强度增长快。但生产过程消耗的能量高，成本大，且 在空气中硬化时收缩大。 ）
▪ 2、标准稠度用水量（ 水泥净浆达到标准稠度时的用水量。） ▪ 3、凝结时间（水泥净浆从加水至失去流动性所需的时间。初凝时间：
水泥浆开始失去塑性所需的时间，≥45min；终凝时间：水泥浆完全 失去塑性所需的时间，≤6.5h。）
▪ 七、水化热 水泥在水化过程中放出的热量。大部分水化热是在
水化初期（7d内）放出的，以后逐渐减少。水泥水化热的大小和放
热速度取决于水泥熟料的矿物组成和水泥细度。冬季施工时，水化
热有利于水泥的凝结硬化。对于大体积混凝土结构，水化热大是不
利的，由于混凝土内部的水化热不易散出，造成内外温差较大，引
起温度应力，使混凝土产生裂缝。大体积混凝土应采用水化热较低
上原料按一定比例混合后在磨机中磨成生料，将生料入窰煅烧即得
熟料，熟料中加入适量的石膏（和混合料）在磨机中磨成细粉，即 得水泥。
3.1 硅酸盐水泥
石灰石 粘土
校正原料 燃料
▪ 硅酸盐水泥生产的主要 工艺流程
石膏
按比例 混合磨细
生料
煅烧
1400-1450℃
熟料
混合材
磨细 水泥
3.1 硅酸盐水泥
3、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性
水化硅酸钙凝胶(C3S2H3) 氢氧化钙晶
3.1 硅酸盐水泥
▪ ㈢、铝酸三钙 铝酸三钙与水作用时，反应极快，水化放热最大， 生成水化铝酸三钙，水化铝酸三钙为立方晶体，易溶于水。
▪
3CaO．Al2O3＋ 6H2O→ 3CaO．Al2O3 . 6H2O
▪
铝酸三钙 (C3A)
水化铝酸三钙晶体(C3AH6)
者体积膨胀，在水泥石中产生内应力而导致破坏。如盐酸、硫酸分别
与水泥石中的氢氧化钙作用，其反应如下：
▪
2HCl ＋ Ca（OH)2 → CaCl4+＋ H2O
▪
H2SO4 ＋ Ca（OH)2 → CaSO4.2H2O
▪
生成的氯化钙易溶于水，硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙
作用，生成高硫型水化硫铝酸钙，产生膨胀破坏。
能有所降低。当温度降至负温时，水化反应停止，由于水分冻结，
导致水泥石冻裂，结构产生破坏。
▪
水泥的水化反应及凝结硬化均应在水分充足的条件下进行。
环境湿度大，水分不易蒸发，如果环境干燥，水分蒸发过快，当
水分蒸发完后，水化反应无法进行，凝结硬化停止，还会在构件
表面产生干缩裂纹。
3.1 硅酸盐水泥
▪ 四、硅酸盐水泥的技术性质（GB175-1999) ▪ 1、细度（水泥颗粒的粗细程度。细度大，凝结硬化速度
占70％，氢氧化钙占20％，其余占10％。
3.1 硅酸盐水泥
▪ 硅酸盐水泥的各种熟料矿物
80
强度增长曲线
C3S
60 C2S
40
抗压强度/MPa
20
C3A
C4AF
0 7 28
90
180
龄期/d
270
360
3.1 硅酸盐水泥
▪ 硅酸盐水泥的各种熟料矿物
1000
C3A水化热曲线
750 C3S
500
250
▪ 二、硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化
▪ 1、水化：
▪ ㈠、硅酸三钙 水泥熟料矿物中，硅酸三钙的含量最高。硅酸三钙 与水作用时，反应较快，水化放热量大，生成水化硅酸钙及氢氧化钙。
▪
2（3CaO．SiO2）＋6H2O→ 3CaO．2SiO2 . 3H2O ＋3Ca（OH)2
▪
硅酸三钙 （ C3S）
体
水化硅酸钙凝胶(C3S2H3) 氢氧化钙晶
C2S
C4AF
水化热/J.g-1
0 3 7 28
90
180
龄期/d
270
360
3.1 硅酸盐水泥
▪ 2、凝结硬化
分散在水中未水 化的水泥颗粒
在水泥表面形成 的水合物膜层
膜层长大并相互 连接（凝结）
水合物进一步发展， 填充毛细孔（硬化）
水化开始时，水合物不多，水泥颗粒之间未相互粘连，水泥浆具 有良好的塑性。随着水泥颗粒的不断水化，凝胶体膜层厚度不断增厚 ，水泥颗粒之间形成网状结构，水泥浆体逐渐失去塑性，开始凝结。 随着水化反应不断进行，水化产物不断生产并填充颗粒间的空隙，使 结构更加紧密，水泥浆体逐渐产生强度。水泥水化反应是由颗粒表面 逐步深入到颗粒内部，当水合物增多时，阻止了水分的进一步深入， 水化反应愈来愈困难，经过长时间的水化后，仍有部分水泥颗粒未完 全水化。
▪ 水化硅酸钙几乎不溶于水，立即以胶体微粒析出，并逐步凝聚称为 凝胶。氢氧化钙呈六方晶体，易溶于水。
▪ ㈡、硅酸二钙 硅酸二钙与水作用时，反应较慢，水化放热较小， 生成水化硅酸钙和氢氧化钙。
▪
2（2CaO．SiO2）＋4H2O→ 3CaO．2SiO2 . 3H2O ＋Ca（OH)2
▪ 硅酸二钙（ C2S) 体
检验方法》（GB177/T17671 －1999)测定，将 水泥、标准砂、水，按1：3：0.5，用规定方法 制成规格为40×40×160mm的标准试件，在标 准条件下养护，测定其3d、28d，根据3d，28d 抗折强度和抗压强度将水泥分为42.5、52.5、 62.5三个强度等级。
3.1 硅酸盐水泥
▪
2、硅酸盐水泥生产：
▪
硅酸盐水泥的原料 主要是石灰质原料和粘土质原料。石
灰质原料提供CaO，一般采用石灰石。粘土质原料提供SiO2、Al2O3 及少量的Fe2O3，多采用粘土、黄土等。如果选用的材料按一定比例 配合后不能满足化学组成时，则要掺加相应的校正原料，铁质校正
原料补充Fe2O3，有铁粉、铁矿石，硅质校正原料补充SiO2,常采用 砂岩、石英砂等。为改善煅烧条件，常常加入少量的矿化剂。将以
氢氧化钙的浓度逐步降低，引起其他水化物的进一步分解，水泥石的
强度不断降低。经研究，氢氧化钙溶出5％时，强度下降7％，溶出24
％时，强度下降29％。▪（2）、盐类腐蚀 来自水、地下水及某些工业废水中，含有
镁盐、硫酸盐、氯盐、钾盐、钠盐，对水泥石有不同程度的腐蚀，尤
其以硫酸盐、镁盐较为严重，其反应如下：
▪
Na2SO4 ＋ Ca（OH)2 ＋ 2H2O → CaSO4O． 2H2O ＋ Na(OH)
▪
MgSO4 ＋ Ca（OH)2 ＋ 2H2O → CaSO4O． 2H2O ＋ Mg(OH)
▪
MgCl2 ＋ Ca（OH)2 ＋ H2O → CaCl2 ＋ Mg(OH)2＋ 2H2O
▪
生成的硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙作用，生成高硫
3.1 硅酸盐水泥
▪
水泥腐蚀破坏的三种形态：
▪
（1)、溶失破坏 将水泥石中的矿物溶解并被水流带走。
▪
(2)、离子交换 侵蚀性介质与水泥石中的矿物发生离子
交换，生成易溶于水或是没有胶结能力的产物，破坏了原有的结构。
▪
(3)、形成膨胀产物 在侵蚀性介质作用下，所形成的盐
类结晶体积增大产生内应力，导致膨胀性破坏。
第三章 水泥
▪ 3.1硅酸盐水泥 ▪ 3.2其它品种水泥
3.1 硅酸盐水泥
▪ 一、硅酸盐水泥的概念及其矿物组成
▪
1、 定义：(GB175-1999)凡由硅酸盐水泥熟料、0－5％石灰
石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅
酸盐水泥（波兰特水泥）。不掺混合料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号 为P.Ⅰ。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5％的石灰石 或粒化高炉矿渣混合材料的称为Ⅱ型水泥，代号P.Ⅱ。
▪ ㈣、铁铝酸四钙 铁铝酸四钙与水作用时，反应也较快，水化放
热中等，生成水化铝酸三钙和水化铁酸钙，水化铁酸钙为凝胶。
▪
4CaO．Al2O3．Fe2O3 ＋ 7H2O→
▪
铁铝酸钙 (C4AF)
▪
3CaO．Al2O3 . 6H2O ＋ CaO. Fe2O3 . H2O
▪
水化铝酸三钙 (C3AH6) 水化铁酸钙 (CFH)
▪ 九、通用水泥 ▪ 通用水泥是用于一般土木建筑工程的水泥，除了前面介绍的硅酸盐水
泥、还包括掺入混合材料后制成的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、 火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。 ▪ 1、非活性混合材料 ▪ 定义：常温下，不能与氢氧化钙或水泥发生水化反应的混合料。 ▪ 作用：提高水泥产量，降低生产成本，调整水泥标号，减少水化 热，改善水泥的耐腐蚀性及和易性。 ▪ 品种：磨细的石灰石、石英砂、粘土慢冷矿渣及各种废渣。 ▪ 2、活性混合材料 ▪ 定义：在常温下，能与氢氧化钙或水泥发生水化反应并生成相应 的具有水硬性水化产物的材料。材料中含有活性氧化硅或活性氧化铝。 ▪ 作用：具有非活性混合材的作用外，可以产生一定强度，明显改 善水泥的性质。 ▪ 品种：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材（浮石、火山灰、烧粘土、 粉煤灰、煤渣、硅藻土等）。
▪
水泥石的破坏的内部原因：
▪
（1）、水泥石中存在易被腐蚀的矿物成份，主要是氢氧化
钙和水化铝酸钙。
▪
（2）、水泥石本身不密实，存在很多毛细通道，侵蚀性介
质容易进入水泥石内部。
▪
2、防止水泥石腐蚀的方法
▪
（1）、合理选择水泥品种；
▪
（2）、提高水泥石的密实度；
▪
（3）、为水泥结构增加保护层。
3.1 硅酸盐水泥