《土木工程材料》教案(第三章)

• ２.硅酸盐水泥生产工艺概述
1)把几种原材料按适当比例配合在磨机中磨成生 料； 2)将制备好的生料入窑进行煅烧，至１４５０℃ 左右生成以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥“熟 料”； 3)为调节水泥的凝结速度，在烧成的熟料中加入 质量３％左右的石膏共同磨细，即为硅酸盐水泥。 因此，硅酸盐水泥生产工艺概括起来为“两磨一 烧”。
• 为了调节水泥的凝结硬化速度，在磨细水泥时，掺人适量 石膏，水化铝酸钙与石膏反应生成三硫型水化硫铝酸钙， 亦称钙矾石。当石育消耗完毕后，水泥中尚未水化的铝酸 三钙与钙矾石反应生成单硫型的水化硫铝酸钙。反应式如 下：
3CaO Al2O3 3CaSO 4 31H2O 3CaO 3CaO Al2O3
水泥标准稠度与凝结时间测定
（３）凝结时间 凝结时间是水泥从加水开始，到水泥浆失去可塑性所需 的时间。凝结时间分为初凝时间和终凝时间。 初凝时间是从水泥加水到水泥浆开始失去塑性的时间； 终凝时间是水泥加水到水泥浆完全失去塑性并开始产生强度的 时间。 水泥的凝结时间对水泥混凝土的施工有重要意义。如果 凝结过快，混凝土会很快失去流动性，以致无法浇筑，所以初 凝时间不宜过短，以便有足够的时间在初凝之前完成混凝土各 工序的施工操作；但终凝时间又不宜太迟，以便混凝土在浇捣 完毕后，尽早完成凝结硬化。我国现行国标（ＧＢ１７５－１ ９９９）规定，硅酸盐水泥初凝时间不得早于４５ｍｉｎ；终 凝时间不得迟于３９０ｍｉｎ。普通硅酸盐水泥初凝时间不得 早于４５ｍｉｎ，终凝时间不得迟于１０ｈ。

3.1.2常用水泥的特性
１．硅酸盐水泥的主要矿物组成
硅酸盐水泥的主要矿物组成是：
• 硅酸三钙 • 硅酸二钙 ３ＣａＯ· ＳｉＯ２， ２ＣａＯ· ＳｉＯ２， 简式为Ｃ３Ｓ， 简式为Ｃ２Ｓ，
• 铝酸三钙
•
３ＣａＯ· Ａ１２Ｏ３，
简式为Ｃ３Ａ，
简式为Ｃ４ＡＦ，
• 铁铝酸四钙４ＣａＯ· Ａｌ２Ｏ３，· Ｆｅ２Ｏ３，
４）耐化学侵蚀性 Ｃ４ＡＦ最优，其次为Ｃ２Ｓ、Ｃ３Ｓ，Ｃ３Ａ最差； ５）干缩性 大。 Ｃ４ＡＦ和Ｃ２Ｓ最小，Ｃ３Ｓ居中，Ｃ３Ａ最
硅酸盐水泥主要矿物组成与特性 矿物组成 硅酸三 钙 C3S 中 硅酸二 钙 C2S 慢 铝酸三 钙 C3A 快 铁铝酸 四钙 C4AF 中
与水反应速度
水化热
对强度 的作用 早期 后期 耐化学侵蚀 干缩性
雷氏夹
雷氏夹测定仪
（５）强度 强度是水泥技术要求中最基本的指标，也是水泥的 重要技术性质之一。 水泥的强度除了与水泥本身的性质（如熟料的矿 物组成、细度等）有关外，并与水灰比、试件制作方 法、养护条件和时间等有关。多年来，我国水泥强度 的检验一直按国家标准《水泥胶砂强度检验方法》 （ＧＢ１７７一８５）简称软练法进行，该标准规定， 以ｌ∶２．５的水泥和标准砂，按规定的水灰比 （０．４４或０．４６），用标准制作方法制成４０ ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ的标准试件，在标准养 护条件下，达规定龄期（３ｄ，７ｄ，２８ｄ）时， 按国家标准（ＧＢ１７５一９２）规定的最低强度值 来评定其所属标号。
（ 三硫型水化硫铝酸钙 ）

（水化 铝水化铝酸
3CaO Al2O3 CaSO 4 12H2O
（ 单硫型水化硫铝酸钙）
• 三硫型水化硫铝酸钙（即钙矾石）是难溶于水的稳定的针 状结晶体，它在生成结晶体时体积大大膨胀。因此，水泥 中加入石膏数量不可过多，防止水泥凝结硬化过程中硫铝 酸钙超过限制，产生体积变化不均匀。尤其是形成水泥构 件后，还继续水化，其危害更大。
• 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、 １）水泥组成成分的影响 ２）水泥细度的影响 ３）温度与湿度的影响 ４）水泥强度与龄期的关系 5）拌和用水量的影响 6）贮存条件的影响 此外，水泥矿物成分的含量、水泥颗粒细度等，对水泥的凝结硬化以及强度，都有一 定的影啊。
• ３.影响水泥凝结硬化的因素有哪些？
中
良 良 中 中
低
差 优 良 小
高
良 中 差 大
中
良 中 优 小
３．矿物组成对水泥性能的影响
以上是单个矿物组成的性能，水泥是几种熟 料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比例， 水泥的性质即发生相应的变化。例如提高硅酸三 钙的含量，可以制得高强水泥；又如降低铝酸三 钙和硅酸三钙含量，提高硅酸二钙含量，可制得 水化热低的水泥，如大坝用水泥；提高铁铝酸四 钙含量，可获得抗折强度较高的水泥，如道路水 泥。
• 3.1常用水泥
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（即国外通称的波特兰 水泥）。
•硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型 硅酸盐水泥，代号Ｐ·Ⅰ；在硅酸盐水泥熟料粉磨 时掺加不超过质量５％石灰石或粒化高炉矿渣混合 材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号Ｐ·Ⅱ。
（２）硅酸盐水泥的凝结和硬化
硅酸盐水泥的凝结硬化大致可划分为以下四个阶段：
第Ⅰ阶段为初始反应期（诱导前期）
第Ⅱ阶段为潜伏期
第Ⅲ阶段为凝结期 第Ⅳ阶段为硬化期
（诱导期）
（凝结期） （硬化期）
水 泥 水 化 放 热 曲 线
3.1.3影响常用水泥性能的主要因素
１）水泥组成成分的影响 ２）水泥细度的影响
掌握硅酸盐水泥凝结和硬化
参考资料：《土木工程材料》陈志源 《道路建筑材料》严家伋 《道路建筑材料》孙 凌 《公路工程水泥和水泥混凝土试验规程》 《道路建筑材料》集中训练试验补充教材 《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》技术标准 GB175-1999
3. 水 泥
•水泥是一种水硬性胶凝材料，也是建筑工程中用量 最大的建筑材料之一。 • 在道路与桥梁工程中通常应用的水泥有：硅酸盐 水泥、普通硅酸盐水泥、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等五大品种水泥。
4．硅酸盐水泥的凝结和硬化 （１）硅酸盐水泥的水化 水泥颗粒与水接触，水泥熟料矿物即与水发生水化 反应，生成水化产物并放出一定热量
水泥的水化主要是四种矿物成分的水化：
１）硅酸三钙 ２）硅酸二钙 ３）铝酸三钙 ４）铁铝酸四钙
1）硅酸三钙
3 CaO SiO 2 nH2O xCaO SiO 2 yH 2O (3 x)Ca(OH) 2
３）温度与湿度的影响
４）水泥强度与龄期的关系 5）拌和用水量的影响 6）贮存条件的影响
此外，水泥矿物成分的含量、水泥颗粒细度等， 对水泥的凝结硬化以及强度，都有一定的影啊。
思考题：
• １.水泥磨细过程中加入石膏的目的是什么？ • 为了调节水泥的凝结硬化速度。 • ２.水泥四种矿物成分的特性是什么？
（水化 铝水化铝 （二水石膏）
3CaO Al2O3 3CaSO 4 31H2O
（ 三硫型水化硫铝酸钙 ）
４）铁铝酸四钙
4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H 2O
（ 铁铁铝酸四钙 （水化 铝水化铝 （水化 铁水化铁
2．硅酸盐水泥各矿物组成性能比较 硅酸盐水泥熟料中这四种矿物组成的特性是： １）反应速度 Ｃ３Ａ最快，Ｃ３Ｓ较快，Ｃ４ＡＦ也较快，Ｃ２Ｓ最慢； ２）释热量 Ｃ３Ａ最大，Ｃ３Ｓ较大，Ｃ４ＡＦ居中，Ｃ２Ｓ最小； ３）强度 Ｃ３Ｓ最高， Ｃ２Ｓ早期低，但后期增长率较大。 故Ｃ ３ Ｓ和Ｃ ２ Ｓ为水泥强度主要来源。Ｃ ３ Ａ强度不高， Ｃ４ＡＦ含量对抗折强度有利；
１）淡水侵浊
２）硫酸盐的侵蚀 ３）镁盐侵蚀
４）碳酸侵蚀
水泥石腐蚀的防止 针对以上分析产生腐蚀的原因，在选用水泥及施工中，可考虑 以下措施来防止腐蚀。 １）根据建筑物环境特点，合理选用水泥品种 ２）提高水泥石的密实度 ３）加做保护层
（硅酸三 钙硅 （水化硅酸 钙水 ( 氢氧化钙）
２）硅酸二钙
2 CaO SiO 2 mH2O xCaO SiO 2 yH 2O (2 x)Ca(OH) 2
（硅酸三 钙硅 （水化硅酸 钙水 ( 氢氧化钙）
３）铝酸三钙
3CaO Al2O3 6H2O 3(CaSO 4 2H2O) 19H2O
•
主要内容：硅酸盐水泥的技术性质 硅酸盐水泥的技术标准 常用水泥的选用 其它品种水泥 重点内容：硅酸盐水泥的技术性质 硅酸盐水泥的技术标准 难 点：硅酸盐水泥的强度检验方法及评定 要 求：掌握硅酸盐水泥的技术性质 掌握硅酸盐水泥的技术标准 参考资料：《土木工程材料》陈志源 《道路建筑材料》严家伋 《道路建筑材料》孙 凌 《公路工程水泥和水泥混凝土试验规程》 《道路建筑材料》集中训练试验补充教材 《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》技术标准 GB175-1999
3.1.4常用水泥的选用
各类建筑工程，针对其工程性质、结构部位、施 工要求和使用环境条件等，进行选用。
3.1.5常用水泥的技术性质和技术标准 １.技术性质 按照我国现行国家ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》 （ＧＢ１７５一１９９９）规定，硅酸盐水泥的技术性质 包括下列项目： １）化学性质
为了保证水泥的使用质量，水泥的化学指标主要是控制水 泥中有害的化学成分含量，若其超过最大允许限量，即意 味着对水泥性能和质量可能产生有害或潜在的影响。 （１）氧化镁含量
（４）体积安定性
水泥硬化后体积变化的均匀性称为水泥体积安定性。 水泥与水拌制成的水泥浆体，在凝结硬化过程中，一般都会发 生体积变化，如果这种变化是发生在凝结硬化过程中，则对建 筑物的质量并没有什么影响。但是，在水泥硬化后若产生不均 匀的体积变化，将使混凝土产生膨胀裂缝，降低使用质量，甚 至引起严重事故。这既是水泥体积安定性不良。 体积安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含的游离氧 化钙过多；也可能是熟料中所含的游离氧化镁过多或掺入的石 膏过多，致使水泥已经凝结硬化后，甚至已经应用于结构物中， 这些成分继续水化，体积膨胀，引起不均匀的体积膨胀，造成 水泥石开裂。