通用硅酸盐水泥

无机胶凝材料
3CaOAl2O36H2O + CaSO42H2O + H2O → 3CaOAl2O33CaSO4 32H2O
➢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（称为钙矾石）。 ➢该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水 分进入水泥颗粒内部，从而阻碍了铝酸三钙的水化，降低了水泥 的水化速度，使水泥的凝结时间得以延缓。 ➢所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。
——C-S-H
很强 强度结。物
➢ 结构特点： 构 结晶性很差，呈折叠层状结构；
➢ 组成特点：
组成可变，钙/硅(C/S)比=1.5 ~2.0 ，结构水不等。
➢ 形貌：
的
结晶性差的纤维胶～网状，胶体尺寸颗粒的聚集体。
通C用体-硅S酸-H盐水的泥 分子结构
C-S-H 凝胶结构模型
A=结合键—次价键 B=C-S-H片 C=分散的层 O=物理吸附水 X=层间水
工
3.1.2.1 硅酸盐水泥的水化……………………19
程
3.1.2.2 硅酸盐水泥的凝结硬化过程…………34
材
3.1.2.3 影响水泥凝结硬化的主要因素………55
料
小结 …………………………………………………67
通用硅酸盐水泥
引言
化学 成分
水泥
性能 用途
无机胶凝材料
硅酸盐水泥 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥 通用水泥 专用水泥 特性水泥
水泥的专利技术 • 1871年，美国宾夕法尼亚，发明世界上第一台回转窑，使水
泥生产大规模化
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3.1硅酸盐水泥
生产
定义
硅酸盐 水泥
无机胶凝材料
腐蚀与防 止
矿物组成 和特性
特性应用
技术标准
通用硅酸盐水泥
何为硅酸盐水泥？
无机胶凝材料
Mixing materials
Raw materials
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
硅酸钙（C3S、C2S）的水化
无机胶凝材料ຫໍສະໝຸດ 通用硅酸盐水泥硅酸钙（C3S、C2S）的水化
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
含铁、铝相的水化
无机胶凝材料
CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3 ·6H2 O
4CaO ·Al2O3 ·Fe2O3+7H2O
=3CaO ·Al2O3 ·6H2O+CaO ·Fe2O3 ·H2O
硅酸二钙 2CaO•SiO2 C2S 15-37 3.28
铝酸三钙 3CaO•Al2O3 C3A 7-15 3.04
铁铝酸四钙 4CaO•Al2O3 C4AF 10-18 •Fe2O3
3.77
少量矿物：游离氧化钙和游离氧化镁及碱
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
3.1.2硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化
1. 水化 水化反应 单矿物水化特点 石膏作用原理
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
无机胶凝材料
( 2 ) Ca(OH)2——羟钙石(portlandite)
➢ 缩写：CH 方 生
➢ 体积含量: 片氢长
占水泥石体积状氧的在20 ～25 %；
➢ 特征： 的化水
表面积较小、羟钙次泥价键力弱 耐久性和强度。
➢ ➢
组结组成构成特特确点点定：：—钙石晶—晶 体C石孔隙a(OH)2。
低硫型水化硫铝酸钙 AFm
通用硅酸盐水泥
含铁、铝相的水化
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
单矿物水化特点
无机胶凝材料
矿物种类 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙
缩写 含量（%） 水化速度
水化热 强度 抗腐蚀性 收缩
C3S 37-60
快 多 高 好 中
C2S 15-37
慢 少
早低后高
好 较大
C3A 7-15 最快 最多 低 差 大
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3.1.1.1 硅酸盐水泥的生产
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
原料： 石灰质原料（如石灰石、白垩等，主要提 供氧化钙） 黏土质原料（如黏土，提供氧化硅及氧化 铝与氧化铁）
硅酸盐水泥的生产工 辅助原料(铁矿石) 艺概括起来就是“二 矿化剂（萤石） 磨一烧”
通用硅酸盐水泥
水泥的硬化机理
+ cement
water
无机胶凝材料
基本假设
paste
溶解沉淀反应理论 就地反应理论(局部反应理论)
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溶液中的反应
• 机理：溶解 扩散 沉淀
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离子在水
中的扩散
C3S
水化产
物成核
表面离子水化弱化晶体中的 化学键，增加pH值
通用硅酸盐水泥
CSH析出、凝聚、脱 水离开水相，形成凝 胶，CH结晶生长
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
凝结硬化过程
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
硬化水泥浆体—水泥石的组成与结构
• 水泥石的组成
➢ 固相—水泥水化物与未水化的水泥颗粒
胶体相：水化硅酸钙C-S-H凝胶和铁相凝胶等； 晶体相：硫铝酸钙水化物、水化铝酸钙与氢氧化钙晶体等；
• “A”代➢表各结种晶物性相差、的胶尺体寸不等，形貌不一。
尺寸(1~100nm)的C-S-H堆
聚体，颗粒间隙尺寸
0.5~3.0nm；
• “H”代表六方晶体相，由尺水化物(胶体和晶体)颗粒、未水化的水泥
寸为1m；
颗粒内核相互聚集形成连续固体颗粒堆聚结构，
• “C”代表没有被水化大物小填不等的凝胶孔和毛细孔分布其中。
C3AH6为立方晶体
通用硅酸盐水泥
含铁、铝相的水化
无机胶凝材料
3 Ca A 2 O O 3 l6 H 2 O 3 (Ca 42 H S2 O O ) 1H 9 2 O 3 Ca A 2 O O 3 l3 Ca 43 S H 1 2 O O
3 CA a2 O 3 O l3 C4 a 3H S 高2 1 O 硫 O 型2 (2 水C 化硫A a 铝2 O 酸3 O l6 钙H 2 O ) 3 (3 CA a2 O 3 O lC4 a 1H S 2 钙2 O ) 矾O 石，AFt
六方片状晶体体形，中与天然羟钙石Portlandite 相似。
➢ 形貌：
貌的
大片状晶体的通堆用六硅积酸盐体水。泥
无机胶凝材料
（3）水化硫铝酸钙Calcium Sulfoaluminate Hydrates
➢ 缩写：Aft、水Afm泥浆中针的典钙钒石
➢ 含量：
状型
Afm
占水泥石体积的 15 ～ 2晶0 %。
2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+( 2-x)Ca(OH)2
特别说明（仅作了解） 水化硅酸钙凝胶一般表示为C-S-H 氢氧化钙简写为CH 产物形貌： CH为六方板状晶体。
通用硅酸盐水泥
硅酸钙（C3S、C2S）的水化
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
硅酸钙（C3S、C2S）的水化
C4AF 10-18
快 较多
低 极好
小
通用硅酸盐水泥
例题
无机胶凝材料
以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百 分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早 期强度及水化热的差别。
矿物组成 C3S/％
A水泥
60
B水泥
47
C2S/％ 15 28
C3A/％ C4AF/％
16
9
10
15
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石膏作用原理
充，原来由水占据的毛细孔
隙或空隙，尺寸在10nm~ m 。
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钙氢 氧 化
未水化水泥颗粒
单硫型硫 铝酸盐
通用硅酸盐水泥
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背
镜 照 片
散 射 扫 描
电
C-S-H
水泥浆扫描电镜照片(7无d机龄胶凝期材料)
钙矾石
C-S-H
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水泥浆中的固体相
• 水泥石中有四种主要固体相
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2. 凝结与硬化
无机胶凝材料
何为凝结？
水泥加水拌合后形成具有一定流动性和可塑性的浆体，随 着水化的不断进行，水分的不断蒸发，起润滑作用的自由水 分逐渐减少，水泥浆逐渐变稠失去可塑性的过程。有初凝和 终凝之分。
何为硬化？ 失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐
渐发展成为坚硬的水泥石的过程。
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
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3.1.1.2 水泥熟料矿物组成
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
水泥颗粒显微外貌
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
名称
矿物成分 简称 含量 密度 （%） （g/cm3）
硅酸三钙 3CaO·SiO2 C3S 37-60 3.25
C3A + 6H2O == 3CaOAl2O36H2O 立方板状结晶 水化速度最快；
闪凝
2C4AF + 7H2O == 3CaOAl2O3 6H2O + CaOFe2O3H2O
立方板状结晶 水化速度适中
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硅酸钙（C3S、C2S）的水化
无机胶凝材料
3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+ (3-x)Ca(OH)2
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
通用水泥
专用水泥
• 硅酸盐水泥
• 砌筑水泥
• 普通硅酸盐水泥 • 油井水泥
• 矿渣硅酸盐水泥
• 火山灰质硅酸盐水泥
• 粉煤灰硅酸盐水泥
• 复合水泥
特性水泥 • 快硬水泥 • 膨胀水泥 • 抗硫酸盐水泥 • 中热水泥
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硅酸盐水泥的历史
无机胶凝材料
• 埃及时代 煅烧石膏—金字塔 • 希腊与罗马人 发明了煅烧石灰石—快硬石灰—砖石结构砂浆 • 希腊与罗马人 黏土获泥土、石灰与砂—胶凝材料 • 罗马人 用火山灰、石灰与砂—水硬性胶凝材料—混凝土、砌
第五讲
硅酸盐水泥（I）
土 木
工
程
材
料
通用硅酸盐水泥
目录
引言…………………………………………………4
3.1.1硅酸盐水泥的生产和矿物组成………………8
3.1.1.1 硅酸盐水泥的生产………………………9
土
3.1.1.2 硅酸盐水泥的矿物组成…….…………15
木
3.1.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化……………18
➢硅酸钙水化物 ➢氢氧化钙 ➢硫铝酸钙水化物 ➢未水化的水泥颗粒
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
水泥浆中的固体相
无机胶凝材料
（1）硅酸钙水化物硅 Calcium Silicate Hydrate
➢ 缩写: C-S-H 酸 C-S-H形貌
➢ 体积含量: 占水钙泥石体积的50~60 %。
➢ 主要特性: 水
高比表面积(1化00 to 700 m2/ g) 次价键（范得华力）
➢ 气相—各种尺寸的孔隙与空隙
凝胶孔 毛细孔 工艺空隙
➢ 液相—水或孔溶液
自由水 吸附水 凝胶水
• 水泥石的组成随水泥水化度而变
通用硅酸盐水泥
硬化水泥浆体—水泥石的微观结构
无机胶凝材料
• 水泥浆体凝结硬化后形成的固体称为水泥石
• 水泥石微结构特点
➢ 多物相固体颗粒堆聚的多孔结构体；
水化良➢好的各水种泥物石相微分结构布：不均；
块 • 中世纪，该项技术失传，到11世纪建材低到最低点 • 14世纪后期，石灰技术和火山灰利用再次升起 • 1759~1759年, 英国人John Smeaton将石灰与火山灰混合—胶凝
材料； • 法国的Lesage 和Vicat，英国的Frost 和Parke，煅烧石灰与粘
土混合物—水泥 • 1824年，英国的砖瓦匠Joseph Aspdin发明了现代生产硅酸盐
表面局部反应
无机胶凝材料
• 机理：颗粒表面水化物层的形成与扩散
水化物层在固－液界面 上形成，并不断增厚
Ca(OH)2的成核和生长
C-S-H的成核
颗粒表面离子的水化和水解
通用硅酸盐水泥
初始反应期
无机胶凝材料
凝结硬化过程
初始的水解和水化，约持续5~10分钟。
潜伏期 凝结期 硬化期
流动性可塑性好凝胶体膜层围绕水泥颗粒生长，1h。
Clinker
Portland Cement
Gypsum
• 凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%石灰或熟 化高炉矿渣、适量石膏共同磨细制的 水硬性胶凝材料。
• 硅酸盐水泥代号PⅠ、PⅡ • PⅠ表示不掺混合材料的硅酸盐水泥 • PⅡ表示混合材料掺量不超过5%的硅酸
盐水泥
通用硅酸盐水泥
无机胶凝材料
3.1.1 硅酸盐水泥的生产 和矿物组成 3.1.1.1 硅酸盐水泥的生产 3.1.1.2 水泥熟料矿物组成
凝胶膜破裂、水化产物长大并连接，水泥颗粒进一步水化 6h。多孔的空间网络-凝聚结构，失去可塑性。
凝胶体填充毛细管， 6h ——若干年硬化石状体密实空间网。
通用硅酸盐水泥
凝结硬化过程示意图
无机胶凝材料
通用硅酸盐水泥
（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）膜层长大并互相连接（凝 结） （d）水化物进一步发展，填充 毛细孔(硬化)
2. 凝结与硬化 何为凝结硬化？ 凝结硬化过程
3.影响水化、凝结与硬化的因素
通用硅酸盐水泥
水化反应
无机胶凝材料
硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化 反应，生成各种水化物。
水化硅酸钙凝胶
2C3S + 6H2O == C-S-H + 3Ca(OH)2 水化速度快，早强
2C2S + 4H2O == C-S-H + Ca(OH)2 水化速度慢，后强