1017-硅酸盐水泥教学教材

1017-硅酸盐水泥

硅酸盐水泥

属于水硬性无机胶凝材料的水泥，是重要的建筑材料之一。它大量应用于工业与民用建筑工程，还广泛应用于农业、水利、铁路、公路、海港和国防建设等工程。

水泥的种类很多，但在建筑工程中应用最广的是硅酸盐水泥。常用的水泥品种有硅酸盐水泥、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。本节将对硅酸盐水泥的性质及应用进行阐述，所讨论的问题也适用于普通硅酸盐水泥。

凡由硅酸盐水泥熟料，再掺入0~5％的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。硅酸盐水泥又分为两种类型：不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥，代号为P·I；粉磨时掺加不超过水泥重量5％的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的，称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号为P·Ⅱ。

4.4.1硅酸盐水泥生产及其矿物组成

1．硅酸盐水泥的生产

硅酸盐水泥的生产可概括成“两磨一烧”，即：

(1)制备生料。将石灰石、粘土、铁矿粉等几种原料，按适当比例配合，磨粉磨到一定细度。

(2)煅烧熟料。生料在窑内经过干燥、预热、分解后，温度在1300～1450℃时，部分物质烧至熔融而形成熟料(这是煅烧水泥的关键)，烧成的水泥熟料经迅速冷却，即得到水泥熟料块。

(3)粉磨水泥。将熟料与适量石膏及0～5％的石灰石或粒化高炉矿渣共同磨细，即成硅酸盐水泥。

2．水泥熟料矿物组成

硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成及其含是范围如下：

熟料矿物简写含量

硅酸三钙3CaO·SiO2 C3S 36～60% 硅酸二钙2CaO·SiO2 C2S 15～37% 铝酸三钙3CaO·Al2O3 C3A 7～15% 铁铝酸四钙4CaO·Al2O3Fe2O3 C4AF 10～18%

水泥熟料矿物的特性

表4—5

的矿物组成的相对含量改变时，水泥的技术性能就会随之变化。例如，要使水泥具有快、硬、高、强的性能，就必须适当提高熟料中C3S及C3A的含量；若要求发热量较低的水泥，就必须适当提高C2S及C4AF的含量而降低C3S及

C3A的含量。

4.4.2硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化

水泥加水拌和后，则发生化学反应，生成多种水化产物，这一过程称为水化。水化后形成具有一定流动性或可塑性的浆体，然后逐渐变稠并失去塑性，但尚无强度，这一过程称为凝结。此后，浆体产生强度，并逐渐提高，形成坚硬的石状物体——水泥石，这一过程称为硬化。

水泥的水化和凝结硬化过程是一个连续的物理化学变化过程。

1．水化过程

水泥遇水后，各熟料矿物与水发生化学反应，形成水化物，并放出一定的热量。其反应如下：

硅酸三钙与水作用，反应较快，生成水化硅酸钙及氢氧化钙：

2(3CaO·SiO)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2由于Ca(OH)2的析出，使溶液的石灰浓度很快达到饱和状态。因此，各矿物组成的水化作用，主要是在石灰饱和溶液中进行的。

硅酸二钙与水作用，反应较慢，生成水化硅酸钙，也有Ca(OH)：析出：2(2CaO·SiO2) +4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2铝酸三钙与水作用，反应极快，生成水化铝酸三钙：

3CaO·/Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

铁铝酸四钙与水作用，反应较快，生成水化铝酸三钙和水化铁酸一钙：4CaO·A12O3·Fe2O3十7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

另外，掺入的石膏与部分水化铝酸三钙反应，生成难溶的水化硫铝酸钙以针状结晶析出，这些水化硫铝酸钙的存在，延缓了水泥的凝结。其反应式如下：

3CaO·A12O3·6H2O+3(CaSO4·2H2O)+19H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O 在一般条件下，如果忽略一些次要的和少量的成分，硅酸盐水泥与水作用所生成的主要水化产物有：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。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占70％，氢氧化钙约占20％左右。

2．凝结及硬化过程

水泥水化后，水化产物的溶液达到饱和，水泥继续水化所生成的水化产物就不能再溶解，而根据各自溶解度和结构形式的不同，以凝胶状态析出。随着水化反应的不断进行，这种水泥凝胶(主要组分为水化硅酸钙凝胶，其中分布着氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙等晶体)在水泥粒子间形成疏松的网状结构，水泥浆逐渐变稠，并失去塑性而出现凝结现象。

此后，水泥的水化反应继续进行，水泥凝胶不断扩展而填充颗粒之间网状结构的孔隙(毛细孔)，使孔隙不断减少，水泥浆体趋于硬化，逐渐形成具有较高强度的水泥石。硬化水泥石是由凝胶、晶体、毛细孔和未水化的水泥熟料颗粒所组成。

总之，水泥的水化和凝结硬化过程是一个连续的、复杂的过程。水化是水泥产生凝结硬化的前提，而凝结硬化是水泥水化的结果。凝结和硬化又是同一过程的两个不同阶段，凝结标志着水泥浆失去流动性和塑性；硬化则表示水泥浆固化后，所建立的网状结构具有一定的机械强度。

水泥的凝结硬化，除了与水泥熟料的矿物组成有关外，还与水泥的细度、拌和水量、硬化时的温度和湿度及硬化时间等有关。

水泥颗粒细，水化快，凝结与硬化也快；拌和水量多，水化后形成的胶体稀，水泥的凝结硬化就慢。

温度对水泥的水化和凝结硬化的影响很大。当温度高时，水化作用加速，从而凝结硬化速度也加快；当温度低时，凝结硬化速度就慢；当温度低于0℃时，水化基本停止。在潮湿环境下，水泥石能保持足够的水分使未水化的水泥颗粒水化，生成的水化产物进一步填充毛细孔，促进水泥石强度增长；若在干燥环境中，水分蒸发完毕后，水化无法继续进行，凝结硬化即行停止，强度不再增长。

此外，水泥的凝结硬化速度在3～7d内最快；在28d后，凝结硬化速度渐慢。

4.4.3硅酸盐水泥的技术性质

1．细度

水泥细度是表示水泥磨细的程度或水泥分散度的指标。颗粒细，活性大，需水量多，与水反应的表面积大，因而水化作用既迅速又完全，凝结硬化速度加快，早期强度也就高，但硬化收缩较大，粉磨能耗大，使水泥成本提高。

国家标准规定，硅酸盐水泥的细度用比表面积表示，应大于300m2／kg；普通硅酸盐水泥80µm方孔筛筛余率不得超过10.0％。

2．凝结时间

水泥的凝结时间分为初凝和终凝。初凝时间为从水泥加水拌和起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间则为从水泥加水拌和起到水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。

国家标准规定，硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h；普通硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于l0h．3．体积安定性

体积安定性，是指水泥在硬化过程中体积均匀变化的性能。

体积安定性不良，会使水泥制品、混凝土结构产生膨胀性裂缝甚至破坏。体积安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含游离氧化钙或游离氧化镁或掺入石膏过量所致。

国家标准规定，由游离氧化钙引起的水泥安定性不良，可采用试饼法或雷氏法检验(有争议时，以雷氏法为准)，检验必须合格。游离氧化镁和石膏所引起的水泥体积安定性不良，不便于快速检验，所以国家标准规定，硅酸盐水泥中游离氧化镁含量不得超过5％，三氧化硫含量不得超过3.5％，以控制水泥的体积安定性。

体积安定性不良的水泥不能用于工程中。

4．强度及强度等级

水泥的强度是水泥性能的重要指标。根据国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175—1999）和《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）的规定，水泥和标准砂按1：3混合，用0.5的水灰比，按规定的方法制成试件，在标准温度（20±1ºC）的水中养护，测定3d和28d的强度。根据测定结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R等