水泥土木工程材料
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水泥的特点和适用范围
水泥的定义 水硬性胶凝材料
水泥的发展和适用范围
➢ 产生和发展 ➢ 不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合
用于潮湿环境及水中的工程部位。
水泥优点
水泥是一种粉末状材料，属于水硬性胶凝材料，是基本 建设中最重要的土木工程材料。广泛用于工业和民用建 筑、道路、桥梁、铁路、水利和国防等工程；用于生产 各种类型的混凝土及混凝土制品。我国的水泥产量已经 达到6亿t，水泥品种也达到了80余种。
P·Ⅰ 硅酸盐水泥 P·Ⅱ
+少量混合料 （水泥量6%～15%）
P·O 普通硅酸盐水泥
P·S 矿渣硅酸盐水泥
粒化高炉矿渣
+多量混合料
P·P
火山灰
P·F
粉煤灰
火山灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥
熟料矿物的水化反应过程
➢ 水化初期
• 熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相 中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为 主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相 中形成粗短的针状钙矾石晶体。
➢ 硅酸三钙
2（3CaO·SiO2）＋6H2O == 3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2
➢ 硅酸二钙
2（2CaO·SiO2）＋4H2O == 3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2
➢ 铝酸三钙
3CaO·Al2O3＋6H2O == 3CaO·Al2O3·6H2O
➢ 铁铝酸四钙
4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O == 3CaO·Al2O3·6H2O＋ CaO·Fe2O3·H2O
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
水泥的分类
按性能和用途分
常用水泥
➢ 水泥石的结构（水化产物 的种类及相对含量、孔的 结构）对其性能影响最大。
四、常用水泥的特性
1、硅酸盐水泥（代号P）
强度
水化热
硅酸三钙 36～60
快 高 高
硅酸二钙
15～37
慢 早期低， 后期高
低
铝酸三钙
铁铝酸四钙
7～15
10～18
最快 低 最高
快
低（含量多时对 抗折强度有利）
中
ห้องสมุดไป่ตู้
熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反 应，其特点见上表。
五大品种常用水泥
硅酸盐水泥熟料 + 适量石膏
不掺混合料
+少量混合料（≤水
泥量5%）
➢ 水化中期
• 以水化硅酸钙（C－S－H）和氢氧化钙的快速形成为特征。
➢ 水化后期
• 由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜 破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进 行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的 空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。
熟料矿物的水化反应
• 铁矿粉 采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。
➢ 石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。 ➢ 混合材料 包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤
灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石 灰石粉、磨细石英砂等）。
一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺
硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺
石灰石 粘土 铁矿粉
多样性 低成本
水硬性 水泥的优点
与钢筋 粘结性好
耐久性
可塑性
工艺简单
硅酸盐水泥的历史
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
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—
硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙
游离氧化钙和氧化镁 碱类及杂质
3CaO•SiO2，C3S 2CaO•SiO2，C2S 3CaO•Al2O3，C3A
4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF
f－CaO和f－MgO
二、熟料的矿物组成及其特性
水泥熟料矿物的主要特性
矿物名称 含量范围（质
量％） 水化反应速度
硅酸钙
铝酸钙
无水硫铝酸钙 硅酸二钙
铁相、无水硫铝酸 钙、硅酸二钙
氟铝酸钙、硅酸二 钙
活性二氧化硅 活性氧化铝
绝大多数通用水泥、专用水泥和特性 水泥 高铝水泥、自应力铝酸盐水泥、快硬 高强铝酸盐水泥等。 有自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝 酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥等 有自应力铁铝酸盐水泥、膨胀铁铝酸 盐水泥、快硬铁铝酸盐水泥等
氟铝酸盐水泥等
石灰火山灰水泥、石膏矿渣水泥、低 热钢渣矿渣水泥等
§3－1 常用水泥
一、常用水泥的原材料和生产工艺
硅酸盐水泥的原材料
➢ 生产硅酸盐水泥熟料的原材料
• 石灰质原料 天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成 分相似的材料如白垩、石灰华等。
• 粘土质原料 主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次 为Al2O3和少量Fe2O3。
晶体 胶体
A
B
C
D
A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化硅 酸钙凝胶）；
B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、 水化硫铝酸钙）；
C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔 等）；
D——未水化的水泥颗粒
水泥石的结构
➢ 水泥石主要由凝胶体、晶 体、孔隙、水、空气和未 水化的水泥颗粒等组成， 存在固相、液相和气相。 因此硬化后的水泥石是一 种多相多孔体系。
按比例混合
生料
磨细
1350℃～ 1450℃
煅烧
石膏 熟料
混合材料
硅酸盐水泥
磨细
➢ 生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑 生产两种 ；
➢ 硅酸盐水泥分为：Ⅰ型硅酸盐水泥P.I（不掺混合材 料）和Ⅱ型硅酸盐水泥P.II（掺不超过5%混合材料）。
二、熟料的矿物组成及其特性
熟料的矿物组成
水泥熟料矿物
水泥
专用水泥 特性水泥
硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥
复合水泥
如砌筑水泥、油井水泥、 道路水泥、大坝水泥等
如白色硅酸盐水泥、快凝 快硬硅酸盐水泥等
水泥的分类
按主要水硬性物质分
水泥种类
主要水硬性物质
主要品种
硅酸盐水泥
铝酸盐水泥
硫铝酸盐水泥
铁铝酸盐水泥
氟铝酸盐水泥 以火山灰或潜在水硬性 材料以及其他活性材料 为主要组分的水泥
水泥的定义 水硬性胶凝材料
水泥的发展和适用范围
➢ 产生和发展 ➢ 不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合
用于潮湿环境及水中的工程部位。
水泥优点
水泥是一种粉末状材料，属于水硬性胶凝材料，是基本 建设中最重要的土木工程材料。广泛用于工业和民用建 筑、道路、桥梁、铁路、水利和国防等工程；用于生产 各种类型的混凝土及混凝土制品。我国的水泥产量已经 达到6亿t，水泥品种也达到了80余种。
P·Ⅰ 硅酸盐水泥 P·Ⅱ
+少量混合料 （水泥量6%～15%）
P·O 普通硅酸盐水泥
P·S 矿渣硅酸盐水泥
粒化高炉矿渣
+多量混合料
P·P
火山灰
P·F
粉煤灰
火山灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥
熟料矿物的水化反应过程
➢ 水化初期
• 熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相 中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为 主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相 中形成粗短的针状钙矾石晶体。
➢ 硅酸三钙
2（3CaO·SiO2）＋6H2O == 3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2
➢ 硅酸二钙
2（2CaO·SiO2）＋4H2O == 3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2
➢ 铝酸三钙
3CaO·Al2O3＋6H2O == 3CaO·Al2O3·6H2O
➢ 铁铝酸四钙
4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O == 3CaO·Al2O3·6H2O＋ CaO·Fe2O3·H2O
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
水泥的分类
按性能和用途分
常用水泥
➢ 水泥石的结构（水化产物 的种类及相对含量、孔的 结构）对其性能影响最大。
四、常用水泥的特性
1、硅酸盐水泥（代号P）
强度
水化热
硅酸三钙 36～60
快 高 高
硅酸二钙
15～37
慢 早期低， 后期高
低
铝酸三钙
铁铝酸四钙
7～15
10～18
最快 低 最高
快
低（含量多时对 抗折强度有利）
中
ห้องสมุดไป่ตู้
熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反 应，其特点见上表。
五大品种常用水泥
硅酸盐水泥熟料 + 适量石膏
不掺混合料
+少量混合料（≤水
泥量5%）
➢ 水化中期
• 以水化硅酸钙（C－S－H）和氢氧化钙的快速形成为特征。
➢ 水化后期
• 由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜 破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进 行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的 空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。
熟料矿物的水化反应
• 铁矿粉 采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。
➢ 石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。 ➢ 混合材料 包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤
灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石 灰石粉、磨细石英砂等）。
一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺
硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺
石灰石 粘土 铁矿粉
多样性 低成本
水硬性 水泥的优点
与钢筋 粘结性好
耐久性
可塑性
工艺简单
硅酸盐水泥的历史
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
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—
硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙
游离氧化钙和氧化镁 碱类及杂质
3CaO•SiO2，C3S 2CaO•SiO2，C2S 3CaO•Al2O3，C3A
4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF
f－CaO和f－MgO
二、熟料的矿物组成及其特性
水泥熟料矿物的主要特性
矿物名称 含量范围（质
量％） 水化反应速度
硅酸钙
铝酸钙
无水硫铝酸钙 硅酸二钙
铁相、无水硫铝酸 钙、硅酸二钙
氟铝酸钙、硅酸二 钙
活性二氧化硅 活性氧化铝
绝大多数通用水泥、专用水泥和特性 水泥 高铝水泥、自应力铝酸盐水泥、快硬 高强铝酸盐水泥等。 有自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝 酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥等 有自应力铁铝酸盐水泥、膨胀铁铝酸 盐水泥、快硬铁铝酸盐水泥等
氟铝酸盐水泥等
石灰火山灰水泥、石膏矿渣水泥、低 热钢渣矿渣水泥等
§3－1 常用水泥
一、常用水泥的原材料和生产工艺
硅酸盐水泥的原材料
➢ 生产硅酸盐水泥熟料的原材料
• 石灰质原料 天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成 分相似的材料如白垩、石灰华等。
• 粘土质原料 主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次 为Al2O3和少量Fe2O3。
晶体 胶体
A
B
C
D
A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化硅 酸钙凝胶）；
B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、 水化硫铝酸钙）；
C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔 等）；
D——未水化的水泥颗粒
水泥石的结构
➢ 水泥石主要由凝胶体、晶 体、孔隙、水、空气和未 水化的水泥颗粒等组成， 存在固相、液相和气相。 因此硬化后的水泥石是一 种多相多孔体系。
按比例混合
生料
磨细
1350℃～ 1450℃
煅烧
石膏 熟料
混合材料
硅酸盐水泥
磨细
➢ 生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑 生产两种 ；
➢ 硅酸盐水泥分为：Ⅰ型硅酸盐水泥P.I（不掺混合材 料）和Ⅱ型硅酸盐水泥P.II（掺不超过5%混合材料）。
二、熟料的矿物组成及其特性
熟料的矿物组成
水泥熟料矿物
水泥
专用水泥 特性水泥
硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥
复合水泥
如砌筑水泥、油井水泥、 道路水泥、大坝水泥等
如白色硅酸盐水泥、快凝 快硬硅酸盐水泥等
水泥的分类
按主要水硬性物质分
水泥种类
主要水硬性物质
主要品种
硅酸盐水泥
铝酸盐水泥
硫铝酸盐水泥
铁铝酸盐水泥
氟铝酸盐水泥 以火山灰或潜在水硬性 材料以及其他活性材料 为主要组分的水泥