第三章 水泥

水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响。水泥颗粒粒
径一般在7～200 μm范围内。 细度用以下两指标来表示 比表面积。比表面积是指单位质量的水泥粉末具有的表面 积的总和（cm2/g 或 m2/kg）。一般常为317～350m2/kg。 0.08 mm方孔筛的筛余量。未通过部分占试样总量的百分 率
铁铝酸四钙 水 水化铝酸三钙 水化铁酸钙
硅酸盐水泥熟料中四种矿物的特性
四种矿物的比例对水泥性质的影响: 如提高C3S的含量，可得到高强硅酸盐水泥；提高C3S 和C3A的含量，即可制得快硬硅酸盐水泥；降低C3S和C3A 的含量，可得到低热或中热硅酸盐水泥。
（二）硅酸盐水泥的凝结硬化
凝结和硬化速度较快。反应产物 增长较快，凝结硬化加速，水化
作用：与水拌和成塑料浆体后，能胶结砂石等适当材料，并能在空气
和水中硬化成具有强度的石状固体。 用途：主要的建筑材料。向快硬，高强，低热，膨胀，油井水泥发展 分类：按水泥的特性与用途划分： 通用水泥：硅酸盐，矿渣硅酸盐水泥。 专用水泥：砌筑、道路水泥 特性水泥：快硬、白色、膨胀、低热水泥
一、通用硅酸盐水泥的生产
在适当温度条件下，水泥的水化、 凝结硬化机理：水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中
起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快 水的存在是水泥水化反应的必要
达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增 条件。当环境湿度十分干燥时， 热较多。相反，温度降低，则水
抗折强度（MPa）
3d 3.5 4.0 4.0 5.0 28d 6.5 6.5 7.0 7.0
62.5
62.5R
28.0
32.0
62.5
62.5
5.0
5.5
8.0
8.0 13
6.水化热
水化热指水泥与水之间发生化学反应放出的热量，通常 以KJ/Kg来表示。水泥的水化热大小和释放速度主要与水泥
熟料的矿物组成、混合材料的品种与数量、水泥细度及养
渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结。
硬化－此后，浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体 （水泥石），这一过程称为硬化。
（一）硅酸盐水泥的水化 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。
2(3CaO SiO2 ) 6H 2O 3CaO SiO2 3H 2O 3Ca(OH )2
强度所需的时间。国家标准规定硅酸盐水泥的终凝时间不得迟于390min
水泥的凝结时间对水泥混凝土和砂浆的施工有重要的意义：
初凝时间不宜过短，以便施工时有足够的时间来完成混凝土和砂浆拌合 物的运输、浇捣或砌筑等操作；
终凝时间不宜过长，是为了使混凝土和砂浆在浇捣或砌筑完毕后能尽快
凝结硬化，产生强度，尽快拆模板，提升模板周转率，以利于下一道工序 的及早进行。
第三章 水
泥
一.通用硅酸盐水泥概述
二.硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥 三.掺大量混合材料的硅酸盐水泥 四.其他品种水泥
教学目的和要求
1、了解硅酸盐水泥的生产、矿物组成及特性。2、掌握硅酸盐水泥的技术性质、 特性及应用。3、理解水泥石腐蚀的概念和掌握避免的方法。4、掌握掺混合材料 的硅酸盐水泥品种、特性及选用。5、了解其他品种水泥的特点及应用。 教学内容 1、硅酸盐水泥：生产过程、矿物组成及特性；水泥的水化、凝结与硬化和技术性 质；水泥石的腐蚀与防止；硅酸盐水泥的特性与应用。 2、掺混合材料的硅酸盐水泥：混合材料、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。 3、其他品种的水泥：高铝水泥、快硬硅酸盐水泥、白色及彩色硅酸盐水泥、膨胀
3.混合材料。分活性与非活性两类。活性类：粒化高炉矿渣、
火山灰质材料及粉煤灰等。非活性类：石灰石、石英砂、黏 土、慢冷矿渣。
第二节 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥
一、硅酸盐水泥的水化和凝结硬化
水化－物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含
水，统称为水化。
凝结－水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体，然后逐
Ca(OH )2 CO2 H 2O CaCO3 2H 2O
CO2 H 2O CaCO3 Ca( HCO3 )2
（2）一般酸的腐蚀
工程结构处于各种酸性介质中时，酸性介质易与水泥石中的氢氧化
钙反应，其反应产物可能溶于水中而流失，或发生体积膨胀造成结构物 的局部被胀裂，破坏了水泥石的结构。其基本化学反应式为：
护条件等有关， 另外，加入外加剂可改变水泥的释热速率。 在水利工程的大体积混凝土施工中，由于温度应力的存 在，会引起水泥石的开裂，对工程施工有害。因此大体积 混凝土不宜采用水化热较大、放热较快的水泥，如硅酸盐
水泥，因为它含熟料最多。
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三、水泥石的腐蚀与防止
（一）水泥石的几种主要侵蚀类型 类型：溶出型，硫酸盐、镁盐、酸性，强碱 1.软水侵蚀 水泥石长期接触软水时，会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出，当水泥 石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时，水泥石中的其它含钙矿物也可能分 解和溶出，从而导致水泥石结构的强度降低，甚至破坏。当水泥石处于软水 环境时，特别是处于流动的软水环境中时，水泥被软水侵蚀的速度更快。 2.盐类侵蚀
水泥中的水分将很快蒸发，以致 化反应减慢，强度增长变缓。但 大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连 石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时，石 水泥不能充分水化，硬化也将停 不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如 高温养护往往导致水泥后期强度 接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水 水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成 在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平 膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙（钙矾 止；反之，水泥的水化将得以充 C3A 水化速率最快，放热量最大而强度不高； C2S 水化速率 增长缓慢，甚至下降。 的孔隙较多 , 造成水泥石的强度较低，因此水泥 均粒径小，比表面积大，水化时与水的接触面大，水化 石），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表 泥的初凝。 分进行，强度正常增长 最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因 水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，只 浆的水灰比过大时，会明显降低水泥石的强度。 速度快，相应地水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。 面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应， 此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。 要温度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干 控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。 过程： 溶解 饱和 胶化 结晶 年。
（1）硫酸盐的腐蚀
当环境中含有硫酸盐的水渗入到水泥石结构中时，会与水泥石中的氢氧 化钙反应生成石膏，石膏再与水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石，产生 1.5 倍的体积膨胀，这种膨胀必然导致脆性水泥石结构的开裂，甚至崩溃。 由于钙矾石为微观针状晶体，人们常称其为水泥杆菌。
3CaO Al2 O3 6H2O （ 3 CaSO4 2H2O ） 20H2O 3CaO Al2 O3 3CaSO4 32H2O
Ca(OH )2 2H Ca2 2H2O
4.强碱的腐蚀
氢氧化钠与水泥石中未水化的的铝酸钙作用生成易溶于水的的铝酸钠。
3.凝结时间
水泥从加水开始到失去其流动性，即从液体状态发展到较致密的固体 状态的过程称为水泥的凝结过程。这个过程所需要的时间称为凝结时间。
凝结时间分初凝时间和终凝时间。
初凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆刚失去可塑性所需的时间。 国家标准规定硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min
终凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性并开始产生
后再加适量石膏和不超过水泥质量5%的石灰石或粒化矿渣，共同磨细 混合材料 至一定细度即得硅酸盐水泥。
作用：调节 水泥的凝结 时间
二、通用硅酸盐水泥的组成
通用硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、石膏调节剂和混 合材料三部分组成的。
1.硅酸盐水泥熟料。四种主要矿物：硅酸三钙(3CaO· SiO2简
写C3S)、硅酸二钙(2CaO· SiO2简写C2S)、铝酸三钙 (3CaO· Al2O3简写C3A)、铁铝酸四钙(4CaO· Al2O3· Fe2O3简写 C4AF) 2.石膏。主要作用：调节水泥的凝结时间
和自应力水泥、中热及低热水泥、低碱度水泥。
教学重点和难点 教学重点：硅酸盐水泥的矿物熟料组成、水化性质及水化产物，技术性质及性能；
教学难点：硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化，硅酸盐水泥的腐蚀。
第一节 通用硅酸盐水泥概述 材料磨成细粉并加水拌合成
浆后，能在水中硬化，并形 概 成具有强度的稳定性化合物 述 的能力。 水泥，指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气 和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。 土木建筑工程通常采用的水泥主要 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、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。
检验其抗压强度和抗折强度。 按照测定结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、 62.5R六个强度等级。各等级硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求见下表
强度 等级 42.5 42.5R 52.5 52.5R
抗压强度（MPa）
3d 17.0 22.0 23.0 27.0 28d 42.5 42.5 52.5 52.5
（2）镁盐的腐蚀 氯化镁、硫酸镁与氢氧化钙反应生成氢氧化镁和易溶于水和物质。氢氧 化镁是一种松软又无胶凝能力的物质。 硫酸镁反应生成的硫酸钙又具有腐蚀作用。 3.酸的侵蚀
（1）碳酸的腐蚀
雨水及地下水中常溶有较多的二氧化碳，形成了碳酸。碳酸水先与水泥 石中的氢氧化钙反应，中和后使水泥石碳化，形成了碳酸钙，碳酸钙再与碳 酸反应生成可溶性的碳酸氢钙，并随水流失，从而破坏了水泥石的结构。其 腐蚀反应过程为：
水泥石结构：未水化的水泥颗粒+水泥凝胶+毛细孔（含水）
影响因素：矿物成分、水泥细度、水泥浆的水灰比、养护温
度、湿度、时间、石膏掺量。
二、硅酸盐水泥的技术性质
1.密度、表观密度、细度 密度 2.细度 3.05~3.20g/cm3 表观密度 1000~1100kg/m3，紧密时，1600kg/m3。
硅酸三钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙
2(2CaO SiO2 ) 4H 2O 3CaO 2SiO2 3H 2O 3Ca(OH )2
硅酸二钙 水 水化硅酸钙 氢氧化钙
3CaO Al2O3 6H 2O 3CaO Al2O3 6H 2O
铝酸三钙 水 水化铝酸三钙
Hale Waihona Puke Baidu
4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O
4.体积安定性
水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定
性。 即水泥硬化浆体能保持一定形状，不开裂，不变形，不
溃散的性质。 体积安定性不良的水泥应作废品处理，不得应用于工程 中，否则将导致严重后果。导致水泥安定性不良的主要原因 一般是由于熟料中的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入石膏过 多等原因造成的，其中游离氧化钙是一种最为常见，影响也 是最严重的因素。
5.强度
强度是评价硅酸盐水泥质量的一个重要指标。
水泥的强度是按照GB175-2007《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》
的标准方法制作的水泥胶砂试件，在20±1°C温度的水中，养护到规定 龄期时检测的强度值。其中标准试件尺寸为4cm×4cm×16cm，胶砂中
水泥与标准砂之比为1:3(W/C=0.5)，标准试验龄期分别为3d和28d，分别
硅酸盐水泥定义：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。代号P，
根据是否掺加混合料又分两种，不掺混合料的为 P· Ⅰ，掺 5%混合料的 为P· Ⅱ。
生产过程：“两磨一烧”。将原料按一定比例混合磨细，先制得具
有适当化学成分的生料，再将生料在水泥窑（回转窑或立窑）中经过 1400～1450℃的高温煅烧至部分熔融，冷却后而得硅酸盐水泥熟料，最