胶凝材料――水泥

3 水泥

教学内容：

.本章以硅酸盐水泥为重点，阐述了常用六大品种水泥的组成、特性、质量标准及适用范围；并概括介绍了其他品种水泥。

教学目的：

1.了解常用（硅酸盐）水泥的生产工艺

2.掌握水泥的矿物组成及特性

3.掌握常用（硅酸盐）水泥的技术性质和质量要求

4.掌握影响水泥凝结与硬化的因素

5.掌握影响凝结时间、强度、体积安定性、水化热的因素

6.掌握引起水泥石腐蚀的原因及防止措施

7.掌握常用水泥品种的特点，能根据工程要求合理选择、使用水泥

8.了解其他水泥的特点

教学重点：

1. 常用（硅酸盐）水泥的特性

2. 影响常用水泥性能的因素

3. 常用（硅酸盐）水泥的选用

教学难点：

1.常用（硅酸盐）水泥的特性

2.影响常用水泥性能的因素

3.常用（硅酸盐）水泥的强度检验方法及评定

教学方法：

在课堂讲清水泥矿物组成的水化特性的同时，通过案例讨论使学生理解水化产物与性能的关系；以混凝土施工现场养护的措施，分析水泥石的性能与水泥的矿物组成、龄期、外部环境等的关系；通过案例教学使学生掌握根据工程要求合理选择、使用水泥方法、思路。参考资料：

1.《土木工程材料》湖南大学等中国建筑工业出版社

2.《结构工程材料》覃维祖清华大学出版社

3.《建筑工程材料》刘祥顺中国建筑工业出版社

4.《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》技术标准

作业布置：

1.P27 1、2、3、4

2.补充作业：1、2、3、4、5、6、7

教学过程设计：

3.1概述

1.定义：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。

2.水泥的分类

（1）按矿物组成：

①硅酸盐水泥②铝酸盐水泥③硫铝酸盐水泥④铁铝酸盐水泥

（2）按用途和性质：

①通用水泥：

硅酸盐水泥 P.Ⅰ 0% P.Ⅱ <5%

普通硅酸盐水泥 P.O 5～15％

矿渣硅酸盐水泥 P.S 20～70％

火山灰硅酸盐水泥 P.P 20～50％

粉煤灰硅酸盐水泥 P.F 20～40％

复合硅酸盐水泥 P.C 15～50％

②专用水泥：

道路水泥、砌筑水泥、油井水泥、大坝水泥…

③特种水泥：

膨胀水泥、快硬水泥、防辐射水泥、抗硫酸盐水泥、白色硅酸盐水泥…

3.2 硅酸盐水泥

1.定义：凡由硅酸盐水泥熟料，0～5％石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨成细粉制成的水硬性胶凝材料，成为硅酸盐水泥，并按掺合料的多少分为P.I和P.Ⅱ型。

硅酸盐水泥熟料：指以适当成分的生料烧制部分熔融，所得的以硅酸钙为主要成分的产物，简称熟料。

2.原材料

①石灰质：有石灰岩、白垩、凝灰岩等，主要提供CaO；

②粘土质：有各种粘土、黄土等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3。

③校正原料：铁矿粉、硅质原料、铝矾土等。

3生产工艺

先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。

简称“两磨一烧”：

（1）按生料的制备方法分：湿法和干法。

①湿法是将原料配好后，加水湿磨成含水约35％～40％的生料浆，经

校正成分，搅拌后入窑煅烧。该法的优点是生料成分均匀，控制精确，产品质量高；缺点是能耗大。

②干法是将原料烘干，配制后研磨成生料粉入窑煅烧。由于干法比湿

法产量高，且节约能源，所以是目前的常用方法。（窑外预分解）

（2）按煅烧水泥所用的窑的类型分：回转窑和立窑。现立窑已经被限制使用。

(3)煅烧过程

（1）经历干燥、预热、分解、烧成、冷却阶段，产生一系列物理－化学变化。

（2）温度的重要性：当温度从1300℃升到1450℃，再降至1300℃，即烧成阶段。这时铝酸三钙及铁铝酸四钙烧至部分熔融，出现液相，将所剩的氧化钙和硅酸二钙溶解，硅酸二钙在液相中吸收氧化钙形成最重要的硅酸三

钙。这一步是关键，须保持温度和时间，否则游离氧化钙会影响水泥质量。

4.硅酸盐水泥熟料的矿物组成及矿物成分的水化反应

水泥的质量主要取决于熟料的质量，优质的熟料应具有合适的矿物组成和岩相结构。

（1）矿物组成：

① 硅酸三钙，C 3S;② 硅酸二钙，C 2S;③ 铝酸三钙，C 3A;④ 铁铝酸四钙；C 4AF;⑤ 还有少量的CaO 、MgO 、SO 3及碱（K 2O ，Na 2O ）等有害成分。

（2）矿物成分的水化反应

C 3S ＋H 2O →C-S-H(C 3S 2H 3)＋Ca(OH)2

C 2S ＋H 2O →C-S-H ＋Ca(OH)2

C 3A ＋H 2O →C 3AH 6

C 4AF ＋H 2O →C 3AH 6(水化铝酸钙)＋CFH(水化铁酸钙)

在上述水化反应进行的同时，水泥熟料磨细过程中掺入的石膏也参与了化学反应：

O 31H 3CaS O O Al 3CaO AH C O)2H CaS O 324326324∙∙∙→+∙（

（3）水泥水化产物有：水化硅酸钙70%、水化铁酸钙凝胶；氢氧化钙20%、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙7%晶体。

5硅酸盐水泥的凝结硬化

(1) 凝结硬化的机理：

①凝结定义：水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但不具有强度的过程。

②硬化定义：水泥浆产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。

③凝结的产生：当水泥和水拌和后，在水泥颗粒表面即产生水化反应，水化产物立即溶于水中，这时，水泥颗粒又暴露出一层新的表面，水化反应继续进行。由于各种水化产物溶解度很小，水化产物的生成速度大于水化产物向溶液中扩散速度，所以很快使水泥颗粒周围液相中的水化产物浓度到达饱和或过饱和状态，并从溶液中析出，成为高度分散的凝胶体，随着水化作用继续进行，凝胶体不断增加，游离水不断减少，水泥将逐渐失去塑性，即出现凝结现象，但此时尚不具有强度。

④硬化的产生：随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的Ca(OH)2晶体，水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体中，逐渐形成为具有一定强度的水泥石，从而进入硬化阶段。

随着凝胶体膜层的逐渐增厚，水泥颗粒内部的水化愈来越困难，经过长时间（几个月甚至若干年）的水化以后，除原来极细的水泥颗粒外，多数颗粒仍存在尚未水化的内核。所以，硬化后的水泥石是由凝胶体(凝胶和晶体)、未水化的水泥颗粒内核和毛细孔组成，它们在不同时期相对数量的变化，使水泥石的性质随之改变。