硅酸盐水泥

例： 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物 成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水 泥的性能有何差异？
生产 厂 甲 乙 熟料矿物成分，% Ｃ3S 56 42 C2S 17 35 C3Ａ Ｃ4AF 12 7 15 16

由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展 速度、水化热、２８d时的强度均高于由乙厂硅酸盐水 泥熟料配制的硅酸盐水泥．但耐腐蚀性则低于由乙厂 硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。
26
2013-8-4
（4）C4AF的水化
4CaO· 2O3· 2O3＋7H2O == 3CaO· 2O3· 2O＋ Al Fe Al 6H CaO· 2O3· 2O Fe H

与C3A的水化相似，主要水化产物为水化铝酸三 钙C3AH6晶体、水化铁酸一钙。
2013-8-4
27

水泥熟料的主要水化产物有：水化硅酸钙 和水化铁酸钙胶凝、氢氧化钙、水化铝酸 钙和水化硫铝酸钙晶体。在充分水化的水 泥石中，C-S-H约占70%，CH约占20%，钙 矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7%。
13
特性水泥
2013-8-4
第二节
硅酸盐水泥
一、硅酸盐水泥生产及其矿物组成 凡由硅酸盐水泥熟料，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(也称波特兰水泥)。 不掺混合材料的，称为Ⅰ型硅酸盐水泥， 代号P.Ⅰ；掺入不超过水泥质量5%的混合材料 的，称为Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅱ。
2013-8-4
42
2、细度 水泥细度是指水泥颗粒粗细的程度。 水泥颗粒越细，与水起反应的表面积就越 大，因而水化较快而且较完全，早期强度 高，但标准稠度用水量也越大，成本越高， 硬化收缩越大，且易受潮。 水泥细度可用筛析法和比表面积法检验。 硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。

主要水化产物为水化铝酸三钙C3AH6，强度较低。 水化速度极快。因此，在水泥粉磨时，需加入石膏作 缓凝剂。 C3AH6与石膏反应，生成高硫型水化硫铝酸钙（钙矾 石）针状晶体（含大量结晶水，体积增加1.5倍以上， 难溶于水，包裹在熟料颗粒周围，延缓水化）；石膏 耗尽后，部分钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸钙晶体。

2013-8-4
37
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、凝胶孔等）； D——未水化的水泥颗粒
水泥石的结构
毛细孔－未被水化产物所填 充的原充水空间。 凝胶孔－C-S-H胶体内部的 结构孔，占其体积的28％
2013-8-4
14
（一）、硅酸盐水泥的生产 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。 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。 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）。

2013-8-4 22
水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）
钙矾石
C-S-H
2013-8-4
23
电镜下的水泥水化产物图
CH Crystal 氢氧化钙晶体
C-S-H 水化硅酸钙凝胶
2013-8-4 24
（2）C2S的水化
2（2CaO· 2）＋4H2O == 3CaO·SiO2· 2O＋Ca（OH）2 SiO 3H 2
2013-8-4
21
硅酸盐水泥熟料的水化 （1）C3S的水化
2（3CaO· 2）＋6H2O == 3CaO· SiO 2SiO2· 2O＋3Ca（OH）2 3H
生成的水化硅酸钙凝胶C-S-H，几乎不溶于水， 具有较高的强度，是硬化后水泥的主要强度组 分。 生成的氢氧化钙晶体CH数量比C-S-H 少，通常 起填充作用，因其具有层状构造，层间结合较 弱，在受力较大时是裂缝策源地 。

2013-8-4 8
2013-8-4
9
2013-8-4
10

Portland Cement－1824年，英国泥瓦工 约瑟夫.阿斯普丁（Joseph Aspdin）申报 波特兰水泥专利：把粘土和焙烧过的石灰 石混合，经煅烧至二氧化碳释放，将所得 到的产物磨细成粉末。这种粉末在与水拌 合时，具有水硬胶凝性，由于它的颜色象 波特兰（英国一港口城市）的石头，就起 名为波特兰水泥 。
18
水泥熟料矿物的组成、含量及特性
矿物名称 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙
含量范围（质 量％）
水化反应速度 强 度
37～60
快 高 较高 差
15～37
慢 早期低， 后期高 低 强
7～15
最快 低 最高 最差
10～18
快 低（含量多时 对抗折强度有 利） 中 中
19
水 化 热 耐腐蚀性
2013-8-4
2013-8-4 15

生产工艺： “二磨一烧”。
2013-8-4
16
（二）硅酸盐水泥熟料及水泥的矿物成分
硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙
化学式及简写
3CaO•SiO2，C3S 2CaO•SiO2，C2S 3CaO•Al2O3，C3A
4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF
水泥熟料矿物
铁铝酸四钙
游离氧化钙和氧化镁
二、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化
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。

水泥＋水（流体）→可塑性浆体（塑性体）→固体
2013-8-4 44
4、凝结时间 初凝：水泥加水拌合起至标准稠度净浆开 始失去可塑性所需的时间。 终凝：水泥加水拌和起至标准稠度净浆完 全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。
2013-8-4
45
凝结时间试验简图
初凝
终凝
4mm 1mm
2013-8-4
46
国家标准GB175－1999规定：硅酸盐水泥 初凝时间不得早于45min，终凝时间不得 迟于6.5h。 凝结时间的影响因素：石膏掺量、水灰比、 温度、混合材料掺量等。
2013-8-4
38
影响水泥凝结硬化的主要因素：



水泥的熟料矿物组成及细度 水灰比 石膏的掺量 环境温度和湿度 龄期 外加剂的影响
2013-8-4
39
蒸气养护的水泥混凝土构件
蒸汽养护
2013-8-4
40
养护对水泥强度发展的影响
2013-8-4
41
三、硅酸盐水泥的主要技术性质
1、密度及堆积表观密度 硅酸盐水泥的密度为3.1~3.2g/cm3； 其表观密度按松紧程度在900~1700 kg/m3 之间。
2013-8-4 2
水泥的应用
房屋建筑、道路、桥梁、隧 道、机场。 海洋工程 港口、码头、水下建筑、石 油钻井平台。 能源电力 石油钻井、热电站、核电站。 水利电力 大坝、水电站、水工建筑。

土木工程
2013-8-4
3
输 水 管
内 径 6.6 m 外
径 7.5 m
2013-8-4 4
30
2013-8-4
2013-8-4
31
水化产物
2013-8-4
32
2013-8-4
33
2013-8-4
34
水化产物 填充空隙 并将水泥 颗粒连接 在一起
2013-8-4
35
已水化的水 泥浆里留下 的孔隙
未水化水 泥颗粒
2013-8-4 36
水泥的水化速度和强度增长规律是开始较快， 然后逐渐减慢。 硬化后的水泥石中，同时包含：水化凝胶体和 结晶体、未水化的水泥颗粒、水（自由水和吸 附水）和孔隙（毛细孔和凝胶孔）。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。
2013-8-4
28
硅酸盐水泥的凝结硬化 水泥的凝结与硬化实际上是一个连续的复 杂的物理化学变化过程。凝结过程较短暂， 一般几个小时即可完成；硬化过程是一个 长期的过程，在一定温度和湿度下可持续 几十年。
2013-8-4
29




水泥的凝结硬化理论至今仍在继续研究，当前一般的 看法为： 水泥颗粒的溶解和水化。 水化产物析出，在水泥颗粒表面形成水化物膜层。 水化物膜层不断增厚，水泥颗粒逐渐接近，以至相互 接触，形成凝聚结构，水泥表现为初凝。 水化物继续增多，颗粒间接触点增加，空隙（毛细孔） 减少，结构逐渐紧密，水泥浆体完全失去可塑性并具 有一定强度，水泥表现为终凝。 水泥进入硬化期，水化速度减慢，水化物逐渐增加并 扩展到毛细孔中，结构更超致密，强度提高。
巴西Itaipu坝
2013-8-4 5
三峡大坝
2013-8-4
正在建设中的三峡大坝
6
挪 威 的 海 上 石 油 钻 井 平 台
2013-8-4
7
水泥的发展历史
最早使用气硬性胶凝材料(石灰、石膏）修筑 金字塔、万里长城。 古罗马时代使用火山灰(Pozzolana)建造大斗 兽场、万神庙。 1756年，John Smeaton在 Eddystone 灯塔的 重建中发明了水硬性石灰(含粘土的石灰）用 作耐海水的建筑砂浆。 1824年，英国的约瑟夫.阿斯普丁Joseph Aspdin 获得Portland Cement 的生产专利。
2013-8-4 43
3、标准稠度用水量 水泥标准稠度用水量是指水泥静浆达到标准稠 度时所需要的水，其主要与水泥的细度及矿物 成分有关。 所谓标准稠度，是按规定的方法拌制的水泥静 浆，用维卡仪测定试杆沉入静浆并距底板 6±1mm时的水泥静浆的稠度，或在水泥标准稠 度测定仪上，试锥下沉28 ± 2mm时的水泥静 浆的稠度。 国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定 性时需用“标准稠度”的水泥净浆。
12
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
2013-8-4

按性能和用途分
硅酸盐水泥(P.I、P.II) 普通硅酸盐水泥(P.O)
矿渣硅酸盐水泥(P.S) 粉煤灰硅酸盐水泥(P.F) 火山灰质硅酸盐水泥(P.P)
通用水泥
复合硅酸盐水泥(P.C)
水 泥
专用水泥
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
C2S的水化与C3S相似，但水化速度慢，且 生成的CH较少。
2013-8-4
25
wk.baidu.com
（3）C3A的水化
3CaO· 2O3＋H2O == 3CaO· 2O3· 2O Al Al 6H 3CaO· 2O3· 2O＋3（CaSO4· 2O）＋19H2O == Al 6H 2H 3CaO· 2O3· Al 3CaSO4· 2O 31H
f－CaO和f－MgO
少量的游离氧化钙和氧化镁及少 量的碱(氧化钠和氧化钾)对水泥 的质量及应用带来不利影响
17
碱类及杂质
2013-8-4

四种熟料矿物的水化特性各不相同，对水 泥的强度、凝结硬化速度及水化放热的影 响也不同。改变熟料矿物成分间的比例时， 水泥的性质即发生相应的变化。
2013-8-4
11
2013-8-4
水泥的分类

按主要水硬性物质分
水泥种类 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 主要水硬性物质 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 主 要 品 种 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
第四章 水 泥
内容提要： 重点介绍硅酸盐水泥的矿物组成、 水化硬化机理、影响水化因素；硅酸盐水 泥主要技术性质；水泥石的腐蚀和防止； 同时介绍了其它掺混合材的水泥、特种水 泥；达到正确的选择和使用水泥。
2013-8-4
1
第一节

概述
水硬性胶凝材料：不但能在空气中硬化，其后 又能在水中继续硬化，并不断增进其强度的一 类材料。 凡细磨材料与水混合后成为塑性浆体，经一系 列物理化学作用凝结硬化变成坚硬的石状体， 并能将沙石等散粒状材料胶结成为整体的水硬 性胶凝材料，通称水泥。 水泥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。 水泥是建筑工业的三大基本材料之一，使用广、 用量大，素有“建筑工业的粮食”之称。