土木工程材料——第四章水泥1、概述

2、硅酸鹽水泥

3、混合材及摻混合材水泥

4、其它品種水泥

5、水泥的應用

23

4000～10000年前天然材料公元前2000～3000年石膏－石灰時期金字塔萬里長城公元前后石灰－火山灰時期古羅馬“龐貝”古城古羅馬斗獸場

19世紀初期波特蘭水泥（1824年）泰晤士河隧道4.1概述41756年（英國）：石灰石+少量粘土1810年：石灰石+（20%~30%）粘土1822年：高溫熔化成塊1824年：水泥發明年1889年：中國第一個水泥廠在唐山創建水硬性水硬性提高水硬性最強波特蘭（Portland）水泥硅酸鹽水泥5按礦物組成：

硅酸鹽水泥

鋁酸鹽水泥

硫鋁酸鹽水泥

鐵鋁酸鹽水泥按用途：

通用水泥：專用水泥：特種水泥：普通硅酸鹽水泥油井水泥膨脹水泥礦渣硅酸鹽水泥大壩水泥快硬水泥火山灰質硅酸鹽水泥粉煤灰硅酸鹽水泥復合硅酸鹽水泥水泥的分類《通用硅酸鹽水泥標準》GB175-2007水泥在國民經濟中的地位、作用及可持續發展的問題

1、水泥工業及水泥產品是建材工業的支柱產業及支柱產品；

2、未來相當長時期內，水泥仍將是人類社會的主要建筑材料，已滲透到各個角落，水泥需求保持增長態勢，已成為人類社會文明的重要材料；

3、我國經濟的發展，特別是基礎設施建設帶動了水泥工業興旺發達；

4、水泥生產消耗大量能源、資源，排放大量粉塵和廢氣。國家節能減排行業整治的重點。67

定義：凡由硅酸鹽水泥熟料、0～5%石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥。

P.Ⅰ硅酸鹽水泥不摻混合材料

P.Ⅱ硅酸鹽水泥摻混合材料4.2硅酸鹽水泥（PortlandCement）（1）硅酸鹽水泥的生產

原材料石灰質原料：石灰石CaO粘土質原料：粘土、頁巖Al2O3、SiO2輔助原料：Fe2O3、SiO28水泥的生產(Manufacture)生產方法：生料熟料硅酸鹽水泥1450℃石膏磨細關鍵一環：通過煅燒形成所要求的熟料礦物“兩磨一燒”煅燒石灰石粘土鐵礦粉磨細調整凝結時間水泥回轉窯9Gastemp(oC)450800120013501550feedtemp(oC)50600100013501450FreewaterClaydecomp.Limestonedecomp.ChemicalcombinationbeginsFluxformationFormationofC3SMeltformationexhaustRawfeedinClinkeroutHeatsource水泥回轉窯燒成過程示意圖1011煅燒水泥熟料窯型分類回轉窯立窯干法窯濕法窯立波爾窯逐步被淘汰！12硅酸三鈣

3CaO·SiO2C3S37%~60%硅酸二鈣

2CaO·SiO2C2S15%~37%鋁酸三鈣

3CaO·Al2O3C3A7%~15%鐵鋁酸四鈣

4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10%~18%（2）主要礦物成分及性質13礦物名稱特性強度水化熱水化速度耐腐蝕能力C3S最高大快中C2S早期低、后期高最小最慢大C3A小最大最快小C4AF小中快大熟料礦物對水泥性質的影響1415（3）其它成分及性質游離氧化鈣

f–CaO≤1%~2%氧化鎂

MgO≤5%體積安定性不良三氧化硫

SO3

≤3.5%Na2O、K2O+活性骨料堿骨料反應體積膨脹16（4）水泥的水化

水泥＋水可塑性漿體水泥石（流體）（塑性體）（固體）Hardenedcementpaste–Multi-phase/multi-scalestructuresGelporesCapillaryporesAirvoidsC-S-Hnano-particlesC-S-HgelsCHcrystalsEttringitecrystals17凝膠孔毛細孔C-S-H納米顆粒C-S-H凝膠CH晶體鈣礬石晶體氣孔硬化水泥漿體-多相/多尺度結構18

水泥的水化反應C2S2(3CaO?SiO2)+7H2O=3CaO?2SiO2?4H2O+3Ca(OH)2C3S2(2CaO?SiO2)+5H2O=3CaO?2SiO2?4H2O+Ca(OH)2C3A3CaO?Al2O3+3(CaSO4?2H2O)+26H2O=6CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2OC4AF4CaO?Al2O3?Fe2O3+7H2O=3CaO?Al2O3?6H2O+CaO?Fe2O3?H2OAFt-鈣礬石，或三硫型水化硫鋁酸鈣19

主要水化產物3CaO?2SiO2?3H2OC3S2H3Ca(OH)2

CH3CaO?Al2O3?6H2OC3AH66CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2OC6AS3H32CaO?Fe2O3?H2OCFH70%3%20%7%

膠體

晶體20Construction

MaterialsC-S-H水化硅酸鈣凝膠CHCrystal氫氧化鈣晶體

電鏡下的水泥水化產物圖21Construction

Materials水泥漿掃描電鏡照片（7d齡期）C-S-H鈣礬石水化產物已水化的水泥漿里留下的孔隙未水化水泥顆粒水泥的水化硬化物理過程123425硬化水泥漿體空隙中水分存在形式26

影響水泥石結構的因素水灰比（Water/Cement，W/C）水化程度水化時間——齡期溫度27以下是A、B兩種硅酸鹽水泥熟料礦物組成百分比含量，請分析A、B兩種硅酸鹽水泥的早期強度及水化熱的差別。C3S（％）C2S（％）C3A（％）C4AF（％）A水泥6015169B水泥47281015案例分析C3A水化形成AftC3A與石膏反應生成Aft，避免“閃凝”

放熱量大，放熱快

一般只有幾分鐘時間C3S和

C2S水化2~10小時凝結-硬化C3A的二次水化（石膏消耗完）

只有高C3A含量的水泥才會有2~3天時28水泥水化過程1nm

101001μm

101001mm

10毛細孔CH晶體CSH凝膠引氣劑引入氣孔裹入氣孔凝膠孔C-S-H納米顆粒29硬化水泥漿體的結構特征30

（5）主要技術性質31細度不符要求為不合格品顆粒細：1）細度篩析法：（0.08mm方孔篩）篩余≤10%比表面積：>300m2/kg顆粒粗：活性不易發揮水化快、強度高、收縮大、成本高32其它條件相同時，越小越好標準稠度：2)準稠度用水量標準稠度用水量：水泥凈漿達到標準稠度時，所需的拌合水占水泥重量的百分率。

P

=WC×100%6±1mmC=500gW-調試33

凝膠結構

凝膠結晶結構

結晶結構水泥+水→開始失去塑性→完全失去塑性→人造石

（初凝）（終凝）（硬化）

初凝時間

終凝時間

3）凝結特性t初≥45mint終≤6h30min不符要求為廢品不符要求為不合格品3435

4）體積安定性游離氧化鈣

f–CaO≤1%~2%氧化鎂

MgO≤5%三氧化硫

SO3

≤3.5%凝結過程中，體積變化的均勻性。Na2O、K2O+活性骨料堿骨料反應體積膨脹沸煮法壓蒸法浸水法安定性不良為廢品36安定性試驗:雷氏夾沸煮法雷氏法餅法37

5）強度比例:S=1350g、C=450g、W=225g；C/S=1/3、W/C=0.5試模：4×4×16cm

標準養護：20±2℃、水中、3天和28天齡期

水泥膠砂強度抗折強度由f28壓確定強度等級、其它值同時滿足要求強度不符要求為不合格品抗壓強度

f折=3PL2bh2=0.00234P

f壓=PA=0.625Pf

3折

f

28折f

3壓

f

28壓振搗儀攪拌機39標號抗壓強度(MPa)抗折強度(MPa)3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.538.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0硅酸鹽水泥各齡期強度要求(GB175-2007)40水泥水化時放出的熱量。以J/kg表示。主要集中在水化初期（7d）

主要考慮：放熱總量與放熱速度影響因素：熟料的礦物組成－如C3A、C3S

水泥的細度－越細，放熱速度越快水泥的等級－越高，放熱速度越快、越大外加劑－摻加緩凝劑可降低早期水化熱

7）水化熱41水化熱對工程的影響對大體積混凝土內外溫差可達50～70℃大壩水泥冬季混凝土施工

美國ACIC116標準中將大體積混凝土定義為“任何大體積的現澆混凝土，其尺寸足夠大以致要求處理混凝土所放出的熱量和伴隨的體積變化以減少開裂”日本建筑學會標準（JASS5）的定義：“結構斷面最小尺寸在800mm以上，水化熱引起混凝土內的最高溫度與外界氣溫之差超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土”我國大體積混凝土施工規范GB50496-2009中定義：“實體最小尺寸大于或等于1m，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土.”沒有一個統一的、嚴格的定義，但都強調砼的水化放熱及引起的溫差！大體積混凝土定義424344定義——水泥石在外界侵蝕性介質（軟水、含酸、含鹽等）的作用下結構受到破壞，強度降低的現象稱為水泥石的侵蝕。表現形式：

體積膨脹——膨脹型腐蝕

體積收縮——溶出型腐蝕

（6）環境水對硅酸鹽水泥的侵蝕45膨脹裂縫46鈣釩石晶體47將混凝土在空氣中硬化，形成CaCO3保護層采用水化后Ca(OH)2含量少的水泥

軟水：1）溶出性侵蝕（軟水侵蝕）

硬水：蒸餾水、工業冷凝水、雪水、雨水井水、海水、河水含重碳酸鹽少的水Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2H2O+2CaCO3封閉孔隙口危害:措施:

Ca(OH)2+水溶解其它水化物溶解

孔洞滲漏流水48采用水化后Ca(OH)2含量少的水泥2）碳酸鹽侵蝕游離CO2含量過多，在流水、壓力水下達不到平衡Ca(OH)2

不斷溶解Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O措施：工業污水、地下水含有游離CO2CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2(更易溶于水)危害：493）一般酸性侵蝕Ca(OH)2+2HCl=2H2O+CaCl2(易溶于水)結晶膨脹破壞更大Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4

?2H2O(結晶膨脹)3CaO?Al2O3?6H2O+3(CaSO4?2H2O)+H2O=6CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2O措施：限制C3S、C3A含量抗硫酸鹽水泥504）硫酸鹽侵蝕MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=CaSO4

?2H2O+Mg(OH)2

結晶膨脹破壞更大6CaO?Al2O3?6H2O+3(CaSO4?2H2O)+H2O=6CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2O措施：限制C3S、C3A含量抗硫酸鹽水泥松散無膠結力結晶膨脹51

5）鎂鹽侵蝕MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2

+Mg(OH)2

雙重作用526）水泥石受侵蝕的原因及防止措施Ca(OH)2易溶于水外因：處于侵蝕介質的環境中內因水化產物呈堿性，與酸、鹽反應水泥石不密實防止措施選用合適水泥：減少C3S、C3A提高混凝土密實度：配合比、W/C、摻合料等表面保護534.3

混合材料及摻混合材料的硅酸鹽水泥（1）混合材料

混合材料活性混合材料（潛在水硬性）粒化高爐礦渣火山灰質材料粉煤灰非活性混合材料石灰石粉

作用節約水泥、降低成本調節水泥等級（標號）改善水泥某些性能變廢為寶、保護環境54混合材料的潛在水硬性熟料＋水C-S-H等水化產物（水硬性）粉煤灰＋水無水化產物但

粉煤灰＋水＋石灰（堿性激發劑）粉煤灰＋水＋石膏（硫酸鹽激發劑）

C-S-H等水化產物（潛在水硬性）55

（2）粉煤灰煙氣除塵從煤粉爐排除的煙氣中收集到的顆粒粉末除塵方式靜電收塵機械收塵爐底除渣形貌球狀（珠狀）漂珠復珠密實沉珠空心沉珠不規則狀主要成分：SiO2、Al2O3、CaO玻璃體結構56

（a）×2000倍（b）×5000倍圖2-2凱里粉煤灰顆粒SEM照片（比表面積3000cm2/g）57

粉煤灰的活性堿性激發劑——Ca(OH)2Ca(OH)2+SiO23CaO?2SiO2?4H2OCa(OH)2+Al2O33CaO?Al2O3?6H2O硫酸鹽激發劑——CaSO4?2H2OCaSO4?2H2O+3CaO?Al2O3?6H2O6CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2O粉煤灰效應

形貌效應：流動性活性效應：強度微集料效應：

密實度58粉煤灰等級及品質指標序號指

標粉

煤

灰

級

別?ⅡⅢ1

細度(45μm)（%），≯122045

細度(80μm)（%），≯58252

燒失量（%），≯58153

需水量比（%），≯951051154

三氧化硫（%），≯3335

含水量（%），≯11不規定59

（3）摻混合材硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥P（PortlandCement）：硅酸鹽水泥熟料+0~5%混合材+適量石膏普通硅酸鹽水泥P.O（Portland.OrdinaryCement）：硅酸鹽水泥熟料+6~20%混合材+適量石膏礦渣硅酸鹽水泥P.S（Portland.SlagCement）：硅酸鹽水泥熟料+20~80%礦渣+適量石膏火山灰硅酸鹽水泥P.P（Portland.PozzolanaCement）：硅酸鹽水泥熟料+20~40%火山灰+適量石膏粉煤灰硅酸鹽水泥P.F（Portland.FlayashCement）：硅酸鹽水泥熟料+20~40%粉煤灰+適量石膏復合硅酸鹽水泥P.C（Portland.CompoundCement）：硅酸鹽水泥熟料+20~50%兩種以上混合材+適量石膏1）定義602）摻混合材硅酸鹽水泥特性水化特點：3CaO?2SiO2?4H2O3CaO?Al2O3?6H2OCaSO4?2H2O+3CaO?Al2O3?6H2O