1、2020年10月6日12時16分,1,膠凝材料學,2020年10月6日12時16分,2,第三章 水泥,各類水泥構成世界上第二大產(chǎn)品（按重量）； 大多數(shù)人的生活依賴于各類水泥的性能； 污染的控制取得明顯進步，粉塵排放降低到0.2-0.3g/kg水泥；,2020年10月6日12時16分,3,一、水泥的特點 水泥是一種粉末狀材料，加水后拌合均勻形成的漿體，不僅能夠在干燥環(huán)境中凝結(jié)硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或發(fā)展其強度，形成具有堆聚結(jié)構的人造石材。 二、水泥適用范圍 不僅適合用于干燥環(huán)境中的工程部位，而且也適合用于潮濕環(huán)境及水中的工程部位。 三、水泥的分類,第一節(jié) 緒論,2020年10月6日1

2、2時16分,4,2020年10月6日12時16分,5,三、水泥的分類 （一）按用途和性能分,2020年10月6日12時16分,6,（二）按主要水硬性物質(zhì)分,2020年10月6日12時16分,7,第二節(jié) 通用水泥,通用水泥是用于一般土木建筑工程的水泥，使用最多的為硅酸鹽水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥等。 一、硅酸鹽水泥 （一）定義 由硅酸鹽水泥熟料、05%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。 （二）分類 型硅酸鹽水泥：不摻加混合材料的硅酸鹽水泥。 型硅酸鹽水泥：摻加不超過5%的混合材料的硅酸鹽水泥。,20

3、20年10月6日12時16分,8,（三）硅酸鹽水泥的原材料和生產(chǎn)工藝 1、硅酸鹽水泥的原材料 1）生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料的原材料 （1）石灰質(zhì)原料 天然石灰石。也可采用與天然石灰石化學成分相似的材料如白堊、石灰華等。 （2）粘土質(zhì)原料 主要為粘土，其主要化學成分為SiO2，其次 為Al2O3和少量Fe2O3。 （3）鐵礦粉 采用赤鐵礦，化學成分為Fe2O3。 2）石膏主要為天然石膏礦、無水硫酸鈣等 。 3）混合材料 包括活性混合材料（?；郀t礦渣、粉煤灰、火山灰質(zhì)混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨細石英砂等）。,2020年10月6日12時16分,9,2、水泥的生產(chǎn)工藝 硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝

4、“兩磨一燒”工藝 生產(chǎn)水泥的方法主要有干法立窯生產(chǎn)和濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)兩種 ； 硅酸鹽水泥分為：型硅酸鹽水泥（不摻混合材料）和型硅酸鹽水泥（摻不超過5%混合材料）。,石灰石,粘 土,鐵礦粉,生 料,石 膏,硅酸鹽水泥,混合材料,熟 料,按比例混合,磨細,13501450,煅燒,磨細,2020年10月6日12時16分,10,（四）硅酸鹽水泥的組成材料 1、熟料的礦物組成,化學式及簡寫,2020年10月6日12時16分,11,2、水泥熟料礦物的主要特性 熟料礦物磨細加水，均能單獨與水發(fā)生化學反應，其特點見上表。,2020年10月6日12時16分,12,3 水化動力學,1）硅酸三鈣 2（3CaOSiO2

5、）6H2O = 3CaO2SiO23H2O3Ca（OH）2,2020年10月6日12時16分,13,3.1 早期水化階段,1）初始快速反應 C3S與液態(tài)水一接觸，無水相表層上的鈣、氧和硅酸鹽離子便開始水化，并快速進入溶液，形成水合（aq)離子類物質(zhì)。 C3S（3Ca2+:O2-:SiO4)+過量水-3Ca2+(aq)+4OH-(aq)+H2SiO42- 特點：一致性溶解（純鹽溶解）；速率受C3S的比表面積和活化點的密度。速度極快，在C3S被水潤濕前已結(jié)束。,2020年10月6日12時16分,14,2）第一減速期,一旦溶液中鈣和硅的平均濃度達到目的臨界值，初始產(chǎn)物會成核和沉積，終止初始反應。其根

6、源是形成C-S-H類的屏蔽層，將初始快速反應終結(jié)。 3）誘導期 有緩凝劑時才出現(xiàn)，Ca(OH)2的晶化是誘導期結(jié)束時C3S水化重新加速的驅(qū)動力，C-S-H較穩(wěn)定的核化和生長導致后期加速。,2020年10月6日12時16分,15,4）加速期 加水伴合1h后開始，5-10h 結(jié)束， C3S水化從不到1%增加到10%以上。動力學方程：-ln(1-a)=ktm m=(p/s)+q P表示生長相的維數(shù)，s表示速度控制過程（1為相邊界控制，2為擴散控制），q與成核速率相關（0為無晶核生成，1為恒定速率下的成核）。,2020年10月6日12時16分,16,5）第二減速期 水化產(chǎn)生繼續(xù)向空出的大空間生長，擴散

7、控制開始。 動力學模型（Jander):,2020年10月6日12時16分,17,6)最后的慢速反應 與第二減速期的機理大致相同，早先形成的C-S-H變得堅實，未占用的空間較少。新生成的C-S-H和CH沉積的充水空間，C和S在其上形成無水C3S，必然使擴散距離迅速增加。,2020年10月6日12時16分,18,2020年10月6日12時16分,19,2020年10月6日12時16分,20,2020年10月6日12時16分,21,不同階段C-S-H的形貌,C-S-H 的生成形貌,2020年10月6日12時16分,22,水化的影響因素,1）溫度 對階段和影響顯著，溫度升高令誘導期縮短，在階段，放熱

8、速率提高；低于-20度時，水化慢，但仍發(fā)生。 在階段和，水化活化能為40kJ/mol；在階段，活化能為20kJ/mol，接近擴散控制。 溫度對C-S-H的形貌無明顯影響。,2020年10月6日12時16分,23,2）外加劑 促凝劑：細粉和可溶性鹽。細粉顆粒促進C-S-的核化而實現(xiàn)C3S的水化加速； 可溶性鹽能沉降非可溶性鈣鹽，使鈣濃度變低，提高C3S早期的擴散速率。 緩凝劑：通過與鈣的絡合實現(xiàn)緩凝，可使C-S-H包覆層穩(wěn)定，不向C-S-H轉(zhuǎn)化。如各種酸和有機物。,2020年10月6日12時16分,24,4、熟料礦物的水化反應過程 1）水化初期 （1）熟料礦物與水反應的速度較快，使水化產(chǎn)物不斷地

9、從液相中析出并聚集在水泥顆粒表面，形成以水化硅酸鈣凝膠為主體的凝膠薄膜，大約在1h左右即在凝膠薄膜外側(cè)及液相中形成粗短的針狀鈣礬石晶體。,2020年10月6日12時16分,25,（2）水化中期 以水化硅酸鈣（CSH）和氫氧化鈣的快速形成為特征。 （3）水化后期 由于新生成的水化產(chǎn)物的壓力，水泥顆粒薄膜的凝膠薄膜破裂，使水進入未水化水泥顆粒的表面，水化反應繼續(xù)進行。水化產(chǎn)物之間互相交叉連生，不斷密實，固體之間的空隙不斷減小，網(wǎng)狀結(jié)構不斷加強，結(jié)構逐漸緊密。,2020年10月6日12時16分,26,（五）硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化 1、凝結(jié)硬化的概念 1）凝結(jié)：水泥加水拌合而成的漿體，經(jīng)過一系列物理化學

10、變化，漿體逐漸變稠失去可塑性而成為水泥石的過程； 2）硬化：水泥石強度逐漸發(fā)展的過程稱為硬化。 3）水泥的凝結(jié)過程和硬化過程是連續(xù)進行的。凝結(jié)過程較短暫，一般幾個小時即可完成；硬化過程是一個長期的過程，在一定溫度和濕度下可持續(xù)幾十年。,2020年10月6日12時16分,27,凝結(jié)和硬化的階段,1）第一階段：大約在水泥拌水起至初凝時止，硅酸三鈣和水迅速反應生成氫氧化鈣。同時石膏也很快加入溶液和硅酸三鈣反應生成細小的鈣鋇石晶體。 2）第二階段：大約從初凝起至24小時止，水泥水化加速，生成較多的氫氧化鈣和鈣礬石晶體，以及水化硅酸鈣凝膠。 3）第三階段：24小時以后，直到水化結(jié)束。,2020年10月6

11、日12時16分,28,熟料礦物的水化反應 1）硅酸二鈣 2（2CaOSiO2）4H2O = 3CaO2SiO23H2OCa（OH）2 2）鋁酸三鈣 3CaOAl2O3H2O = 3CaOAl2O36H2O 3CaOAl2O36H2O3（CaSO42H2O）19H2O = 3CaOAl2O33CaSO431H2O 3）鐵鋁酸四鈣 4CaOAl2O3Fe2O37H2O = 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,2020年10月6日12時16分,29,（六）硅酸鹽水泥的技術性質(zhì)和技術標準 1、技術標準 1）水泥化學性質(zhì) （1）氧化鎂含量度 在水泥熟料中，存在游離的氧化鎂、它的水化速度很慢

12、，而且水化產(chǎn)物為氫氧化鎂。氫氧化鎂產(chǎn)生體積膨脹，可以導致水泥石結(jié)構裂縫甚至破壞。 （2）三氧化硫含量 水泥中的三氧化硫主要是在生產(chǎn)水泥的過程中摻入石膏，或者是煅燒水泥熟料時加入石膏礦化劑帶入的。如果石膏摻量超出一定限度，在水泥硬化后，它會繼續(xù)水化并產(chǎn)生膨脹，導致結(jié)構物破壞。 （3）燒失量 水泥煅燒不理想或者受潮后，會導致燒失量增加。 （4）不溶物 煅燒過程中存留的殘渣，不溶物的含量會影響水泥的粘結(jié)質(zhì)量。,2020年10月6日12時16分,30,2.水泥的物理性質(zhì)和力學性質(zhì) 1）細度 （1）細度是指水泥顆粒的粗細程度。 （2）水泥顆粒的粗細，直接影響其水化反應速度、活性和強度。 （3）國家標準中

13、規(guī)定，水泥的細度用篩析法和比表面積法來測定。硅酸鹽水泥的細度為其比表面積大于300m2/kg。 2）凝結(jié)時間 （1）凝結(jié)時間 分為初凝時間和終凝時間。初凝時間是從加水至水泥漿 開始失去塑性的時間；終凝時間是從加水至水泥漿完全失去塑性的時間。 （2）水泥初凝時間不宜過早，終凝時間不宜過遲。 （3）國家標準GB1751999規(guī)定：硅酸鹽水泥初凝不得早于45min，終凝不得遲于6.5h。,2020年10月6日12時16分,31,3）體積安定性 （1）定義：體積安定性是指水泥漿體硬化后體積變化的穩(wěn)定性。水泥在硬化過程中體積變化不穩(wěn)定，即為體積安定性不良。 （2）原因 熟料中含有過量的游離氧化鈣（fCa

14、O），或含有過量的游離氧化鎂（fMgO）； 生產(chǎn)水泥時摻入的石膏過量。 國家標準GB1751999規(guī)定，硅酸鹽水泥的安定性用沸煮法檢驗必須合格。 體積安定性不良的水泥嚴禁用于工程中。,2020年10月6日12時16分,32,4）強度及強度等級 （1）膠砂強度 國家標準規(guī)定，水泥和標準砂按1：3.0質(zhì)量比混合，加入規(guī)定量的水（水灰比為0.50），經(jīng)標準試驗方法攪拌成型。制成40mm40mm160mm的標準試件，在標準條件（1d溫度為201，相對濕度90以上的空氣中帶模養(yǎng)護；1d以后拆模，放入201的水中養(yǎng)護）下養(yǎng)護。根據(jù)水泥品種不同，分別測定3d、28d的抗折強度和抗壓強度，即為水泥的膠砂強度。

15、 （2）強度等級 根據(jù)水泥的膠砂強度劃分的級別稱為強度等級。硅酸鹽水泥的強度等級劃分為42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R共六個等級。,2020年10月6日12時16分,33,注：表中百分數(shù)均為質(zhì)量百分數(shù)。,2、技術標準,2020年10月6日12時16分,34,二、摻混合料的硅酸鹽水泥 為了改善硅酸鹽水泥的某些性能，增加產(chǎn)量和降低成本，在硅酸鹽水泥熟料中摻加適量的混合材料，并與石膏共同磨細得到的水硬性膠凝材料，稱為摻混合材料的硅酸鹽水泥。 （一）普通硅酸鹽水泥 1、定義 硅酸鹽水泥熟料61的混合材料適量石膏 2、技術性質(zhì)要求（與硅酸鹽水泥相比） 相同點 MgO含量、

16、SO3含量、初凝時間、安定性的技術要求相同。 不同點 細度：80m方孔篩篩余量不超過10.0%； 終凝時間：不遲于10h； 燒失量：不得大于5.0%；,2020年10月6日12時16分,35,強度等級：普通硅酸鹽水泥分為32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個強度等級。各齡期的強度不低于下表的規(guī)定。,2020年10月6日12時16分,36,3、主要特性 （1）早期強度略低，后期強度高。 （2）水化熱略低。 （3）抗?jié)B性好，抗凍性好，抗碳化能力強。 （4）抗侵蝕、抗腐蝕能力稍好。 （5）耐磨性較好；耐熱性能較好。 4、應用 普通硅酸鹽水泥的應用范圍和硅酸鹽水泥相同。

17、（二）礦渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,熟料,適量石膏,20%70%?；郀t礦渣,20%40%粉煤灰,20%50%火山灰質(zhì)混合材料,礦渣水泥 （PO）,粉煤灰水泥 （PS）,火山灰水泥 （PP）,磨細,磨細,磨細,2020年10月6日12時16分,37,1、技術性質(zhì)要求（與普通水泥相比） 1）相同點 MgO含量、細度、凝結(jié)時間、安定性的技術要求相同。 2）不同點 （1）三氧化硫含量：礦渣水泥不超過4.0；火山灰質(zhì)水泥、粉煤灰水泥不得超過3.5。 （2）強度等級：強度等級劃分為32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R共六個等級。各齡期的強度要求見下表。 （3）密度：水泥的

18、密度為28003000kg/m3。,2020年10月6日12時16分,38,2、主要特性 1）三種水泥的共同特性 凝結(jié)硬化較慢，早強強度較低，后期強度增長較快； 水化熱較低，放熱速度慢； 抗硫酸鹽腐蝕和抗水性較好； 蒸汽養(yǎng)護適應性好； 抗凍性、耐磨性及抗碳化性能較差。 2）三種水泥各自特性 礦渣水泥的抗?jié)B性較差，但耐熱性好，可用于溫度不高于200的混凝土工程中。 火山灰水泥的抗?jié)B性好，但干縮較大，不適用于長期處于干燥環(huán)境中的混凝土工程。 粉煤灰水泥干縮小，抗裂性好。,2020年10月6日12時16分,39,三、摻混合料水泥的包裝、標志和儲運 （一）包裝標志和數(shù)量的驗收 1、包裝標志的驗收 包裝

19、有袋裝和散裝兩種 1）袋裝水泥在包裝袋上應清楚地標明產(chǎn)品名稱、代號、凈含量、強度等級、生產(chǎn)許可證編號、生產(chǎn)者名稱和地址、出廠編號、執(zhí)行標準號、包裝年月日等主要包裝標志。 2）摻火山灰質(zhì)混合材料的普通硅酸鹽水泥，必須在包裝上標上“摻火山灰”字樣。 3）包裝袋兩側(cè)應印有水泥名稱和強度等級。 4）印刷字體顏色： 硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥紅色； 礦渣硅酸鹽水泥綠色； 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥黑色 。 5）散裝水泥供應時須提交與袋裝水泥標志內(nèi)容相同的卡片。,2020年10月6日12時16分,40,（二）數(shù)量的驗收 1、袋裝水泥每袋凈含量為50kg，且不得少于標志質(zhì)量的98； 2、隨機抽取2

20、0袋總質(zhì)量不得少于1000kg。 （三）質(zhì)量的驗收 1、檢查出廠合格證和試驗報告 ； 2、復驗 ； 3、仲裁檢驗 。 （四）保存時間和方法 應盡量縮短保存時間：通用水泥不宜超過3個月。儲存水泥的庫房必須干燥，庫房地面應高出室外地面30cm。若地面有良好的防潮層并以水泥砂漿抹面，可直接存放，否則應用木料高出地面20cm。袋裝水泥堆垛不宜過高，一般為10袋。,2020年10月6日12時16分,41,四、水泥石的腐蝕 （一）水泥石腐蝕的方式 1）軟水侵蝕（溶出性侵蝕） 2）酸的腐蝕（溶解性化學腐蝕） （1）一般酸的腐蝕 （2）碳酸水的腐蝕 （3）硫酸鹽腐蝕（膨脹性化學腐蝕） （4）強堿腐蝕 （二）防

21、止水泥石腐蝕的措施 1）根據(jù)工程的環(huán)境特點，合理選擇水泥品種。 2）提高混凝土的密實度。 3）在水泥石結(jié)構的表面設置保護層。,2020年10月6日12時16分,42,第二節(jié) 專用水泥,一、砌筑水泥 （一）定義 凡由一種或一種以上的水泥混合材料，加入適量硅酸鹽水泥熟料和石膏，經(jīng)磨細制成的和易性較好的水硬性膠凝材料，稱為砌筑水泥。 （二）技術要求 1）細度 80um方孔篩篩余不得超過10%。 2）凝結(jié)時間 初凝不得早于60min，終凝不得超過4.0%。 3）安定性 用沸煮法檢驗必須合格。 4）強度 分為175、225兩個標號。 5）流動性 灰砂比為1：2.5，水灰比為0.46，流動度125mm。,

22、2020年10月6日12時16分,43,二、道路水泥 （一）定義 以適當成分的生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分和較多鐵鋁酸鹽含量的硅酸鹽水泥熟料，稱為道路硅酸鹽水泥熟料。以道路硅酸鹽水泥熟料，活性混合材料和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料稱為道路硅酸鹽水泥，簡稱道路水泥。 （二）技術要求 道路水泥中鋁酸三鈣含量不大于5.0，鐵鋁酸四鈣含量不小于16.0，游離CaO含量不大于1.0 。 （三）特性 道路硅酸鹽水泥強度較高，特別是抗折強度高、耐磨性好、干縮率低，抗沖擊性、抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕能力比較好。 （四）應用 適用于水泥混凝土路面、機場跑道、車站及公共廣場等工程的面層混凝土中應用。,2020年10月6日12時16分,44,三、大壩水泥 （一）