3水硬性胶凝材料（课件）- 《建筑材料》同步教学（电工版·2016版）

3.水泥 3.2 其它品种水泥 3.1 常用水泥（通用硅酸盐水泥） 3.1 常用水泥（通用硅酸盐水泥） 概述 常用水泥的生产 常用水泥的特性 常用水泥的水化、凝结、硬化 常用水泥的选用 常用水泥的技术要求 影响常用水泥性能的因素 1. 按《水泥的命名、定义和术语》（GB/T 4131-1997）：水泥是指加水拌合成塑性浆体，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.水泥是各种混凝土的最基本的组成材料，广泛用于建筑、道路、水利和国防工程中，素有“建筑业的粮食”之称。 我国近年水泥产量一览表 年度 1991年 2000年 2001年 2002年 2003年 2004年 2005年 产量（亿吨） 2.52 5.97 6.26 7.25 8.63 9.7 10.64 概述 3.水泥发明于1824年。由于它具有与英国波特兰城建筑岩石相似的颜色，故称之为波特兰水泥（我国称为硅酸盐水泥），首先取得这项专利技术权的是英国的J·Aspdin。 4.水泥的品种： 按矿物组成分：硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐等系列水泥； 按用途及性能可以分为通用水泥、专用水泥及特种水泥； 目前，水泥品种已达到100多种。 一、常用水泥的生产 1.生产工艺：两磨一烧 硅酸盐水泥的生产工艺流程图 （1）原材料的破碎与粉磨 石灰质原料：提供CaO； 粘土质原料：提供SiO2、Al2O3和Fe2O3； 校正原料：铁质校正原料、硅质校正原料、铝质校正材料。 （2）硅酸盐水泥熟料的烧成 硅酸盐水泥熟料主要包括下列四种矿物： 硅酸三钙（3CaO·SiO2，简写为C3S），含量37%～60%； 硅酸二钙（2CaO·SiO2，简写为C2S），含量15%～37% ； 铝酸三钙（3CaO·Al2O3，简写为C3A），含量7%～15%； 铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF），含量10%～18%。 煅烧窑：立窑、回转窑。 （3）水泥成品的磨制 磨制水泥成品的原材料包括：硅酸盐水泥熟料、石膏和混合材料。 名称 代号 组分（质量分数，％） 熟料 石膏 混合材料 粒化高 炉矿渣 火山灰质混合材料 粉煤灰 石灰石 硅酸盐水泥, Portland cement P·Ⅰ 100 － － － － ≥95 ≤5 － － － P·Ⅱ ≥95 － － － ≤5 普通硅酸盐水泥,ordinary portland cement P·O ≥80且＜95 ＞5且≤20 － 矿渣硅酸盐水泥 , Portland blastfurnace-slag cement P·S·A ≥50且＜80 ＞20且≤50 － － － P·S·B ≥30且＜50 ＞50且≤70 － － － 火山灰质硅酸盐水泥, Portland pozzolana cement P·P ≥60且＜80 － ＞20且≤40 － － 粉煤灰硅酸盐水泥,Portland fly-ash cement P·F ≥60且＜80 － － ＞20且≤40 － 复合硅酸盐水泥,composite Portland cement P·C ≥50且＜80 ＞20且≤50 二、常用水泥的水化、凝结、硬化 1.硅酸盐水泥熟料矿物的水化反应 水化铁酸钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 C-S-H凝胶 水化铝酸钙 2.硅酸盐水泥熟料矿物水化、凝结硬化特性 低 低 高 高 后期 低 低 低 高 早期 强度 中 最多 少 多 28d水化热 快 最快 慢 快 水化凝结硬化速度 C4AF C3A C2S C3S 熟料矿物 性能指标 3.硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化 表面水化，形成水化物膜层，水泥浆具有可塑性和流动性。 膜层长厚，并伴随破裂、扩展至连接，浆体形成絮凝结构。 初凝：开始失去流动性， 终凝。完全失去可塑性，并开始产生结构强度。 硬化：水泥浆体逐渐转变为具有一定强度的水泥石固体。 （1）分散在水中未水化的水泥颗粒 （2）在水泥颗粒表面形成水化物膜层 （3）膜层长大并相互连接（凝结） （4）水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化） 水泥凝结硬化过程示意图 1——水泥颗粒；2——水分；3——凝胶；4——晶体； 5——水泥颗粒未水化内核；6——毛细孔 4.石膏在水泥中的作用。 控制C3A的水化凝结硬化速度，调节水泥凝结时间。掺量3％左右。 C3A的水化： 反应迅速，产生急凝，或闪凝。 加入石膏： 高硫形水化硫铝酸钙 又称钙矾石（俗称水泥杆菌，针状），不溶于水，阻止C3A水化，延缓水泥凝结。 石膏耗完 C3A与钙矾石反应 单硫形水化硫铝酸钙 溶于水，水化继续 钙矾石显微形貌 （1）水泥混合材料 在生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，而加到水泥中去的人工的和天然的矿物材料。 5.混合材料在水泥中的作用。 混合材料分类 化学活性 举例 在水泥中作用 非活性混合材料 与水泥成分不起化学作用或化学作用很小 石英砂、石灰石、慢冷矿渣、各种废渣 填充、提高水泥产量、降低水泥强度等级、减少水化热 活性混合材料 常温下，细粉与石灰（或石灰和石膏）加水拌合能生成具有胶凝性的水化产物，在空气和水中硬化。 粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰 上述＋活性效应 粒化高炉矿渣 炼铁高炉的熔融矿渣，经急速冷却而成的松软颗粒； 直径一般为0.5～5mm，需磨细使用； 急冷一般用水淬方法进行，故又称水淬高炉矿渣； 成粒在于阻止结晶，形成玻璃体，具有较高的潜在活性； 活性成分，一般认为是活性氧化铝和活性氧化硅，在常温下可与氢氧化钙起作用而产生强度。 火山灰质混合材料 火山灰质混合材料：泛指火山灰一类的物质。 火山灰：火山喷发的熔岩急冷形成。含有玻璃体，成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝，使火山灰具有活性。 粉煤灰 火力发电厂煤粉燃烧的烟气中收集的灰渣，又称飞灰。 颗粒直径0.001～0.05mm，玻璃态的实心或空心球状。 活性来自玻璃体，成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝。 （2）活性混合材料的作用 自身与水调和后，不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。 在氢氧化钙溶液中，会发生显著的水化。 若存在石膏，则石膏与铝酸钙反应生成硫铝酸钙而具有一定的强度。 （3）矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的水化反应 分两步进行 水泥熟料颗粒水化； 矿渣（火山灰或粉煤灰）受熟料水化时析出的Ca(OH)2和外掺石膏的激发，生成新的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙。 水泥熟料矿物水化后的产物又与活性氧化物进行反应，生成新的水化物。 二次（水化）反应 （4）激发剂 Ca(OH)2和石膏起着激发水化（使活性混合材料的潜在活性得以发挥），促进凝结硬化的作用，故称为激发剂。 常用的激发剂有碱性激发剂和硫酸盐激发剂两类。 碱性激发剂：石灰，硅酸盐水泥熟料。 硫酸盐激发剂：二水石膏、半水石膏和各种化学石膏。 硫酸盐激发剂的激发作用必须在有碱性激发剂的条件下，才能充分发挥。 6.硬化水泥石中的组成 水化产物。忽略一些次要和少量的成分，水泥水化的最终产物是：水化硅酸钙（C-S-H凝胶，约70%）、水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙（约20%）、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙晶体； 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）。 三、常用水泥的特性 品种 硅酸盐水泥 普通水泥 矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 复合水泥 主要特性 凝结硬化快 凝结硬化较快 凝结硬化慢 凝结硬化慢 凝结硬化慢 与所掺两种或两种以上混合材料的种类、掺量有关，其特性基本上与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥的特性相似 早期强度高 早期强度较高 早期强度低，后期强度增长较快 早期强度低，后期强度增长较快 早期强度低，后期强度增长较快 水化热大 水化热较大 水化热较低 水化热较低 水化热较低 抗冻性好 抗冻性较好 抗冻性差 抗冻性差 抗冻性差 干缩性小 干缩性较小 干缩性大 干缩性大 干缩性较小，抗裂性较好 耐蚀性差 耐蚀性较差 耐蚀性较好 耐蚀性较好 耐蚀性较好 耐热性差 耐热性较差 耐热性好 耐热性较好 耐热性较好 抗碳化能力差 抗碳化能力差 抗碳化能力差 — — 泌水性大 — — — — — 抗渗性较好 — — — — — 和易性较好 水泥石的腐蚀 （1）软水的腐蚀（溶出性腐蚀） 软水:雨水、雪水、蒸馏水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水 。 水泥石中各水化物能稳定存在的极限石灰浓度：Ca(OH)2：1.3gCaO/L；水化硅酸三钙：1.2g CaO/L；水化铁铝酸四钙：1.06 gCaO/L；水化硫铝酸钙：0.045g CaO/L。 如果水泥石长期处于流水或压力流水作用下， Ca(OH)2 将不断流失而使水泥石破坏。 硬水中不腐蚀： （2）盐类腐蚀 硫酸盐腐蚀 水化铝酸钙 钙矾石 体积增加1.5倍以上，膨胀破坏 硫酸盐浓度较高：结晶破坏 镁盐腐蚀。 硫酸镁对水泥石有镁盐和硫酸盐双重腐蚀的作用。 Na2SO4在混凝土孔隙中的结晶 （3）酸类腐蚀 碳酸腐蚀 “碳化” 一般酸腐蚀 因为水泥的水化产物呈碱性。 ，CaCl2溶于水。 （4）强碱腐蚀 组成成分； 细度； 养护条件（温度、湿度和时间）； 龄期； 拌合用水量； 贮存条件。 四、影响常用水泥性能的因素 养护对水泥强度发展的影响 五、常用水泥的选用 六、常用水泥的技术要求 1.细度 水泥颗粒不能太粗，也不宜太细。 测定水泥的细度可以用筛析法和比表面积法。 筛析法：用80μm方孔筛的筛余百分数表示。 比表面积法:测单位质量粉末的总表面积，以m2/kg表示。 2.凝结时间 初凝：标准稠度净浆开始失去可塑性； 终凝：标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度； 初凝时间不能过短，终凝时间不能过长； 测定水泥凝结时间采用标准稠度的水泥净浆。 3.体积安定性 检验 体积安定性不良 原因 游离氧化镁（f-MgO） 石膏 游离氧化钙（f-CaO） 过烧态 过烧态 与水化铝酸钙反应生成钙矾石 检验 沸煮法（饼法/雷氏法） 检验 控制f-MgO含量 控制SO3含量 氧化镁、三氧化硫及安定性不良的水泥应作废品处理。 4.强度及强度等级 按抗压强度和抗折强度分为六个强度等级。 硅酸盐水泥各龄期的强度要求 强度等级 抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa） 3d 28d 3d 28d 42.5 17.0 42.5 3.5 6.5 42.5R 22.0 42.5 4.0 6.5 52.5 23.0 52.5 4.0 7.0 52.5R 27.0 52.5 5.0 7.0 62.5 28.0 62.5 5.0 8.0 62.5R 32.0 62.5 5.5 8.0 水泥：标准砂：水＝1：3：0.5 注意与旧标准的标号对比！ 5.碱含量:按Na2O+0.658K2O计算。 技术指标 硅酸盐水泥 普通 水泥 矿渣 水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 复合 水泥 Ⅰ型 Ⅱ型 不溶物≤ 0.75% 1.50% / / / / / 烧失量≤ 3.0% 3.5% ≤5.0% / / / / 氧化镁 ≤5.0%，若压蒸安定性试验合格，则≤6.0% 熟料中MgO≤5.0%，若压蒸安定性试验合格，则≤6.0% 三氧化硫≤ 3.5% 3.5% 4.0% 3.5% 细度 比表面积＞ 300m2/kg / / / / / 80μm方孔筛筛余≤ / 10.0% 10.0% 10.0% 10.0% 10.0% 凝结时间 初凝 ≥45min 终凝 ≤6.5h ≤10h 安定性 沸煮法检验合格 强度等级 42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R 42.5、42.5R、52.5、52.5R 32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R 碱 （若使用活性骨料） 用户要求提供低碱水泥时，≤0.60%或由供需双方商定 由供需双方商定 常用水泥的技术要求 3.水泥 3.2 其它品种水泥 3.1 常用水泥 高铝水泥 膨胀水泥 白色和彩色硅酸盐水泥 3.2 其它品种水泥 一、高铝水泥（矾土水泥） 以铝矾土和石灰石为原料，经高温煅烧得到铝酸钙为主的熟料磨细制成。代号CA。 按Al2O3的含量百分数分为四类：CA-50（50 ％≤Al2O3 ＜60％），CA-60 （60 ％≤Al2O3 ＜68％） ， CA-70 （68 ％≤Al2O3 ＜77％） ，CA-80 （Al2O3≥ 77 ％ ）。 熟料矿物组成 铝酸一钙（CA）－70％； 二铝酸一钙（CA2 ）－少量； 硅酸二钙（C2S）－少量。 铝酸盐水泥的水化 T＜20℃：CA+10H2O→CAH10； T=20～30℃：2CA+11H2O→C2AH8+Al2O3.3H2O； T＞30℃：3CA+12H2O→C3AH6 +Al2O3.3H2O 强度的产生 CAH10 、C2AH8相互交织成坚固的结晶合生体; 氢氧化铝凝胶填充于晶体骨架空隙中; CAH10 、C2AH8 →C3AH6，强度降低 温度升高，转化加速 晶体的转化 快凝、早强。用于紧急工程、抢修工程、冬季施工工程； 耐热性好和耐硫酸盐腐蚀性强。配制耐热混凝土和耐硫酸盐混凝土； 水化热大。不能用于大体积混凝土； 长期强度会降低。注意施工温度（15℃～25℃），按最低稳定强度设计； 不得与硅酸盐水泥、石灰等混用； 低收缩； 耐碱性差; 产品标准：《铝酸盐水泥》（GB201-2000）。 产品特性及应用 加水硬化后，体积膨胀而不是收缩。 二、膨胀水泥 硅酸盐膨胀水泥。硅酸盐水泥为主，外加高铝水泥和石膏配制而成。 铝酸盐膨胀水泥。高铝水泥水泥为主，外加石膏配制而成。 硫铝酸盐膨胀水泥。无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分，外加石膏配制而成。 铁铝酸钙膨胀水泥。铁相、无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分，外加石膏配制而成。 膨胀原理：生成钙矾石。 调整组分比例，可得不同的膨胀值。 若膨胀受限，则产生自应力。 自应力≥2MPa，称为自应力水泥； 自应力＜2MPa，称为膨胀水泥； 应用：补偿收缩混凝土、自应力混凝土。 产品标准： 《膨胀硫铝酸盐水泥》（ZB Q 11007-87）、自应力硫铝酸盐水泥》（JC 715-1996）： 三、白色和彩色硅酸盐水泥 1.白色硅酸盐水泥（白水泥） 硅酸盐水泥熟料中氧化铁等含量少。 产品标准：《白色硅酸盐水泥》（GB/T 2015-2005）。 技术要求：三氧化硫、细度、凝结时间、安定性、水泥白度（≥87）、强度（32.5、42.5、52.5）。 2.彩色硅酸盐水泥 生料＋着色物质、熟料＋着色物质、白水泥＋着色物质。 产品标准：《彩色硅酸盐水泥》（JC/T 870-2000）。 技术要求：三氧化硫、细度、凝结时间、安定性、强度、色差。 3.应用：用于各种装饰装修。 道路硅酸盐水泥 快硬硅酸盐水泥 快硬硫铝酸盐水泥 中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥 抗硫酸盐水泥 水泥工业之遗憾 1.消耗资源 我国已初步探明的石灰石储量为542亿吨，可开采利用的约为250亿吨。如以2004年我国水泥总产量9.7亿吨、需消耗石灰质原料10亿吨记计，加上相关行业所用石灰石，则不需30年，即会出现石灰石资源枯竭的严重问题。一方面是水泥石灰石资源枯竭的严重问题，另一方面是消耗石灰石令人惊讶的高速度。 ——（《中国建材报》2005年8月15日） 2.消耗能源 资料表明，2004年国产9.7亿吨水泥的能源消耗是燃煤1.6亿吨（标准煤）。专家预测，2010年我国水泥需求将达到13.5亿吨，原燃料消耗相应也会提高近40%。 3.破坏环境 2004年我国水泥工业CO2排放量达8亿多吨，SO3排放量超过100万吨，NOx排放量达262万吨，粉尘800万吨。 温室效应 酸雨 矽肺病等、土地碱化、破坏环境 4.我国目前的生产工艺落后 发达国家新型干法技术多在80%以上，甚至95% 。 我国1995年新型干法水泥2853万吨，仅占总产量的6%；2004年上升到3.2亿吨，占总产量的33%；2005年底，新型干法水泥产量达到4.73亿吨，新型干法水泥的比重已达到45%。 近年进展迅速 本章结束！ $$