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1、1第 二节 硅 酸 盐 水 泥Portland Cement2概 述 v什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？水泥中的主要矿物硅酸盐系水泥铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥磷酸盐系水泥硫铝酸钙硅酸钙铝酸钙磷酸钙镁 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。3概 述 v什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？水泥的特性膨胀水泥快 硬 水 泥低 热 水 泥抗腐蚀水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水

2、泥等。硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好 根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。4概 述 v什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。v水泥的种类有哪些？硅酸盐系水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥 根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。v硅酸盐系水泥品种硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥；掺混合材的硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥v硅酸盐水泥有P和P两类，后者含有混合材。5水泥在土木工程中的重要作用v水泥是

3、当今产量与用量最大的土木工程材料！v水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！v水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！6主 要 内 容v什么是硅酸盐水泥？v硅酸盐水泥是怎样制造？v硅酸盐水泥的组成？v水泥浆如何转变成坚硬固体？v水泥应满足哪些技术性质？v如何正确使用水泥？u重点论述硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基重点论述硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。凡由硅酸盐水泥熟料、05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

4、.7一、硅酸盐水泥是怎样制造的？v原原 料：料：硅质：粘土，硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)，占占1/3 钙质：石灰石、白垩等，钙质：石灰石、白垩等，(CaCO3)，占占2/3调节原料：铁矿与砂调节原料：铁矿与砂，调节与补充，调节与补充Fe2O3 与与SiO2v制造工艺：制造工艺：原料经原料经粉磨粉磨混合后得到混合后得到水泥生料水泥生料生料经窑内生料经窑内煅烧煅烧得到得到水泥熟料水泥熟料水泥熟料石膏水泥熟料石膏(或混合材）一起经或混合材）一起经粉磨粉磨混合后得混合后得到到水泥水泥“两磨一烧”水泥生料可以是：u 与水混合成浆体湿法工艺u 加少量水制成料球半干法工艺u 加稍多水制成湿球半湿法工

5、艺u 干粉混合物干法工艺8硅质(粘土)钙 质(石灰石)1450调节原料石膏石膏石膏石膏水水 泥泥生生 料料熟熟 料料混合材混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉粉 磨磨煅煅 烧烧粉粉 磨磨 原料采掘原料采掘原料磨细原料磨细原料混合原料混合反应物产物反应物产物中间产物中间产物预热器回转窑产产 物物熟料冷却熟料冷却熟料储存熟料储存硅酸盐水泥熟料制造工艺流程9水泥制造厂全貌水泥生料煅烧回转窑回转窑尾14501500C10二、硅酸盐水泥的组成v硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥硅酸盐水泥熟料 Clinkers石膏(CaSO42H2O)Gypsum混合材(矿渣或石灰石粉末)Mineral Additi

6、vesv各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时间；混合材：调节水泥的强度等级；必要组分11矿物名称 英文名称 缩写分子式矿 物 式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaOSiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaOSiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaOAl2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaOAl2O3Fe2O3含 量(mass%)376015377151018v化学组成：化学组成：主要成分：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：少量杂

7、质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。等。v矿物组成：矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成12水泥颗粒宏观形貌水泥颗粒的结构水泥熟料颗粒细观形貌水泥熟料矿物微观结构13三、水泥浆如何转变成坚硬固体？水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体v凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；v硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。14为什么水泥能由浆体变成固体？v水泥与

8、水能发生化学反应水泥与水能发生化学反应水化反应；水化反应；v水化反应将结合占水泥质量水化反应将结合占水泥质量30左右的拌左右的拌和水；和水；v水化反应的产物水化反应的产物水化物能相互凝聚成水化物能相互凝聚成三向网络结构；三向网络结构；v水化反应产物有很大的表面能，而且相互水化反应产物有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。间有很强的次价键力。151.水泥熟料矿物的水化反应v特征：水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应；其水化反应均是放热反应；水化反应是固液异相反应。v反应速度序列：铝酸三钙C3A的水化铁铝酸四钙C4AF的水化硅酸三钙C3S的水化硅酸二钙C2S的水化16Summaryv

9、硅酸钙的水化2C3S+6H C3S2H3 +3CH +120cal/g2C2S+4H C3S2H3 +CH +62cal/g v铝酸钙的水化C3A +6H2O C3AH6C3A+3CH2+26H C3A3C3H32 +300 cal/g （钙钒石）（钙钒石）C3A+C3A3C3H32+4H C3AC3H12v铁铝酸钙的水化C4AF+7H C3AH6 +CFH水泥的水化过程：v当水泥颗粒分散在水中，石膏和熟料矿物溶解进入溶液中，液相被各种离子饱和；v几分钟内，Ca2、SO4、Al3、OH离子间反应，形成钙钒石；v几小时后，Ca(OH)2晶体和硅酸钙水化物C-S-H开始填充原来由水占据并溶解熟料矿

10、物的空间；v几天后，因石膏量不足，钙钒石开始分解，单硫型硫铝酸钙水化物开始形成。v此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。17石膏的作用v调节水泥的凝结时间,避免水泥浆的闪凝和假凝。v导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。18水 泥水 溶 解沉 淀水泥浆的凝结硬化过程扩 散2.水泥浆的凝结硬化物理过程19单一水泥颗粒在大量水中的水化过程模型新拌1小时后数小时后几天后几周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶体20硅酸盐水泥水化物理过程模型水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。水化物膜层随水化时间向内

11、不断增厚，水泥颗粒粒径缩小在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入加速期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。21v先在固液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积；v早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期；v因渗透压和Ca(OH)2的结晶，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期；v随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较

12、疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结；v由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。水泥浆凝结硬化的物理过程22水泥浆水化放热过程v水泥熟料矿物的水化是放热反应，水泥熟料矿物的水化是放热反应，C3S和和C3A放放热最大，最快；而热最大，最快；而C2S放热最小，最慢。放热最小，最慢。v水泥水化放热有明显的四个阶段：水泥水化放热有明显的四个阶段：1.初始放热初始放热水泥与水一接触，立即放热，放热速度水泥与水一接触，立即放热，放热速度dQ/dt 很快，表明反应激烈。很快，表明反应

13、激烈。2.放热停滞期放热停滞期 放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。3.放热加速期放热加速期 放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明反应逐渐加快。反应逐渐加快。4.放热减速期放热减速期 放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表明反应逐渐减速。明反应逐渐减速。233、硬化水泥浆体水泥石的组成与结构v水泥石的组成固相水泥水化物与未水化的水泥颗粒u胶体相：水化硅酸钙C-S-H凝胶和铁相凝胶等；u晶体相：硫铝酸钙水化物、水化铝酸钙与氢氧化钙晶体等；气相各种尺寸的孔隙与空隙u凝胶孔u毛细孔u工艺空隙液相水或

14、孔溶液u自由水u吸附水u凝胶水v水泥石的组成随水泥水化度而变24四、硅酸盐水泥应满足哪些技术性质v密度与堆积密度密度与堆积密度v细度细度v标准稠度用水量标准稠度用水量v凝结时间凝结时间v体积安定性体积安定性v强度强度v水化热水化热v不溶物和烧失量不溶物和烧失量v碱含量碱含量v耐腐蚀性耐腐蚀性软水侵蚀软水侵蚀盐类侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀酸类腐蚀强碱腐蚀强碱腐蚀防腐措施防腐措施251.细细 度度v定义定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。细度是指水泥粉体的粗细程度。v测量方法测量方法筛分析法筛分析法 以以80 m方孔筛的筛余量表示；方孔筛的筛余量表示；比表面积法比表面积法 以以1kg水泥颗粒所具有的总表面

15、积来水泥颗粒所具有的总表面积来表示。表示。v国标要求国标要求硅酸盐水泥的比表面积应大于硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。普通水泥普通水泥80 m方孔筛的筛余量不得超过方孔筛的筛余量不得超过10.0%。v细度不符合要求的水泥为细度不符合要求的水泥为不合格品不合格品！26问题：为什么需要规定水泥的细度？解答：解答：v水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；v虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速

16、度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；利；v水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；v水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。降低强度。272.凝结时间 v概念：概念：凝结时间水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝时间初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；所需的时间；终凝时间终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。并开始具有强度所需的时间。v测定方法：测定方法：用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。v国标要求：硅酸盐水泥国标要求：硅酸盐水泥初凝时间初凝时间45min；终凝时间终凝时间390min。28水泥凝结时间的测定水泥凝结时间的测定标准稠度标准稠度水泥浆水泥浆离底离底12mm为初凝为初凝园弧形园弧形压痕压痕终终凝凝293.体积安定性 v基本概念：基本概