1、,土木工程材料Building and Construction Material,土木与交通工程学院材料工程系,北京建筑工程学院,凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称水泥（cement）。,水泥的定义,最早采用具有水硬性胶凝材料制备混凝土的是中国人，而不是多少年来一直误认为的古罗马人。据甘肃省考古研究所于1980年和1983年考察，在该省秦安县的大地湾（黄河支流渭水之畔，西安以西约600公里处）先后发掘出两个大型住宅遗址，该遗址的地坪系用混凝土建造，经测算距今已有5千年，相当于“新石器时
2、代”。从大地湾发掘出的混凝土是用水硬性的水泥所制成。这种水泥以礓石一种富含碳酸钙的粘土为原料煅烧而成。,水泥按其用途和性能分类,通用水泥： 用于大量土木建筑工程一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。 专用水泥： 指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥 特性水泥： 某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。,水泥按组成分类,硅酸盐系水泥 铝酸盐系水泥 硫酸盐系水泥 硫铝酸盐系水泥 磷酸盐系水泥等 目前，水泥品种已达100余种，其中硅酸
3、盐系水泥用途最广，本章即重点介绍。,4.1 硅酸盐水泥（波特兰水泥）,硅酸盐水泥为什么又叫波特兰水泥? 19世纪初期（1810-1825年），英国人Aspdin用人工配合原料，再经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料。这种胶凝材料凝结后的外观颜色与当时建筑上常用的英国波特兰岛出产的石灰石相似，故称之为波特兰水泥，我国称为硅酸盐水泥。Portland Cement Silicate Cement ,通用硅酸盐水泥（GB175-2007）（common portland cement）以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏，及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。按照混合材料的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水
4、泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。硅酸盐水泥熟料：由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。,硅酸盐水泥的构成和类别,硅酸盐水泥 = 水泥熟料 + 石膏 + 混合材P（型硅酸盐水泥）= 硅酸盐水泥熟料 + 石膏 + OP（型硅酸盐水泥）= 硅酸盐水泥熟料 + 石膏 + 5%石灰石或粒状高炉矿渣,4.1.1 硅酸盐水泥生产及熟料矿物组成,（1）硅酸盐水泥的生产过程可以概括为“两磨一烧” 。,石灰石,粘 土,铁矿石,生料磨,熟料磨,烧成设备,水泥产品,（2）熟料的矿物组成 名称 分子式
5、简写 含量 硅酸三钙 3CaOSiO2 C3S 3760% 硅酸二钙 2CaOSiO2 C2S 1537% 铝酸三钙 3CaOAl2O3 C3A 715% 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3 C4AF 1018% 次要成分：游离氧化钙、游离氧化镁、碱 10%,各熟料矿物单独与水作用的性质,熟料单矿物水化程度 (%),4.1.2 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,硅酸盐水泥的水化 2(3CaOSiO2) + 6 H2O = 3CaO2SiO23H2O + 3 Ca(OH)2 C-S-H凝胶 2(2CaOSiO2) + 4 H2O = 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 C-S-H凝胶
6、 3CaOAl2O3 + 6 H2O = 3CaOAl2O36H2O 水化铝酸三钙立方晶体 4CaOAl2O3Fe2O3 + 7 H2O = 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O 水化铁酸一钙,C3A在水泥中的实际水化情况:为Ca(OH)2饱和溶液,3CaOAl2O3 + Ca(OH)2 + 12 H2O = 4CaOAl2O313H2O 水化极快，无强度，瞬时凝结速凝或急凝。有石膏存在时（起缓凝作用）：4CaOAl2O313H2O + 3 (CaSO42H2O) + 14 H2O = 3CaOAl2O33CaSO432H2O + Ca(OH)2高硫型水化硫铝酸钙（Aft)，
7、即钙矾石，为针状晶体，包围熟料颗粒，形成“保护膜”，延缓水化。当石膏耗尽，而且3CaOAl2O3量较多时：3CaOAl2O33CaSO432H2O + 2（3CaOAl2O3）+ 4 H2O = 3（3CaOAl2O3CaSO412H2O）单硫型水化硫铝酸钙(Afm),水泥的水化产物及其特性,硅酸盐水泥的凝结硬化,水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐发展而成为坚强的人造石水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。水泥石的组成：水化产物-凝胶体和晶体 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）,
8、水泥凝结硬化过程示意图,(a) (b),(c) (d),1水泥颗粒； 2水分；3凝胶； 4晶体；5水泥颗粒的未水化内核；6毛细孔 (a)分散在水中未水化的水泥颗粒；(b)在水泥颗粒表面形成水化物膜层；(c)膜层长大并互相连接（凝结）；(d)水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）,4.1.3 硅酸盐水泥的性能,细度 凝结时间； 强度； 安定性； 化学减缩； 水化热。, 细度：颗粒的粗细程度,颗粒细，反应快，早期和后期强度高，收缩大当水泥颗粒90m时几乎没有活性 40m时活性好磨的过细电耗大，产量低，成本高 收缩大，易开裂 水化速度过大，凝结硬化快国标要求硅酸盐水泥细度用比表面积表示300m2/kg
9、；其它通用水泥用0.08mm筛余表示，要求不大于10%,（2）凝结时间,水泥浆体屈服值与凝结时间的关系,Ca2+、OH-Al(OH)4-SO42-,C-S-H,AftCSH2,初凝时间取决于C3A、C4AF及C3S的水化；终凝时间主要受C3S水化控制。,凝结时间的测定维卡仪,试针支架,试杆,圆模,试杆沉至底板3-5mm时，即为初凝状态；当下沉0.5mm，没有压痕时即为终凝状态。 影响凝结时间的因素： C3A含量； 水泥的细度； 水灰比； 混合材掺量。,初凝时间：标准稠度水泥净浆开始失去可塑性所需的时间。（施工所需时间、不宜过短）不早于45分钟。初凝时间不合格者为废品。终凝时间：标准稠度净浆完全
10、失去可塑性并开始产生强度所需的时间。（等待硬化、产生强度，不宜过长）不迟于10小时（仅硅酸盐水泥不迟于6.5小时）。,（3）强度,水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T17671-1999）,试体连模一起在湿气中（温度201，相对湿度不低于90%）养护24h，然后脱模在水中（201）养护，测定3d和28d强度。 以28d抗压强度值表示强度等级。,硅酸盐水泥各龄期的强度要求(GB175-1999),三个强度等级、两种类型。R早强型,（4）安定性,水泥在调水和凝结以后，必须不产生任何显著的体积变化。体积安定性不良的水泥，在凝结硬化过程中产生不均匀的膨胀，从而导致硬化浆体的开裂。安定性不良的原因
11、：熟料中f-CaO、f-MgO，及水泥中石膏掺量过多f-CaO、f-MgO是过烧的，结构致密，水化很慢，膨胀；过量石膏与硬化体中的水化铝酸钙作用生成钙矾石，体积膨胀1.5倍，引起不均匀体积变化，造成破坏。,安定性的检验方法,f-CaO：沸煮法(饼法)或雷氏法检验； MgO：216，20atm3h，试体膨胀率不超过0.5%。检测烦琐，故规定f-MgO5.0%。 SO3：试饼试验：将试饼置于潮湿环境或浸入水中经过28d或更长时间观察有无明显变形。其检测烦琐，规定SO35且20且50且20且20且202MPa时,称为自应力水泥。,膨胀水泥,普通硅酸盐水泥在空气中硬化，通常表现为收缩。水泥混凝土成型后
12、，7-60天内的收缩率较大，60天后收缩率趋向缓慢。由于收缩，混凝土内部会产生微裂纹，使混凝土的耐久性降低。 为解决普通水泥硬化后的收缩问题，研制了膨胀水泥。,膨胀水泥原理,在水泥中掺入1150-1250煅烧的CaO，氧化钙水化时产生体积膨胀； 在水泥中掺入900-950煅烧的MgO，氧化镁水化时产生体积膨胀； 在水泥水化过程形成钙矾石，产生体积膨胀。 由于温度对CaO和MgO的水化速度较敏感，在生产上往往膨胀性能不够稳定，因此实际上应用较广的是钙矾石的膨胀。,硅酸盐型,铝酸盐型,硅酸盐水泥,适量高铝水泥,石膏,高铝水泥,石膏,硫铝酸盐型,铁铝酸钙型,3(CA) CaSO4 + C2S,石膏,
13、石膏,铁相(C2F、C4AF),3(CA) CaSO4 + C2S,膨胀水泥类型,膨胀水泥及自应力水泥的应用,膨胀水泥适用于配制收缩补偿混凝土，用于构件的接缝及管道接头，混凝土结构的加固和修补，防渗堵漏工程，机器底座及地脚螺丝的固定等； 自应力水泥适用于制造自应力钢筋混凝土压力管及其配件。,4.4 铝酸盐水泥高铝水泥,熟料组成CA：CaOAl2O3；CA2： CaO2Al2O3；C2AS：2CaOAl2O3SiO2（铝方柱石）；C12A7：12CaO7Al2O3；少量C2S：2CaOSiO2 Al2O3含量约50%。,熟料水化 CA + aq CAH102 CA + aq C2AH8 + AH
14、33 CA + aq C3AH6 + 2 AH3 CA2 + aq CAH10 + AH32 CA2 + aq C2AH8 + 3 AH33 CA2 + aq C3AH6 + 5 AH3,20,15-20,20-30,30,20-30,30,针状、片状的CAH10、C2AH8构成骨架，AH3凝胶充填孔隙。,4.4 铝酸盐水泥高铝水泥,高铝水泥各龄期强度值,高铝水泥的特点,快凝早强，1d强度可达最高强度的80%以上，后期强度增长不显著； 水化热大，且放热量集中，1d内即可放出水化热总量的70-80%； 结构致密，抗硫酸盐性能很强，但耐碱性极差； 耐热性差,30以上使用水硬性差；耐高温性好，高铝水
15、泥混凝土在1300还能保持约53%的强度； 长期强度有降低的趋势。,高铝水泥的应用,配制不定形耐火材料； 配制不同类型的膨胀水泥和自应力水泥； 用于抢修、抢建，抗耐硫酸盐腐蚀和冬季施工等特殊要求的工程。 高铝水泥最适宜的硬化温度为15左右，一般不得超过25。因此用高铝水泥调制的混凝土不能进行蒸汽养护，且不宜在高温季节施工。,4.5 快硬硫铝酸盐水泥,主要用于抢修工程、军事工程、预应力钢筋混凝土构件等；以3d的抗压强度值作为标号，有两类： 快硬硫铝酸盐水泥：42.5、52.5和62.5 熟料组成：3(CaOAl2O3)CaSO4 36-44% -C2S 23-34% C2F 10-17% CaS
16、O4 12-17%,快硬硫铝酸盐水泥熟料生产过程,原料：石灰石、矾土、无水石膏。900-1000： CaCO3CaO + CO2 Al2O3xH2O Al2O3 + H2O 1000-1250：CaSO4 + 3CaO + 3Al2O3 3(CaOAl2O3)CaSO4CaSO4 + 4CaO + 2SiO2 2CaOSiO2CaSO41280： 2CaOSiO2CaSO4 2CaOSiO2+ CaSO4合适煅烧温度1250-1350。,快硬硫铝酸盐水泥的水化,3(CaOAl2O3)CaSO4 + 2(CaSO42H2O) + 36H2O2Al(OH)3 + 3CaOAl2O33CaSO432
17、H2O3(CaOAl2O3)CaSO4 + 18H2O 2Al(OH)3 + 3CaOAl2O3CaSO412H2OC2S + n H2OC-S-H + Ca(OH)23 Ca(OH)2 + Al(OH)3 + 3(CaSO42H2O)+20H2O 3CaOAl2O33CaSO432H2O,钙矾石构成骨架结构，Al(OH)3和C-S-H凝胶充填于骨架间隙中。,练 习,1、在硅酸盐水熟料矿物C3S、C2S、C3A、C4AF中，干缩性最大的是_ 。,C3A,2、国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得早于_，终凝时间不迟于_ 。,45min6.5h,答案,答案,练 习,3、水泥孰料中，水化速度最快，
18、28天水化热最大的是。,C3A,ABD,答案,答案,4、引起水泥安定性不合格的原因有（）。 A、熟料游离氧化钙过多B、熟料中游离氧化镁过多 C、二氧化硅含量过量 D、加入的石膏过多,练 习,5、以下工程适合用硅酸盐水泥的是。A.大体积混凝土工程B.受海水及化学侵蚀的工程C.耐热混凝土工程D.早期强度要求较高的淺工程,6、生产硅酸盐水泥时，一定要加入适量石膏，是为了对水泥起_ 作用。,D,缓凝,7、判断：国标规定，硅酸盐水泥体积安定性不符合要求时应初视为废品。（）,正确,答案,答案,练 习,8、为何不是水泥细度越细，强度越高？,9、与硅酸盐水泥相比，矿渣水泥的早期强度_ ，水化热_ ，抗冻性_，
19、耐腐蚀性_ 。,低、小、差、好,答案,答案,一般来讲，水泥颗粒细有利于提高水泥的水化速度及充分水化，有利于提高强度，特别是早期强度。但水泥颗粒过细，比表面积过大，水泥浆体达到标准稠度用水量过多，反面影响水泥的强度。,练 习,10、高铝水泥制品为何不宜蒸养？,高铝水泥的水化在环境温度小于20时主要生成 CAH10，在温度2030会转变为C2AH8及 Al(OH)3，温度大于30时再转变为C3AH6及Al(OH)3、凝胶CAH10 、C2AH8等为介稳态水化产物， C3AH6是稳定态的，但是强度低。当蒸养时直接生成C3AH6这类强度低的水化产物，故高铝水泥制品不易蒸养。,11、生产水泥时常用的混合
20、材料有_ 、_和_ 。,火山灰、粉煤灰、矿渣,答案,答案,练 习,12、与硅酸盐水泥相比，矿渣水泥的早期强度_ ，水化热_ ，抗冻性_ ，耐腐蚀性_ 。,低、小、差、好,13、某些体积安定性不良的水泥，在存放一段时间后变为合格，为什么？,某些体积安定性轻度不合格的水泥，在空气中存放24 周以上，水泥中的部分游离氧化钙可吸收空气中的水蒸气而水化，即在空气中存放一段时间后由于游离氧化钙的膨胀作用被减小或消除，因而水泥的安定性可能由轻度不合格变为合格。,答案,答案,练 习,14、水泥石是由凝胶体、 、 和毛细孔组成的。,晶体、未水化的熟料内核,15、 根据下列条件选择适宜的水泥品种：早期强度要求高，
21、抗冻性好的混凝土应选用_水泥；抗淡水侵蚀强、抗渗性高的混凝土应选用_水泥；抗软水及硫酸盐腐蚀较强、耐热性好的混凝土应选用_水泥。,普通硅酸盐水泥(或硅酸盐水泥)、火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥,答案,答案,练习,16、常用的活性混合材料为_、_、_，活性混合材料的主要化学成分是_和_，这些活性成分能引起水泥腐蚀的水化产物_反应，生成_和_而参与水泥凝结硬化。,粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰、二氧化硅、三氧化铝、氢氧化钙、水化硅酸钙、水化硫铝酸钙,17、引起水泥石腐蚀的内因主要是由于水化产物中含有_、_及水泥石的_不够所造成的。,氢氧化钙、水化铝三钙、密实度,答案,练 习,18、为了
22、加快模具的周转，在生产混凝土预制构件时，常用蒸汽养护的方法，在此条件下，选择制成混凝土构件时，应采用()水泥拌制混凝土。A.普通水泥B.高铝水泥C.粉煤灰水泥,C,19、在江河桥梁建设中，不宜采用()水泥拌制混凝土。A.普通水泥B.矿渣水泥C.火山灰水泥,A,答案,答案,练 习,20、 某工程中用普通水泥配制的混凝土，产生裂纹，试分析下列原因中哪个不正确()。A.混凝土因水化后体积膨胀开裂B.因干缩变形而开裂 C.水泥体积安定性不良,A,21、 硅酸盐水泥的初凝时间不得早于( )，终凝时间不得迟于( )。A.30 min B.45 min C.12 h D.15 h E.6.5 h,BE,答案
23、,答案,练 习,22、下列胶凝材料中，干燥收缩最大的是( )。A.建筑石膏 B.粉煤灰 C.硅酸盐水泥 D.石灰,D,23、 高层建筑基础工程的混凝土宜优先选用()。A.普通水泥B.矿渣水泥C.火山灰水泥,B,答案,答案,练 习,24、现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐水泥，请加以鉴别(化学分析法除外)。,取相同质量的四种粉末，分别加入适量的水拌合为同一稠度的浆体。放热量最大且有大量的水蒸汽放出的为生石灰粉；在530 min内凝结并具有一定强度的为建筑石膏；在45 min到12 h内凝结硬化的为白色水泥；加水后没有任何反映和变化的白色石灰石粉。,答案,练 习
24、,25、 为什么生产硅酸盐水泥时掺加适量石膏对水泥不起破坏作用，而硬化水泥石在有硫酸盐的的环境介质中生成石膏时就有破坏作用？,硫酸盐对水泥石的腐蚀作用，是因为膨胀性产物高硫型水化硫铝酸钙 是在变形能力很小的水泥石内产生的故可以把水泥石胀裂。生产水泥时掺入适量的石膏也会和水化产物C3AH6反应生成 ，但该水化产物主要在水泥浆体凝结果前产生，凝结果后产生的很少。此时水泥浆还未凝结，具有流动性和可塑性，因而对水泥浆体无破坏作用,答案,练 习,26、下列混凝土工程中宜优先选用哪种水泥？（1）处于干燥环境中的混凝土工程。（2）采用湿热处理的混凝土构件。（3）厚大体积混凝土工程。（4）水泥下混凝土工程。（5）高强度混凝土工程。（6）高温炉或工业窑炉的混凝土基础。（7）严寒地区受反复冻融的混凝土工程。（8）有抗渗要求的混凝土工程。（9）混凝土地面或路面工程。,（1）普通硅酸盐水泥。（2）矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。（3）矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥。（4）矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥。（5）硅酸盐水泥。（6）矿渣硅酸盐水泥。（7）硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。（8）火山灰质硅酸盐水泥、或普通硅酸盐水泥。（9）硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。,答案,
