土木建筑04土木工程材料.pptx

第第4章章 水水 泥泥1.1第4章 水 泥 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第第4章章 水水 泥泥1.2 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 掺混合材料的硅酸盐系水泥掺混合材料的硅酸盐系水泥 硅酸盐系特种水泥硅酸盐系特种水泥 铝酸盐水泥铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥 思考题思考题本章内容本章内容第第4章章 水水 泥泥1.3 水泥是一种粉状矿物胶凝材料，它与水混合后形成浆体，经过一系列水泥是一种粉状矿物胶凝材料，它与水混合后形成浆体，经过一系列物理化学变化，由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒材料胶结物理化学变化，由可塑性浆体变成坚硬的石状体，并能将散粒材料胶结成为整体。水泥浆体不仅能在空气中凝结硬化，更能在水中凝结硬化，成为整体。水泥浆体不仅能在空气中凝结硬化，更能在水中凝结硬化，是一种水硬性胶凝材料。是一种水硬性胶凝材料。水泥是土木工程最重要的材料，也是用量最大的材料，水泥混凝土已水泥是土木工程最重要的材料，也是用量最大的材料，水泥混凝土已经成为了现代社会的基石，在经济社会发展中发挥着重要作用。经成为了现代社会的基石，在经济社会发展中发挥着重要作用。土木工程中应用的水泥品种众多，按其化学组成可分为硅酸盐系水泥、土木工程中应用的水泥品种众多，按其化学组成可分为硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、铁铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥、氟铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、铁铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥、氟铝酸盐系水泥等系列。按照国家标准铝酸盐系水泥等系列。按照国家标准GB/T 41311997水泥的命名、定水泥的命名、定义和术语义和术语规定，按水泥的性能及用途可分为三大类，即用于一般土木规定，按水泥的性能及用途可分为三大类，即用于一般土木建筑工程的通用水泥，主要包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅建筑工程的通用水泥，主要包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥酸盐水泥、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等六大硅酸盐系水泥；具有专门用途的专用水泥，如道路水泥、砌筑水等六大硅酸盐系水泥；具有专门用途的专用水泥，如道路水泥、砌筑水泥和油井水泥等；具有某种比较突出性能的特性水泥，如快硬硅酸盐水泥和油井水泥等；具有某种比较突出性能的特性水泥，如快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和膨胀水泥、白色硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和膨胀水泥等。泥等。第第4章章 水水 泥泥1.4 按国家标准按国家标准GB 1751999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥规定，凡由硅酸盐规定，凡由硅酸盐水泥熟料、水泥熟料、0%5%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，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，称为硅酸盐水泥称为硅酸盐水泥(国外通称波特兰水泥国外通称波特兰水泥)。硅酸盐水泥分两类：不掺加混合材料的称。硅酸盐水泥分两类：不掺加混合材料的称型硅酸盐水泥，代号型硅酸盐水泥，代号P；在水泥粉磨时掺入不超过水泥质量；在水泥粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化的石灰石或粒化高炉矿渣的称高炉矿渣的称型硅酸盐水泥，代号型硅酸盐水泥，代号P。凡由硅酸盐水泥熟料、凡由硅酸盐水泥熟料、6%15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥简称普通水泥)，代号，代号PO。掺加活性混合材料时，最大。掺加活性混合材料时，最大掺量不得超过掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时最大掺量不得超过水泥质量的的非活性混合材料来代替。掺非活性混合材料时最大掺量不得超过水泥质量的10%。一、硅酸盐水泥的生产一、硅酸盐水泥的生产 1.硅酸盐水泥熟料的组成硅酸盐水泥熟料的组成 由水泥原料经配比后煅烧得到的块状料即为水泥熟料，是水泥的主要组成部分。由水泥原料经配比后煅烧得到的块状料即为水泥熟料，是水泥的主要组成部分。水泥熟料的组成成分可分为化学成分和矿物成分两类。水泥熟料的组成成分可分为化学成分和矿物成分两类。硅酸盐水泥熟料的化学成分主要是氧化钙硅酸盐水泥熟料的化学成分主要是氧化钙(CaO)、氧化硅、氧化硅(SiO2)、氧化铝、氧化铝(Al2O3)、氧化铁、氧化铁(Fe2O3)四种氧化物，占熟料质量的四种氧化物，占熟料质量的94%左右。其中，左右。其中，CaO约占约占60%67%，SiO2约占约占20%24%，Al2O3约占约占4%9%，Fe2O3约占约占2.5%6%。这几。这几种氧化物经过高温煅烧后，反应生成多种具有水硬性的矿物，成为水泥熟料。种氧化物经过高温煅烧后，反应生成多种具有水硬性的矿物，成为水泥熟料。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.5 硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分是硅酸三钙硅酸盐水泥熟料的主要矿物成分是硅酸三钙(3CaOSiO2)，简称为，简称为C3S，约占，约占50%60%；硅酸二钙；硅酸二钙(2CaOSiO2)，简称为，简称为C2S，约占，约占15%37%；铝酸三钙；铝酸三钙(3CaOAl2O3)，简称为，简称为C3A，约占，约占7%15%；铁铝酸四钙；铁铝酸四钙(4CaOAl2O3Fe2O3)，简称为，简称为C4AF，约占，约占10%18%。2.硅酸盐水泥的原料及生产工艺硅酸盐水泥的原料及生产工艺 生产硅酸盐水泥的原料主要是石灰石、粘土和铁矿石粉，煅烧一般用煤作燃生产硅酸盐水泥的原料主要是石灰石、粘土和铁矿石粉，煅烧一般用煤作燃料。石灰石主要提供料。石灰石主要提供CaO，粘土主要提供，粘土主要提供SiO2、Al2O3和和Fe2O3，铁矿石粉主，铁矿石粉主要是补充要是补充Fe2O3的不足。硅酸盐水泥的生产工艺流程可用图的不足。硅酸盐水泥的生产工艺流程可用图4.1表示。表示。图图4.1 硅酸盐水泥的生产工艺流程硅酸盐水泥的生产工艺流程硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥1 450石灰石石灰石粘土粘土铁矿石粉铁矿石粉按比例配料按比例配料粉磨机，磨细粉磨机，磨细生料生料水泥窑，煅烧水泥窑，煅烧熟料熟料加加适适量量石石膏膏和和和混合材料和混合材料粉磨机，磨细粉磨机，磨细袋装水泥泥袋装水泥泥散装水泥散装水泥第第4章章 水水 泥泥1.6 硅酸盐水泥的生产有三大主要环节，即生料制备、熟料烧成和水泥制成，这硅酸盐水泥的生产有三大主要环节，即生料制备、熟料烧成和水泥制成，这三大环节的主要设备是生料粉磨机、水泥熟料煅烧窑和水泥粉磨机，其生产过三大环节的主要设备是生料粉磨机、水泥熟料煅烧窑和水泥粉磨机，其生产过程常形象地概括为程常形象地概括为“两磨一烧两磨一烧”。水泥生产工艺按生料制备时加水制成料浆的。水泥生产工艺按生料制备时加水制成料浆的称为湿法生产，干磨成粉料的称为干法生产；由于生料煅烧成熟料是水泥生产称为湿法生产，干磨成粉料的称为干法生产；由于生料煅烧成熟料是水泥生产的关键环节，因此，水泥的生产工艺也常以煅烧窑的类型来划分。生料在煅烧的关键环节，因此，水泥的生产工艺也常以煅烧窑的类型来划分。生料在煅烧过程中要经过干燥、预热、分解、烧成和冷却五个环节，通过一系列物理、化过程中要经过干燥、预热、分解、烧成和冷却五个环节，通过一系列物理、化学变化，生成水泥矿物，形成水泥熟料，为使生料能充分反应，窑内烧成温度学变化，生成水泥矿物，形成水泥熟料，为使生料能充分反应，窑内烧成温度要达到要达到1 450。目前，我国水泥熟料的煅烧主要有以悬浮预热和窑外分解技术。目前，我国水泥熟料的煅烧主要有以悬浮预热和窑外分解技术为核心的新型干法生产工艺、回转窑生产工艺和立窑生产工艺等几种。由于新为核心的新型干法生产工艺、回转窑生产工艺和立窑生产工艺等几种。由于新型干法生产工艺具有规模大、质量好、消耗低、效率高的特点，已经成为发展型干法生产工艺具有规模大、质量好、消耗低、效率高的特点，已经成为发展方向和主流，而传统的回转窑和立窑生产工艺由于技术落后、消耗高、效率低方向和主流，而传统的回转窑和立窑生产工艺由于技术落后、消耗高、效率低正逐渐被淘汰。正逐渐被淘汰。硅酸盐水泥生产中，须加入适量石膏和混合材料，加入石膏的作用是延缓水硅酸盐水泥生产中，须加入适量石膏和混合材料，加入石膏的作用是延缓水泥的凝结时间，以满足使用的要求；加入混合材料则是为了改善其品种和性能，泥的凝结时间，以满足使用的要求；加入混合材料则是为了改善其品种和性能，扩大其使用范围。扩大其使用范围。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.7二、硅酸盐水泥的水化与硬化二、硅酸盐水泥的水化与硬化1.硅酸盐水泥熟料矿物的水化硅酸盐水泥熟料矿物的水化 硅酸盐水泥熟料由四种主要矿物组成，这些矿物的水化硬化性质决定了水泥的性质。因此，硅酸盐水泥熟料由四种主要矿物组成，这些矿物的水化硬化性质决定了水泥的性质。因此，研究水泥的水化硬化，必须首先研究各种矿物的水化硬化。对水泥水化硬化的研究主要关注研究水泥的水化硬化，必须首先研究各种矿物的水化硬化。对水泥水化硬化的研究主要关注四个方面的性质，即水化产物、水化速率、凝结硬化速率和硬化后强度。因水泥强度随时间四个方面的性质，即水化产物、水化速率、凝结硬化速率和硬化后强度。因水泥强度随时间不断发展，研究其强度时，一般划分为早期强度和后期强度。不断发展，研究其强度时，一般划分为早期强度和后期强度。1)硅酸三钙的水化硅酸三钙的水化 硅酸三钙是水泥熟料的主要矿物，其水化作用、产物和凝结硬化对水泥的性能有重要影响。硅酸三钙是水泥熟料的主要矿物，其水化作用、产物和凝结硬化对水泥的性能有重要影响。在常温下硅酸三钙的水化反应如下：在常温下硅酸三钙的水化反应如下：3CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2 简写为简写为C3SnH=C-S-H(3-x)CH 其水化产物为水化硅酸钙和氢氧化钙。水化硅酸钙为凝胶体，显微结构是纤维状，称为其水化产物为水化硅酸钙和氢氧化钙。水化硅酸钙为凝胶体，显微结构是纤维状，称为C-S-H凝胶，其组成的凝胶，其组成的CaO/SiO2分子比分子比(简写为简写为C/S)和和H2O/SiO2分子比分子比(简写为简写为H/S)都在较大范都在较大范围内波动。氢氧化钙为组成固定的晶体，易溶于水。围内波动。氢氧化钙为组成固定的晶体，易溶于水。硅酸三钙水化速率很快，水化放热量大。生成的硅酸三钙水化速率很快，水化放热量大。生成的C-S-H凝胶构成具有很高强度的空间网络结凝胶构成具有很高强度的空间网络结构，是水泥强度的主要来源，其凝结时间正常，早期和后期强度都较高。构，是水泥强度的主要来源，其凝结时间正常，早期和后期强度都较高。2)硅酸二钙的水化硅酸二钙的水化 硅酸二钙的水化与硅酸三钙相似，但水化速率慢很多，其水化反应如下：硅酸二钙的水化与硅酸三钙相似，但水化速率慢很多，其水化反应如下：2CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.8 简写为简写为C2SnH=C-S-H(2-x)CH 其水化产物中水化硅酸钙在其水化产物中水化硅酸钙在C/S和形貌方面都与和形貌方面都与C3S的水化产物无大的区别，也称为的水化产物无大的区别，也称为C-S-H凝胶。而氢氧化钙的生成量较凝胶。而氢氧化钙的生成量较C3S的少，且结晶比较粗大。的少，且结晶比较粗大。在硅酸盐水泥熟料矿物质中，硅酸二钙水化速率最慢，但后期增长大，水化放热量小；其早在硅酸盐水泥熟料矿物质中，硅酸二钙水化速率最慢，但后期增长大，水化放热量小；其早期强度低，后期强度增长，可接近甚至超过硅酸三钙的强度，是保证水泥后期强度增长的主期强度低，后期强度增长，可接近甚至超过硅酸三钙的强度，是保证水泥后期强度增长的主要因素。要因素。3)铝酸三钙的水化铝酸三钙的水化 铝酸三钙水化产物通称为水化铝酸钙，其组成和结构受液相中铝酸三钙水化产物通称为水化铝酸钙，其组成和结构受液相中CaO浓度和温度的影响较大，浓度和温度的影响较大，在常温下生成介稳状态的水化铝酸钙，常温下典型的水化反应为：在常温下生成介稳状态的水化铝酸钙，常温下典型的水化反应为：2(3CaOAl2O3)+27H2O=4CaOAl2O319H2O+2CaOAl2O38H2O 简写为简写为 2C3A27H=C4AH19C2AH8 这些水化铝酸钙为片状晶体，最终会转化为等轴晶的水化铝酸三钙这些水化铝酸钙为片状晶体，最终会转化为等轴晶的水化铝酸三钙3CaOAl2O36H2O(简简写为写为C3AH6)。当温度高于。当温度高于35时，时，C3A则会直接水化成则会直接水化成C3AH6，因此，因此，C3A的最终水化反应的最终水化反应可表示为：可表示为：3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAl2O36H2O 简写为简写为 C3A6H=C3AH6 在硅酸盐水泥熟料矿物质中，铝酸三钙水化速率最快，水化放热量大且放热速率快。其早在硅酸盐水泥熟料矿物质中，铝酸三钙水化速率最快，水化放热量大且放热速率快。其早期强度增长快，但强度值并不高，后期几乎不再增长，对水泥的早期期强度增长快，但强度值并不高，后期几乎不再增长，对水泥的早期(3d以内以内)强度有一定的影强度有一定的影响。由于响。由于C3AH6为立方体晶体，是水化铝酸钙中结合强度最低的产物，它甚至会使水泥后期为立方体晶体，是水化铝酸钙中结合强度最低的产物，它甚至会使水泥后期强度下降。水化铝酸钙凝结速率快，会使水泥产生快凝现象。因此，在水泥生产时要加入缓强度下降。水化铝酸钙凝结速率快，会使水泥产生快凝现象。因此，在水泥生产时要加入缓凝剂凝剂石膏，以使水泥凝结时间正常。石膏，以使水泥凝结时间正常。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.9 4)铁铝酸四钙的水化铁铝酸四钙的水化 铁铝酸四钙是熟料中铁相固溶体的代表，氧化铁的作用与氧化铝的作用相似，铁铝酸四钙是熟料中铁相固溶体的代表，氧化铁的作用与氧化铝的作用相似，可看作可看作C3A中一部分氧化铝被氧化铁所取代。其水化反应及产物与中一部分氧化铝被氧化铁所取代。其水化反应及产物与C3A相似，生相似，生成水化铝酸钙与水化铁酸钙的固溶体，其反应可表示为：成水化铝酸钙与水化铁酸钙的固溶体，其反应可表示为：4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O 简写为简写为 C4AF7H=C3AH6CFH 铁铝酸四钙水化速率较快，仅次于铁铝酸四钙水化速率较快，仅次于C3A，水化热不高，凝结正常，其强度值较，水化热不高，凝结正常，其强度值较低，但抗折强度相对较高。提高低，但抗折强度相对较高。提高C4AF的含量，可降低水泥的脆性，有利于道路等的含量，可降低水泥的脆性，有利于道路等有振动交变荷载作用的应用场合。有振动交变荷载作用的应用场合。硅酸盐水泥熟料矿物的水化硬化特性见表硅酸盐水泥熟料矿物的水化硬化特性见表4-1，熟料矿物的强度增长情况比较如，熟料矿物的强度增长情况比较如图图4.2所示。所示。表表4-1 熟料矿物的水化硬化特性熟料矿物的水化硬化特性硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥矿物名称水化速率28d水化热凝结硬化速率强度耐化学侵蚀性早期后期C3S快多快高高中C2S慢少慢低高良C3A最快最多最快低低差C4AF快中快低低优第第4章章 水水 泥泥1.102.硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥的水化 硅酸盐水泥由熟料矿物和石膏组成，是一个多矿物的集合体，其水化硬化受硅酸盐水泥由熟料矿物和石膏组成，是一个多矿物的集合体，其水化硬化受到各组分的共同影响。到各组分的共同影响。水泥加水拌合后，水泥加水拌合后，C3A、C4AF、C3S与水快速反应，石膏也迅速溶解于水；与水快速反应，石膏也迅速溶解于水；在石膏存在的条件下，在石膏存在的条件下，C3A不再生成水化铝酸钙，而是与石膏反应生成为针状不再生成水化铝酸钙，而是与石膏反应生成为针状晶体的三硫型水化硫铝酸钙晶体的三硫型水化硫铝酸钙(又称钙矾石又称钙矾石)，其反应式为：，其反应式为：3CaOAl2O33(CaSO42H2O)24H2O 26H2O=3CaOAl2O33CaSO430H2O32H2O 简写为简写为图图4.2 各矿物强度增长曲线各矿物强度增长曲线硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.11 若石膏消耗完毕而还有若石膏消耗完毕而还有C3A时，则钙矾石会与时，则钙矾石会与C3A继续作用转化为单硫型水继续作用转化为单硫型水化硫铝酸钙，其反应式为：化硫铝酸钙，其反应式为：3CaOAl2O33CaSO432H2O2(3CaOAl2O3)4H2O=3(3CaOAl2O3)CaSO412H2O简写为简写为 水化硫铝酸钙具有正常的凝结时间，而且其强度高于水化铝酸钙。石膏也会水化硫铝酸钙具有正常的凝结时间，而且其强度高于水化铝酸钙。石膏也会与与C4AF反应生成水化硫铝反应生成水化硫铝(铁铁)酸钙，石膏的存在还可以加速酸钙，石膏的存在还可以加速C3S和和C2S水化。水化。硅酸盐水泥水化的主要产物是硅酸盐水泥水化的主要产物是C-S-H凝胶和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化凝胶和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等晶体。在完全水化的水泥石中，铝酸钙和水化硫铝酸钙等晶体。在完全水化的水泥石中，C-S-H凝胶约占凝胶约占70%、氢氧化钙约占、氢氧化钙约占20%、水化硫铝酸钙、水化硫铝酸钙(包括钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙包括钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙)约占约占7%。3.硅酸盐水泥的凝结与硬化硅酸盐水泥的凝结与硬化 水泥的凝结指水泥加水后从流动状态到固体状态的变化，即水泥浆失去流动水泥的凝结指水泥加水后从流动状态到固体状态的变化，即水泥浆失去流动性而具有一定的强度。凝结时间分为性而具有一定的强度。凝结时间分为“初凝初凝”和和“终凝终凝”，它直接影响工程的，它直接影响工程的施工。硬化则是指水泥浆体固化后所建立的网状结构具有一定的机械强度，并施工。硬化则是指水泥浆体固化后所建立的网状结构具有一定的机械强度，并不断发展的过程。水泥的水化与凝结硬化是一个连续的过程。水化是凝结硬化不断发展的过程。水泥的水化与凝结硬化是一个连续的过程。水化是凝结硬化的前提，凝结硬化是水化的结果。凝结与硬化是同一过程的不同阶段，但凝结的前提，凝结硬化是水化的结果。凝结与硬化是同一过程的不同阶段，但凝结硬化的各阶段是交错进行的，不能截然分开。硬化的各阶段是交错进行的，不能截然分开。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.12 关于水泥凝结硬化机理的研究，已经有关于水泥凝结硬化机理的研究，已经有100多年的历史，并有多种理论进行解释，多年的历史，并有多种理论进行解释，随着现代测试技术的发展应用，其研究还在不断深入。一般认为水泥浆体凝结硬化随着现代测试技术的发展应用，其研究还在不断深入。一般认为水泥浆体凝结硬化过程可分为早、中、后三个时期，分别相当于一般水泥在过程可分为早、中、后三个时期，分别相当于一般水泥在20温度环境中水化温度环境中水化3h、20h30h以及更长时间。水泥凝结硬化过程如图以及更长时间。水泥凝结硬化过程如图4.3所示。所示。水泥加水后，水泥颗粒迅速分散于水中水泥加水后，水泥颗粒迅速分散于水中(如图如图4.3(a)。在水化早期，大约是加水。在水化早期，大约是加水拌和到初凝时止，水泥颗粒表面迅速发生水化反应，几分钟内即在表面形成凝胶状拌和到初凝时止，水泥颗粒表面迅速发生水化反应，几分钟内即在表面形成凝胶状膜层，并从中析出六方片状的氢氧化钙晶体，大约膜层，并从中析出六方片状的氢氧化钙晶体，大约h左右即在凝胶膜外及液相中左右即在凝胶膜外及液相中形成粗短的棒状钙矾石晶体，如图形成粗短的棒状钙矾石晶体，如图4.3(b)所示。这一阶段，由于晶体太小不足以在所示。这一阶段，由于晶体太小不足以在颗粒间搭接，使之连结成网状结构，水泥浆既有可塑性又有流动性。颗粒间搭接，使之连结成网状结构，水泥浆既有可塑性又有流动性。(a)分散在水中的水泥颗粒分散在水中的水泥颗粒 (b)在水泥颗粒表面在水泥颗粒表面 (c)膜层长大并互相膜层长大并互相 (d)水泥产物进一步发展，水泥产物进一步发展，形成水化物膜层形成水化物膜层 连接连接(凝结凝结)填充毛细孔填充毛细孔(硬化硬化)图图4.3 水泥凝结硬化过程示意图水泥凝结硬化过程示意图1.水泥颗粒；水泥颗粒；2.水；水；3.凝胶；凝胶；4.晶体；晶体；5.未水化水泥内核；未水化水泥内核；6.毛细孔毛细孔硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.13 在水化中期，约有在水化中期，约有30%的水泥已经水化，以的水泥已经水化，以C-S-H、CH和钙矾石的快速形成为特征，由于和钙矾石的快速形成为特征，由于颗粒间间隙较大，颗粒间间隙较大，C-S-H呈长纤维状。此时水泥颗粒被呈长纤维状。此时水泥颗粒被C-S-H形成的一层包裹膜完全包住，并形成的一层包裹膜完全包住，并不断向外增厚，逐渐在膜内沉积。同时，膜的外侧生长出长针状钙矾石晶体，膜内侧则生成不断向外增厚，逐渐在膜内沉积。同时，膜的外侧生长出长针状钙矾石晶体，膜内侧则生成低硫型水化硫铝酸钙，低硫型水化硫铝酸钙，CH晶体在原先充水的空间形成。这期间膜层和长针状钙矾石晶体长大，晶体在原先充水的空间形成。这期间膜层和长针状钙矾石晶体长大，将各颗粒连接起来，使水泥凝结。同时，大量形成的将各颗粒连接起来，使水泥凝结。同时，大量形成的C-S-H长纤维状晶体和钙矾石晶体一起，长纤维状晶体和钙矾石晶体一起，使水泥石网状结构不断致密，逐步发挥出强度。使水泥石网状结构不断致密，逐步发挥出强度。水化后期大约是水化后期大约是1d以后直到水化结束，水泥水化反应渐趋减缓，各种水化产物逐渐填满原以后直到水化结束，水泥水化反应渐趋减缓，各种水化产物逐渐填满原来由水占据的空间，由于颗粒间间隙较小，来由水占据的空间，由于颗粒间间隙较小，C-S-H呈短纤维状。水化产物不断填充水泥石网呈短纤维状。水化产物不断填充水泥石网状结构，使之不断致密，渗透率降低，强度增加。随着水化的进行，凝胶体膜层越来越厚，状结构，使之不断致密，渗透率降低，强度增加。随着水化的进行，凝胶体膜层越来越厚，水泥颗粒内部的水化越来越困难，经过几个月甚至若干年的长时间水化后，多数颗粒仍剩余水泥颗粒内部的水化越来越困难，经过几个月甚至若干年的长时间水化后，多数颗粒仍剩余未水化的内核。所以，硬化后的水泥浆体是由凝胶体、晶体、未水化的水泥颗粒内核、毛细未水化的内核。所以，硬化后的水泥浆体是由凝胶体、晶体、未水化的水泥颗粒内核、毛细孔及孔隙中的水与空气组成，是固液气三相多孔体系，具有一定的机械强度和孔隙率，孔及孔隙中的水与空气组成，是固液气三相多孔体系，具有一定的机械强度和孔隙率，外观和性能与天然石材相似，因而称之为水泥石。其在不同时期的相对数量变化，影响着水外观和性能与天然石材相似，因而称之为水泥石。其在不同时期的相对数量变化，影响着水泥石性质的变化。水泥石中水化产物、强度、孔隙的发展情况如图泥石性质的变化。水泥石中水化产物、强度、孔隙的发展情况如图4.4所示。所示。在水泥石中，水化硅酸钙凝胶是组成的主体，对水泥石的强度、凝结速率、水化热及其他在水泥石中，水化硅酸钙凝胶是组成的主体，对水泥石的强度、凝结速率、水化热及其他主要性质起支配作用。水泥石中凝胶之间、晶体与凝胶、未水化颗粒与凝胶之间产生粘结力主要性质起支配作用。水泥石中凝胶之间、晶体与凝胶、未水化颗粒与凝胶之间产生粘结力是凝胶体具有强度的实质，至今尚无明确的结论。一般认为范德华力、氢键、离子引力和表是凝胶体具有强度的实质，至今尚无明确的结论。一般认为范德华力、氢键、离子引力和表面能是产生粘结力的主要原因，也有认为存在化学键力的作用。面能是产生粘结力的主要原因，也有认为存在化学键力的作用。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.14 水泥熟料矿物的水化是放热反应。水水泥熟料矿物的水化是放热反应。水化放热量和放热速率不仅影响水泥的凝化放热量和放热速率不仅影响水泥的凝结硬化速率，还会由于热量的积蓄产生结硬化速率，还会由于热量的积蓄产生较大的内外温差，影响结构的稳定性。较大的内外温差，影响结构的稳定性。大体积混凝土工程如大型基础、水库大大体积混凝土工程如大型基础、水库大坝和桥墩等，结构中的水泥水化热不易坝和桥墩等，结构中的水泥水化热不易散发，积蓄在内部，可使内外温差达到散发，积蓄在内部，可使内外温差达到60以上，引起较大的温度应力，产生以上，引起较大的温度应力，产生温度裂缝，导致结构开裂，甚至引起严温度裂缝，导致结构开裂，甚至引起严重的破坏。所以，大体积混凝土宜采用重的破坏。所以，大体积混凝土宜采用低热水泥，并采取措施进行降温，以保低热水泥，并采取措施进行降温，以保证结构的稳定和安全。在低温条件和冬证结构的稳定和安全。在低温条件和冬季施工中，采用水化热高的水泥，则可季施工中，采用水化热高的水泥，则可促进水泥的水化和凝结硬化，提高早期促进水泥的水化和凝结硬化，提高早期强度。强度。图图4.4 水化产物、强度、孔隙发展示意图水化产物、强度、孔隙发展示意图硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.154.影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素 1)熟料矿物组成的影响熟料矿物组成的影响 由于各矿物的组成比例不同、性质不同由于各矿物的组成比例不同、性质不同(见表见表4-1，如图，如图4.2所示所示)，对水泥性质的，对水泥性质的影响也不同。如硅酸钙占熟料的比例最大，它是水泥的主导矿物，其比例决定了水影响也不同。如硅酸钙占熟料的比例最大，它是水泥的主导矿物，其比例决定了水泥的基本性质；泥的基本性质；C3A的水化和凝结硬化速率最快，是影响水泥凝结时间的主要因素，的水化和凝结硬化速率最快，是影响水泥凝结时间的主要因素，加入石膏可延缓水泥凝结，但石膏掺量不能过多，否则会引起安定性不良；当加入石膏可延缓水泥凝结，但石膏掺量不能过多，否则会引起安定性不良；当C3S和和C3A含量较高时，水泥凝结硬化快、早期强度高，水化放热量大。熟料矿物对水含量较高时，水泥凝结硬化快、早期强度高，水化放热量大。熟料矿物对水泥性质的影响是各矿物的综合作用，不是简单叠加，其组成比例是影响水泥性质的泥性质的影响是各矿物的综合作用，不是简单叠加，其组成比例是影响水泥性质的根本因素，调整比例结构可以改善水泥性质和产品结构。根本因素，调整比例结构可以改善水泥性质和产品结构。2)水泥细度的影响水泥细度的影响 水泥的细度并不改变其根本性质，但却直接影响水泥的水化速率、凝结硬化、强水泥的细度并不改变其根本性质，但却直接影响水泥的水化速率、凝结硬化、强度、干缩和水化放热等性质。因为，水泥的水化是从颗粒表面逐步向内部发展的，度、干缩和水化放热等性质。因为，水泥的水化是从颗粒表面逐步向内部发展的，颗粒越细小，其表面积越大，与水的接触面积就越大，水化作用就越迅速越充分，颗粒越细小，其表面积越大，与水的接触面积就越大，水化作用就越迅速越充分，使凝结硬化速率加快，早期强度越高。但水泥颗粒过细时，在磨细时消耗的能量和使凝结硬化速率加快，早期强度越高。但水泥颗粒过细时，在磨细时消耗的能量和成本会显著提高且水泥易与空气中的水分和二氧化碳反应，使之不易久存；另外，成本会显著提高且水泥易与空气中的水分和二氧化碳反应，使之不易久存；另外，过细的水泥，达到相同稠度时的用水量增加，硬化时会产生较大的体积收缩，同时过细的水泥，达到相同稠度时的用水量增加，硬化时会产生较大的体积收缩，同时水分蒸发产生较多的孔隙，会使水泥石强度下降。因此，水泥的细度要控制在一个水分蒸发产生较多的孔隙，会使水泥石强度下降。因此，水泥的细度要控制在一个合理的范围。合理的范围。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.163)拌合用水量的影响拌合用水量的影响 通常水泥水化时的理论需水量大约是水泥质量的通常水泥水化时的理论需水量大约是水泥质量的23%左右，但为了使水泥浆体具有一定的流左右，但为了使水泥浆体具有一定的流动性和可塑性，实际的加水量远高于理论需水量，如配制混凝土时的水灰比动性和可塑性，实际的加水量远高于理论需水量，如配制混凝土时的水灰比(水与水泥重量之比水与水泥重量之比)一般在一般在0.40.7之间。不参加水化的之间。不参加水化的“多余多余”水分，使水泥颗粒间距增大，会延缓水泥浆的凝结水分，使水泥颗粒间距增大，会延缓水泥浆的凝结时间，并在硬化的水泥石中蒸发形成毛细孔，拌合用水量越多，水泥石中的毛细孔越多，孔隙时间，并在硬化的水泥石中蒸发形成毛细孔，拌合用水量越多，水泥石中的毛细孔越多，孔隙率就越高，水泥的强度越低，硬化收缩越大，抗渗性、抗侵蚀性能就越差。率就越高，水泥的强度越低，硬化收缩越大，抗渗性、抗侵蚀性能就越差。4)养护湿度、温度的影响养护湿度、温度的影响 硅酸盐水泥是水硬性胶凝材料，水化反应是水泥凝结硬化的前提。因此，水泥加水拌合后，硅酸盐水泥是水硬性胶凝材料，水化反应是水泥凝结硬化的前提。因此，水泥加水拌合后，必须保持湿润状态，以保证水化进行和获得强度增长。若水分不足，会使水化停止，同时导致必须保持湿润状态，以保证水化进行和获得强度增长。若水分不足，会使水化停止，同时导致较大的早期收缩，甚至使水泥石开裂。提高养护温度，可加速水化反应，提高水泥的早期强度，较大的早期收缩，甚至使水泥石开裂。提高养护温度，可加速水化反应，提高水泥的早期强度，但后期强度可能会有所下降。原因是在较低温度但后期强度可能会有所下降。原因是在较低温度(20以下以下)下虽水化硬化较慢，但生成的水化产下虽水化硬化较慢，但生成的水化产物更加致密，可获得更高的后期强度。当温度低于物更加致密，可获得更高的后期强度。当温度低于0时，由于水结冰而使水泥水化硬化停止，时，由于水结冰而使水泥水化硬化停止，将影响其结构强度。一般水泥石结构的硬化温度不得低于将影响其结构强度。一般水泥石结构的硬化温度不得低于-5。硅酸盐水泥的水化硬化较快，。硅酸盐水泥的水化硬化较快，早期强度高，若采用较高温度养护，反而还会因水化产物生长过快，损坏其早期结构网络，造早期强度高，若采用较高温度养护，反而还会因水化产物生长过快，损坏其早期结构网络，造成强度下降。因此，硅酸盐水泥不宜采用蒸汽养护等湿热方法养护。成强度下降。因此，硅酸盐水泥不宜采用蒸汽养护等湿热方法养护。5)养护龄期的影响养护龄期的影响 水泥的水化硬化是一个长期不断进行的过程。随着养护龄期的延长，水化产物不断积累，水水泥的水化硬化是一个长期不断进行的过程。随着养护龄期的延长，水化产物不断积累，水泥石结构趋于致密，强度不断增长。由于熟料矿物中对强度起主导作用的泥石结构趋于致密，强度不断增长。由于熟料矿物中对强度起主导作用的C3S早期强度发展快，早期强度发展快，使硅酸盐水泥强度在使硅酸盐水泥强度在3d14d内增长较快，内增长较快，28d后增长变慢，长期强度还有增长。后增长变慢，长期强度还有增长。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.17 6)储存条件的影响储存条件的影响 水泥应该储存在干燥的环境里。如果水泥受潮，其部分颗粒会因水化而结块，从而失去胶水泥应该储存在干燥的环境里。如果水泥受潮，其部分颗粒会因水化而结块，从而失去胶结能力，强度严重降低。即使是在良好的干燥条件下，也不宜储存过久。因为水泥会吸收空结能力，强度严重降低。即使是在良好的干燥条件下，也不宜储存过久。因为水泥会吸收空气中的水分和二氧化碳，发生缓慢水化和碳化现象，使强度下降。通常，储存三个月的水泥，气中的水分和二氧化碳，发生缓慢水化和碳化现象，使强度下降。通常，储存三个月的水泥，强度约下降强度约下降10%20%；储存六个月的水泥，强度下降约；储存六个月的水泥，强度下降约15%30%；储存一年后，强度下；储存一年后，强度下降约降约25%40%。所以，水泥的储存期一般规定不超过三个月。所以，水泥的储存期一般规定不超过三个月。三、三、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的技术性质硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的技术性质 根据国家标准根据国家标准GB 1751999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的规定，硅酸盐水泥、普的规定，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的主要技术性质如下所述。通硅酸盐水泥的主要技术性质如下所述。1.不溶物不溶物 型硅酸盐水泥中不溶物不得超过型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%；型硅酸盐水泥中不溶物不得超过型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50%。不溶物是指经盐酸处理后的不溶残渣，再以氢氧化钠溶液处理，经盐酸中和、过滤后所得不溶物是指经盐酸处理后的不溶残渣，再以氢氧化钠溶液处理，经盐酸中和、过滤后所得的残渣，再经高温灼烧所剩的物质。不溶物含量高对水泥质量有不良影响。的残渣，再经高温灼烧所剩的物质。不溶物含量高对水泥质量有不良影响。2.氧化镁氧化镁 水泥中氧化镁的含量不宜超过水泥中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁。如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到的含量允许放宽到6.0%。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥第第4章章 水水 泥泥1.18 氧化镁结晶粗大，水化缓慢，且水化生成的氧化镁结晶粗大，水化缓慢，且水化生成的Mg(OH)2体积膨胀达体积膨胀达1.5倍，过量会引起水泥安倍，过量会引起水泥安定性不良。需以压蒸的方法加快其水化，方可判断其安定性。定性不良。需以压蒸的方法加快其水化，方可判断其安定性。3.三氧化硫三氧化硫 水泥中三氧化硫的含量不得超过水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。三氧化硫过量会与铝酸钙矿物生成较多的钙矾石，。三氧化硫过量会与铝酸钙矿物生成较多的钙矾石，产生较大的体积膨胀，引起水泥安定性不良。产生较大的体积膨胀，引起水泥安定性不良。4.烧失量烧失量 型硅酸盐水泥中烧失量不得超过型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.0%，型硅酸盐水泥中烧失量不得超过型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.5%。用烧失。用烧失量来限制石膏和混合材料中杂质含量，以保证水泥质量。量来限制石膏和混合材料中杂质含量，以保证水泥质量。5.细度细度 细度是指水泥颗粒的粗细程度。硅酸盐水泥的细度用比表面积来衡量，要求比表面积大于细度是指水泥颗粒的粗细程度。硅酸盐水泥的细度用比表面积来衡量，要求比表面积大于300m2/kg；普通水泥的细度可用筛余量来衡量，要求；普通水泥的细度可用筛余量来衡量，要求80m方孔筛筛余不得超过方孔筛筛余不得超过10.0%。6.凝结时间凝结时间 硅酸盐水泥初凝时间不得早于硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于，终凝时间不得迟于6h30min。普通水泥初凝不得早于。普通水泥初凝不得早于45min，终凝时间不得迟于，终凝时间不得迟于10h。初凝为水泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝为水泥加水拌初凝为水泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝为水泥加水拌和时起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。水泥的标准稠度用水量和时起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。水泥的标准稠度用水量和凝结时间的测定按国家标准和凝结时间的测定按国家标准GB 13462001水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法验方法进行进行(详见实验部分详见实验部分)。为使水泥混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌