土木工程材料及其分类.doc

绪论一、土木工程材料及其分类广义上的土木工程材料是人类建造建筑物时所用一切材料和制品的总称，种类极为繁多。1.按主要组成成分分类黑色金属钢、铁、不锈钢等有色金属铅、铜等及其合金 金属材料 无机材料天然石材砂、石及石材制品等烧土制品及熔融制品砖、瓦、玻璃等胶凝材料石灰、石膏、水泥、水玻璃等混凝土及硅酸盐制品混凝土、砂浆及硅酸盐制品 非金属材料 植物材料木材、竹材等沥青材料石油沥青、煤沥青、沥青制品等高分子材料塑料、涂料、胶黏剂、合成橡胶、合成树脂等土木工程材料 有机材料 无机非金属材料与有机材料复合玻璃纤维增强塑料、聚合物水泥混凝土、沥青混合料等金属材料与无机非金属材料复合钢筋混凝土、钢纤维混凝土、夹丝玻璃等金属材料与有机材料复合如轻质金属夹芯板复合材料图0.1 土木工程材料的分类2.按使用功能分类根据土木工程材料在建筑物中的部位或使用性能，大体可分为建筑结构材料、墙体材料、建筑功能材料三大类。3.按材料来源分类根据材料来源，可分为天然材料与人造材料。而人造材料又可按冶金、窑业（水泥、玻璃、陶瓷等）、石油化工等材料制造部门来分类。一般把各种分类方法经适当组合后对材料种类进行划分。如装饰砂浆、沥青防水材料等。二、土木工程材料在土建工程中的地位土木工程材料在土木建筑工程中有着举足轻重的地位。首先，土木工程材料是一切土木工程的物质基础。第二，土木工程材料与建筑、结构和施工之间存在着相互依存、相互促进的密切关系。第三，建筑物和构筑物的功能和使用寿命在很大程度上由土木工程材料的性能决定。第四，土建工程的质量，主要取决于材料的质量控制。最后，建筑物和构筑物的可靠度评价，相当程度地依存于材料的可靠度评价。三、土木工程材料的发展趋势遵循可持续发展战略，土木工程材料的发展趋势表现为：（1）高性能化 （2）高耐久性 （3）多功能化 （4）绿色环保 （5）智能化 另外，主产品和配套产品应同步发展，并解决好利益平衡关系。同时，为满足现代土木工程结构性能和施工技术的要求，材料的应用应向着工业化方向发展。四、土木工程材料的检验方法及标准化1.土木工程材料的质量检验方法通常可采用实验室内原材料性能检验、实验室内模拟结构鉴定及现场鉴定等方法。本课程主要着重介绍实验室内材料性能的检验，包括下列内容：物理性能检验 力学性能检验材料与水有关的性能检验 2.土木工程材料的标准化土木工程材料涉及的标准主要包括两类。一是产品标准。其内容主要包括：产品规格、分类、技术要求、检验方法、验收规则、应用技术规程等；二是工程建设标准。其内容有土木工程材料选用有关的标准，有各种结构设计规范、施工及验收规范等。目前，我国常用的标准按适用领域和有效范围，分为四级。国家标准 分强制性标准（代号为GB）和推荐性标准（代号GB/T）。行业标准 某些行业标准代号见表0.1。表 0.1 几个行业的标准代号行业名称建工行业黑色冶金行业石化行业交通行业建材行业铁路行业标准代号JGYBSHJTJCTB地方标准（代号DB）企业标准（代号QB）有关工程建设方面的技术标准的代号，应在部门代号后加J。地方标准或企业标准所制定的技术要求应高于类似（或相关）产品的国家标准。标准一般由标准名称、部门代号(以汉语拼音字母表示)、标准编号和颁发年份等来表示。例如，1992年制定的建材行业推荐性479号建筑石灰的标准为：建筑石灰（JC/T 479-92）。五、课程学习的目的和要求课程学习的目的与主要内容土木工程材料课程是针对土木工程、工程管理、水利水电等专业开设的专业技术基础课。通过学习，使学生掌握材料的基本理论和基础知识，为后续专业课程的学习及以后从事土木工程正确选用材料打下良好的基础。本教材重点介绍了当前土木工程常用的材料，如水泥、石灰、混凝土、钢材、沥青材料等，并简要介绍了建筑功能材料。对于各类材料，除重点介绍了技术性质外，对材料的生产、组成、结构与构造、技术标准也做了简要介绍，另外还简要介绍了检测这些技术性能指标的试验方法。课程的理论课学习任务学习时，可把相关内容分成三个层次：第一层次是土木工程材料基础理论知识。所谓基础理论知识是指每类材料的生产工艺，材料的组成、结构、构造，该部分要重点领会其对材料性能的影响；第二层次是土木工程材料的基本性质。这一层次要求学生重点掌握，在了解基本概念的基础上，要能运用已有的理论知识对基本性质的改善进行分析。并能够结合工程实际，正确选用材料。对于现场制作的材料，要能根据材料性能要求设计计算材料配比；第三层次为土木工程材料质量检验的内容，需要结合试验理解基本技术性质要求的意义。课程的实验课学习任务实验是课程的重要教学环节。通过实验可验证所学的基础理论，增加感性认识，加深对理论知识的理解，熟悉试验鉴定、检验和评定材料质量的方法，掌握一定的试验技能，这对培养学生分析与判断问题的能力、试验工作能力以及严谨的科学态度十分有益，也为今后从事既有材料的改性、新材料的研制以及材料方面的科学研究奠定基础。第1章 土木工程材料的基本性质1.1 材料的组成、结构与构造及其对材料性质的影响1.1.1 材料的组成材料的组成包括材料的化学组成、矿物组成和相组成。它不仅影响材料的化学稳定性，而且也是决定材料物理及力学性质的重要因素。（1）化学组成（2）矿物组成（3）相组成1.1.2 材料的结构材料的结构对材料的性质有重要影响。材料的结构一般分为宏观、细观和微观三个层次。（1）宏观结构土木工程材料的宏观结构是指肉眼可以看到或借助放大镜可观察到的(毫米级)粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。散粒结构聚集结构多孔结构致密结构纤维结构层状结构（2）细观结构细观结构（原称亚微观结构）是指用光学显微镜可以观察到的微米级的组织结构。其尺寸范围在10-310-6m。包括：晶相种类、形状、颗料大小及其分布情况；玻璃相的含量及分布；气孔数量、形状及分布。（3）微观结构微观结构是指借助电子显微镜或X射线，可以观察到的材料的原子、分子级的结构，微观结构的尺寸范围在10-610-10m。材料微观结构可分为晶体、玻璃体、胶体三种形式。晶体晶体是内部质点(原子、离子、分子)在空间上按特定的规则呈周期性排列时所形成的结构。玻璃体将熔融物质迅速冷却（急冷），使其内部质点来不及按规则排列就凝固，这时形成的物质结构即为玻璃体，又称为无定形体或非晶体。胶体物质以极其微小的颗粒(粒径为10-710-9m)分散在连续相介质中形成的结构,称为胶体。1.1.3 材料的构造材料的构造是指具有特定性质的材料结构单元间的相互组合搭配情况。构造概念与结构概念相比，更强调了相同材料或不同材料的搭配组合关系。1.1.4 材料中的孔隙与材料性质的关系（1）孔隙的分类按孔隙的大小，可将孔隙分为微小孔隙、细小孔隙（毛细孔）、粗大孔隙等。对于无机非金属材料，孔径小于20nm的微小孔隙，水或有害气体难以侵入，可视为无害孔。按孔隙形状可将孔隙分为球形孔隙、片状孔隙（即裂纹）、管状孔隙、墨水瓶状孔隙、带尖角的孔隙等。片状孔隙、管状孔隙、带尖角的孔隙对材料性质的影响较大。按常压下水能否进入到孔隙中，将常压水可以进入的孔隙称为开口孔隙，而将常压水不能进入的孔隙称为闭口孔隙。另外，开口孔中有些孔不仅与外界相通，而且彼此贯通，称为连通孔。（2）孔隙对材料性质的影响一般情况下，材料孔隙率越大，则材料的表观密度、堆积密度、强度均越小，耐磨性、抗冻性、抗渗性、耐腐蚀性、耐水性及其他耐久性越差，而保温性、吸声性、吸水性与吸湿性等越强。（3）材料内部孔隙的来源与产生1.2.1 材料与质量有关的性质（1）材料的密度、表观密度与堆积密度密度True Density材料在绝对密实状态下、单位体积干材料的质量称为材料的密度。按照（1.1）式进行计算。 （1.1）式中：材料的密度， gcm-3；材料在绝对干燥状态下的质量，g；材料在绝对密实状态下的体积，cm-3。表观密度-Apparent Density材料在自然状态下，单位体积材料的质量称为材料的表观密度（原称容重，道路工程中称为体积密度）。按照（1.2）式进行计算。 （1.2）式中：材料的表观密度，gcm-3或kgm-3；材料在自然状态下的重量，g或；材料在自然状态下的体积，cm3或m3。堆积密度-Bulk Density散粒材料(粉状或粒状材料)在堆积状态下，单位体积材料的质量称为材料的堆积密度。按照（1.3）式进行计算。 （1.3）式中：散粒材料的堆积密度，kgm-3；散粒材料在堆积状态下的质量，；散粒材料在堆积状态下的体积，m3。常用土木工程材料的密度、表观密度和堆积密度如表1.1所示.（2）材料的孔隙率与密实度孔隙率材料内部孔隙体积占材料自然状态下体积的百分率称为材料的孔隙率。按照（1.4）式进行计算。 （1.4）材料孔隙率的大小直接反映材料的密实程度，孔隙率小，则密实程度高。密实度材料的固体物质体积占自然状态下体积的百分率称为材料的密实度。密实度反映了材料体积内被固体物质所填充的程度。按照（1.5）式进行计算： （1.5）密实度与孔隙率之间的关系为：（3）材料的空隙率与填充率空隙率散粒材料颗粒之间的空隙体积占材料堆积体积的百分率称为材料的空隙率。按照（1.6）式进行计算： （1.6）空隙率的大小反映了散粒材料的颗粒相互填充的程度填充率材料在自然状态下的体积占堆积体积的百分率称为材料的填充率。填充率反映了材料被颗粒填充的程度。按照（1.7）式进行计算： （1.7）密实度与空隙率之间的关系为： 1.2.2 材料与水有关的性质（1）材料的亲水性与憎水性材料与水接触时能被水润湿的性质称为亲水性；而材料与水接触时不能被水润湿的性质称为憎水性。材料被水湿润的程度可以用润湿角来表示，如图1.3所示。润湿角越小，说明材料越容易被水湿润。实验证明，润湿角90的材料为亲水性材料，反之，90的材料不能被水湿润，为憎水性材料。当=0时，表明材料完全被水润湿。（2）材料的吸湿性和吸水性吸湿性材料在潮湿空气中吸附水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性大小，用含水率来表示。含水率是指材料内部所含水的质量占干材料质量的百分率。可按照（1.8）式进行计算。 （1.8）式中：材料的含水率，； 材料在吸湿状态下的重量，g；材料在干燥状态下的重量，g。在一定的温度和湿度条件下，材料中所含水分与周围空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。吸水性材料在水中(通过毛细孔隙)吸收水分的性质称为吸水性。土木工程材料吸水性的大小一般用质量吸水率表示。质量吸水率是指材料吸水饱和时，其内部吸收水分的质量占干材料质量的百分率。可按照（1.9）式进行计算。 （1.9）式中：材料的质量吸水率，； 材料在吸水饱和状态下的质量，g； 材料在干燥状态下的质量，g。（3）材料的耐水性材料长期在饱和水作用下，不破坏同时强度也不显著降低的性质称为耐水性。材料的耐水性好坏用软化系数表示，材料在饱和水状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度的比值，就是软化系数。按照（1.10）式计算。 （1.10）式中：材料的软化系数； 材料在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa； 材料在干燥状态下的抗压强度，MPa。材料的软化系数在01之间。经常位于水中或受潮严重的重要结构物的材料，软化系数不宜小于0.85；受潮较轻或次要结构物的材料，软化系数不宜小于0.70。软化系数大于0.85的材料，通常认为是耐水的材料，称为耐水性材料。（4）材料的抗冻性材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻融循环而不破坏，同时强度也不严重降低的性质，称为抗冻性。影响材料抗冻性的因素：材料的孔隙率和孔隙特征。材料的吸水饱和程度。 材料抵抗冻胀应力的能力，即材料的强度。就外界条件来说，材料受冻破坏的程度与冻融温度、结冰速度及冻融频繁程度等因素有关，温度越低、降温越快、冻融越频繁，则受冻破坏越严重。（5）材料的抗渗性材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性，另外，材料抵抗其他液体渗透的性质，也属于抗渗性。1.2.3 材料的热工性质（1）材料的导热性材料传导热量的性质称为导热性。材料导热能力的大小，用导热系数来表示。影响材料导热系数的因素主要有以下几个方面：1）材料的物质组成与结构。2）材料的孔隙率及孔隙特征。3）含水率(湿度)。4）导热时的温度（2）材料的热容量热容量是指材料受热时吸收热量，冷却时放出热量的性质。可用（1.11）式表示。 （1.11）式中：材料吸收或放出的热量，KJ； 材料的比热，J（gK）-1； 材料的质量，g；材料受热或冷却前后的温度差，K。几种典型材料的热工性能指标如表1.2所示。（3）耐燃性建筑物失火时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重降低的性能称为耐燃性。根据耐燃性可将材料分为三大类：1） 不燃烧类 如普通石材、混凝土、砖、石棉等。2） 难燃烧类 如沥青混凝土、经防火处理的木材等。3） 燃烧类 如木材、沥青等。（4）耐火性材料在长期高温作用下，保持不熔性并能工作的性能称为耐火性。按耐火性高低可将材料分为3类：1） 耐火材料 如耐火砖中的硅砖、镁砖、铝砖、铬砖等。2） 难熔材料 如难熔黏土砖、耐火混凝土等。3） 易熔材料 如普通黏土砖等。（5）材料的热变形性材料在温度变化时的尺寸变化称为热变形性。热变形性的大小用线膨胀系数表示。1.3 材料的力学性质材料的力学性质是指材料在外力作用下的表现，通常以材料在外力作用下的变形性或强度来表示。1.3.1 材料的强度与比强度材料在外力(即荷载)作用下抵抗破坏的能力，称为强度。（1）材料的强度类型1）材料的抗压、抗拉及抗剪强度材料的抗压、抗拉及抗剪强度按（1.12）式计算。 （1.12）式中：材料的强度，MPa； F试件破坏时的最大荷载，N； 试件受力截面面积，mm2。抗压强度是评定脆性材料强度的基本指标，而抗拉强度是评定塑性材料强度的主要指标。2）材料的抗弯强度材料的抗弯强度与试件的几何形状及荷载施加的情况有关，对于矩形截面和条形试件，当采用二分点试验（图1.4） (在两支点的中间作用一个集中荷载)时，其抗弯极限强度按（1.13）式计算。 （1.13）当采用三分点试验（图1.4）(在跨度的三分点上加两个集中荷载)时，其抗弯极限强度按（1.14）式计算。 （1.14）式中：材料的抗弯极限强度，MPa； 试件破坏时的最大荷载，N； 试件两支点间的距离，mm；、试件截面的宽度和高度，mm。（2）影响材料强度的因素材料的组成、结构和构造图1.5 材料强度与孔隙率的关系试验条件试验方面的因素有：试件大小、试件形状、加荷速度以及试件的平整度等。材料的含水情况温度（3）材料的强度等级常用土木工程材料的强度如表1.3所示。（4）材料的比强度比强度等于材料的强度与表观密度之比，即单位质量的材料强度。比强度是用来评价材料是否轻质高强的一个指标。几种主要材料的比强度如表1.4所示。1.3.2 材料的弹性与塑性材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，变形随即消失并能完全恢复原来形状的性质，称为材料的弹性。应力与应变的比值称为材料的弹性模量。按照（1.15）式计算。 （1.15） 式中：材料的应力，MPa；材料的应变； 材料的弹性模量，MPa。材料在外力作用下产生变形，当取消外力后，不能恢复变形，仍然保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质，称为材料的塑性。1.3.3 材料的脆性与韧性材料受外力作用，当外力达到一定限度后，材料突然破坏，但破坏时没有明显塑性变形的性质，称为材料的脆性。具有这种性质的材料称为脆性材料。材料在冲击或振动荷载作用下，能吸收较大能量，产生较大变形而不致破坏的性质，称为材料的韧性或冲击韧性。1.3.4 材料的硬度与耐磨性（1）硬度硬度是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力（2）耐磨性耐磨性是指材料表面抵抗磨损的能力。材料的耐磨性以磨损前后材料单位面积的质量损失，即磨损率表示。材料的磨损率越低，表明该材料的耐磨性越好。1.4 材料的耐久性材料在长期使用过程中，能抵抗各种作用而不破坏，并且能保持原有性能的能力，称为材料的耐久性。影响耐久性的因素很多，包括物理作用、化学作用及生物作用等。（1）物理作用物理作用指材料受干湿、冷热、冻融变化等，使材料体积发生收缩与膨胀，或产生内应力而开裂破坏。（2）化学作用化学作用指材料在大气和环境水中的酸碱盐等溶液的侵蚀下，使材料逐渐发生质变而破坏。（3）生物作用生物作用指材料在昆虫或菌类等的侵害下，导致材料发生虫蛀、腐朽而破坏。第2章 气硬性胶凝材料胶凝材料指能在物理、化学作用下，从具有流动性的浆体转变成坚固的石状体，并能将砂、石子等散粒材料或砖、板等块片状材料粘结为一个整体的材料。胶凝材料按化学成分分为两大类：有机胶凝材料和无机（矿物）胶凝材料。无机胶凝材料则按照硬化条件分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料只能在空气中硬化，也只能在空气中保持或继续发展其强度；水硬性胶凝材料则不仅能在空气中，而且可以更好地在水中硬化，保持并发展其强度。2.1 石灰2.1.1 石灰的生产生产石灰的原料主要是石灰石，石灰石的主要成分是碳酸钙（CaCO3），其次是碳酸镁（MgCO3）和少量粘土杂质。将石灰石置于窑内高温下煅烧，碳酸钙和碳酸镁受热分解，分解出二氧化碳（CO2）气体后，得到以氧化钙（CaO）为主要成分的呈白色或灰白色的块状成品即为生石灰，又称块灰。欠火石灰的产浆量低，质量较差，降低了石灰的利用率。过火石灰颗粒往往会在正火石灰硬化后才吸湿消解而发生体积膨胀，这使已硬化的灰浆表面会产生膨胀而引起崩裂或隆起，直接影响工程质量。2.1.2 石灰的熟化（消解）与陈伏 “熟化”（又称石灰的“消解”）通常是将生石灰加水，反应生成消石灰（氢氧化钙）的过程，反应式如下。为了消除熟石灰中过火石灰颗粒的危害，石灰浆应在储灰坑中静置2周以上再使用，此过程称为“陈伏”2.1.3 石灰的硬化石灰浆体的硬化包括两个同时进行的过程：干燥结晶和碳化作用。（1）干燥结晶（2）碳化作用碳化作用是指氢氧化钙与空气中的二氧化碳在有水的条件下生成碳酸钙晶体的过程，反应式如下：2.1.4 石灰的技术指标石灰的各项指标要求如表2.12.3所示2.1.5 石灰的性质（1）良好的保水性、可塑性（2）凝结硬化慢、强度低（3）耐水性差（4）体积收缩大2.1.6 石灰的应用（1）石灰乳涂料和石灰砂浆（2）灰土和三合土（3）硅酸盐制品（4）碳化石灰板（5）无熟料水泥2.1.7 石灰的运输和储存生石灰块及生石灰粉在运输时要采取防水措施，不能与易燃、易爆及液体物品同时装运。运到现场的石灰产品，不宜长期储存。熟化好的石灰膏，也不宜长期暴露在空气中，表面应加以覆盖，以防碳化结硬。2.2 石膏石膏是以硫酸钙为主要成分的传统气硬性胶凝材料。2.2.1 石膏的原料、生产及品种生产石膏的原料是天然二水石膏，又称软石膏或生石膏。石膏的生产工序主要是原料破碎、加热与磨细过筛。石膏常见品种主要有：（1）建筑石膏将天然二水石膏置于炉窑煅烧（107170），得到型结晶的半水石膏，再经磨细得到的白色粉状物，称为建筑石膏。纯净的建筑石膏为白色，多用于建筑抹灰、粉刷、砌筑砂浆及各种石膏制品。（2）模型石膏模型石膏组成为型半水石膏，但生产所用原料杂质少，磨细后颜色白。主要用于陶瓷的制坯工艺，少量用于装饰浮雕。（3）高强石膏将天然二水石膏置于相当于0.13MPa（125）压力的蒸压釜内蒸炼，生成比型半水石膏晶粒粗大的型半水石膏，磨细即为高强石膏。高强石膏晶粒粗大，比表面积小，调制浆体需水量少，生产成本较高，主要用于要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。（4）硬石膏硬石膏是天然石膏在较高温度下煅烧后经磨细而得到的产品。硬化后有较高的强度和耐磨性，抗水性也较好。硬石膏可调制抹灰、砌筑及制造人造大理石的砂浆，也可用于铺设地面。2.2.2 建筑石膏的凝结硬化建筑石膏与适当的水拌和，开始形成可塑性浆体，但很快就失去塑性并产生强度，发展为坚硬的石状体，这种现象称为凝结硬化。建筑石膏加水后，首先半水石膏溶解于水，与水进行水化反应，生成二水石膏。如图2.2所示。2.2.4 建筑石膏及其制品性质建筑石膏与其他胶凝材料相比具有以下性质：（1）凝结硬化快（2）凝结硬化时体积微膨胀（3）孔隙率大、密度小（4）保温性和吸声性好（5）强度较低（6）具有一定的调湿性（7）防火性好（8）耐水性、抗渗性、抗冻性差2.2.5 建筑石膏的应用建筑石膏常用于室内抹灰，粉刷，油漆打底层，也可制作各种建筑装饰制件和石膏板等。石膏板具有轻质、保温、隔热、吸音、不燃，以及热容量大，吸湿性大，可调节室内温度和湿度，施工方便等性能，是一种有发展前途的新型板材。石膏板常见的品种有：（1）纸面石膏板（2）纤维石膏板（3）装饰石膏板（4）空心石膏板此外，还有石膏蜂窝板、石膏矿棉复合板、防潮石膏板等，分别用作绝热板、吸声板、内墙隔墙板及天花板等。2.3 水玻璃水玻璃俗称泡花碱，是一种能溶于水的硅酸盐。它是由不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅组成的气硬性胶凝材料，成无色或浅黄或灰白色，透明或半透明的粘稠液体。其化学式为，式中为碱金属氧化物，为二氧化硅与碱金属氧化物摩尔数的比值，称为水玻璃模数。2.3.1 水玻璃的生产生产水玻璃的方法有湿法和干法两种，常采用的是干法生产，干法又称碳酸盐法，即将石英和碳酸钠磨细拌匀，在熔炉内于13001400下熔融反应而生成固体水玻璃，然后在水中加热溶解而成液体水玻璃。2.3.2 水玻璃的凝结硬化水玻璃在空气中能与二氧化碳反应，生成无定形硅酸胶体，并逐渐干燥而硬化。2.3.3 水玻璃的性质（1）粘结力强、强度较高（2）耐酸性好（3）耐热性好（4）耐碱性和耐水性差2.3.4 水玻璃的应用（1）涂刷材料表面，提高其抗风化能力（2）加固土壤（3）配制速凝防水剂（4）配制水玻璃胶泥、水玻璃砂浆、水玻璃混凝土（5）配制保温绝热制品第3章 水泥3.1 硅酸盐水泥国家标准通用硅酸盐水泥（GB1752007）规定：凡是以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，并掺入05的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。3.1.1 硅酸盐水泥的生产（1）生料的配制硅酸盐水泥的原料主要由三部分组成：石灰质原料；粘土质原料；校正原料将石灰质、粘土质和校正原料按适当的比例配合，并将这些原料磨制到规定的细度，并使其均匀混合，这个过程叫做生料配制。生料的配制有干法和湿法两种。（2）水泥熟料的煅烧将配制好的生料在窑内进行煅烧。水泥窑型主要有立窑和回转窑。一般立窑适合小型水泥厂，回转窑适合于大型水泥厂。煅烧的主要过程包括：1）干燥 2）预热 3）分解 4）烧成 5）冷却 （3）水泥熟料的粉磨将生产出来的水泥熟料配以适量的石膏，或根据水泥品种的要求掺入一定量的混合材料，进入磨机磨至适当的细度，即制成硅酸盐水泥。图3.1 硅酸盐水泥生产工艺流程示意图3.1.2 硅酸盐水泥熟料的矿物组成及特性（1）水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥的熟料主要由4种矿物组成，其名称、成分、化学式缩写、含量如下： 矿物名称 化学成分 缩写符号 含量 硅酸三钙 3CaOSiO2 C3S 3660 硅酸二钙 2CaOSiO2 C2S 1536 铝酸三钙 3CaOAl2O3 C3A 715 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3 C4AF 1018（2）水泥熟料矿物的特性硅酸盐水泥中含有的4种熟料矿物与水作用时所表现的特性是不同的，表3.1列出了4种熟料矿物与水作用的特性。（3）硅酸盐水泥的水化水泥加水拌和后，水泥颗粒立即与水发生化学反应，即发生水化反应，生成一系列的化合物并放出一定的热量。常温下水泥熟料单矿物的水化反应式如下： （4）硅酸盐水泥的凝结和硬化硅酸盐水泥加水拌合后，成为可塑性的浆体，随着时间的推移，其塑性逐渐降低，最后失去塑性，这个过程称为水泥的凝结。随着水化的不断进行，水泥凝胶不断生成，形成密实的空间网状结构，水泥浆转变为石状体，产生了强度，即达到了硬化。（a） （b） （c） （d）图3.2 硅酸盐水泥凝结硬化示意图（a）水泥颗粒分散在水中 （b）在水泥颗粒表面形成水化产物膜层（c）膜层长大并相互连接（凝结） （d）水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化） 1水泥颗粒；2水；3水泥凝胶体；4晶体；5未水化的水泥颗粒内核；6孔隙（5）影响水泥凝结硬化的主要因素熟料矿物组成的影响水泥细度的影响龄期（养护时间）的影响图3.3 水泥水化龄期对强度的影响养护温度和湿度水灰比（W/C）3.1.3 硅酸盐水泥的腐蚀与防止引起水泥石腐蚀的原因及作用多而复杂，几种典型水泥石腐蚀的类型如下：（1）软水腐蚀（溶出性腐蚀）（2）离子交换腐蚀（溶解性腐蚀）碳酸的腐蚀一般酸的腐蚀镁盐的腐蚀(易溶)(絮凝状、无胶结力)（3）膨胀性腐蚀硫酸盐的腐蚀(絮凝状、无胶结力)（水化硫铝酸钙）（结晶膨胀） 硫酸的腐蚀生成的硫酸盐会与水化铝酸三钙继续反应，生成的水化硫铝酸钙，导致水泥石的破坏。（4）强碱的腐蚀 （易溶于水）水泥石腐蚀的主要原因是：侵蚀性介质以液相的形式与水泥石接触并具有一定的浓度；水泥石中存在着易被腐蚀的成分；水泥石结构不致密，存在较多毛细孔隙，侵蚀性介质可通过毛细孔进入水泥石内部。（5）水泥石腐蚀的防止根据水泥石腐蚀的原因，可以采用以下措施防止水泥石腐蚀：根据环境侵蚀特点，合理选用水泥品种，减少水泥中易被腐蚀物质（即Ca(OH)2、3CaOAl2O36H2O）的含量。降低水泥石的孔隙率，提高水泥石的密实度。在水泥石的表面涂抹或铺设保护层，隔断水泥石和外界的腐蚀性介质的接触。3.1.4 硅酸盐水泥的技术指标（1）密度和堆积密度一般硅酸盐水泥的密度为3.03.2gcm-3。在进行混凝土或砂浆配合比设计时，通常密度取为3.10 gcm-3，堆积密度取为1300 kgm-3。（2）细度国家标准通用硅酸盐水泥（GB1752007）规定：硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的细度以比表面积表示，其比表面积不小于300m2kg-1，否则为不合格品。（3）标准稠度需水量测定凝结时间和体积安定性时必须采用规定稀稠程度的水泥净浆，这个规定的稠度，称为标准稠度。当达到规定稀稠程度时，拌制水泥浆的加水量，就是标准稠度用水量。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在23%30%之间。（4）凝结时间水泥的凝结时间有初凝与终凝之分。自加水时起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间，称为初凝时间。自加水起至水泥浆完全失去可塑性，随后开始产生强度的时间，称为终凝时间。国家标准通用硅酸盐水泥（GB1752007）规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得小于45min，终凝时间不得大于390min。初凝时间不合格的水泥为废品水泥，终凝时间不合格的水泥为不合格品。（5）体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性为水泥的体积安定性。引起水泥安定性不良的原因有：水泥熟料中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁国家标准规定：由游离氧化钙引起的水泥安定性不良，可用沸煮法检验。沸煮法又分试饼法和雷氏法，当两者发生争议时以雷氏法为准。游离氧化镁引起的水泥体积安定性不良，用压蒸法才能检验出来。由于游离氧化镁造成的安定性不良不便于快速检验，因此，国家标准规定，水泥中的游离氧化镁的含量不得超过5.0%，当压蒸试验合格时可放宽到6.0%。石膏掺量过多国家标准规定，在生产水泥时，控制水泥中SO3的含量不得超过3.5%。体积安定性不合格的水泥为废品，不得用于任何工程。（6）强度等级硅酸盐水泥强度主要取决于熟料的矿物组成和细度（7）水化热水泥在与水进行水化反应时放出的热量称为水化热（Jg-1）。（8）碱含量国家标准规定：水泥中的碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示，若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量不得大于0.60%或由买卖双方协商确定。3.1.5 硅酸盐水泥的特性、应用及储存（1）硅酸盐水泥的特性、应用凝结硬化快，早期强度和后期强度高水化热大、抗冻性好干缩小、耐磨性较好抗碳化性较好耐腐蚀性差耐高温性差（2）水泥的储存和运输水泥在储存和运输中不得受潮和混入杂物。水泥存放期不宜过长。水泥在运输和储存中，不同品种、不同强度等级的水泥不能混装。水泥堆放高度不得超过10包，遵循先来的水泥先用的原则。3.2 掺混合材料的硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料，一定量的混合材料及石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为掺混合材料的硅酸盐水泥3.2.1 混合材料在水泥生产过程中，为改善水泥性能，调节水泥强度等级而加入水泥中的人工或天然的矿物材料，称为水泥混合材料。（1）活性混合材料在常温下，与水不反应或反应很慢，当加入碱性激发剂（Ca(OH)2）或硫酸盐激发剂（CaSO42H2O)时，不仅能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化，并生成水硬性胶凝材料的产物，称为活性混合材料。常用的活性混合材料有如下几种：粒化高炉矿渣火山灰混合材料火山灰质混合材料泛指火山灰一类物质，按其活性成分与矿物结构可分为三类：a.含水硅酸质的混合材料 硅藻土、硅藻石、蛋白石及硅质渣等b.铝硅玻璃质的混合材料 火山灰、凝灰岩、浮石及某些工业废渣c.烧粘土质的混合材料 主要有烧粘土、煤渣、煤矸石灰渣等粉煤灰混合材料（2）非活性混合材料加入水泥中，不与或几乎不与水泥水化产物发生作用，仅仅是降低强度等级，提高产量，降低成本，调节水泥性能，减小水化热的这一类矿物材料，称为非活性混合材料，常见的非活性混合材料如磨细的石灰石粉、石英砂、窑灰、慢冷矿渣等。3.2.2 普通硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料、适量的混材料及石膏共同磨细，制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥，代号PO。（1）普通硅酸盐水泥的技术指标普通硅酸盐水泥的技术指标要求与硅酸盐水泥有几点不同：凝结时间普通硅酸盐水泥的初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min。强度等级烧失量普通硅酸盐水泥的烧失量不大于5.0%。普通硅酸盐水泥的其他技术要求同硅酸盐水泥完全相同。（2）普通硅酸盐水泥的性质普通硅酸盐水泥由于掺加的混合材料较少，因此它的性质同硅酸盐水泥的性质基本上相同。3.2.3 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥（1）定义及组成根据国家标准通用硅酸盐水泥（GB1752007）规定：由硅酸盐水泥熟料、掺量大于20%且不大于70%的粒化高炉矿渣及适量的石膏磨细所得的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥，简称矿渣水泥，代号PS。凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细所得的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥，简称火山灰水泥，代号PP。水泥中火山灰质混合材料掺量为大于20%且不大于40%。凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细所得的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥，简称粉煤灰水泥，代号PF。水泥中粉煤灰掺量为大于20%且不大于40%。（2）技术指标细度、凝结时间、体积安定性MgO、SO3含量强度等级（3）特性及应用三种水泥的共性a.凝结硬化速度慢，早期强度低，后期强度发展较快b.对温度及湿热敏感性强c.耐腐蚀性好 d.水化热小e.抗碳化能力差