土木工程材料讲义4水泥文档格式.docx

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4.1.4硅酸盐水泥的腐蚀（attack）与防止

软水腐蚀（溶出性腐蚀）：

氢氧化钙不断地溶解流失

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

膨胀性腐蚀：

硫酸盐腐蚀、硫酸的腐蚀

碱的腐蚀

水泥石腐蚀的防止

4.1.5硅酸盐水泥的特性、应用及储存

硅酸盐水泥的特性、应用

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

不耐高温

水泥的储存和运输

4.2掺混合材的硅酸盐水泥

4.2.1混合材料（additionofcement）

非活性混合材：

石灰石粉、窑灰等

活性混合材（activeadditionofcement）

粒化高炉矿渣（granulatedfurnaceslag）

火山灰混合材料（pozzolan）

粉煤灰混合材料（flyash）

粉煤灰形貌

表4.4用于水泥中的粉煤灰技术要求

用于水泥中粉煤灰分Ⅰ级灰、Ⅱ级灰、Ⅲ级灰三种

4.2.2普通硅酸盐水泥（OrdinaryPortlandCement,OPC）

普通硅酸盐水泥的技术要求

细度：

比表面积不小于300m2/kg。

凝结时间：

初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。

32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R

表4.4普通硅酸盐水泥各龄期强度值／MPa

普通硅酸盐水泥的性质：

基本同硅酸盐水泥的性质

4.2.3矿渣硅酸盐水泥（portlandblast-furnaceslagcement）

矿渣水泥的水化特点

技术要求：

SO3的含量不得超过4％。

表4.6矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥各龄期的强度值／MPa

特性及应用

凝结硬化速度慢：

早期强度低，后期强度高

对温度湿热敏感性强：

适于蒸养（steamcuringorhigh-pressuresteamcuring）

耐腐蚀性好：

可用于海港工程和水工大坝的建设。

水化热小：

可用于大体积混凝土，大型基础和混凝土大坝等。

耐热性好

抗碳化（carbonization）能力差

矿渣水泥的保水性差、抗渗性差、泌水通道较多、干缩较大，使用中要严格控制用水量，加强早期养护。

抗冻性差：

不宜用于冬季施工,特别不宜用于严寒地区水位经常变动的部位。

4.2.4火山灰硅酸盐水泥（portlandpozzolancement）

SO3的含量不得大于4％。

技术性质

在干燥环境中易产生裂缝。

抗冻性和耐磨性比矿渣水泥还要差。

保水性好，抗渗性高。

掺入粘土质的火山灰水泥不抗硫酸盐侵蚀。

4.2.5粉煤灰硅酸盐水泥（portlandfly-ashcement）

粉煤灰水泥的技术要求同火山灰水泥。

干缩小，抗裂性高。

凝结硬化慢，早期强度低。

色深。

4.2.6复合硅酸盐水泥（compositeportlandcement）

技术要求

复合水泥的技术要求同火山灰水泥。

技术性质：

耐腐蚀性好，水化热小，抗渗性好，早强。

表4.4掺混合材硅酸盐水泥的强度要求

见教材第64页:

表4.6通用硅酸盐水泥的选用

4.3特种水泥和专用水泥（specialcements）

4.3.1铝酸盐水泥（aluminatecement）

铝酸盐水泥的矿物组成

铝酸盐水泥的水化和硬化

铝酸盐水泥的技术要求

细度、密度

凝结时间

强度等级

铝酸盐水泥的性质与应用

凝结硬化快

水化热大，并且集中在早期，一天内可放出水化热70％-80％，使温度上升很高。

抗硫酸盐性能强，比抗硫酸盐水泥还要好。

耐热性好。

耐碱性差。

在国家标准中明文规定不能用于钢凝筋混凝土结构工程中。

施工时不得与石灰和硅酸盐水泥混合，也不得与尚未硬化的硅酸盐水泥接触使用。

4.3.2快硬水泥（earth-strengthcementorquickhardeningcement）

快硬硅酸盐水泥（quickhardeningportlandcement）

快硬硅酸盐水泥的技术要求

0.08mm方孔筛筛余量小于10.0％。

初凝时间不得早于45min，终凝不得迟于10h。

强度等级（strengthgrading）

表4.12快硬硅酸盐水泥各龄期、各等级强度／MPa

快硬硅酸盐水泥的应用：

紧急抢修和低温施工

快硬硫铝酸盐水泥（sulphoaluminateearly-strengthcement）

比表面积不得低于350m2／kg。

初凝时间不得早于25min，终凝时间不得迟于3h。

安定性：

水泥中不允许出现游离氧化钙，否则为废品。

表4.13快硬硫铝酸盐水泥各等级、各龄期强度值／MPa

4.3.3白色硅酸盐水泥（whiteportlandcement）

白色水泥的技术要求：

0.08mm方孔筛筛余量不得大于10％。

初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于12h。

表4.14白水泥各龄期各等级的强度值/MPa

白度（whiteness）

白度值不能低于87。

沸煮法检验必须合格。

白色硅酸盐水泥的应用

各种装饰性混凝土及装饰性砂浆，如水刷石、水磨石及人造大理石等。

4.3.4道路硅酸盐水泥（roadportlandcement）

初凝时间不得早于1.5h，终凝时间不得迟于10h。

干缩性：

28d的干缩率不得大于0.10%。

耐磨性：

耐磨性试验磨损率不得大于3.00kg／m2。

强度（strengthgrading）

表4.16道路水泥各龄期强度值／MPa

技术性质及应用

4.3.5水工硅酸盐水泥（hydraulicengineeringportlandcement）

游离氧化钙的含量：

中、低热水泥中不得超过1.0％，低热矿渣水泥中不得超过1.2％。

三氧化硫含量：

不得超过3.5％，

比表面积不低于250m2/kg。

初凝不得早于60min，终凝不得迟于12h。

表4.17中热水泥和低热水泥各龄期强度值／MPa

水化热

4.3.6抗硫酸盐硅酸盐水泥

表4.15抗硫酸盐水泥各龄期强度值／MPa

4.3.7膨胀水泥和自应力水泥

自应力水泥

膨胀水泥：

硅酸盐膨胀水泥、铝酸盐膨胀水泥、硫铝酸膨胀盐水泥、铁铝酸盐膨胀水泥

4.3.8砌筑水泥

凡是由一种或一种以上的水泥混合材料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，经磨细所制得的工作性较好的水硬性胶凝材，称为砌筑水泥，代号M。

砌筑水泥主要技术要求有：

0.08mm方孔筛筛余量不得超过10％。

三氧化硫（SO3）不得超过4.0％。

表4.19砌筑水泥各龄期强度值（GB/T3183—2003）

思考题

1硅酸盐水泥的主要矿物成分是什么?

这些矿物的特性如何?

2硅酸盐水泥的水化产物有哪些?

水泥石的结构是怎样的?

影响水泥石强度的因素有哪些?

3硅酸盐水泥的腐蚀有哪几种类型?

腐蚀的原因是什么?

为什么同是硅酸盐系列水泥的矿渣水泥耐腐蚀性好?

4在生产硅酸盐水泥时掺人石膏起什么作用?

硬化后多余的石膏会引起什么现象发生?

5如何检验水泥的安定性?

6什么叫活性混合材料?

其硬化的条件是什么?

7高铝水泥的熟料与硅酸盐水泥的熟料有何区别?

两种水泥的性质有何不同?

8在下列混凝土工程中应分别选用那种水泥，并说明理由?

紧急抢修的工程或军事工程；

高炉基础；

大体积混凝土坝和大型设备基础；

水下混凝土工程；

海港工程；

蒸汽养护的混凝土预制构件；

现浇混凝土构件；

高强混凝土；

混凝土地面和路面；

冬季施工的混凝土；

与流水接触的混凝土；

水位变化区的混凝土；

耐热混凝土；

有抗渗要求的混凝土。

六大通用水泥

硅酸盐水泥：

Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅰ。

Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅱ。

普通硅酸盐水泥：

简称普通水泥，代号P.O。

矿渣硅酸盐水泥：

简称矿渣水泥，代号P.S.A及P.S.B。

火山灰质硅酸盐水泥：

简称火山灰水泥，代号P.P。

粉煤灰硅酸盐水泥：

简称粉煤灰水泥，代号P.F。

复合硅酸盐水泥：

复合水泥，代号P.C。

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、复合硅酸盐水泥统称掺混合材料的硅酸盐水泥。

硅酸盐水泥定义

硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅰ。

在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5％的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅱ。

普通硅酸盐水泥定义

普通硅酸盐水泥代号为P·

O。

其中加入了大于5%且不超过20%的活性混合材，并允许不超过水泥质量的8％的非活性混合材料或不超过水泥质量5％的窑灰代替部分活性混合材。

矿渣硅酸盐水泥定义

矿渣硅酸盐水泥分为两个类型，加入大于20%且不超过50%的粒化高炉矿渣的为A型，代号P·

S·

A；

加入大于50%且不超过70%的粒化高炉矿渣的为B型，代号P·

B。

其中允许不超过水泥质量的8％的活性混合材、非活性混合材料和窑灰中的任一种材料代替部分矿渣。

火山灰质硅酸盐水泥定义

火山灰质硅酸盐水泥代号为P·

P。

其中加入了大于20%且不超过40%的火山灰质混合材料。

粉煤灰硅酸盐水泥定义

粉煤灰硅酸盐水泥代号为P·

F。

其中加入大于20%且不超过40%的粉煤灰。

复合硅酸盐水泥定义

复合硅酸盐水泥代号为P•C。

其中加入了两种（含）以上大于20%且不超过50%的混合材料，并允许用不超过水泥质量8％的窑灰代替部分混合材料，所用混合材材料为矿渣时，其掺加量不得与矿渣硅酸盐水泥重复。

硅酸盐水泥生料的配制

原料

石灰质原料（如石灰石、贝壳等，提供CaO）

粘土质原料（如粘土、页岩等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3）

校正原料（如铁矿粉、砂岩，前者是补充原料中不足的氧化铁，后者是补充原料中不足的SiO2）

矿化剂（如萤石、石膏等）

工艺：

干法、湿法

窑型：

立窑、回转窑

煅烧过程

矿物名称化学成分缩写符号含量

硅酸三钙3CaO·

SiO2C3S36％～60％

硅酸二钙2CaO·

SiO2C2S15％～36％

铝酸三钙3CaO·

Al2O3C3A7％～15％

铁铝酸四钙4CaO·

Al2O3·

Fe2O3C4AF10％～18％

水泥熟料矿物的特性

常温下水泥熟料单矿物的水化反应

水泥的水化：

硅酸盐水泥水化后的主要成分有：

各种水化硅酸钙凝胶C-S-H、晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙）等。

硅酸盐水泥的凝结和硬化

水泥的水化过程的五个阶段

水泥水化反应的激烈反应阶段（反应的初始期）；

水化反应速度很低的阶段（反应的诱导期）；

水化反应活泼阶段（反应加速期）；

水化反应速度下降的阶段（减速期）；

水化反应速度降低很显著的阶段（稳定期）。

水泥水化龄期对强度的影响

碳酸对水泥石的腐蚀

Ca（OH）2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

CaCO3+CO2+H2O→Ca（HCO3）2

反应生成的碳酸氢钙易溶于水，溶解流失

一般酸对水泥石的腐蚀

2HCl+Ca（OH）2→CaCl2（易溶）+2H2O

镁盐对水泥石的腐蚀

MgCl2+Ca（OH）2→CaCl2（易溶）+Mg（OH）2

（絮凝状、无胶结力）

硫酸盐对水泥石的腐蚀

MgSO4+Ca（OH）2+2H2O→Mg（OH）2（絮凝状的、无胶结力）+CaSO4·

2H2O

3（CaSO4·

2H2O）+3CaO·

A12O3·

6H2O+19H2O→3CaO·

3CaSO4·

31H2O

（钙矾石Aft）（结晶膨胀）

硫酸对水泥石的腐蚀

H2SO4+Ca（OH）2→CaSO4·

2H2O+H2O

碱对水泥石的腐蚀

3CaO·

6H2O+6NaOH→3Na2O·

6H2O+3Ca（OH）2

（易溶于水）

水泥石被NaOH溶液饱和后在空气中干燥，发生以下反应：

2NaOH+2CO2+H2O→2Na2CO3+H2O

（结晶膨胀）

当存在腐蚀性介质时，选择合适的水泥品种，减少水泥中易被腐蚀的物质（即Ca（OH）2、3CaO·

6H2O）；

提高水泥石的致密度，降低水泥石的孔隙率。

通过减小水灰比，掺加外加剂，采用机械搅拌和机械振捣，可以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。

例如，可在水泥石表面涂抹耐腐蚀的涂料，如：

水玻璃、沥青、环氧树脂等；

或在水泥石的表面铺建筑陶瓷、致密的天然石材等。

水泥的密度和堆密度

硅酸盐水泥的密度为3.0-3.2g／cm3。

水泥的堆密度可分为松堆密度和紧堆密度两种。

硅酸盐水泥的松堆密度一般为900~1300kg／m3。

紧堆密度为1400～1700kg／m3。

一般情况下，所说的堆密度是指紧堆密度。

水泥的细度

勃氏比表面积大于300m2／kg。

水泥的标准稠度需水量

硅酸盐水泥的标准稠度需水量一般为24％～30％（为水泥质量的百分数）。

水泥的凝结时间

硅酸盐水泥的初凝时间不得小于45min，终凝时间不得大于390min。

凝结时间不满足要求的为不合格品。

水泥熟料中含有过多的游离氧化钙和游离氧化镁

由游离氧化钙（f－CaO）引起的水泥安定性不良，可用沸煮法检测。

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。

水泥中的游离氧化钙的含量不得超过1％（立窑生产的水泥中f－CaO≯2.5％）。

游离氧化镁引起的安定性不良，用压蒸法检验。

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

SO3引起的安定性不良，用化学分析法检验。

水泥中SO3的含量不得超过3.5％。

水泥的早期水化热曲线

水泥的碱含量

若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量按Na2O+0.658K2O计算值不得大于0.6％。

矿渣水泥的水化特点

二次水化：

首先是水泥熟料的水化，生成同硅酸盐水泥水化完全相同的水化产物，然后是矿渣的水化，矿渣中的活性二氧化硅和活性三氧化二铝与熟料矿物水化产物中的氢氧化钙作用，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，生成的水化铝酸钙与石膏反应生成水化硫铝酸钙。

Ca（OH）2+SiO2+H2O=C-S-H

Ca（OH）2+AL2O3+H2O=C3AH6

C3AH6+CaSO4.2H2O+H2O=Aft

铝酸盐水泥

由铝矾土和石灰石为原料，经高温煅烧所得的以铝酸钙为主要成分的熟料，经磨细得到的水硬性胶凝材料，代号CA。

根据需要也可在磨制AL2O3含量大于68%的水泥时掺加适量的的—AL2O3。

《铝酸盐水泥》（GB201—2000）。

按Al2O3含量百分数将铝酸盐水泥分为四类：

CA—5050%≤Al2O3<

60%

CA—6060%≤Al2O3<

68%

CA—7068%≤Al2O3<

77%

CA—8077%≤Al2O3

矿物名称矿物成分简写

铝酸一钙（主要）CaO·

A12O3CA

二铝酸一钙CaO·

2A12O3CA2

硅铝酸二钙2CaO·

SiO2C2AS

七铝酸十二钙12CaO·

7A12O3C12A7

SiO2C2S

铝酸盐水泥的细度、密度

0.045mm筛筛余量不得大于20％，或比表面积不小于300m2/kg。

密度：

与硅酸盐水泥相近，为3.0~3.2g／cm3。

铝酸盐水泥的凝结时间

铝酸盐水泥的强度等级

快硬硅酸盐水泥的定义

以适当的生料烧至部分熔融，所得的以硅酸钙为主要成分的熟料，加入适量的石膏，磨细制成的具有早期强度增长率快的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥，简称快硬水泥。

快硬水泥的生产同硅酸盐水泥基本一致，只是在生产时提高了硅酸三钙（50％-60％）、铝酸三钙（8％-14％）的含量，两者的总量不少于60%-65％。

同时增加了石膏的掺量（8％），提高了粉磨细度（比表面积达330～450m2／kg）。

快硬硅酸盐水泥各龄期、各等级强度（MPa）

快硬硫铝酸盐水泥的定义

以适当的生料烧至部分熔融，得到以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量的石膏磨细的具有早期强度高特性的水硬性胶凝材料，称为快硬硫铝酸盐水泥（《快硬硫铝酸盐水泥》（JC933—2003）。

快硬硫铝酸盐水泥各等级、各龄期强度值

快硬硫铝酸盐水泥的特性及应用

无水硫铝酸钙与石膏迅速反应生成钙矾石晶体和大量的铝胶。

早期强度高。

C2S水化的水化产物Ca（OH）2晶体和水化硅酸钙胶体不断填充水泥石的孔隙。

硬化后水泥石的结构致密，孔隙率小，抗渗性高，水化产物中Ca（OH）2的含量少，抗硫酸盐腐蚀能力强。

主要用于配制早强、抗渗、抗硫酸盐腐蚀的混凝土工程。

可用于冬季施工、浆锚、喷锚支护、节点、抢修、堵漏等工程。

此外，由于硫铝酸盐的碱度低，可用于生产各种玻璃纤维制品。

白色硅酸盐水泥的定义

白色硅酸盐水泥是以硅酸钙为主要成分，严格控制水泥中的氧化铁含量，加入适量的石膏，磨细所得的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥，简称白水泥。

白水泥的生产、矿物组成、性能和硅酸盐水泥基本相同。

只是氧化铁的含量是普通水泥的1/10（《白色硅酸盐水泥》（GB2015-2005）。

白水泥各龄期各等级的强度值

道路硅酸盐水泥的定义

以适当的生料烧至部分熔融，所得的以硅酸钙为主要成分和较多的铁铝酸四钙的硅酸盐熟料，加入0～10%活性混合材和适量石膏共同磨细，所得的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥。

（《道路硅酸盐水泥》（GBl3693-2005）

在道路硅酸盐水泥中，熟料的化学组成和硅酸盐水泥是完全相同的，只是水泥中的铝酸三钙的含量小于5.0％，铁铝酸四钙的含量要大于16.0％。

道路水泥各龄期强度值

道路水泥的技术性质及应用

道路水泥抗折强度高，耐磨性好、干缩小、抗冻性、抗冲击性、抗硫酸盐性能好，可减少混凝土路面的断板、温度裂缝和磨耗，减少路面维修费用，延长使用年限。

适用于道路路面、机场跑道、城市人流较多的广场等工程的面层混凝土。

水工硅酸盐水泥

（hydraulicportlandcement）

水工硅酸盐水泥指专门用于配制水工结构混凝土所用的水泥品种。

它包括：

中、低热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥。

中热硅酸盐水泥指以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏，磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料，简称中热水泥。

代号P•MH，强度等级为42.5。

低热硅酸盐水泥指以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，简称低热水泥。

P•LH，强度等级为42.5。

低热矿渣硅酸盐水泥指以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入粒化高炉矿渣、适量的石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，简称低热矿渣水泥。

代号P•SLH，强度等级为32.5。

水泥中矿渣的掺量按质量百分比为20％～60％，允许用不超过混合材料总量50％的粒化电炉磷渣或粉煤灰代替部分粒化矿渣。

中热水泥和低热水泥各龄期强度值

中热水泥和低热水泥的特性及应用

由于掺入混合材多，故中热水泥和低热水泥成本低、水化热低，性能稳定。

主要适用于要求水化热较低的大坝和大体积混凝土工程。

抗硫酸盐硅酸盐水泥

（sulfate-resistingportlandcement）

以适当的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的熟料，加入石膏，共同磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料，称为抗硫酸盐硅酸盐水泥，简称抗硫酸盐水泥。

在抗硫酸水泥中，C3S的含量小于50％；

C3A含量小于5％，C3A和C4AF的总含量小于22％。

表4.13抗硫酸盐硅酸盐水泥各龄期的强度要求（GB748—2005）

膨胀水泥和自应力水泥

在钢筋混凝土中应用膨胀水泥，由于混凝土的膨胀使钢筋产生一定的拉应力，混凝土受到相应的压应力。

根据压应力的大小，可以将水泥分为两类，一类压应力值不小于2.0MPa时，为自应力水泥；

另一类压应力值小于2.0MPa的为膨胀水泥。

自应力水泥

自应力水泥的膨胀值较大。

常用的自应力水泥有硅酸盐自应力水泥、铝酸盐自应力水泥等。

一般用于预应力钢筋混凝土压力管及配件等。

膨胀水泥

膨胀水泥主要用于收缩补偿混凝土工程，防渗混凝土（屋顶防渗、水池等），防渗砂浆，结构的加固，构件接缝、接头的灌浆，固定设备的机座及地脚螺栓等。

硅酸盐膨胀水泥

硅酸盐水泥熟料为主，外加高铝