土木工程材料-水泥

第二章水泥基本要求內(nèi)容主要介紹水泥的分類、優(yōu)點(diǎn)及生產(chǎn)。主要介紹硅酸鹽水泥及摻加混合料的硅酸鹽水泥，包括：定義、組成、水化、凝結(jié)與硬化、實(shí)驗(yàn)和技術(shù)性質(zhì)、腐蝕與防護(hù)、特性和應(yīng)用。重點(diǎn)6種硅酸鹽水泥的定義硅酸鹽水泥的礦物組成水泥水化、凝結(jié)與硬化機(jī)理技術(shù)性質(zhì)及測(cè)試方法水泥的腐蝕及防護(hù)特性應(yīng)用難點(diǎn)水泥水化、凝結(jié)和硬化機(jī)理各種水泥的異同點(diǎn)注意事項(xiàng)本章是整個(gè)課程的重點(diǎn)聯(lián)系各種水泥進(jìn)行學(xué)習(xí)著重分析它們之間的差異及造成這些差異的原因一、水泥的定義水泥是一種細(xì)磨成粉末狀，加入適量水后成為可塑性的漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等材料牢固地膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度的整體的水硬性膠凝材料。概述二、水泥的歷史

Cement一詞是由拉丁文caementum發(fā)展而來(lái)，是碎石及片石的意思。在5000年前，水泥的一些形式已經(jīng)被人們所使用。埃及人用石灰砂漿建造金字塔，古羅馬人用石灰和火山灰的混合物建造羅馬圓形大劇場(chǎng)及一樣著名的眾神廟和古壁石道。18世紀(jì)中葉，英國(guó)航海業(yè)已較發(fā)達(dá)，但船只觸礁和撞灘等海難事故頻繁發(fā)生。為避免海難事故，采用燈塔進(jìn)行導(dǎo)航。

當(dāng)時(shí)英國(guó)建造燈塔的材料有兩種：木材和“羅馬砂漿”。

為解決航運(yùn)安全問(wèn)題，尋找抗海水侵蝕材料和建造耐久的燈塔成為18世紀(jì)50年代英國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的當(dāng)務(wù)之急。

為此，英國(guó)國(guó)會(huì)不惜重金，禮聘被尊稱為英國(guó)土木之父的工程師史密頓應(yīng)聘承擔(dān)建設(shè)燈塔的任務(wù)。1756年，史密頓在建造燈塔的過(guò)程中，研究了“石灰－火山灰－砂子”三組分砂漿中不同石灰石對(duì)砂漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)含有黏土的石灰石，經(jīng)煅燒和細(xì)磨處理后，加水制成的砂漿能慢慢硬化，在海水中的強(qiáng)度較“羅馬砂漿”高很多，能耐海水的沖刷。1759年，史密頓使用新發(fā)現(xiàn)的砂漿建造了舉世聞名的普利茅斯港的漩巖大燈塔。

用含黏土、石灰石制成的石灰被成為水硬性石灰。史密頓的這一發(fā)現(xiàn)是水泥發(fā)明過(guò)程中知識(shí)積累的一大飛躍，不僅對(duì)英國(guó)航海業(yè)做出了貢獻(xiàn)，也對(duì)“波特蘭水泥”的發(fā)明起到了重要作用。然而，史密頓研究成功的水硬性石灰，并未獲得廣泛應(yīng)用，當(dāng)時(shí)大量使用的仍是石灰、火山灰和砂子組成的“羅馬砂漿”。“羅馬水泥”是1796年前后由英國(guó)人佩克發(fā)明的。佩克將稱為SepaTria的黏土質(zhì)石灰?guī)r，磨細(xì)后制成料球，在高于燒石灰的溫度下煅燒，然后進(jìn)行磨細(xì)制成水泥。佩克稱這種水泥為“羅馬水泥”，并取得了該水泥的專利權(quán)?！傲_馬水泥”凝結(jié)較快，可用于與水接觸的工程，在英國(guó)曾得到廣泛應(yīng)用，一直沿用到被“波特蘭水泥”所取代。

另一個(gè)英國(guó)人福斯特也是一位致力于水泥的研究者。他將兩份重量白堊和一份重量黏土混合后加水濕磨成泥漿，送入料槽進(jìn)行沉淀，置沉淀物于大氣中干燥，然后放入石灰窯中煅燒，溫度以料子中碳酸氣完全揮發(fā)為準(zhǔn)，燒成產(chǎn)品呈淺黃色，冷卻后細(xì)磨成水泥。福斯特稱該水泥為“英國(guó)水泥”，于1822年10月22日獲得英國(guó)第4679號(hào)專利。

真正具有現(xiàn)代水泥基本特性的水泥，是由漂泊到英國(guó)利茲城的泥水匠阿斯譜丁發(fā)明的，1824年10月21日，阿斯譜丁獲得英國(guó)第5022號(hào)的“波特蘭水泥”專利證書，從而一舉成為流芳百世的水泥發(fā)明人。

水泥的發(fā)明為建筑工程的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，使其由陸地工程發(fā)展到水中、地下工程中。水泥具有以下優(yōu)點(diǎn)：多樣性低成本可塑性工藝簡(jiǎn)單耐久性與鋼筋粘結(jié)性好水硬性水泥的優(yōu)點(diǎn)三、水泥的分類

按性能和用途分粉煤灰硅酸鹽水泥火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥水泥通用水泥專用水泥特性水泥硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥礦渣硅酸鹽水泥復(fù)合硅酸鹽水泥如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大壩水泥等如白色硅酸鹽水泥、快凝快硬硅酸鹽水泥等混合材料0-5%石膏熟料磨細(xì)硅酸鹽水泥P.ⅠP.ⅡPⅠ表示不摻混合材料的硅酸鹽水泥PⅡ表示混合材料摻量不超過(guò)5%的硅酸鹽水泥混合材料6-15%石膏熟料磨細(xì)普通硅酸鹽水泥P.O?；郀t礦渣石膏熟料磨細(xì)礦渣硅酸鹽水泥P.S火山灰質(zhì)混合材料石膏熟料磨細(xì)火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥P.P粉煤灰石膏熟料磨細(xì)粉煤灰硅酸鹽水泥P.F兩種以上混合材料石膏熟料磨細(xì)復(fù)合硅酸鹽水泥P.C通用水泥專用水泥g級(jí)油井水泥特性水泥鋁酸鹽水泥抗硫酸鹽水泥按水泥熟料的礦物組成，分為：水泥種類主要水硬性物質(zhì)主要品種硅酸鹽水泥硅酸鈣絕大多數(shù)通用水泥、專用水泥和特性水泥鋁酸鹽水泥鋁酸鈣高鋁水泥、自應(yīng)力鋁酸鹽水泥、快硬高強(qiáng)鋁酸鹽水泥等。硫鋁酸鹽水泥無(wú)水硫鋁酸鈣硅酸二鈣有自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥、低堿度硫鋁酸鹽水泥、快硬硫鋁酸鹽水泥等鐵鋁酸鹽水泥鐵相、無(wú)水硫鋁酸鈣、硅酸二鈣有自應(yīng)力鐵鋁酸鹽水泥、膨脹鐵鋁酸鹽水泥、快硬鐵鋁酸鹽水泥等氟鋁酸鹽水泥氟鋁酸鈣、硅酸二鈣氟鋁酸鹽水泥等以火山灰或潛在水硬性材料以及其他活性材料為主要組分的水泥活性二氧化硅活性氧化鋁石灰火山灰水泥、石膏礦渣水泥、低熱鋼渣礦渣水泥等四、我國(guó)水泥工業(yè)現(xiàn)狀近年來(lái)我國(guó)水泥工業(yè)發(fā)展很快，無(wú)論是品種、產(chǎn)量、質(zhì)量都有很大的突破，尤其是產(chǎn)量居世界第一位。

但同時(shí)也存在著嚴(yán)重的不足，主要表現(xiàn)為：能耗大、污染嚴(yán)重。

第一節(jié)

通用硅酸鹽水泥概述

一、通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)

生產(chǎn)通用硅酸鹽水泥熟料的原料主要是石灰石和黏土質(zhì)原料兩類。還需加入少量校正原料來(lái)調(diào)整，常采用黃鐵礦渣等。

石灰質(zhì)原料主要提供CaO，常采用石灰石、白堊、石灰質(zhì)凝灰?guī)r等。

黏土質(zhì)原料主要提供SiO2、Al2O3及Fe2O3，常采用黏土、黏土質(zhì)頁(yè)巖、黃土等。

硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝可概括為三個(gè)階段：生料制備：以石灰石、粘土和鐵礦粉為主要原料（有時(shí)需加入校正原料），將其按一定比例配合、磨細(xì)，制得具有適當(dāng)化學(xué)成分、質(zhì)量均勻的生料。熟料煅燒：將生料在水泥窯內(nèi)經(jīng)1450℃高溫煅燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料。水泥粉磨：將熟料加適量石膏和0～5％的石灰石或?；郀t礦渣共同磨細(xì)得到硅酸鹽水泥。通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝概括起來(lái)就是“兩磨一燒”。煅燒水泥熟料的窯型主要有兩類：回轉(zhuǎn)窯和立窯。

石灰石黏土鐵礦粉生料石膏硅酸鹽水泥混合材料熟料按比例混合磨細(xì)1350～1450℃煅燒磨細(xì)立窯和立窯燒成車間回轉(zhuǎn)窯和回轉(zhuǎn)窯燒成車間水泥回轉(zhuǎn)窯二、通用硅酸鹽水泥的組成

通用硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料、石膏調(diào)凝劑和混合材料三部分組成。（一）硅酸鹽水泥熟料以適當(dāng)成分的生料煅燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分的產(chǎn)物，稱為硅酸鹽水泥熟料。生料SiO2CaO化合反應(yīng)800～1450℃800℃左右分解反應(yīng)Al2O3Fe2O32CaO·SiO23CaO·SiO23CaO·Al2O34CaO·Al2O3·Fe2O3礦物名稱化學(xué)成分縮寫符號(hào)含量硅酸三鈣3CaO·SiO2

C3S36％～60％硅酸二鈣2CaO·SiO2

C2S15％～37％鋁酸三鈣3CaO·Al2O3

C3A7％～15％鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3

C4AF10％～18％硅酸鹽水泥熟料的礦物組成水泥熟料（立窯）葡萄狀熟料水泥熟料（回轉(zhuǎn)窯）水泥熟料提升單個(gè)熟料顆粒橫切面結(jié)構(gòu)（立窯）電子顯微鏡下磨細(xì)熟料顆粒外觀反光顯微鏡下熟料礦物形貌C3SC2S（二）石膏作用：緩凝、調(diào)節(jié)凝結(jié)速度，主要控制C3A；成分：二水石膏（CaSO4

·2H2O

）或無(wú)水石膏（CaSO4，又稱硬石膏）；摻量：取決于C3A，一般3～5％；過(guò)多起不到調(diào)整凝結(jié)作用，過(guò)多易引起體積安定性不良。（三）混合材料作用：①改善水泥性質(zhì)（降低水化熱，提高防腐性能）；②調(diào)節(jié)水泥標(biāo)號(hào)；③提高水泥產(chǎn)量（節(jié)約水泥原料）

按性能不同（1）活性混合材料活性：能與堿水溶液和硫酸鹽溶液反應(yīng)，生成水硬性化合物粒化高爐礦渣：CaO，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3

（含量＞90％）火山灰質(zhì)混合材料：活性SiO2和活性Al2O3粉煤灰：SiO2和Al2O3（含量＞60％）（2）非活性混合材料非活性：不能與堿水溶液和硫酸鹽溶液反應(yīng)。品種：磨細(xì)石英砂、石灰石、粘土、慢冷礦渣等摻加目的：調(diào)節(jié)水泥標(biāo)號(hào)、提高產(chǎn)量、降低水化熱活性混合材水淬礦渣粉煤灰火力發(fā)電廠濕排粉煤灰干排粉煤灰（電收塵器）火山灰（燒黏土）燒粘土（爐渣）燒黏土（煤矸石）非活性混合材水泥廠窯灰石灰石粉

第二節(jié)

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥

一、硅酸鹽水泥的水化和凝結(jié)硬化水化：水泥熟料與水及混合材料反應(yīng)；凝結(jié)：水泥加水拌合而成的漿體，經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)變化，漿體逐漸變稠失去可塑性而成為水泥石的過(guò)程；硬化：水泥石強(qiáng)度逐漸發(fā)展的過(guò)程稱為硬化。水泥的凝結(jié)過(guò)程和硬化過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的。凝結(jié)過(guò)程較短暫，一般幾個(gè)小時(shí)即可完成；硬化過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在一定溫度和濕度下可持續(xù)幾十年。

第二節(jié)

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥

（一）硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥與水拌合后，其熟料顆粒表面的四種礦物立即與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物并放出一定熱量。1.硅酸三鈣水化生成水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣晶體。該水化反應(yīng)的速度快，形成早期強(qiáng)度并生成早期水化熱。

3CaO·SiO2+H2O

CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

第二節(jié)

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥

2.硅酸二鈣水化生成水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣晶體。該水化反應(yīng)的速度慢，對(duì)后期齡期混凝土強(qiáng)度的發(fā)展起關(guān)鍵作用。水化熱釋放緩慢。產(chǎn)物中氫氧化鈣的含量減少時(shí)，可以生成更多的水化產(chǎn)物。

2CaO·SiO2+H2O3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2

第二節(jié)

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥

3.鋁酸三鈣水化生成水化鋁酸鈣晶體。該水化反應(yīng)速度極快，并且釋放出大量的熱量。如果不控制鋁酸三鈣的反應(yīng)速度，將產(chǎn)生閃凝現(xiàn)象，水泥將無(wú)法正常使用。通常通過(guò)在水泥中摻有適量石膏，可以避免上述問(wèn)題的發(fā)生。

3CaO·Al2O3+H2O3CaO·Al2O3·6H2O

第二節(jié)

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥

4.鐵鋁酸四鈣水化生成水化鋁酸鈣晶體和水化鐵酸鈣凝膠.該水化反應(yīng)的速度和水化放熱量均屬中等。4CaO·Al2O3·Fe2O3+H2O3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O水泥熟料水化后的主要水化產(chǎn)物有：水化硅酸鈣(70%)氫氧化鈣(20%)水化鋁酸鈣水化鐵酸鈣水化硫鋁酸鈣

由C3S和C2S生成的水化硅酸鈣（簡(jiǎn)寫成C-S-H）幾乎不溶于水，而以膠體微粒析出，并逐漸凝聚成為凝膠。由這些顆粒構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有很高的強(qiáng)度。

電子顯微鏡觀察到的C－S－H形貌（呈結(jié)晶度較差的箔片狀和纖維顆粒）結(jié)晶完整的Ca（OH）2晶體

粉磨水泥時(shí)摻入的適量石膏與水化鋁酸三鈣晶體反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣，又稱鈣礬石或AFt，水化硫鋁酸鈣是難溶于水的針狀晶體，它沉淀在熟料顆粒的周圍，阻礙了水分的進(jìn)入，因此起到了延緩水泥凝結(jié)的作用。石膏完全消耗后，一部分鈣礬石將轉(zhuǎn)變?yōu)閱瘟蛐退蜾X酸鈣（簡(jiǎn)式AFm）晶體。

3CaO·Al2O3·6H2O+H2O+CaSO4·2H2O3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

鈣礬石環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察水泥凈漿中快速生成的鋁酸鈣晶體環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察到水泥凈漿中快速生成的針狀硫鋁酸鈣晶體礦物種類硅酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣縮寫C3SC2SC3AC4AF含量（%）37-6015-377-1510-18水化速度快慢最快快水化熱多少最多較多強(qiáng)度高早低后高低低抗腐蝕性好好差極好收縮中較大大?。ǘ┕杷猁}水泥的凝結(jié)硬化過(guò)程一般按水化反應(yīng)速率和水泥漿體的結(jié)構(gòu)特征，硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化過(guò)程可分為：初始反應(yīng)期、潛伏期、凝結(jié)期、硬化期4個(gè)階段。

凝結(jié)硬化過(guò)程初始反應(yīng)期初始的溶解和水化，約持續(xù)5-10分鐘。潛伏期流動(dòng)性可塑性好凝膠體膜層圍繞水泥顆粒成長(zhǎng)，1h

凝膠膜破裂、長(zhǎng)大并連接、水泥顆粒進(jìn)一步水化，6h。多孔的空間網(wǎng)絡(luò)—凝聚結(jié)構(gòu)，失去可塑性凝結(jié)期凝膠體填充毛細(xì)管，6h-若干年硬化石狀體密實(shí)空間網(wǎng)硬化期（三）水泥石的結(jié)構(gòu)由水化產(chǎn)物（凝膠體）、未水化的水泥顆粒內(nèi)核、孔隙等組成的多相（固、液、氣）的多孔體系。

孔隙硬化水泥石結(jié)構(gòu)A——凝膠體（C－S－H凝膠，水化硅酸鈣凝膠）；B——晶體（氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣）；C——孔隙（毛細(xì)孔、凝膠孔、氣孔等）；D——未水化的水泥顆粒水泥石的結(jié)構(gòu)

1、水泥石主要由凝膠體、晶體、孔隙、水、空氣和未水化的水泥顆粒等組成，存在固相、液相和氣相。2、硬化后的水泥石是一種多相多孔體系。3、水泥石的結(jié)構(gòu)（水化產(chǎn)物的種類及相對(duì)含量、孔的結(jié)構(gòu)）對(duì)其性能影響最大。（四）影響硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化的主要因素

1.熟料的礦物組成；

2.水泥細(xì)度；

3.石膏摻量；

4.水泥漿的水灰比；

5.溫度與濕度；

6.養(yǎng)護(hù)齡期。

水灰比對(duì)水泥石結(jié)構(gòu)的影響二、硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)（GB175-2007）（一）細(xì)度水泥的細(xì)度指水泥的磨細(xì)程度或分散度。細(xì)度決定了水泥與水接觸的表面積。從而影響水泥的水化和凝結(jié)速度和性質(zhì)。水泥細(xì)度通常采用篩析法或比表面積法測(cè)定。勃氏比表面積儀篩析法（0.080mm方孔篩）干篩、水篩、負(fù)壓篩負(fù)壓篩析儀

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，硅酸鹽水泥的比表面積不小于300m2/kg。細(xì)度與水接觸的表面積凝結(jié)和硬化速度性質(zhì)<40μ大高強(qiáng)度高過(guò)細(xì)很大很高成本高D

>100μ小低低水泥的細(xì)度和性質(zhì)（二）凝結(jié)時(shí)間凝結(jié)時(shí)間分初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，初凝時(shí)間是指從加水到水泥漿開始失去塑性的時(shí)間，終凝時(shí)間是指從加水到水泥漿完全失去塑性的時(shí)間。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，硅酸鹽水泥的初凝時(shí)間不得早于45min，終凝時(shí)間不得遲于390min。

水泥凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定，是以標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿，在規(guī)定溫度和濕度條件下，用凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀測(cè)定。所謂標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是指水泥凈漿達(dá)到規(guī)定稠度時(shí)所需的拌合用水量，以占水泥重量的百分率表示，硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，一般為24%～30%。

水泥凈漿攪拌機(jī)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)間的維卡儀代用法標(biāo)準(zhǔn)法不變(固定)水量法稱取500g水泥加入500×P%ml水采用標(biāo)準(zhǔn)稠度測(cè)定儀測(cè)量P%

通過(guò)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)稠度水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間。凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀凝結(jié)時(shí)間測(cè)定概念從水泥加水拌和起至標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿開始失去可塑性所需的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)要求≮45min國(guó)產(chǎn)水泥一般為1-3h實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)以試針距底板4±1mm為準(zhǔn)。工程意義水泥的初凝時(shí)間不宜過(guò)早，以便施工時(shí)有充分的時(shí)間攪拌、運(yùn)輸、澆搗和砌筑等操作。初始凝結(jié)時(shí)間終凝時(shí)間概念從水泥加水拌和起至水泥凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所需的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)要求≯390min國(guó)產(chǎn)水泥一般為5-6h實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)以試針下沉0.5mm為準(zhǔn)。工程意義終凝時(shí)間不宜過(guò)遲，以便施工完畢后更快硬化，達(dá)到一定的強(qiáng)度，以利于下一步施工工藝的進(jìn)行。定義

指水泥硬化過(guò)程中體積變化小且均勻的性能。體積安定性不良水泥硬化后產(chǎn)生不均勻的體積變化（裂紋后彎曲）。使建筑質(zhì)量下降，甚至引起嚴(yán)重的建筑事故。硅酸鹽水泥的體積安定性工程事故實(shí)例二則1、1884年，法國(guó)一座橋梁由于使用了氧化鎂含量較高的立窯水泥，在建成兩年后，因混凝土膨脹而破壞。

2、上海市普陀區(qū)某大廈11-14層主體結(jié)構(gòu)用某水泥，經(jīng)多次檢驗(yàn)其安定性不合格，其F—CaO含量高達(dá)6.85%，用蒸煮法加速試驗(yàn)，結(jié)果混凝土劈拉強(qiáng)度下降達(dá)25%以上，抗壓強(qiáng)度下降也達(dá)15%，且存在進(jìn)一步下降的可能。上海市建委決定推倒重建，于1995年逐層爆破拆除。這起事故引起的直接經(jīng)濟(jì)損失為211.8萬(wàn)元。安定性不良對(duì)工程的影響體積安定性不良的原因過(guò)量游離的CaO過(guò)量游離的MgO過(guò)量石膏水泥中的游離氧化鈣或氧化鎂都是過(guò)燒的，它們的水速度慢，在水泥硬化后才開始水化，使已經(jīng)硬化的水泥石膨脹開裂。當(dāng)石膏摻量過(guò)多時(shí)，在水泥硬化后，它還能繼續(xù)與水化鋁酸鈣反應(yīng)，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，體積增大1.5倍，引起水泥石開裂。此時(shí)，水化硫鋁酸鈣被稱為水泥桿菌。體積安定性不良的原因煮沸法-加速實(shí)驗(yàn)法測(cè)量體積安定性的兩種方法：試餅法觀察水泥凈試餅在沸煮后的外形變化雷氏夾法測(cè)量水泥石餅沸煮后的膨脹值

體積穩(wěn)定性的測(cè)定水泥安定性的測(cè)定——試餅法煮沸法測(cè)定儀體積安定性不良水泥安定性的測(cè)定——試餅法雷氏夾法體積安定性測(cè)定儀水泥安定性的測(cè)定——雷氏夾法雷氏夾水泥安定性的測(cè)定——雷氏夾法限制上述測(cè)試方法僅能測(cè)出游離CaO是否過(guò)量。游離MgO和石膏不能通過(guò)加速實(shí)驗(yàn)的方法檢測(cè)所以它們必須在生產(chǎn)工藝中嚴(yán)格控制，避免過(guò)量。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

MgO≯5%、石膏SO3≯3.5%。體積安定性的測(cè)定（四）強(qiáng)度水泥的強(qiáng)度是評(píng)定其質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是劃分水泥強(qiáng)度等級(jí)的依據(jù)。

水泥的強(qiáng)度包括抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，必須同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，缺一不可。水泥膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)設(shè)備水泥膠砂攪拌機(jī)水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱水泥抗折試驗(yàn)機(jī)水泥抗壓夾具水泥膠砂振實(shí)臺(tái)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)水泥強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試模水泥膠砂攪拌機(jī)控制器加砂箱攪拌葉攪拌鍋水泥膠砂攪拌機(jī)控制器記數(shù)器套模擺動(dòng)臂擺動(dòng)軸水泥膠砂振實(shí)臺(tái)水泥恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱上壓板下壓板水泥抗壓夾具標(biāo)尺平衡錘控制箱抗折夾具游動(dòng)砝碼水泥膠砂強(qiáng)度的測(cè)定原理水泥+標(biāo)準(zhǔn)砂+水質(zhì)量比1：3.0：0.50一組試件材料稱量450g1350g225ml

共制作兩組試件，在溫度為20±1℃，相對(duì)濕度在90%以上的潮濕條件下養(yǎng)護(hù)3d、28d，分別測(cè)定的抗折強(qiáng)度(fce,m

)和抗壓強(qiáng)度(fce,c)，即為水泥的“膠砂強(qiáng)度”(MPa)。水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)步驟清理安裝水泥試模攪拌水泥膠砂成型試件

將攪拌好的水泥膠砂，裝入試模，開動(dòng)振實(shí)臺(tái)，以60次/分鐘的頻率振搗1分鐘，取下試模，用水泥專用工具將試模表面多余的水泥膠砂刮去。寫上成型日期和編號(hào)。養(yǎng)護(hù)測(cè)定抗折破壞荷載測(cè)定抗壓破壞荷載稱?。核嗨畼?biāo)準(zhǔn)砂低速攪拌30s加砂低速攪拌30s高速攪拌30s高速攪拌60s停90s水泥抗折強(qiáng)度測(cè)定l=100mmF(N)50mm結(jié)果計(jì)算評(píng)定每個(gè)齡期測(cè)定破壞荷載F1，F(xiàn)2，F(xiàn)340mm40mmbh橫截面水泥標(biāo)準(zhǔn)試件160×40×40mm下壓板上壓板FF水泥抗壓強(qiáng)度測(cè)定受力面積A=40×40mm結(jié)果計(jì)算評(píng)定測(cè)定出抗壓破壞荷載F1～F6每個(gè)齡期每組6個(gè)半截試件抗折強(qiáng)度（MPa）抗壓強(qiáng)度（MPa）六個(gè)抗壓強(qiáng)度值中剔除最大、最小值各1個(gè)，剩下四個(gè)平均作為抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果；如不足六個(gè)時(shí)，取平均值；不足四個(gè)時(shí)，試驗(yàn)無(wú)效。fce,c==（1/1600）F結(jié)果評(píng)定：fce,m==0.00234F結(jié)果評(píng)定：以三個(gè)試件的算術(shù)平均值作為結(jié)果；如果三個(gè)值中有一個(gè)超過(guò)平均值的±10%，剔除該值后取平均值；如有兩個(gè)超過(guò)時(shí)，試驗(yàn)無(wú)效。強(qiáng)度等級(jí)根據(jù)3天和28天抗壓強(qiáng)度3天和28天抗折強(qiáng)度硅酸鹽水泥可分為6個(gè)等級(jí)：42.5，42.5R,52.5，52.5R,62.5,62.5R各齡期的強(qiáng)度不低于GB175-2007表中的規(guī)定。按早期強(qiáng)度不同分為兩種類型，早強(qiáng)型(用R表示)和普通型。62.5R62.552.5R52.542.5R42.5StrengthGrade等級(jí)

抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度（MPa）

3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0表3-4硅酸鹽水泥各齡期的強(qiáng)度要求（GB175-2007）

舉例等級(jí)

抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度（MPa）

3d28d3d28d？23.0454.06.8等級(jí)

抗壓強(qiáng)度(MPa)抗折強(qiáng)度（MPa）

3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0技術(shù)性質(zhì)分析

水泥在出廠和使用前必須檢驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)有四項(xiàng)：細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度和體積安定性。這四項(xiàng)指標(biāo)中，除強(qiáng)度外，其它任何一項(xiàng)指標(biāo)不合格，則水泥不能使用；反之，若僅強(qiáng)度一項(xiàng)指標(biāo)不合格，而其它三項(xiàng)指標(biāo)合格，則水泥可降等級(jí)使用。

IfonlythestrengthisunqualifiedCementofthelowergrade其他性質(zhì)密度:3.0-3.15g/cm3,通常3.1g/cm3堆積密度:1000-1600kg/m3堿含量以Na2O+0.658K2O計(jì)算值表示，以防止堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生。低堿水泥含堿量≯0.6%，或由供需雙方商定。水化熱大部分的水化熱在水化反應(yīng)的初期釋放出來(lái)，它的數(shù)量決定于水泥的化學(xué)成分和細(xì)度、礦物摻合料以及酸的侵蝕。C3S，C3A越高，顆粒越細(xì)，水化熱越大，對(duì)冬季施工有利，但對(duì)大體積混凝土工程有害。水泥水化熱測(cè)定儀水泥石的腐蝕和防止簡(jiǎn)介腐蝕類型腐蝕原因防止措施簡(jiǎn)介水泥石硬化后，在正常的使用條件下，即在潮濕環(huán)境中或水中，仍可以逐漸硬化并不斷增長(zhǎng)期強(qiáng)度。

水泥石的腐蝕在一些腐蝕性介質(zhì)中，水泥石的結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，強(qiáng)度和耐久性降低，甚至完全破壞的現(xiàn)象。（一）水泥石的幾種主要侵蝕類型

1.軟水侵蝕（溶出性侵蝕）；

2.鹽類侵蝕;最常見的鹽類侵蝕是硫酸鹽侵蝕與鎂鹽侵蝕。

3.酸類侵蝕：（1）碳酸侵蝕；（2）一般酸侵蝕；

4.強(qiáng)堿侵蝕。水泥的耐蝕性可用耐蝕系數(shù)定量表示。

軟水侵蝕特點(diǎn)介質(zhì)—軟水（含HCO3－少的水，如雨水、雪水和蒸餾水）；氫氧化鈣溶解于水中引起的腐蝕。

過(guò)程當(dāng)水泥石與軟水接觸時(shí)，最先溶出的成分是氫氧化鈣。當(dāng)水泥使處于流水或是有壓力的水中時(shí)，氫氧化鈣不斷溶解流失，水泥石的密實(shí)度下降，強(qiáng)度和耐久性也降低；而且，由于氫氧化鈣濃度的下降，還引起了水泥石中的其它水化產(chǎn)物的分解在硬水中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)生成的氫氧化鈣幾乎不溶于水，堆積在水泥石的空隙中，形成密實(shí)的保護(hù)層預(yù)防措施將與軟水接觸的混凝土，事先在空氣中碳化－人工碳化Ca(OH)2+Ca(HCO3)2CaCO3+H2O軟水侵蝕人工碳化將與軟水接觸的混凝土，事先在空氣中碳化Ca(OH)2+Ca(HCO3)2

CaCO3+H2O生成的氫氧化鈣幾乎不溶于水，堆積在水泥石的空隙中，形成密實(shí)的保護(hù)層硫酸鹽腐蝕特點(diǎn)以硫酸鹽為介質(zhì)的海水、地下水等硫酸鹽與水泥石中的成分反應(yīng)生成膨脹性晶體，使水泥石破壞腐蝕過(guò)程舉例：AFt鈣釩石硫酸鹽腐蝕鈣釩石呈針狀晶體，常稱其為“水泥桿菌”。

若硫酸鈣濃度過(guò)高，則直接在孔隙中生成二水石膏晶體，產(chǎn)生體積膨脹，也會(huì)導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)破壞。

MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2MgSO4+Ca(OH)2+H2O=Mg(OH)2+CaSO4·2H2O

結(jié)晶膨脹易溶于水鎂鹽腐蝕

特點(diǎn)以鎂鹽為介質(zhì)的海水、地下水等鎂鹽與水泥石中的成分反應(yīng)，生成易溶于水或松軟無(wú)膠凝作用的產(chǎn)物，破壞水泥石腐蝕過(guò)程舉例：碳酸鹽腐蝕

Ca(OH)2+CO2+H2OCaCO3+2H2OCaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2

易溶于水特點(diǎn)以碳酸鹽為介質(zhì)的海水、地下水等碳酸鹽與水泥石中的成分反應(yīng)，生成易溶于水的產(chǎn)物，破壞水泥石腐蝕過(guò)程舉例：酸的腐蝕易溶于水

結(jié)晶膨脹OHCaSOOHCaSOHOHCaClOHCaHCl242422222)(2)(2?++?+特點(diǎn)以酸性介質(zhì)為主的工業(yè)環(huán)境等酸與水泥石中的成分反應(yīng)，生成易溶于水、結(jié)晶膨脹的產(chǎn)物，破壞水泥石腐蝕過(guò)程舉例：堿的腐蝕

易溶于水干燥空氣

結(jié)晶膨脹特點(diǎn)堿與水泥石中的成分反應(yīng)，生成易溶于水、結(jié)晶膨脹的產(chǎn)物，破壞水泥石Back腐蝕原因內(nèi)因水泥石中存在著易受腐蝕的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣；水泥石本身不密實(shí)，使侵蝕性介質(zhì)易于進(jìn)入其內(nèi)部；腐蝕與介質(zhì)相互作用；外因腐蝕介質(zhì)、溫度、濕度、介質(zhì)濃度

Back防止措施根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)，合理選擇水泥品種提高水泥石的密實(shí)度在混凝土表面覆蓋保護(hù)層，對(duì)有特殊要求的混凝土工程，還可以采用浸漬混凝土四、硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用1、強(qiáng)度高——早期強(qiáng)度要求高的工程

——高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)

——預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)2、硬化快——要求凝結(jié)快、早強(qiáng)高的工程

——冬季施工，預(yù)制、現(xiàn)澆等工程3、抗凍性好——冬季施工

——嚴(yán)寒地區(qū)遭受反復(fù)凍融的工程四、硅酸鹽水泥的特性與應(yīng)用4、耐蝕性差——不適用與淡水及海水等腐蝕性介質(zhì)接觸的工程5、耐熱性差——

不適用于有耐熱要求的混凝土工程

6、水化熱大——

不適用于大體積混凝土工程，但有利于低溫季節(jié)畜熱法施工7、耐磨性好——

適用于公路、地面工程8、抗碳化性好——

對(duì)鋼筋的保護(hù)作用強(qiáng)，適合CO2濃度高的環(huán)境

水泥砂漿人工碳化28d五、普通硅酸鹽水泥(GB175—2007)

普通硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料、再加入＞5%且≤20%的活性混合材料及適量石膏組成，簡(jiǎn)稱普通水泥，代號(hào)P·O?；钚曰旌喜牧系淖畲髶搅坎坏贸^(guò)20%，其中允許用不超過(guò)水泥質(zhì)量5%的窯灰或不超過(guò)水泥質(zhì)量8%的非活性混合材料來(lái)代替。普通硅酸鹽水泥的終凝時(shí)間不得大于600min，其余技術(shù)性質(zhì)要求同硅酸鹽水泥。具體規(guī)定參見教材表3-5。

普通硅酸鹽水泥與硅酸鹽水泥的差別僅在于其中含有少量混合材料，而絕大部分仍是硅酸鹽水泥熟料，故其特性與硅酸鹽水泥基本相同。

但由于摻入少量混合材料，因此與同強(qiáng)度等級(jí)硅酸鹽水泥相比：

——早期硬化速度稍慢；

——3d強(qiáng)度稍低；

——抗凍性稍差；

——水化熱稍小；

——耐腐性稍好。

第三節(jié)

摻大量混合材料的硅酸鹽水泥

一、混合材料

按其性能可分為活性混合材料和非活性混合材料兩大類。（一）活性混合材料

1．?；郀t礦渣。活性玻璃體使其具有較高的潛在活性。2．火山灰質(zhì)混合材料。含活性Al2O3和活性SiO2。3．硅粉。無(wú)定形SiO2含量大于90%。4．粉煤灰。含活性Al2O3和活性SiO2。含大量玻璃微珠。（二）非活性混合材料常溫下與石灰、石膏或硅酸鹽水泥一起，加水拌合后不能發(fā)生水化反應(yīng)或反應(yīng)甚微，不能生成水硬性產(chǎn)物的材料。

微硅粉及在杭州灣跨海大橋中的應(yīng)用粉煤灰中的球形玻璃微珠（漂珠及沉珠）二、活性混合材料的水化磨細(xì)的活性混合材料與水調(diào)和后，本身不會(huì)硬化或硬化極其緩慢；但在飽和Ca(OH)2溶液中，常溫下就會(huì)發(fā)生顯著的水化反應(yīng)，這被稱為“二次反應(yīng)”。

xCa(OH)2+活性SiO2+n1H2O

xCaO·SiO2

·

（n1+x）H2OxCa(OH)2+活性Al2O3+n2

H2O

yCaO·Al2O3·

（n2+y）H2O

生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣是具有水硬性的產(chǎn)物，與硅酸鹽水泥中的水化產(chǎn)物相同。

當(dāng)有石膏存在時(shí)，水化鋁酸鈣和石膏進(jìn)一步反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣。因此，氫氧化鈣和石膏激發(fā)了混合材料的活性。堿性激發(fā)劑硫酸鹽激發(fā)劑

摻活性混合材料的硅酸鹽水泥與水拌和水泥熟料水化；水泥熟料水化產(chǎn)物Ca（OH）2與活性SiO2和活性Al2O3發(fā)生水化反應(yīng)。硅酸鹽水泥中摻混合材料水泥熟料相對(duì)含量降低水化速度較慢早期強(qiáng)度較低。三、混合材料在水泥生產(chǎn)中的作用

活性混合材料主要作用：改善水泥的某些性能；調(diào)節(jié)水泥強(qiáng)度；降低水化熱；降低生產(chǎn)成本；增加水泥產(chǎn)量；擴(kuò)大水泥品種。

非活性混合材料主要作用：調(diào)節(jié)水泥強(qiáng)度；降低水化熱；降低生產(chǎn)成本；增加水泥產(chǎn)量。

四、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥（一）組成與技術(shù)要求

GB175—2007規(guī)定：由硅酸鹽水泥熟料，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞20%的單個(gè)或二個(gè)及以上不同品種的混合材料及適量石膏，組成上述四個(gè)品種的硅酸鹽水泥。強(qiáng)度等級(jí)規(guī)定參見教材P46表3－6。（二）特性與應(yīng)用

1．四種水泥的共性。（1）早期強(qiáng)度低、后期強(qiáng)度發(fā)展高。不適合用于早期強(qiáng)度要求高的混凝土工程，如冬季現(xiàn)澆工程等。（2）對(duì)溫度敏感，適合高溫養(yǎng)護(hù)。（3）耐腐蝕性好。適合用于有硫酸鹽、鎂鹽、軟水等侵蝕作用的環(huán)境，如水工、海港、碼頭等混凝土工程。但當(dāng)侵蝕介質(zhì)的濃度較高或耐腐蝕性要求高時(shí)，仍不宜使用。

（4）水化熱小。適合用于大體積混凝土工程。（5）抗凍性較差。不適合冬期施工。（6）抗碳化性較差。不適合用于二氧化碳濃度含量高的工業(yè)廠房，如鑄造、翻砂車間等。

摻60％低鈣粉煤灰砂漿人工碳化28d2．四種水泥的特性（1）礦渣硅酸鹽水泥?？?jié)B性差，且干縮較大。耐熱性較好。（2）火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。加強(qiáng)保濕養(yǎng)護(hù)，抗?jié)B性較好，適合用于有抗