第4章水泥與石灰

第四章水泥與石灰主要內(nèi)容硅酸鹽水泥4.1石灰4.23 2.1.1水泥的基本概念 2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分 2.1.3硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第一節(jié)硅酸鹽水泥2.1.1水泥的基本概念（P145/P161）水泥是重要的建筑材料之一，發(fā)展歷史悠久

1824年，英國人Aspdin發(fā)明了波特蘭水泥，并獲得專利權(quán)，在水泥發(fā)展史上具有里程碑意義 自此膠凝材料進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)代廣泛用于公路工程及其構(gòu)造物

主要用于砂、石材料的膠結(jié)或混凝土的生產(chǎn)水泥的水硬性

水泥與水混合后，經(jīng)過一系列的物理化學(xué)作用，由可塑性漿體變成堅(jiān)硬的石狀體。既可以在空氣中硬化，也可以在水中硬化。所以水泥材料既可以用在地上工程，也可以用在地下工程。硅酸鹽水泥定義：硅酸鹽水泥熟料、0%-5%石灰石或?；郀t礦渣（混合材料）、適量石膏共同磨細(xì)得到的一種水硬性膠凝材料。不摻加混合料的稱為Ⅰ型硅酸鹽水泥，P?Ⅰ;摻加不超過5%水泥質(zhì)量的混合料的稱為Ⅱ型硅酸鹽水泥，P?Ⅱ;普通硅酸鹽水泥定義：硅酸鹽水泥熟料、6%-15%混合材料、適量石膏共同磨細(xì)得到的一種水硬性膠凝材料，代號(hào)P?O。2.1.1水泥定義及分類（1）水泥原料與生料化學(xué)組成

原料：石灰質(zhì)原料提供CaO-(C)（63-67%） 粘土質(zhì)原料提供SiO2-(S)（21-24%）

Al2O3-(A)（4-7%）

Fe2O3-(F)（2-4%）

生料配制：確定比例、磨細(xì)混合（干法及濕法）生料：各種原料按適當(dāng)比例配合，在磨機(jī)上磨細(xì)。干法：原料先烘干后磨細(xì)；濕法：原料加水后在磨機(jī)中磨成生料漿；水泥生產(chǎn)工藝：“兩磨一燒”2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分（P145/P164）（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及化學(xué)成分礦物組成化學(xué)組成常用縮寫大致含量（%）硅酸三鈣3CaO·SiO2C3S35～65硅酸二鈣2CaO·SiO2C2S10～40鋁酸三鈣3CaO·Al2O3C3A0～15鐵鋁酸四鈣4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF5～152.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分石灰石┐磨細(xì)

1450℃

粘土┼───生料───熟料┐鐵礦粉┘石膏┘

磨細(xì)————水泥成品硅酸鹽水泥熟料主要礦物組成的特點(diǎn)礦物組成主要特點(diǎn)C3S硅酸鹽水泥中最主要的礦物成分，對(duì)硅酸鹽水泥性質(zhì)有重要影響。遇水反應(yīng)速度較快，水化熱高，水化產(chǎn)物對(duì)水泥早期和后期強(qiáng)度起主要作用C2S硅酸鹽水泥中的主要礦物成分，遇水反應(yīng)速度較慢，水化熱很低，水化產(chǎn)物對(duì)水泥早期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小，但對(duì)水泥后期強(qiáng)度起重要作用，耐化學(xué)侵蝕性和干縮性較好C3A含量通常在15％以下，是四種主要礦物組成中遇水反應(yīng)速度最快，水化熱最高的組分。它的含量決定水泥的凝結(jié)速度和釋熱量，它與為調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)速度而摻入的石膏形成的水化產(chǎn)物對(duì)水泥早期強(qiáng)度起一定作用。耐化學(xué)侵蝕性差，干縮性大C4AF含量5-10%，遇水反應(yīng)較快，水化熱較高。強(qiáng)度較低，但對(duì)水泥抗折強(qiáng)度起重要作用。耐磨性、耐化學(xué)侵蝕性好，干縮性?。?）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分水化程度：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S水化熱：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S強(qiáng)度早期強(qiáng)度：C3S＞C3A＞C4AF＞C2S

后期強(qiáng)度：C3S~C2S＞C3A～C4AF硅酸鹽水泥的強(qiáng)度主要來自C3S、C2S，因此取名為硅酸鹽水泥（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分干縮性：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S耐化學(xué)腐蝕性：C4AF＞C3S＞C2S＞C3A礦物組成硅酸三鈣（C3S）硅酸二鈣（C2S）鋁酸三鈣（C3A）鐵鋁酸四鈣（C4AF）與水反應(yīng)速度中慢快中水化熱中低高中對(duì)強(qiáng)度的作用早期良差良良后期良優(yōu)中中耐化學(xué)侵蝕性中良差優(yōu)干縮性中小大小各組分比例不同，水泥技術(shù)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)變化，可根據(jù)工程需要，改變組分可制備不同性能的水泥。硅酸鹽水泥熟料主要礦物組成的特點(diǎn)（2）硅酸鹽水泥熟料的礦物組成2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分性能指標(biāo)指標(biāo)在使用上的意義氧化鎂容易引起體積膨脹，水泥安定性不良的重要誘因，≤

5.0%三氧化硫容易引起體積膨脹，水泥安定性不良的重要誘因，≤

3.5%堿（Na2O+K2O）容易產(chǎn)生堿—集料反應(yīng)，含堿量≤

0.6%2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分（3）水泥中的有害成分及其危害硅酸鹽水泥是一種多種礦物的聚集體顯微鏡下觀察到的水泥熟料拋光薄片（4）熟料礦物結(jié)構(gòu)2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分C3S---為光亮的棱角形晶體；C2S---為深色倒圓角的晶體；C3A---一般呈不規(guī)則的微晶體，如點(diǎn)滴狀、矩形或柱狀，由于反光能力弱，在反光鏡下呈暗灰色，常稱為黑色中間相；C4AF---呈棱柱狀或圓粒狀，反光能力強(qiáng)，在反光鏡下呈亮白色，稱為白色中間相。（4）熟料礦物結(jié)構(gòu)2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分①C3S結(jié)構(gòu)特征 C3S稱為阿利特或A礦，其晶體斷面為六角形和棱柱形（4）熟料礦物結(jié)構(gòu)2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)中的鈣離子具有較高活性；C3S結(jié)構(gòu)中進(jìn)入了Al3＋與Mg2＋離子并形成固溶體，固溶程度越高，活性越大；結(jié)構(gòu)中存在大尺寸的“空穴”，使其具有較大的水化速度。②C2S結(jié)構(gòu)特征 C2S稱為貝利特或B礦，C2S以β-C2S的形式存在β-C2S結(jié)構(gòu)具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性；β-C2S結(jié)構(gòu)中的鈣離子具有較高活性；β-C2S結(jié)構(gòu)中，雜質(zhì)和穩(wěn)定劑的存在提高了其結(jié)構(gòu)活性；β-C2S結(jié)構(gòu)中沒有大的“空穴”，水化速度較慢。③C3A結(jié)構(gòu)特征

C3A在900～1100℃開始形成，1100～1200℃時(shí)大量生成，且只有當(dāng)化學(xué)成分Al2O3和Fe2O3的重量比大于0.64時(shí)才能形成。（4）熟料礦物結(jié)構(gòu)2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分結(jié)構(gòu)中的鋁離子、鈣離子具有較高活性；結(jié)構(gòu)中存在較大的“空穴”，水化速度快。④C4AF結(jié)構(gòu)特征 C4AF稱為才利特或C礦。在透射光下，呈黃褐色或褐色的晶體，有很高的折射率。高溫時(shí)形成一種固溶體，在鋁原子取代鐵原子時(shí)引起晶格穩(wěn)定性降低。玻璃體

水泥熟料中的重要組成部分。組成不固定，主要成分有Al2O3、Fe2O3、CaO以及少量的MgO，是熟料燒紙部分熔融時(shí)部分液相冷卻時(shí)來不及結(jié)晶的結(jié)果，具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性。游離CaO及MgO

指未與其他礦物結(jié)合的以游離狀態(tài)存在的CaO、MgO。 形成原因：配料不當(dāng)、煅燒不良。 作用及危害：少量的MgO，有利于熟料形成；

MgO過量，可引起安定性不良。（4）熟料礦物結(jié)構(gòu)2.1.2硅酸鹽水泥礦物組成及化學(xué)成分①細(xì)度：水泥顆粒的粗細(xì)程度細(xì)度對(duì)水泥性能的影響水化硬化速度（細(xì)度，水化）需水量（細(xì)度，需水量）和易性（細(xì)度，和易性）強(qiáng)度（細(xì)度，強(qiáng)度發(fā)展）研究指出：水泥顆粒d<45μm，水化充分

水泥顆粒d>75μm，水化不完全（1）物理性質(zhì)2.1.3硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)（P151/P172）太細(xì)存在的問題不經(jīng)濟(jì)，磨機(jī)產(chǎn)量需水量保管困難收縮大，容易開裂，抗凍性活性①細(xì)度：水泥顆粒的粗細(xì)程度（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)干篩水篩負(fù)壓篩篩析法有爭(zhēng)議時(shí)，以負(fù)壓篩為準(zhǔn)負(fù)壓篩分儀細(xì)度測(cè)試方法方法一：篩析法細(xì)度測(cè)試方法篩析法方法原理：采用45μm方孔標(biāo)準(zhǔn)篩和80μm方孔標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)水泥試樣進(jìn)行篩析試驗(yàn)，用篩網(wǎng)上所得篩余物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)來表示水泥樣品的細(xì)度；負(fù)壓篩析法：用負(fù)壓篩析儀，通過負(fù)壓源產(chǎn)生的恒定氣流，在規(guī)定篩析時(shí)間內(nèi)使試驗(yàn)篩內(nèi)的水泥達(dá)到篩分。水篩法：將試驗(yàn)篩放在水篩座上，用規(guī)定壓力的水流，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使試驗(yàn)篩內(nèi)的水泥達(dá)到篩分。手工篩析法：將試驗(yàn)篩放在接料盤（底盤）上，用手工按照規(guī)定的拍打速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，對(duì)水泥進(jìn)行篩析試驗(yàn)。比表面積儀GB規(guī)定：硅酸鹽水泥細(xì)度，比表面積>300m2/kg其他四大水泥，80μm篩上篩余<10%用于硅酸鹽水泥以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)根據(jù)空氣通過水泥所受到的阻力計(jì)算細(xì)度測(cè)試方法方法二：比表面積法②水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度為使水泥凈漿的具有可比性凝結(jié)時(shí)間安定性標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀試桿多次調(diào)試用水量直至，30s6mm±1mm標(biāo)準(zhǔn)稠度=×100%水水泥（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)②水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度將制作好的試件放置于維卡儀上，并將其中心定于試桿下，降低試桿直至與水泥凈漿表面接觸，突然放松，使得試桿垂直自由的沉入水泥凈漿中。在試桿停止沉入或釋放試桿30s時(shí)記錄試桿距底板的距離。以試桿沉入凈漿并距底板6mm±1mm的水泥凈漿為標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿。其拌合用水量為該水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量（P），按水泥質(zhì)量的百分比計(jì)算。2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)②水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度代替法試錐法標(biāo)準(zhǔn)稠度=33.4-0.185×S固定用水量，測(cè)定試錐下沉深度S影響標(biāo)準(zhǔn)稠度的因素細(xì)度（細(xì)度，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量）水泥礦物成分（C3A需水量最大，C2S最?。?）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)③凝結(jié)時(shí)間施工順序：加水拌合運(yùn)輸澆筑振搗飾面拆模凝結(jié)時(shí)間：從加水開始，到失去可塑性所需的時(shí)間

對(duì)模板周轉(zhuǎn)、后期工程都有重要影響初凝：從加水到開始失去塑性的時(shí)間終凝：從加水到完全失去塑性的時(shí)間（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)水泥漿初凝和終凝時(shí)間的劃分8:009:3013:00③凝結(jié)時(shí)間（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法初凝用試針終凝用試針用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量拌合裝入試模，養(yǎng)護(hù)30min每隔一段時(shí)間，用標(biāo)準(zhǔn)針刺入一次臨近初凝，每隔5min刺入一次維卡儀4mm±1mm初凝時(shí)間0.5mm終凝時(shí)間③凝結(jié)時(shí)間（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)注意事項(xiàng)T=20oC，濕度>90%不能振動(dòng)貫入孔間距>1cm距孔壁>1cm>1cm影響凝結(jié)時(shí)間的因素水泥品種水泥漿體含水量③凝結(jié)時(shí)間（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)GB規(guī)定：硅酸鹽水泥初凝時(shí)間>45min

終凝時(shí)間<390min普通水泥初凝時(shí)間>45min

終凝時(shí)間<600min實(shí)際工程中水泥砼、砂漿比凈漿的凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)得多

T不同，T，凝結(jié)時(shí)間越短③凝結(jié)時(shí)間（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)④體積安定性定義：反映水泥漿體硬化后體積變形的均勻程度任何一種水泥，水化過程中體積均會(huì)發(fā)生變化

∵若，則產(chǎn)生應(yīng)力若，則產(chǎn)生裂縫、崩塌影響因素f—MgOf—CaOSO3（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)④體積安定性測(cè)定方法有雷氏夾法和試餅法測(cè)試方法雷氏夾法標(biāo)準(zhǔn)凈漿裝入濕養(yǎng)護(hù)24h恒沸3h測(cè)定指針增距增距x>5mm，不合格（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法有雷氏夾法和試餅法測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)凈漿制成6個(gè)試餅濕養(yǎng)24h放入蒸煮箱30min恒沸3h觀察試餅法裂縫彎曲碎斷（1）物理性質(zhì)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度是的重要依據(jù)評(píng)價(jià)水泥質(zhì)量確定水泥標(biāo)號(hào)砼配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度測(cè)定可將水泥制成凈漿（不能反映對(duì)砂石的膠結(jié)力）砂漿（國際通用）砼（砂石難以統(tǒng)一，復(fù)雜性）GB規(guī)定：采用ISO法評(píng)定水泥的強(qiáng)度等級(jí)

ISO標(biāo)準(zhǔn)砂：由德國標(biāo)準(zhǔn)砂公司制備的SiO2含量不低于98%的天然的圓形硅質(zhì)砂組成，濕含量小于0.2%。中國

ISO標(biāo)準(zhǔn)砂：完全符合ISO標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒分布和濕含量規(guī)定?？蓡渭?jí)分包裝，也可混合包裝。（1）強(qiáng)度2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)L水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）測(cè)試方法Ffhb水泥:砂=1:

3W/C=0.5小梁4×4×16cm標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期(3d,28d)50N/s±10N/s三分點(diǎn)小梁抗折強(qiáng)度Rf（1）強(qiáng)度2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度Rc取斷塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試方法Fc斷塊2400N/s±200N/s（1）強(qiáng)度2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)水泥型號(hào)：普通型和早強(qiáng)型(R)R型，3dRc提高10~24%，達(dá)同等普通型的50%路面盡量選用R型，減小養(yǎng)護(hù)，提早通車強(qiáng)度等級(jí)：按規(guī)定齡期的Rc和Rf劃分，按28dRc命名（2）強(qiáng)度2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)硅酸鹽水泥的強(qiáng)度指標(biāo)要求強(qiáng)度等級(jí)抗壓強(qiáng)度（MPa）/不低于抗折強(qiáng)度（MPa）/不低于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（2）強(qiáng)度2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)（3）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2.3.4硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)硅酸鹽水泥技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性能細(xì)度比表面積(m2/kg)凝結(jié)時(shí)間(min)安定性沸煮法不溶物不大于/%MgO/%不大于SO3/%不大于燒失量不大于/%堿含量Na2O+0.658K2O/%初凝終凝I型II型I型II型指標(biāo)＞300≥45≤390必須合格0.751.505.03.53.03.5≤0.60GB175-2007規(guī)定：凡氧化鎂、燒失量、不溶物、三氧化硫、凝結(jié)時(shí)間、安定性和強(qiáng)度任一指標(biāo)不符合要求，即為不合格不合格水泥嚴(yán)禁在工程中使用。40 2.2.1原料及組成 2.2.2水化及強(qiáng)度形成機(jī)理 2.2.3技術(shù)性質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)第二節(jié)石灰P164/P182 （1）石灰原材料及燒制用于燒制石灰的原料是富含碳酸鈣的一類物質(zhì)，如石灰石、白云石等。加工成一定規(guī)格的原料在石灰窯中高溫加熱，通過化學(xué)反應(yīng)，燒制成生石灰，其中的化學(xué)反應(yīng)式可表示為：燒制過程中，由于石灰窯爐溫偏差或波動(dòng)，造成窯內(nèi)溫度過高過溫度偏低，溫度過高時(shí)燒成過燒石灰，而偏低則燒成欠火石灰.2.2.1原料及組成CaCO3CaO+CO2石灰石白云石貝殼石灰產(chǎn)品種類有：

——塊狀生石灰

——生石灰粉

——熟石灰粉由于石灰僅能夠在空氣中在水的參與下凝結(jié)硬化，而不能在水中硬化，所以稱石灰為氣硬性膠凝材料.2.2.1石灰產(chǎn)品生石灰塊生石灰粉消石灰粉石灰加水，通過水化反應(yīng)由生石灰轉(zhuǎn)化為熟石灰，這一過程稱為石灰的消化。該過程用化學(xué)式可表示為：

由于過燒石灰在日后的凝結(jié)硬化滯后帶來的消極影響，消化后的石灰往往要“陳伏”一段時(shí)間，用于消除過燒石灰造成的危害，陳伏時(shí)間通常大約為15d左后.石灰的消解2.2.2石灰的水化及強(qiáng)度形成機(jī)理CaO+H2OCa(OH)2+△石灰的硬化——石灰的干燥結(jié)晶硬化：隨著石灰中水分的蒸發(fā)損失，石灰逐漸形成結(jié)晶體，晶體狀石灰的水溶性明顯降低，形成晶體硬化?！业奶妓峄菏以谒膮⑴c下，與空氣中的CO2作用，形成碳酸鈣。新的產(chǎn)物具有顯著的水不溶性，起著膠凝和硬化的作用。2.2.2石灰的水化及強(qiáng)度形成機(jī)理Ca(OH)2+nH2OCa(OH)·nH2OCa(OH)2+H2O+CO2CaCO3+(n-1)H2O2.2.3石灰的技術(shù)性質(zhì)及其標(biāo)準(zhǔn)殘?jiān)考?xì)度含水量有效鈣鎂含量二氧化碳含量物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)石灰主要技術(shù)性質(zhì)2.2.3石灰的技術(shù)性質(zhì)及其標(biāo)準(zhǔn)石灰發(fā)揮無機(jī)膠凝效果取決于石灰中的有氧化鈣和有效氧化鎂，這類氧化物含量越高，石灰的質(zhì)量越好；石灰中鈣和