土木工程材料第三章

土木工程材料第三章第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六第三章水泥3.1常用水泥3.2其它品種水泥第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：常用（硅酸鹽）水泥的生產(chǎn)工藝常用（硅酸鹽）水泥的特性影響常用水泥性能的因素重點內(nèi)容：硅酸鹽水泥礦物成分特點硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化難點：硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化要求：掌握硅酸鹽水泥的礦物成分特點掌握硅酸鹽水泥凝結(jié)和硬化參考資料：《土木工程材料》陳志源

《道路建筑材料》嚴家伋

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《公路工程水泥和水泥混凝土試驗規(guī)程》《道路建筑材料》集中訓練試驗補充教材

《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》技術(shù)標準GB175-1999第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.水泥水泥是一種水硬性膠凝材料，也是建筑工程中用量最大的建筑材料之一。

在道路與橋梁工程中通常應用的水泥有：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥等五大品種水泥。第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.1常用水泥

凡由硅酸鹽水泥熟料，０～５％石灰石或?；郀t礦渣，適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥（即國外通稱的波特蘭水泥）。第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六硅酸鹽水泥分兩種類型，不摻加混合材料的稱Ⅰ型硅酸鹽水泥，代號Ｐ·Ⅰ；在硅酸鹽水泥熟料粉磨時摻加不超過質(zhì)量５％石灰石或?；郀t礦渣混合材料的稱Ⅱ型硅酸鹽水泥，代號Ｐ·Ⅱ。普通硅酸鹽水泥Ｐ·Ｏ礦渣硅酸鹽水泥Ｐ·Ｓ火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥Ｐ·Ｐ粉煤灰硅酸鹽水泥Ｐ·Ｆ復合硅酸鹽水泥Ｐ·Ｃ第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.1.1常用水泥的生產(chǎn)１.硅酸鹽水泥生產(chǎn)原料原料：１）石灰質(zhì)原料主要提供ＣａＯ，２）粘土質(zhì)原料主要提供Ａｌ２Ｏ３

以及Ｆｅ２Ｏ３。3）校正原料補充兩種原料中所缺少的鐵。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六２.硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝概述1)把幾種原材料按適當比例配合在磨機中磨成生料；2)將制備好的生料入窯進行煅燒，至１４５０℃左右生成以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥“熟料”；3)為調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)速度，在燒成的熟料中加入質(zhì)量３％左右的石膏共同磨細，即為硅酸鹽水泥。因此，硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝概括起來為“兩磨一燒”。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.1.2常用水泥的特性１．硅酸鹽水泥的主要礦物組成硅酸鹽水泥的主要礦物組成是：硅酸三鈣３ＣａＯ·ＳｉＯ２，簡式為Ｃ３Ｓ，硅酸二鈣２ＣａＯ·ＳｉＯ２，簡式為Ｃ２Ｓ，鋁酸三鈣３ＣａＯ·Ａ１２Ｏ３，簡式為Ｃ３Ａ，鐵鋁酸四鈣４ＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３，·Ｆｅ２Ｏ３，簡式為Ｃ４ＡＦ，第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六2．硅酸鹽水泥各礦物組成性能比較硅酸鹽水泥熟料中這四種礦物組成的特性是：１）反應速度Ｃ３Ａ最快，Ｃ３Ｓ較快，Ｃ４ＡＦ也較快，Ｃ２Ｓ最慢；２）釋熱量Ｃ３Ａ最大，Ｃ３Ｓ較大，Ｃ４ＡＦ居中，Ｃ２Ｓ最??；３）強度Ｃ３Ｓ最高，Ｃ２Ｓ早期低，但后期增長率較大。故Ｃ３Ｓ和Ｃ２Ｓ為水泥強度主要來源。Ｃ３Ａ強度不高，Ｃ４ＡＦ含量對抗折強度有利；

第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六４）耐化學侵蝕性Ｃ４ＡＦ最優(yōu)，其次為Ｃ２Ｓ、Ｃ３Ｓ，Ｃ３Ａ最差；５）干縮性Ｃ４ＡＦ和Ｃ２Ｓ最小，Ｃ３Ｓ居中，Ｃ３Ａ最大。第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六硅酸鹽水泥主要礦物組成與特性礦物組成硅酸三鈣C3S硅酸二鈣C2S鋁酸三鈣C3A鐵鋁酸四鈣C4AF與水反應速度中慢快中水化熱中低高中對強度的作用早期良差良良后期良優(yōu)中中耐化學侵蝕中良差優(yōu)干縮性中小大小第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六３．礦物組成對水泥性能的影響以上是單個礦物組成的性能，水泥是幾種熟料礦物的混合物，改變熟料礦物成分間的比例，水泥的性質(zhì)即發(fā)生相應的變化。例如提高硅酸三鈣的含量，可以制得高強水泥；又如降低鋁酸三鈣和硅酸三鈣含量，提高硅酸二鈣含量，可制得水化熱低的水泥，如大壩用水泥；提高鐵鋁酸四鈣含量，可獲得抗折強度較高的水泥，如道路水泥。第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六

4．硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化（１）硅酸鹽水泥的水化水泥顆粒與水接觸，水泥熟料礦物即與水發(fā)生水化反應，生成水化產(chǎn)物并放出一定熱量水泥的水化主要是四種礦物成分的水化：１）硅酸三鈣２）硅酸二鈣３）鋁酸三鈣４）鐵鋁酸四鈣

第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六２）硅酸二鈣1）硅酸三鈣第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六４）鐵鋁酸四鈣３）鋁酸三鈣第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六為了調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)硬化速度，在磨細水泥時，摻人適量石膏，水化鋁酸鈣與石膏反應生成三硫型水化硫鋁酸鈣，亦稱鈣礬石。當石育消耗完畢后，水泥中尚未水化的鋁酸三鈣與鈣礬石反應生成單硫型的水化硫鋁酸鈣。反應式如下：

三硫型水化硫鋁酸鈣（即鈣礬石）是難溶于水的穩(wěn)定的針狀結(jié)晶體，它在生成結(jié)晶體時體積大大膨脹。因此，水泥中加入石膏數(shù)量不可過多，防止水泥凝結(jié)硬化過程中硫鋁酸鈣超過限制，產(chǎn)生體積變化不均勻。尤其是形成水泥構(gòu)件后，還繼續(xù)水化，其危害更大。第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六（２）硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化大致可劃分為以下四個階段：第Ⅰ階段為初始反應期（誘導前期）第Ⅱ階段為潛伏期（誘導期）第Ⅲ階段為凝結(jié)期（凝結(jié)期）第Ⅳ階段為硬化期（硬化期）第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六水泥水化放熱曲線第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.1.3影響常用水泥性能的主要因素１）水泥組成成分的影響２）水泥細度的影響３）溫度與濕度的影響４）水泥強度與齡期的關(guān)系5）拌和用水量的影響6）貯存條件的影響此外，水泥礦物成分的含量、水泥顆粒細度等，對水泥的凝結(jié)硬化以及強度，都有一定的影啊。第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六思考題：１.水泥磨細過程中加入石膏的目的是什么？２.水泥四種礦物成分的特性是什么？３.影響水泥凝結(jié)硬化的因素有哪些？第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容：硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)硅酸鹽水泥的技術(shù)標準常用水泥的選用其它品種水泥重點內(nèi)容：硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)硅酸鹽水泥的技術(shù)標準難點：硅酸鹽水泥的強度檢驗方法及評定要求：掌握硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)掌握硅酸鹽水泥的技術(shù)標準參考資料：《土木工程材料》陳志源

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《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》技術(shù)標準GB175-1999第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.1.4常用水泥的選用

各類建筑工程，針對其工程性質(zhì)、結(jié)構(gòu)部位、施工要求和使用環(huán)境條件等，進行選用。

第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.1.5常用水泥的技術(shù)性質(zhì)和技術(shù)標準１.技術(shù)性質(zhì)按照我國現(xiàn)行國家標準《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（ＧＢ１７５一１９９９）規(guī)定，硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)包括下列項目：１）化學性質(zhì)為了保證水泥的使用質(zhì)量，水泥的化學指標主要是控制水泥中有害的化學成分含量，若其超過最大允許限量，即意味著對水泥性能和質(zhì)量可能產(chǎn)生有害或潛在的影響。（１）氧化鎂含量（２）三氧化硫含量（３）燒失量（４）不溶物第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六２）物理力學性質(zhì)（１）細度細度是指水泥顆粒粗細的程度。細度愈細，水泥與水起反應的面積愈大，水化速度愈快并較完全。實踐表明，細度提高，可使水泥混凝土的強度提高，工作性得到改善。但是，水泥細度提高，在空氣中的硬化收縮也較大，使水泥發(fā)生裂縫的可能性增加。因此，對水泥細度必須予以合理控制。（２）水泥凈漿標準稠度為使水泥凝結(jié)時間和安定性的測定結(jié)果具有可比性，在此兩項測定時必須采用標準稠度的水泥凈漿。我國國標規(guī)定，水泥凈漿稠度是采用標準維卡儀測定的，以試桿沉入凈漿距底板６ｍｍ±１ｍｍ時的稠度為“標準稠度”，此時的用水量為標準稠度用水量。第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六水泥標準稠度與凝結(jié)時間測定第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六（３）凝結(jié)時間凝結(jié)時間是水泥從加水開始，到水泥漿失去可塑性所需的時間。凝結(jié)時間分為初凝時間和終凝時間。初凝時間是從水泥加水到水泥漿開始失去塑性的時間；終凝時間是水泥加水到水泥漿完全失去塑性并開始產(chǎn)生強度的時間。水泥的凝結(jié)時間對水泥混凝土的施工有重要意義。如果凝結(jié)過快，混凝土會很快失去流動性，以致無法澆筑，所以初凝時間不宜過短，以便有足夠的時間在初凝之前完成混凝土各工序的施工操作；但終凝時間又不宜太遲，以便混凝土在澆搗完畢后，盡早完成凝結(jié)硬化。我國現(xiàn)行國標（ＧＢ１７５－１９９９）規(guī)定，硅酸鹽水泥初凝時間不得早于４５ｍｉｎ；終凝時間不得遲于３９０ｍｉｎ。普通硅酸鹽水泥初凝時間不得早于４５ｍｉｎ，終凝時間不得遲于１０ｈ。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六（４）體積安定性水泥硬化后體積變化的均勻性稱為水泥體積安定性。水泥與水拌制成的水泥漿體，在凝結(jié)硬化過程中，一般都會發(fā)生體積變化，如果這種變化是發(fā)生在凝結(jié)硬化過程中，則對建筑物的質(zhì)量并沒有什么影響。但是，在水泥硬化后若產(chǎn)生不均勻的體積變化，將使混凝土產(chǎn)生膨脹裂縫，降低使用質(zhì)量，甚至引起嚴重事故。這既是水泥體積安定性不良。體積安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含的游離氧化鈣過多；也可能是熟料中所含的游離氧化鎂過多或摻入的石膏過多，致使水泥已經(jīng)凝結(jié)硬化后，甚至已經(jīng)應用于結(jié)構(gòu)物中，這些成分繼續(xù)水化，體積膨脹，引起不均勻的體積膨脹，造成水泥石開裂。第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六雷氏夾第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六雷氏夾測定儀第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六（５）強度強度是水泥技術(shù)要求中最基本的指標，也是水泥的重要技術(shù)性質(zhì)之一。水泥的強度除了與水泥本身的性質(zhì)（如熟料的礦物組成、細度等）有關(guān)外，并與水灰比、試件制作方法、養(yǎng)護條件和時間等有關(guān)。多年來，我國水泥強度的檢驗一直按國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法》（ＧＢ１７７一８５）簡稱軟練法進行，該標準規(guī)定，以ｌ∶２．５的水泥和標準砂，按規(guī)定的水灰比（０．４４或０．４６），用標準制作方法制成４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ的標準試件，在標準養(yǎng)護條件下，達規(guī)定齡期（３ｄ，７ｄ，２８ｄ）時，按國家標準（ＧＢ１７５一９２）規(guī)定的最低強度值來評定其所屬標號。第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六水泥膠砂試模集振動臺第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六我國現(xiàn)行國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法》（ＧＢ／Ｔ１７６７１－１９９９）簡稱ＩＳＯ法規(guī)定，以１∶３的水泥和標準砂（標準砂滿足級配要求），采用０.５的水灰比，用標準制作方法制成４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ的標準試件，在標準養(yǎng)護條件下，達到規(guī)定齡期（３ｄ，７ｄ，２８ｄ）時，按國家標準（ＧＢ１７５－１９９９）規(guī)定的最低強度值來確定其強度等級。我國現(xiàn)行國家標準（ＧＢ１７５一９２）規(guī)定：凡氧化鎂、三氧化硫、初凝時間、安定性中的任一項不符合標準規(guī)定，均為廢品。凡細度、終凝時間、不溶物和燒失量中的任一項不符合標準規(guī)定或混合材料摻加量超過最大限量，或強度低于商品標號規(guī)定的指標時，稱為不合格品，廢品水泥在工程中嚴禁使用。第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六２．技術(shù)標準硅酸鹽水泥石的腐蝕和防止１.水泥石的腐蝕１）淡水侵濁２）硫酸鹽的侵蝕３）鎂鹽侵蝕４）碳酸侵蝕水泥石腐蝕的防止針對以上分析產(chǎn)生腐蝕的原因，在選用水泥及施工中，可考慮以下措施來防止腐蝕。１）根據(jù)建筑物環(huán)境特點，合理選用水泥品種２）提高水泥石的密實度３）加做保護層R第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.2其它品種水泥

3.2.1高鋁水泥凡以鋁酸鈣為主，氧化鋁含量約５０％的熟料，經(jīng)磨細而得的水硬性膠凝材料稱為高鋁水泥。又名礬土水泥。工程應用高鋁水泥的特點是早期強度增長快，強度高，主要用于緊急搶修和早期強度要求高的工程。高鋁水泥的缺點是后期強度倒縮，在使用３～５年后高鋁水泥混凝土的強度只有早期強度的一半左右。高鋁水泥不宜作結(jié)構(gòu)工程。它的使用溫度不宜超過３０℃，如有蒸汽養(yǎng)護不宜超過５０℃，不得與其它品種水泥混合使用。第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.2.2膨脹水泥膨脹水泥是硬化過程中不產(chǎn)生收縮，而具有一定膨脹性能的水泥。工程應用在道橋工程中，膨脹水泥常用于水泥混凝土路面、機場道面或橋梁修補混凝土。此外用于防止?jié)B漏、修補裂縫及管道接頭等工程。第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六3.2.3白色和彩色硅酸鹽水泥白色水泥的主要礦物組成仍是硅酸鹽，只是水泥中著色物質(zhì)（氧化鐵、氧化錳、氧化鈦、氧化鉻等）的含量極少。生產(chǎn)彩色硅酸鹽水泥有三種方法：（1）在水泥生料中混入著色物質(zhì)，燒成彩色熟料再粉磨成彩色水泥；（2）將白水泥熟料或硅酸鹽水泥熟料、適量石膏和堿性著色物質(zhì)共同磨細制成彩色水泥；（3）將干燥狀態(tài)的著色物質(zhì)摻入白色水泥或硅酸鹽水泥中。白色和彩色水泥在裝飾工程中，常用于配制各類彩色水泥漿、砂漿和混凝土，用以制造各種水磨石、水刷石、等飾面及雕塑和裝飾部件等制品。

第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六補充：道路硅酸鹽水泥１.定義以適當成分的生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分和較多量的鐵鋁酸鈣的硅酸鹽水泥熟料稱為道路硅酸鹽水泥熟料。由道路硅酸鹽水泥熟料，０～１０％活性混合材料和適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為道路硅酸鹽水泥（簡稱道路水泥）。第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六２.技術(shù)要求１）化學組成在道路水泥或熟料中含有下列有害成分必須加以限制：（１）氧化鎂含量道路水泥中氧化鎂含量不得超過５.０％。（２）三氧化硫含量道路水泥中三氧化硫不得超過３.５％。（３）燒失量道路水泥中的燒失量不得大于３.０％。（４）游離氧化鈣含量道路水泥熟料中游離氧化鈣含量，旋窯生產(chǎn)不得大于１.０％；立窯生產(chǎn)不得大于１.８％。（５）堿含量如用戶提出要求時，由供需雙方商定。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期六２）礦物組成（１）鋁酸三鈣含量道路水泥熟料中鋁酸三鈣的含量不得大于５.０％。（２）鐵鋁酸四鈣含量道路水泥熟料中鐵鋁酸四鈣的含量不得小于１６.０％。鋁酸三鈣（Ｃ３Ａ）和鐵鋁酸四鈣（Ｃ４ＡＦ）的含量，先按ＧＢ