第04章 水泥
水泥的起源
• 最早采用具有水硬性胶凝材料制备混凝土的是中国人，而不是多少年来一直误认 为的古罗马人。
– 据甘肃省考古研究所于1980年和1983年考察，在该省秦安 县的大地湾（西安以西约600公里处）先后发掘出两个大 型住宅遗址，该遗址的地坪系用混凝土建造，经测算距今 已有5千年，相当于“新石器时代”。从大地湾发掘出的 混凝土是用水硬性的水泥所制成。这种水泥以礓石——一 种富含碳酸钙的粘土为原料煅烧而成。
– 导致混凝土不均匀膨胀而破坏。
6.水化热
• 每克硅酸盐水泥能放出达大约500J的热量。 • 为了选择适于特定的目的最适宜的水泥， 就需知道水泥的放热性能。
– 对大体积混凝土工程，如大型基础、大坝、桥 墩等，水化热大是不利的，常使内部温度高达 50～60℃。 – 冬季施工时，水化热有利于水泥的正常凝结硬 化。
硅酸盐水泥各龄期的强度要求
• 各强度等级、各类型水泥的各龄期强度不得低于表中的数值，如有一 项指标低于表中数值，则应降低强度等级使用。 抗压强度MPa 抗折强度MPa
强度等级 42.5 42.5R 52.5 52.5R 62.5 62.5R
3d
17.0 22.0 23.0 27.0 28.0 32.0
2.硅酸盐水泥的原料和生产
• 原料主要有：石灰质原料（如石灰石、白 垩等，主要提供氧化钙）和粘土质原料 （如粘土、页岩等，主要提供氧化硅及氧 化铝与氧化铁），还有少量辅助原料，如 铁矿石。
• 硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是“二 磨一烧”，如图所示：
• 从窑内出来的水泥熟料经 冷却后加入3～5％石膏 (控制水泥中SO3≤3.5％)， 在磨机内研细，制成硅酸 盐水泥。 • 加入石膏的目的是调节水 泥的凝结时间，使之不发 生急凝现象。 • 水泥粉常用纸袋包装，但 近年来已大量改用散装船、 散装车输送，提高了装运 效率，降低了成本。
• 为调节水泥凝结时间而掺入的少量石膏， 与水化铝酸钙作用，生成水化硫铝酸钙， 也称钙矾石：
3CaO•Al2O3•6H2O+3(CaSO4•2H2O)+19H2O =3CaO•Al2O3•3CaSO4•+31H2O
水泥浆扫描电镜照片（ 7d 钙矾石 龄期）
C-S-H
• 硅酸盐水泥主要水化产物有：水化硅酸钙 凝胶、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙晶体、 水化铝酸钙晶体、水化硫铝酸钙晶体。 • 在完全水化的水泥中：
强度
后期
表中所列各种矿物的放热量和强度，是指全部放热量和最终强度。
矿物组成对早期强度及水化热的影响
• 以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B 两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。
矿物组成 A水泥 B水泥

C3S/％ 60 47
C2S/％ 15 28
C3A/％ 16 10
– 水泥中氧化镁含量不得超过5.0%，如果水泥经压蒸安 定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到 6.0%。 – 三氧化硫含量不得超过3.5%。
• 水泥安定性必须合格。安定性不良的水泥应作废 品处理，不得用于工程中。
4.强度
• 将水泥、标准砂及水按 规定比例拌制成塑性水 泥胶砂，并按规定方法 制成4×4×16cm的试件， 在标准温度 （20℃±1℃）的水中 养护，测定其抗折及抗 压强度。
• 硅酸盐水泥的凝结硬化过程可分为：初始反应期、 潜伏期、凝结期、硬化期4个阶段。
a.分散在水中未水化的水泥颗粒； b.在水泥颗粒表面形成水化物膜层； c.膜层长大并互相连接（凝结）； d.水化物进一步发展，填充毛细孔 （硬化）； 1－水泥颗粒；2－水份； 3－凝胶；4－晶体； 5－水泥颗粒的未水化内核； 6－毛细孔
– – – – 水化硅酸钙约占70% 氢氧化钙约占20% 水化铝酸钙约占3％ 钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7%
各种矿物的特性
熟料矿物 性能指标 C3S 水化速率 凝结硬化速率 放热量 早期 快 快 多 高 高 C2S 慢 慢 少 低 高 C3A 最快 快 最多 低 低 C4AF 快，仅次于C3A 快 中 低 低
• • 古罗马水泥：用含有一定比例粘土成分的石灰石煅烧而成，如古罗马“庞贝”城 遗址。 Portland Cement：1824年，英国泥瓦工约瑟夫.阿斯普丁（Joseph Aspdin）申报波 特兰水泥专利：把粘土和焙烧过的石灰石混合，经煅烧至二氧化碳释放，将所得 到的产物磨细成粉末。由于它硬化后外观象波特兰的石头，就起名为波特兰水泥。
• 水泥凝结硬化过程的各个阶段不是彼此截 然分开，而是交错进行的。
4.影响凝结硬化的主要因素
• (1)水泥的熟料矿物组成及细度
– 水泥熟料中各种矿物的凝结硬化特点不同，当水泥中个矿物的相 对含量不同时，水泥的凝结硬化特点就不同。 – 水泥磨得愈细，水化时与水的接触面大，水化速度快，凝结硬化 快，早期强度就高。
硅酸盐水泥的技术要求
• 1.细度 • 水泥的细度既可用筛析法和比表面积法检验。 – 筛析法：采用边长为0.080mm的方孔筛对水泥试样进行筛析试验 ，用筛余百分数表示。筛析法有负压筛法、水筛法及干筛法。当 试验结果发生争议时，以负压筛法为准。 – 比表面积法：根据一定量空气通过一定空隙率和厚度的水泥层时 所受阻力不同而引起流速的变化测定水泥的比表面积。比表面积 即单位重量水泥颗粒的总表面积（m2/kg）。比表面积越大，表明 水泥颗粒越细。 • 国家标准（GB175—1999）规定，硅酸盐水泥细度以比表面积表示， 其比表面积须大于300m2/kg；普通水泥细度用筛析法检验，要求在 0.080毫米方孔筛余量不得超过10.0%。 • 凡水泥细度不符合规定者为不合格品。
3.硅酸盐水泥的化学和矿物组成
• 熟料的化学成分见表4.2 ①硅酸三钙(简称C3S) ——3CaO· SiO2，含量36～60%。 ②硅酸二钙(简称C2S) ——2CaO· SiO2，含量15～37%。 ③铝酸三钙(简称C3A) ——3CaO· Al2O3，含量7%～15%。 ④铁铝酸四钙(简称C4AF) ——4CaO· Al2O3· Fe2O3，含量 10%～18%。 • 前两种矿物称硅酸盐矿物，一般占总量的75～82%。后两 种矿物称溶剂矿物，一般占总量的18％～25％。 • 还含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁及少量的碱(氧化 钠和氧化钾)。 • • • •
• 原因分析：由于该工程所使用的水泥C3A和 C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在 浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以 后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产 生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。 • 防治措施：对大体积的混凝土工程宜选用 低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。
5.硅酸盐水泥的凝结硬化
电镜下的水泥水化产物图
CH Crystal 氢氧化钙晶体
C-S-H
水化硅酸钙凝胶
Construction14 Materials
(2)硅酸二钙
• 硅酸二钙与水作用时，反应慢，水化放热小，生成水化硅酸钙，也有 氢氧化钙析出： 2C2S+4H2O= C3S2H3 +CH • 所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别， 故也称为C-S-H凝胶。但CH生成量比C3S的少，结晶却粗大些。
28d
42.5 42.5 52.5 52.5 62.5 62.5
3d
3.5 4.0 4.0 5.0 5.0 5.5
28d
6.5 6.5 7.0 7.0 8.0 8.0
5.碱含量
– 水泥中碱含量按Na2O＋0.653K2O计算值来表示 。当用户要求时，由供需双方协商，但指定低 碱水泥时，标准规定碱含量不得大于0.6％。
(3)铝酸三钙
• 铝酸三钙与水作用时，反应极快，水化放 热甚大，生成水化铝酸三钙（水石榴石）： C3A+6H2O=C3AH6 • 水化铝酸三钙为立方晶体，它易溶于水。
(4)铁铝酸四钙
• 铁铝酸四钙为水作用时，反应也较快，水 化放热中等，生成水化铝酸三钙及水化铁 酸钙：
C4AF+7H2O =C3AH6+CFH
4.影响凝结硬化的主要因素
– 一般在28天内强度发展最快，28天后显著减慢。 – 提高温度可加速硅酸盐水泥的早期水化，使早期 强度能较快发展，但对后期强度反而可能有所降 低。 – 环境湿度大，水泥的水化及凝结硬化就能够保持 足够的化学用水。如果环境干燥，当水份蒸发完 后，水化作用将无法进行，硬化即行停止，还会 在制品表面产生干缩裂缝。 – 保持水泥浆温度和湿度的措施，称水泥的养护。
2.凝结时间
• 水泥的凝结时间分初凝和终凝。
– 初凝时间为自水泥加水拌合时起，到水泥浆（标准稠度）开始失 去可塑性为止所需的时间。 – 终凝时间为自水泥加水拌合时起，至水泥浆完全失去可塑性并开 始产生强度所需的时间。
• 初凝的时间不宜过快。终凝时间又不宜过迟。 • 水泥凝结时间的测定，是以标准稠度的水泥净浆，在规定 温度和温度条件下，用凝结时间测定仪进行。国家标准 （GB175—1999）规定，硅酸盐水泥的初凝时间不得早于 45分钟，终凝时间不得迟于6.5小时。 • 凡初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者 为不合格品。
安定性的测定方法
• 安定性的测定方法可以用雷氏法和试饼法。 当试饼法与雷氏法有争议时以雷氏法为准。
• 游离氧化钙引起的安定性不良，必须采用沸煮法 检验。游离氧化镁引起的安定性不良，必须采用 压蒸法才能检验出来，因为游离氧化镁的水化比 游离氧化钙更缓慢。三氧化硫造成的安定性不良， 则需长期浸在常温水中才能发现。 • 国家标准规定：
洞 庭 湖 大 桥
C4AF/％ 9 15
A水泥的C3S及C3A含量高，而C3S及C3A的早期强度 及水化热都较高，故A硅酸盐水泥的早期强度与水化 热高于B水泥。
挡墙开裂与水泥的选用
• 现象：某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯 穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5Ⅱ型硅酸盐水泥， 其熟料矿物组成如下： C3S： 61％ ； C2S： 14％ C3A： 14％； C4AF： 11％