建筑材料——水泥

1．C3S和C2S的水化：C-S-H以及CH
硅酸三钙和硅酸二钙（-C2S)由于其晶体结构特点， 因此遇水后与水发生水化反应:
(3CaO· 2)+6H2O→3CaO·2SiO2· 2O+3Ca(OH)2 SiO 3H 2(2CaO· 2)+4H2O→3CaO·2SiO2· 2O+Ca(OH)2 SiO 3H
还有其他水泥：如快硬水泥、油井水泥、彩色水泥 等普通硅酸盐水泥、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
一、硅酸盐水泥的生产—— (两磨一烧)
(1)生料的配制与粉磨 (2)硅酸盐水泥的煅烧 (3)水泥熟料的粉磨
二、硅酸盐水泥熟料矿物组分

活性混合材在水泥中的作用主 要表现为以下几点：
（1）二次反应（又叫火山灰反应） 火山灰效应的好处：①由于消耗了大量的 Ca(OH)2，提高了水泥石的强度和耐久性。② 水泥水化物中，高碱性水化硅酸钙与低碱性 （C/S<1.5 ）水化硅酸钙相比，低碱性CSH强 度更高，耐久性更好，因此，火山灰反应使 CSH由高碱性CSH转变为低碱性水化硅酸钙， 增加了强度和耐久性。③降低了Aft生成的可 能性。④对碱集料反应的抑制有利。
3. C4AF的水化
（二）硅酸盐水泥的水化
七、水泥石体积的变化

1．化学收缩：水泥在水化过程，由水泥熟料水化成 水化产物，由于这一过程产生的收缩叫化学收缩。
原因：水泥水化后的固相体体积比水化前大，虽然如 此，就整个水泥——水体系来讲，体积反而有的减少， 其原因是主要原因是水化前体系体积包括固、液相， 虽然反应生成物固相增大，但总体积减小。 对于硅酸盐水泥来讲，每100g的缩减总量为7~9ml。 矿物组分化学缩减不同：C3A>C4AF>C3S>C2S。
第二章 水泥
第一节 硅酸盐水泥

在中国硅酸盐辞典中，将水泥的概念定义 为：凡以适当的生料，烧至部分熔融，所得以 硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石 膏磨细制得的水硬性胶凝材料，称之为硅酸盐 水泥。

水硬性：粉末状水泥与水泥混合后，经过一系 列复杂的物理化学反应，可由可塑性浆体变成 坚硬的石状体，将散粒材料胶结成整体，这一 过程是水化在水环境下完成的，同时可以在水 中更好的保持石状体的概念。所以，水泥是一 种水硬性胶凝材料。

一、混合材的类别 1．活性混合材：在激发条件下（石灰或石膏 的作用），加水拌合后，生成具有胶凝性的水 化产物，既能在水中，又能在空气中发展并保 持强度的矿物材料。这一类材料包括有：粉煤 灰、粒化高炉矿渣、火山灰质材料等。（尽可 能具无定形态，而非晶态）。 激发与激发剂：加入到水泥中的活性混合材的 激发剂为水化物CH和石膏，并不外加。 2. 非活性混合材：由于这类材料活性很低，即 使在有激发条件下（碱或石膏）也不与水发生 水化反应，也不具有水硬性胶凝性质的矿物材 料




6．体积安定性


水泥石硬化后，产生不均匀的体积变化，即体积安定性不良。
体积稳定性的危害：引起建筑物的破坏、构件崩溃。 原因：①熟料中的f-CaO太多——控制方法：沸煮法测定。 ②熟料中的f-MgO太多——≯5.0%。 ③掺入的石膏太多≯3.5%。 ①、②：一般是由于熟料烧结时温度高于石灰烧结时的温度，熟 料中的f-CaO和f-MgO成死烧状态，而过熟的f-Ca与f-Mg熟化慢， 待水泥凝结酸化后还在熟化，导致水泥石体积安定性不良。（熟 化后体积膨胀，水泥石开裂） ③：主要是由于过量的石膏与C3A的水化物水化铝酸钙反应，生 成高硫型水化硫酸钙，体积膨胀1.5倍，也引起水泥石开裂。 安定性测试：①饼法②雷化法。主要是促使f-CaO熟化）
(2)离子交换腐蚀(溶解性腐蚀)
–1)碳酸的腐蚀 –2)一般酸的腐蚀 –3)镁盐的腐蚀 (3)膨胀性腐蚀 –1)硫酸盐腐蚀 –2)硫酸的腐蚀 (4)碱的腐蚀 (5)水泥石腐蚀的防止
第二节 掺混合材的硅酸盐水泥
混合材：在水泥生产时，为改善水泥的性能， 如强度和耐久性等而加入到水泥中，和水泥熟 料、石膏一起粉磨的矿物材料。 混合材又分为活性混合材和非活性混合材。

3．需水量：将水泥与水拌成标准稠度状态下的加
水量为水泥的标准稠度需水量。（水泥重量百分数）
P.O水泥一般在25~28%之间。

影响因素：①细度；

②矿物组分：C3A>C3S>C4AF>C2S
4．泌水性与保水性

在拌制水泥浆以及砂浆、砼时，为保证必要的和易性，往往加入 比标准稠度用水量多的水。但是，水泥由于自重的原因，有可能 下沉，而余水则向上移动被析出，从而使浆体分层，从而影响强 度及耐久性等。（这一现象即称为泌水性）
胶凝材料的发展史大致可分为三个历史时期

①石膏——石灰时期：公元前2000—3000年，利用生石灰和锻烧 石膏的砂浆，——埃及金字塔和中国的万里长城。
②石灰——火山灰时期：公元初—18世纪，石灰中加入火山灰， 其强度与抗水性都比石灰—石膏有所提高，——古罗马圣庙建筑。

③水泥时期：以前的①、②都是气硬性胶凝材料，而1796年，利 用天然水泥岩（含粘土成分的石灰石）制造的“罗马水泥”，开 始有水硬性胶凝材料，而水泥岩分布不广。所以，1824年英国泥 瓦工Jose-ph· Aspdin 发明泥特 兰水泥 ， 也即硅酸 盐水泥 ， 而 1838年约翰逊首先将水泥的锻烧的关键：适当的配料和温度加以 明确。 1890年唐山水泥厂是第一个在中国建成的水泥厂。

矿物名称 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙
化学成分 3CaO· 2 SiO
缩写符号 C3S
含量 44％～62％ 18％～30％ 5％～12％ 10％～18％
2CaO· 2 SiO C2S 3CaO· 2O3 Al C3A 4CaO· 2O3· 2O3 C4AF Al Fe
②离心法生产砼制品时，不能用泌水性大的水泥。


5．凝结时间
凝结分为初凝和终凝。 初凝：水泥加水拌合时，到标准稠度净浆开始推动可塑 性所需的时间。 终凝：水泥加水拌合至标准稠度净浆完全推动可塑性并 开始产生强度所需的时间。 硅酸盐水泥标准规定，初凝不得早于45min，终凝不迟 于6h30min。 影响水泥凝结的因素：①矿物组分，C3A越高，凝结越 快。②水泥细度。③环境温、湿度。④缓凝组分：a.石 膏。b.缓凝剂及促凝剂。C.矿物掺合料。（特别是FA）

而CH生成量较CSH少的多，只能起到填充作用，但 由于CH间是层状结构，层间结合弱，因此，是裂缝 的策源低。而CH溶解度较大，对耐久性也不利。

C3S水化比C2S快，同时生成的CH较多。 C-S-H凝胶的形成与温度有一定的关系，从而影响
凝胶类型和C/S比。
2. C3A的水化

3CaO·A12O3+6H2O→3CaO·A12O3· 2O 6H
其中，硅酸三钙和硅酸二钙为强度组分，铝酸三钙和铁铝 酸四钙为熔剂组分。 其他还有少部分f-CaO、f-MgO及玻璃体等
三、硅酸盐水泥熟料率值和矿物组成计算

（一）熟料的各率值——各氧化物之间的比例。 1. 硅率;


2. 铝率（铁率）
3. 石灰饱和系数； 4. 碱度
（二）水泥熟料中矿物组成


2．干缩（失水收缩）
3．碳化收缩：当空气中有适当的湿度时， CO2+H2O 会 引 起 水 泥 石 收 缩 ① CO2+H2O 与 Ca(OH)2不断作用。②CO2与水化物发生置换反 应，而发生碳化收缩。 4. 自干燥收缩——低水胶比下
八、水泥石的耐久性
(1)软水腐蚀(溶出性腐蚀)：氢氧化钙不断地溶解流失

根据熟料中的化学成分含量，计算硅率、铝率、碱度和石
灰饱和系数，可以计算出任何水泥熟料中C2S、C3S、C3A
和C4AF的含量：

C3S=3.8SiO2(N-2)=3.8SiO2(3KH-2) C2S=2.87SiO2(3-N)=8.61SiO2(1-KH)
一般，P=0.9~1.7，所以C4AF=3.04Fe2O3

（2）经济效应与环保效应 活性混合材一般都是工业废弃物，将它加入到 水泥中，（在不改变水泥性能的前提下），取 代了都分水泥，一来作到了废弃物的再利用， 增加了水泥产量，提高了经济效应，再者废弃 物利用，减少堆场占地面积，也有经济效应， 同时废物利用，减少CO2排放是，也具有环保 效应。 （3）降低水化热。（4）改变水泥与集料间粘 结力。

9.

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计算值表 示不得大于0.6％ 。
五、硅酸盐水泥的水化过程

（一）硅酸盐水泥熟料的水化作用 水泥的性能主要由其熟料矿物的矿物组成的决
定，矿物组分遇水，发生水化反应，水泥由粉
状胶结成固太而具有强度。

水泥的分类——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。
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。

8．水化热


①产生的原因：水化放热反应。
②矿物组分放热速度不同：C3A>C3S>C4AF>C2S。

③影响水化热的因素：总的放热量一样，但可以控 制放热速度。
④大体积禁用硅酸盐水泥，普硅也应控制使用。 ⑤水化热利用——自养护温度： 消除水化热不利影响措施：低热水泥、冷却导流浇 注温度、养护等。