第三章-硅酸盐水泥

试饼法
雷氏夹法 检测方法：
6. 强 度

检验方法——软练胶砂法，分别测量抗压强度 和抗折强度。
试件尺寸：4040160mm 胶砂配比：
棱柱体；
水泥 : ISO标准砂 : 水= 1 : 3 : 0.5； 振动成型： 在频率为2800~3000次/min，振幅0.75mm的振实台 上成型。振动时间120s。 试件养护： 在20 C 1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护 箱中24h，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试 龄期；
生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种 ；

石灰石
按比例混合
石 膏
磨细
粘 土 铁矿粉

生 料
1350℃～ 1450℃
煅烧
熟 料
混合材料
硅酸盐水泥
磨细
各物质的作用
熟料：主要胶凝物质，能水化硬化； 石膏：调节水泥的凝结时间；
混合材：调节水泥的强度等级；
熟料的矿物组成
硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 3CaO•SiO2，C3S 2CaO•SiO2，C2S 3CaO•Al2O3，C3A
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§3.2.3 硅酸盐水泥的技术性质



密度与堆积密度 细度 标准稠度用水量 凝结时间 体积安定性 强度 水化热 不溶物和烧失量 碱含量
1.密度与堆积密度

密度
3.05~3.20，混凝土配合比计算时，一般取3.10。

堆积密度
1000~1600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取 1300 kg/m3 。
水泥石主要由
3. 水泥凝结硬化的主要影响因素
水泥浆的凝结硬化取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物 组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数： R(t) = f(C3S)· f(细度)· f(W/C) f(T)· （1）水泥矿物组成： C3S、C3A含量多，凝结硬化快，反之亦然。 （2）水泥细度：细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。 （3）养护条件（温度、湿度）与时间 ：提高温度，加快水泥的凝 结硬化；保持足够的水分有利于水泥的凝结硬化 （4）拌合用水量：水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝结硬 化速度越慢。 （5）水泥中的混合材：掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减 慢。 （6）水泥外加剂：有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。
4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF
水泥熟料矿物
铁铝酸四钙
游离氧化钙和氧化镁
f－CaO和f－MgO 化学式及简写
碱类及杂质
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§3.2.2 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化
1. 硅酸盐水泥的水化 2. 水泥浆的凝结硬化 3. 水泥浆凝结硬化的影响因素

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熟料矿物的水化反应
硅酸三钙 硅酸二钙
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细度不符合要求的水泥为不合格品！
3. 标准稠度用水量

标准稠度： 按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准 稠度测定仪上，试锥下沉（282）mm时的水 泥净浆的稠度。 标准稠度用水量：

是指水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量， 用水与水泥质量的比来表示。硅酸盐水泥的标 准稠度用水泥量一般在21%~28%。
较高
低
最高
中
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2、凝结硬化 setting and hardening
诱导期
可塑浆体 具流动性
≥ 45min ≤ 6.5h
凝结期
稠硬浆体 塑性渐失
硬化期
硬化浆体 强度增长
稳定期
后期强度 缓慢增长
加 水
初 凝
终 凝
影响因素：
温度、湿度、养护时间
硅酸盐水泥水化物理过程模型
水泥水化物膜层 随着水泥颗粒的 凝结期：水化 水化物膜层随 水泥颗粒的水 在渗透压的作 水泥颗粒分 水化物膜层随 不断水化，水化 物不断填充被 水化时间向内 化从表面开始， 用下，膜层破 水化时间向内 散在水中形 物不断填充毛细 水占据的空间， 不断增厚，进 在表面形成水 裂、扩展，占 不断增厚，水 成水泥浆体 孔和水所占据的 成为连续相， 入潜伏期。 化物膜层—— 据原来被水占 泥颗粒粒径缩 拌和水不断减 水 空间，固体相成 诱导期 据的空间，进 小 为连续相，并具 少，并被水化 入凝结期。 有一定强度。进 物分割成非连 入硬化期。 续相。
4. 凝结时间

概念：
凝结时间—水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从 可塑性发展到固体状态所需要的时间。 初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性 所需的时间； 终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性， 并开始具有强度所需的时间。

测定方法：
用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时 间测定仪来测定。
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A B C D
A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化 硅酸钙凝胶）； B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、 水化硫铝酸钙）； C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔 等）； D——未水化的水泥颗粒

水泥石的结构
水化产物＋未水化熟料颗粒＋孔隙
① 水化产物组成(充分水化时) C-S-H＋Ca(OH)2＋水化(硫)铝酸钙 70% 20% 7％ ② 孔隙组成 ＝ 凝胶孔＋毛细孔＋气孔
AFm
各种水泥熟料与水作用时表现的特性

水泥熟料矿物的主要特性 矿物名称 硅酸三钙 硅酸二钙
含量范围（质 量％） 水化反应速度 强 度 37～67 快 高 15～30 慢 早期低， 后期高
铝酸三钙 7～15 最快 低
铁铝酸四钙 10～18 快 低（含量多时 对抗折强度有 利）
水 化 热
熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应， 其特点见上表。
水泥的分类：
根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝 酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。

硅酸盐系水泥
磷 酸 盐 系 水 泥 磷 酸 钙, 镁 硅酸钙 水泥中的主要矿物 硫铝酸钙 硫铝酸盐系水泥 铝 酸 钙 铝 酸 盐 系 水 泥
根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬 水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。

膨胀水泥 抗 腐 蚀 水 泥 耐 腐 蚀 性 好
硬化时膨胀
水泥的特性
水化热低 低热水泥
硬 化 速 度 快
快 硬 水 泥

根据性能和用途分：
硅酸盐水泥
普通硅酸盐水泥
矿渣硅酸盐水泥
通用水泥
粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥
复合硅酸盐水泥
水 泥
专用水泥
如砌筑水泥、油井水泥、 道路水泥、大坝水泥等 如白色硅酸盐水泥、快凝 快硬硅酸盐水泥等
§3.2 硅 酸 盐 水 泥
Portland Cement
水泥的生产 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 硅酸盐水泥的技术性质 水泥石的腐蚀与防止 硅酸盐水泥的应用与存放

概述
水泥的定义：
水泥是以水化活性矿物为主要成分的水 硬性胶凝材料。
水泥的特点：
水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均 匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结 硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发 展其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。
2（2CaO· 2）＋4H2O == 3CaO· SiO 2SiO2· 2O＋Ca（OH）2 3H
氢氧化钙晶体 C-S-H 凝 胶 2（3CaO· 2）＋6H2O = 3CaO· SiO 2SiO2· 2O＋3Ca（OH）2 3H
铝酸三钙
铁铝酸四钙
水化铝酸钙晶体 3CaO· 2O3＋H2O == 3CaO· 2O3· 2O Al Al 6H
强度测量：
将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再 进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600mm2。 结果计算： 抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平 均值。
P
P
100mm 160mm
P
抗压强度试验
抗折强度试验
强度等级：根据3天和28天强度测试结果，将水泥强度划分若 干个强度等级
水泥颗粒
水泥浆凝结硬化的物理过程





先在固－液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内 核区域沉积； 早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应—— 进入潜伏期； 因渗透压或Ca(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致 水化继续迅速进行——进入水化的加速期； 随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来 越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构， 水泥浆失去流动性，可塑性降低——凝结； 由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细 孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用 增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度——硬化。

水泥体积安定性不良的原因：
水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。 因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已
硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产 生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。 石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀 。
合格标准： 无裂纹、无弯曲。
合格标准：＜5mm。
肉眼观察表面 雷氏夹法 有无裂纹
用直尺检查有无弯曲
试饼法 测量雷氏夹中的水泥净 用标准稠度的水泥净浆做成 浆，经沸煮3h后的膨胀值。 试饼，在水中经恒沸3h后，用 该值不大于5.0mm时，则体 肉眼观察没有裂纹，用直尺检 积安定性合格，否则，为体 查没有弯曲，则体积安定合格， 积安定性不合格。 反之，体积安定性不合格。
水泥组成：熟料矿物、混合材 养护条件：温度、湿度、龄期
水泥细度：水泥颗粒越细，强度发展越快
7.水化热

概念：
水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。
水泥品种 强度等级 42.5 42.5R 硅酸盐水泥 52.4 52.5R 62.5 62.5R 32.5 32.5R 普通水泥 42.5 42.5R 52.5 52.5R 抗 压 强 度 （MPa） 3天 28 天 17.0 22.0 23.0 27.0 28.0 32.0 11.0 16.0 16.0 21.0 22.0 26.0 42.5 42.5 52.5 52.5 62.5 62.5 32.5 32.5 42.5 42.5 52.5 52.5 抗 折 强 度 （MPa） 3天 28 天 3.5 4.0 4.0 5.0 5.0 5.5 2.5 3.5 3.5 4.0 4.0 5.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.0 8.0 5.5 5.5 6.5 6.5 7.0 7.0
特性水泥
§3.2.1 硅酸盐水泥的生产及矿物组成
凡由硅酸盐水泥熟料、0～5％石灰石或粒化高 炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称 为硅酸盐水泥(即国外通称的Portland Cement).
硅酸盐水泥分为：Ⅰ型硅酸盐水泥（不掺混合材
料）和Ⅱ型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。

硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺

国标要求：硅酸盐水泥
初凝时间≥45min；
终凝时间＜390min。
水泥凝结时间的测定
标准稠度 水泥浆
园弧形 压痕
终 凝
离底1～2mm为初凝
5. 体积安定性

基本概念：
水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为
体积安定性。 若水泥石的体积变化均匀适当，则水泥的体积安定性良好； 若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的 体积安定性不良。

密度的测量方法
排液法，用煤油作为测量液体。
2. 细 度

定义
细度是指水泥粉体的粗细程度。

测量方法
筛分析法 以80m方孔筛的筛余量表示；
比表面积法 以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来
表示。

国标要求
硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。
普通水泥80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%。
水泥强度发展规律
强度 早期增长快，随后逐渐减慢； （MPa） 28天，基本达到极限强度的80％以上； 在合适的温湿度条件下，强度增长可以持续 几十天 乃至几十年。

时间（d） 3d 28d
水泥石强度的影响因素

影响孔隙率的因素均影响水泥石的强度
水灰比 水灰比越大，孔隙率越大，强度越低
水化铁酸一钙 凝 胶
4CaO· 2O3· 2O3＋7H2O == 3CaO· 2O3· 2O＋CaO· 2O3· 2O Al Fe Al 6H Fe H 石膏
钙钒石AFt
晶体
3CaO· 2O3· 2O ＋3（CaSO4· 2O）＋19H2O == 3CaO· 2O3· Al 6H 2H Al 3CaSO4· 2O 31H 3CaO· 2O3· 2O＋CaSO4· 2O＋4H2O == 3CaO· 2O3· Al 6H 2H Al CaSO4· 2O 12H