2道路建材-硅酸盐水泥-2014

第二节 硅酸盐水泥 （Portland cement）

水泥

2014/9/16

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1

水泥

本节内容

 

 

4



概论 一、硅酸盐水泥的生产 二、水化、凝结与硬化 三、硅酸盐水泥的技术性质** 四、硅酸盐水泥的使用**

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水泥

概论

  

 

5

什么是水泥 水泥的发明 水泥的重要意义 水泥的分类 通用硅酸盐水泥的种类**

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3

水泥

1.什么是水泥？Cement





加水拌和成塑性浆体，能胶结砂、石等适当材料， 并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。

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4

水泥

2.水泥的发明

发明

 

1824年，英，阿斯普丁（Joseph Aspdin）； 石灰石、粘土混合物烧成；获专利；1825年生产。



命名

 

硬固后颜色、外观-英国优质波特兰石头； 命名：波特兰水泥（Portland Cement)； 中国：硅酸盐水泥。

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水泥

3.水泥的重要意义

 

2

基本建设主要材料，2013年24亿吨(全球40亿吨）。 对土木建筑的影响。

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水泥

4.水泥的分类

硅酸盐系列水泥CXS



按主要组分

铝酸盐系列水泥CXA

硫铝酸盐系列水泥C4AS 氟铝酸盐/铁氟铝酸盐水泥C4AF

通用水泥



按应用特点

专用水泥 特性水泥

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水泥

** 5.通用硅酸盐水泥的种类

（Common portland cement）

通用硅酸盐水泥

以硅酸盐水泥熟料和适量石膏及规定的 混合材料制成的水硬性胶凝材料。

石膏 混合材料 通用水泥

熟料



  

 

硅酸盐水泥： 分P· I和P· Ⅱ型 (portland) 普通硅酸盐水泥： 简称普通水泥； 代号P· O (ordinary) 矿渣硅酸盐水泥： 简称矿渣水泥； 代号P· S (slag) 火山灰硅酸盐水泥：简称火山灰水泥；代号P· P (pozzolanic) 粉煤灰硅酸盐水泥：简称粉煤灰水泥；代号P· F (fla-ash) 复合硅酸盐水泥： 简称复合水泥； 代号P· C (composite)

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水泥

什么是硅酸盐水泥？** （Portland cement）

定 义

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。

熟料 石膏 混合材料 硅酸盐水泥

类 型

 

Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P ∙Ⅰ，不掺混合材料； Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P ∙Ⅱ，混合材不超过5%。

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水泥

一、生

产

（一）原材料与工艺** 1 主 要 原 料

石灰质材料:提供成分CaO； 粘土质材料:SiO2、Al2O3、少量Fe2O3； 校正原料:硅藻土、黄铁矿； 石 膏；

混合材料。

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水泥

“两磨一烧”

2.生产工艺**：

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水泥

（二）硅酸盐水泥的组成 **

3

1.熟料（clinker）； 2.石膏（gypsum）； 3.混合材料（Mixed-Material）。

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1.熟料

（clinker）

定义

水泥

由主要含CaO、SiO2、A12O3、Fe2O3的原料， 按适当比例磨成细粉(生料)烧至部分熔融， 所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。

含量 （%） 62-67 18-24 4-7

原料化学成分

CaO (C) SiO2 (S) Al2O3 (A)

矿物名称

硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙

矿物化学式

3CaO· SiO2 2CaO· SiO2 3CaO· Al2O3

简式

C3S C2S C3A

含量 （%） 37-60 15-37 7-15

Fe2O3 (F)

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2-5

铁铝酸四钙

4CaO· Al2O3· Fe2O3 C4AF

10-18

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2.石膏

（gypsum）

   

水泥

成分 二水石膏（CaSO4· 2H2O） 或无水石膏(CaSO4) 或混合石膏（CaSO4· 2H2O+CaSO4）

3

  

来源 天然石膏 工业副产品石膏

2

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3.混合材料

（Mixed-material）

 

水泥

概念 混合材料：在生产水泥时，为改善水泥性能， 调节水泥强度等级而加到水泥中的人工的和天 然的矿物材料。

分类

 

非活性混合材料； 活 性混合材料。

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

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水泥

（1）活性混合材料

火山灰性 磨细后与水调和不发生水化反应， 但 在 C a( OH ) 2 溶液中发生显著 水化 ， 在空气中能硬化并且能在水中硬化 。 潜在水硬性 磨细后与水调和后不发生水化反应， 但在石膏溶液中能够发生显著水化， 在空气中能硬化，并能在水中继续硬化。

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水泥

（1）活性混合材料

定义

主要活性成分



3

具有火山灰性或潜在水硬性，以及兼有火山 灰性和水硬性的矿物质材料。

活性氧化硅（SiO2）、活性氧化铝（Al2O3）。



特点



 

不与水直接反应 但有激发剂（石灰、石膏）时，就能水化， 生成具有胶凝能力的水化产物，既能在水中， 也能在空气中凝结硬化。

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水泥

常用活性混合材料**

天然类

火山灰、凝灰岩、硅藻土、蛋白石质粘 土、硅质页岩、钙性粘土及粘土页岩 煅烧页岩或粘土

人工类

工业废料类 粉煤灰、水淬高炉矿渣、硅灰

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水泥

（2）非活性混合材料 **

3

定义

凡常温下与石灰、石膏或硅酸盐水泥一起，加水 拌合后不能发生水化反应或反应甚微，不能生成 水硬性产物。

常用

低活性矿渣、粉煤灰、火山灰；石灰石、砂岩



作用

4

  

提高水泥产量； 调节水泥强度等级； 减少水化热； 降低成本。

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水泥

二

、硅酸盐水泥的水化及凝结硬化

（hydration、setting、hardening） 水 化 水泥熟料矿物与水的作用称为水泥的水化反应。 凝结** 水泥加水拌和发生水化逐渐失去可塑性但尚不具备强度。 硬化** 水泥水化到一定程度开始产生强度，并变为坚硬水泥石。

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水泥

（一）单体矿物的水化

（hydration）

 



1.硅酸三钙、硅酸二钙的水化 化学式： 2(3CaO· SiO2) + 6H2O = C-S-H + 3Ca(OH)2 2(2CaO· SiO2) + 4H2O = C-S-H + 3Ca(OH)2 特点： C3S：水化速度很快，放出大量热，强度高。 C2S：水化速度较慢，水化热小，强度早低后高。

2

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水泥

水化产物特征

呈无定形的胶体状。 C-S-H凝胶 ： 粒子如以球形计直径可能小于10μm。 结晶程度极差。



3



4 种形貌：

  

纤维状粒子，称Ⅰ型 网络状粒子，称Ⅱ型 等大粒子， 称Ⅲ型 内部产物， 称Ⅳ型

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水泥

2.铝酸三钙（C3A）的水化



3



化学式： 3CaO·Al2O3 + 6H2O = 3CaO·Al2O3·6H2O（C3AH6） 3CaO·Al2O3 + Ca(OH)2 + 12H2O = C4AH13 产物： C3AH6为立方晶体（稳定），在CH饱和溶液中能与CH进 一步反应生成六方晶体C4AH13（易晶形转化为C3AH6）。



特点： 水化速度很快，放出大量热，强度低。

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水泥

3. C4AF的水化



2





化学式： C4AF+7H2O = C3AH6 + CaO· Fe2O3· H2O（CFH） 产物： 水化铁酸钙（CFH）为凝胶。 特点： 水化速度较慢，水化热低，强度较低。

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水泥

矿物特性***

矿物组成

特性 指标

C3S

3.25 快

大

C2S

3.28 慢

小 低

C3A

3.04 最快

最大

C4AF

3.77 快

中

1．密度（g/cm3） 2．水化反应速率

3．水化放热量 早期

4．强度 5．收缩

后期

高 中

中

高 中

最好

低 大

差

低 小

好

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6．抗硫酸盐侵蚀性

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水泥

分析与讨论

以下是A、B两种硅酸盐水泥的孰料矿物组成， 请分析两种水泥的强度、水化热等区别。

C3S C2S C3A C4AF



矿物组成

A水泥 B水泥

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60 47

15 28

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16 10

9 15

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水泥

（二）水泥的水化



4

化学式2： C3A+CH+12H = C 4AH13 C4AH13+ 3CaS04· 2H2O+14H = 3CaO· Al2O3· 3CaS04· 32H2O+CH

 

产物2： 铝可被铁置换成为含铝、铁的高硫型水化硫铝酸盐，故常用AFt 表示，称为钙矾石，是难溶于水的针状、棒状晶体。 若CaSO4· 2H2O在C3A完全水化前耗尽，则AFt与C3A作用转化为 (AFm)(不规则板状、成簇状、花朵状、六方板状)。



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水泥

熟料矿物的水化四个阶段

第1阶段 第2阶段 第3阶段 第4阶段

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初

始反应期 潜伏期 凝结期 硬化期

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水泥

初始反应期

   

4

（Initial reaction period） 立即水化，放热剧增； Ca(OH)2结晶析出； AFt结晶析出； 约有1%的水泥水化。

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水泥

潜伏期



4

（Incubation period）

初始反应后约1-2小时； 颗粒表面形成了C-S-H和AFt为主的渗透膜层； 水化放热速率很低，水化反应很慢； 产物不多，水泥颗粒分散，塑性状态。

 



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水泥

凝结期

  

5

（Setting period）

再持续若干小时； 渗透压使膜层破裂，继续水化； 水化产物体积约为水泥体积的2.2倍； 接触点的增多形成凝聚结构，浆体逐渐失去塑性，水泥凝结； 约有15%的水泥水化。

 

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水泥

硬化期

3

（Hardening period）

 



水泥水化继续进行； 水化铁铝酸钙、水化铝酸钙固溶 体C4(AF)H13开始形成； 硫酸根离子的耗尽使部分AFt转化 为AFm。

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水泥

凝结、硬化过程简述

水泥＋水→可塑性浆体

粒表矿物与水生成水化物并析出形成水化物膜层 膜层增厚，颗粒接近，形成凝聚结构，始失可塑性，达初凝 凝聚结构加强，完全失去可塑性，达到终凝 凝聚和晶体长大、共生、交错，产生强度

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水泥

水泥最终水化产物***

（hydration product）

水化硅酸钙

2种凝胶 水化铁酸钙

C-S-H

CFH

70%

氢氧化钙 3种晶体

CH

20%

水化铝酸钙 C4AH13 C3AH6

水化硫铝酸钙 AFt (AFm)

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7%

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水泥

水泥石的内部组成***

存在固相、液相和气相。 硬化后的水泥石是一种 多相多孔体系。 (1)水泥的水化产物； (2)孔隙（水、空气）； (3)未水化完的内核。

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水泥

（三）水泥凝结硬化的影响因素**

1 2 3 4 5 6 水泥的熟料矿物组成及细度； 水泥浆的水灰比； 石膏的掺量； 环境温度和湿度(养护）； 龄 期； 混合材料。

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6

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水泥

水泥浆的水灰比解释

（Water cement ratio）

3

1 水灰比: 水与水泥的质量之比；

W/C 或 mw/mc

2 加水较多时，水灰比较大，水化反应充分；

3 颗粒被水隔开的距离较远，颗粒间形成骨架结构的 时间长，所以凝结较慢,空隙多，降低水泥石的强度。

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水泥

(四) 掺混合材料水泥水化

（Mixed-material）

   

化学式3： xCH+SiO2 +mH2O = xCaO· SiO2· nH2O （C-S-H） xCH+Al2O3+mH2O = xCaO· Al2O3· nH2O C4AH13+ 3CaS04· 2H2O +14H = AFt+CH 激发剂： CH、石膏使混合材料的潜在活性得以发挥

，起激发水化、促 进凝结硬化的作用。 石膏：硫酸盐激发剂（潜在水硬性）。 Ca(OH)2 ：碱性激发剂（火山灰性）。

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 

水泥

水化特点**

 

3



1 水化速度较慢；(二次反应或二次水化） 2 水化产物：氢氧化钙、水化铝酸钙少； C-S-H、AFt或Afm多。 3 外界温湿度影响大：温度敏感性大，常温 下反应很慢，高温下反应很快。

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水泥

三、硅酸盐水泥的主要技术性质和指标***

  

8

  

 

1 密度、堆积密度（density & bulk density） 2 细度（fineness） 3 需水性（Water demand） 4 凝结时间（setting time） 5 安定性（soundness） 6 强度（strength） 7 水化热（hydration heat） 8 其它化学指标（chemical properties）

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水泥

1、密度与堆积密度

（density & bulk density）



   

密度 P· I、P· Ⅱ： 3.0-3.2 （g/cm3） P· O： 3.1 P· S 2.8-3.0 P· P、P· F： 2.7-2.9

4



堆积密度 松堆：900-1200（kg/m3）； 紧堆：1600 （kg/m3）。

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水泥

2、细度

（fineness of cement）



定义：细度是指水泥颗粒的粗细程度。 意义： 越细，水化速度越快、强度越高；但成本越高、 易产生收缩裂纹； 越粗，活性太差。一般认为，水泥颗粒小于40um 才具有较高的活性，大于100um活性就很小了。

 



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水泥

细度表示方法

(specific surface area)

cm2/g或m2/kg 单位质量表面积



标准筛的筛余、比表面积、粒度分布表示。

80um或 45um

(residue on sieve)



GB175规定:硅酸盐水泥≥300m2/kg

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水泥

3、需水性

（Water demand）

—水泥获得一定稠度所需水量的性质。 标准稠度 标准稠度需水量

为测定水泥的凝结时间、 安定性等性能，使其具有 准确的可比性，水泥净浆 以标准方法测试所达到统 一规定的浆体可塑性程度。

24～30%

44

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Road Constructional Materials

水泥

影响需水量的因素

3

 



熟料的矿物组成； 混合材的品种、数量； 水泥细度等。

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Road Constructional Materials

45

水泥

4、凝结时间

（setting time）

可塑性浆体 开始失去可塑性 t1 固体，并逐渐具有强度 完全失去可塑性 t2

初凝

终凝

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水泥

4、凝结时间

（setting time） 凝结时间 初凝时间 终凝时间

3

水泥从加水开始到失去流动性，即从可塑状 态发展到固体状态所需要的时间。

自加水起至水泥浆开始失去塑性所需的时间。

（initial setting time）

自加水起至水泥浆完全失去塑性、开始有一 定结构强度。

（final setting time）



演示

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水泥

影响因素

  

6

 



矿物组成：C3A 石膏掺量：1.3%-2.5% 细度 水灰比 凝结时间 混合材 环境条件

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水泥

工程意义

 

4

初凝不宜过快！ 终凝不宜过迟！



GB175中规定硅酸盐水泥初凝不得早于45min， 终凝不得迟于390min（6.5h）。 初凝时间不符合上述规定的水泥为不合格品。



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5、安定性

安定性：

水泥

4

（soundness of cement）

是指水泥浆体在硬化过程中体积变化的稳定性。

安定性不良：硬化后体积变化不稳定，产生不均匀体积变化。 危

害： 会导致硬化水泥石或混凝土裂缝、开裂，强度 降低等。

GB175：安定性不良为不合格品，不得用于工程。

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水泥

安定性不良的原因







1）熟料矿物组成中含有过多的f-CaO； 2）熟料矿物组成中含有过多的f-MgO； 3）水泥粉磨时所掺石膏超量（SO3）。

注：f-CaO、f-MgO是水泥烧制过程中没有与SiO2或 Al2O3结合成盐类，而是成游离、死烧状态，相当于过 火石灰，水化极为缓慢。



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水泥

安定性检验方法

 



3

沸煮法： f-CaO

压蒸法： f-MgO 水化缓慢，沸煮法不能检验，GB175规定硅酸盐 水泥MgO不得超过5.0%，若压蒸合格可放宽到6.0%； SO３含量： 石膏的安定性，需长期浸在常温水中才能发现，不便于 检验，GB175规定硅酸盐水泥SO3不得超过3.5%。

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

 

6、强度与强度等级

(strength, strength grade)

水泥

3

 

测定方法: 将水泥和标准砂按1:3混合，加入规定数量水(水灰比0.50), 按规定方法制成40×40×160标准胶砂试件，在标准温度 (20士1℃)水中养护，分别测定其3d和28d抗压和抗折强度。

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 

强度等级划分：

共六个强度等级。

水泥

水泥按3d强度分为普通型和早强型两种类型。

强度等级

抗压强度（MPa）

3d 28d

抗折强度（MPa）

3d 28d

42.5 42.5R 52.5 52.5R 62.5 62.5R

17.0 22.0 23.0 27.0 28.0 32.0

42.5 42.5 52.5 52.5 62.5 62.5

3.5 4.0 4.0 5.0 5.0 5.5

6.5 6.5 7.0 7.0 8.0 8.0

各龄期强度不得低于规定值,如有一项低于规定值，则为不合格品。

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水泥

7、水化热

 

2

（hydration heat）

水化热：水泥和水发生化学反应放出的热量。 水化热大部分在水化初期放出。

如对硅酸盐水泥： 1-3d 50% 7d 75% 6个月 83%-91%

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水泥

影响因素

  

3

矿物组成； 混合材的品种数量； 细度。

20

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Road Constructional Materials

56

水泥

工程影响



利：冬季施工防止冻害； 弊：大体积混凝土温度裂缝。



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Road Constructional Materials

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8、化学指标





水泥

6

（chemical properties）

水泥安定性 砼耐久性



 



不溶物 烧失量 SO3 MgO Cl碱含量

HCL-NaOH处理-高温灼 烧后所剩的物质； 含量高影响水泥质量。



灼减量，水泥经高温灼烧 质量损失。水分、有机杂 质排出、碳酸盐分解出 CO2，硫酸盐分解出SO2。 限制石膏和混合材中杂质 含量。

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Road Constructional Materials

水泥

GB175硅酸盐水泥化学指标 %

水泥 代号

不溶物 烧失量 碱含量 ≤0.75

≤1.50

Cl-

SO3

MgO

P· I

P· II

≤3.0

≤0.60 ≤3.5 ≤0.06 ≤3.5 ≤5.0*

*若水泥经压蒸试验合格，则此指标可放宽至6.0%。

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水泥

质量判定

   

  



1 密度 基础性质 2 细度 3 需水性 选择性指标 4 凝结时间 5 安定性 强制性条款 6 强度 7 水化热 8 化学指标（碱含量为选择性）

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国 家 标 准

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水泥

四、硅酸盐水泥的使用

 

（一）侵蚀与防止*** （二）风化与贮运*

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（一）侵蚀与防止

（Cement resistance to chemical）



水泥

1、侵蚀的原因分析 内因：

外因：

水泥石组成与结构； 侵蚀介质 环境条件：介质浓度、温湿度、水流

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水泥

2、侵蚀类型

 



3

（1）溶解性侵蚀（软水侵蚀）； （2）离子交换型侵蚀； （3）生成膨胀性物质。

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（1）溶解性侵蚀（软水侵蚀、溶析）

水泥

  

Ca(OH)2在淡水、流动水、压力水中易不断溶解流失， OH-下降，引起其它水化产物分解，高碱度物质分解为 低碱度物质，水泥石变得多孔疏松。 软水：Ca2+、Mg2+ ＜ 100/106 冷凝水、雪水、冰川水。 硬水：Ca2+、Mg2+＞250/106 江、河、湖泊、地下水。

2014/9/16 Road Constructional Materials 64





水泥

（2）离子交换型



4







可溶型钙盐：2HCl+Ca(OH)2→CaCl2+2H2O 不溶型钙盐：Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O CaCO3+CO2+2H2O→Ca（HCO3）2 镁盐 ： MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→CaS04· 2H2O+Mg(OH)2 MgCl2+Ca(OH)2→CaCl2+Mg(OH)2 强碱侵蚀： 3CaO· Al2O3+6NaOH→NaO· Al2O3+3Ca(OH)2

2

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水泥

（3）生成膨胀性物质



3

 

硫酸盐侵蚀：钙钒石（AFt-“水泥杆菌”） MgSO4+Ca(OH)2+2H2O→CaS04· 2H2O + Mg(OH)2 4CaO· Al2O3· 13H2O + 3CaS04· 2H2O + 14H2O →3CaO· Al2O3· 3CaS04· 32H2O+Ca(OH)2 盐类结晶：结晶膨胀 碱集料反应：Na2O、K2O与SiO2 反应 Na2O+ SiO2 →Na2O· SiO2

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水泥

3、侵蚀的防止

水泥石的腐蚀

 

腐蚀的防止

1）合理选用水泥品种

溶解型侵蚀



2）提高水泥石的密实度 3）表面加保护层

4）控制碱含量及集料中 的活性氧化硅



离子交换腐蚀







膨胀腐蚀

混凝土中的碱含量：一般3kg/m3，重要工程1.8kg/m3。

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水泥

(三)风化与贮运

1、风化

  

  

概念： 水泥在贮运过程中，如与空气接触，则会吸收空气中 H2O和CO2而发生部分水化反应和碳化反应。 俗称受潮。 危害： 风化后会凝固成粒状或块状，增加烧失量、降低密度， 凝结迟缓，强度降低。

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水泥

风化影响因素

 

3



水泥的贮运条件； 贮运期限； 包装质量。

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水泥

贮运时间对水泥强度的影响

3个月，

6个月，

6

10%～20%； 15%～30%； 25%～40%；

12个月，

  



通用有效期从出厂日期算起为3个月； 超过有效期应视为过期水泥； 风化较轻可重磨恢复其部分活性；较重应降低 强度等级或用于次要工程。 演示

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水泥

2、贮运措施

3

 



不得受潮和混入杂物； 不同品种、强度等级水泥应分别贮运，加以标志，确保 先存先用，以防错用、混用、过期； 袋装一般不超过10袋。

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水泥

材料质量事故



广西百色某车间单层砖房屋盖采用预制空心板12m跨现浇钢筋混凝 土大梁，1983年10月开工，使用进场已3个多月并存放潮湿地方的 水泥。1984年拆完大梁底模板和支撑，1月4日下午房屋全部倒塌。

事故的主因是使用受潮水泥，且采用人工搅拌，无严格配合比。致 使大梁混凝土在倒塌后用回弹仪测定平均抗压强度仅5MPa左右，有 些地方竟测不出回弹值。此外振捣不实，配筋不足等问题。

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

水泥



广州某斜拉桥使用６年后其中一根拉索突然坠落，经检查 拉索内钢丝严重腐蚀，此是由于拉索内上部水泥浆体长时 间不凝结而产生电化学腐蚀所致。见下图（图4-8为拉索 坠落，图4-9为未凝结浆体）。上段浆体配方：水泥:水: 石英粉:FDN减水剂:铝粉＝1:0.34:0.15:0.008 5:0.00003

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水泥

NOTE3：水泥凝结时间不正常



某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙含量 较高，加水拌和后初凝时间仅40min。但后放 置1个月，凝结时间又恢复正常，而强度下降， 请分析原因。

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水泥

事故分析

 





①初凝变短: f-CaO含量较高该氧化钙

相当部分的煅烧温度较低。 加水拌和后，水与CaO迅速反应生成Ca（OH）2， 放热，浆体温度升高，加速熟料水化。 从而产生了较多的水化产物，形成了凝聚－结晶网 结构，所以短时间凝结。

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水泥

事故分析









②凝结恢复正常: 放置一段时间后吸收空气的水汽，大部分f-CaO生成 Ca(OH)2 或进一步与CO2反应，生成CaCO3。故此时加水后， 不会再出现原来的水泥浆体温度升高、水化速度过 快、凝结时间过短的现象。 但其它水泥熟料矿物也会和空气中的水汽反应，部 分产生结团、结块，使强度下降。

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水泥

材料质量事故





某大体积混凝土工程，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P· Ⅱ42.5型水泥，其熟 料矿物组成如下：

C3S 61％ C2S 14％ C3A 14％ C4AF 11％

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水泥

原因及防治措施

 

2

  

原因： 水泥C3A和C3S含量高，导致水化热高；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。 措施： 选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。 水泥用量及水灰比也需适当控制。

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第一节

结束

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