混凝土组成材料之水泥 (1)

1. 混凝土组成材料之水泥(1) Cement

2. 水泥的定义 凡细磨成粉末状，加入适量水后成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称水泥（cement）。

4. 用水泥基材料建造的早期建筑—爱迭斯吨顿灯塔用水泥基材料建造的早期建筑—爱迭斯吨顿灯塔

5. 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（黄河支流渭水之畔，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。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（黄河支流渭水之畔，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。

6. 特性应用 生 产 硅酸盐水泥 技术标准 矿物组成和特性 腐蚀与防止

7. 水泥按其用途和性能分类 • 通用水泥： 用于大量土木建筑工程一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、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、复合硅酸盐水泥等。 • 专用水泥： 指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥 • 特性水泥： 某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。

8. 水泥按组成分类 • 硅酸盐系水泥 • 铝酸盐系水泥 • 硫酸盐系水泥 • 硫铝酸盐系水泥 • 磷酸盐系水泥等 目前，水泥品种已达100余种，其中硅酸盐系水泥用途最广，本章即重点介绍。

9. 本章内容 1.1水泥工业的现状及发展 1.2硅酸盐水泥（波特兰水泥） 1.3掺混合材料的硅酸盐水泥 1.4高铝水泥 1.5专用水泥 1.6特性水泥

10. 1.1 水泥工业的现状及发展 1.1.1世界水泥发展状况 1.1.2水泥生产方法的改进 1.1.3我国水泥工业发展概况 1.1.4加入WTO后我国国有水泥企业的挑战

11. 170 每吨材料消耗能量比例 28 20 6 1 红砖 钢材 玻璃 铝材 混凝土 1.1.1 世界水泥发展状况 水泥是建筑工业三大基本材料之一（其它二者为钢材和木材），使用广，用量大。 每吨水泥消耗的能量仅为钢材的1/6。因此从节能出发，水泥作为结构材料，受到人们更多的重视。

12. 世界水泥态势（一） • 近10年来，发达国家由于各国经济发展速度减缓，生产成本增高和能源消耗、环保要求等各方面原因，水泥生产呈现饱和及缩减态势。 • 而与此同时，一些经济迅速发展中国家，水泥需求量不断增大，带动了那里的水泥工业的迅猛发展，特别是东亚、西南亚地区，1998年亚洲国家生产的水泥几乎占到了世界水泥总量的60%以上。

13. 世界水泥态势（二） • 在此期间，发达国家的跨国公司和集团，利用他们在水泥生产技术和装备制造方面的优势以及在国际资本运作方面的实力，利用发展中国家丰富的原料资源、相对廉价的劳动力以及资金的相对短缺，在国外发展自己的水泥基地，发展国际水泥贸易取得比在本国更大的经济利益，甚至反销本国，满足本国的水泥消费需求。 • 在这方面，日本、韩国表现得最为明显。欧洲一些大公司半数以上产量是在国外生产的。这种世界水泥生产和消费重心的改变趋势，将是今后一个时期的显著特点。

14. 1.1.2 水泥生产方法的改进 硅酸盐水泥的生产过程可以概括为“两磨一烧” 。 石灰石 粘 土 铁矿石 生料磨 熟料磨 水泥产品 烧成设备

15. 水泥煅烧设备 生料进口 生料进口 立 窑 模 型 熟料出口 回转窑模型 熟料出口

21. 水泥生产工艺按按生料的制备过程分类 原料与水共入生料磨，料浆喂入回转窑煅烧。其优点是：生料成分易控制，产品质量高，原料磨房扬尘较少。缺点是：能耗大，通常在6900 kJ/kg（熟料）以下，其仅用于蒸发料浆水分的热能就高达2200kJ/kg（熟料），为熟料形成理论需热量的2-3倍。 湿 法 干 法 生料为干粉，可采用立窑和回转窑生产。其优点是：能耗相对较低，但缺点是：生料粉不易混合均匀，粉状物料输送也不够简便，车间内粉尘飞扬大等。

22. 新型干法生产工艺 • 提高了干法窑的热效率，采用了原料预均化、粉状物料均化与管道输送技术，入窑前生料的预热及高效率收尘的研究取得了较大的进展。 • 20世纪70年代出现了悬浮预热、窑外分解新技术、新工艺，使得熟料煅烧热耗降至3000kJ/ kg以下。新型干法生产取代了湿法，成为水泥生产的基本方法。 • 代表当代水泥生产技术水平的新型干法生产技术和装备，由于追求高效率、低能耗、“零污染”的环保措施，取得了显著的成就和进步。

23. 1.1.3 我国水泥工业发展概况 约世界水泥产量的1/2 • 1886年，河北唐山建立启新洋灰公司，是我国最早的水泥厂。 • 1920年，上海龙华镇建立了我国第一台湿法水泥窑生产线。 约世界水泥产量的1/3 10.0 5.5 5.1 4.05 2 1990 1994 1997 2000 2005 我国水泥产量，亿吨

24. 我国回转窑和立窑水泥占总产量的比重 1998年我国立窑总数约8000台，其中机立窑约6000台，普立窑及土立窑分别约1500台和500台，后二者的水泥产量占12%。其中立窑水泥多采用F、S矿化剂，使水泥的强度和凝结时间出现波动，给建筑施工带来困难。

25. “十五”期间新型干法比例要超过20%，企业平均规模达20万吨。“十五”期间新型干法比例要超过20%，企业平均规模达20万吨。 我国水泥工业与世界先进水平的差距 世界排名前10名水泥公司年产量均在2000万吨以上，瑞士的霍德班克公司的水泥产量高达8300万吨，而我国目前最大的海螺、渤海水泥集团生产规模仅在500万-600万吨左右。

26. 我国水泥98%仍以内销为主，原因是我国水泥质量次，在采用新标准前，出口的水泥符合中国水泥标准，但同国外水泥相比存在四大问题。我国水泥98%仍以内销为主，原因是我国水泥质量次，在采用新标准前，出口的水泥符合中国水泥标准，但同国外水泥相比存在四大问题。 • 细度细； • 凝结慢； • 早期强度低； • 均匀性差。

27. 1.2 硅酸盐水泥（波特兰水泥） 1.2.1硅酸盐水泥熟料 1.2.2硅酸盐水泥的凝结硬化 1.2.3硅酸盐水泥的性能 1.2.4水泥石的腐蚀与防护 1.2.5硅酸盐水泥的应用与存放

28. 硅酸盐水泥为什么又叫波特兰水泥? 19世纪初期（1810-1825年），英国人Aspdin用人工配合原料，再经煅烧、磨细以制造水硬性胶凝材料。这种胶凝材料凝结后的外观颜色与当时建筑上常用的英国波特兰岛出产的石灰石相似，故称之为波特兰水泥，我国称为硅酸盐水泥。 Portland Cement √ Silicate Cement ×

29. 硅酸盐水泥的构成和类别 硅酸盐水泥 = 水泥熟料 + 石膏 + 混合材 PⅠ（Ⅰ型硅酸盐水泥）= 硅酸盐水泥熟料 + 石膏 + O PⅡ（Ⅱ型硅酸盐水泥）= 硅酸盐水泥熟料 + 石膏 +  5%石灰石或 粒状高炉矿渣

30. 1.2.1 硅酸盐水泥熟料 • 化学成分:CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2 • 矿物组成： Alite C3S 3CaOSiO2 36~60% Belite C2S 2CaOSiO2 15~37%，此二者75-82%； C3A 3CaOAl2O3 7~15% C4AF 4CaOAl2O3Fe2O3 10-18%，此二者﹤25%； f-CaO、MgO <10% • 制备： 石灰石、粘土、铁矿粉 生料 熟料 生产方法有：干法、湿法、回转窑、立窑 1450℃ 煅烧

31. 2570℃ L 2130℃ L + CaO 2070℃ C2S + C3S C3S + CaO 1250℃ C2S + CaO C2S CaO C3S的生成 C2S + CaO → L → C3S C3S从液相中析出，上述反应进行不完全，或降温过程中C3S发生分解： C3S → C2S + CaO 将导致熟料中f-CaO量的增多，影响水泥的安定性。

32. 硅酸盐水泥熟料矿物的水化 ① 2(3CaOSiO2) + 6 H2O = 3CaO2SiO23H2O + 3 Ca(OH)2 C-S-H ② 2(2CaOSiO2) + 4 H2O = 3CaO2SiO23H2O + Ca(OH)2 C-S-H ③ 3CaOAl2O3 + 6 H2O = 3CaOAl2O36H2O 立方晶体 ④4CaOAl2O3Fe2O3 + 7 H2O = 3CaOAl2O36H2O + CaOFe2O3H2O

33. 各熟料矿物单独与水作用的性质

34. 熟料单矿物水化程度

35. C3A在水泥中的实际水化情况 3CaOAl2O3 + Ca(OH)2 + 12 H2O = 4CaOAl2O313H2O 水化极快，无强度，瞬时凝结。有石膏存在时： 4CaOAl2O313H2O + 3 (CaSO42H2O) + 14 H2O = 3CaOAl2O33CaSO432H2O + Ca(OH)2 生成高硫型水化硫铝酸钙（Aft)，即钙矾石，为针状晶体，包围熟料颗粒，形成“保护膜”，延缓水化。当石膏耗尽，而且3CaOAl2O3量较多时： 3CaOAl2O33CaSO432H2O + 2（3CaOAl2O3）+ 4 H2O = 3（3CaOAl2O3CaSO412H2O） 单硫型水化硫铝酸钙(Afm)

36. C3A水化产物

37. C4AF在水泥中的实际水化情况 4CaOAl2O3Fe2O3 + Ca(OH)2 + 22 H2O = 2 [4CaO(Al2O3,Fe2O3)13H2O] 有石膏存在时，生成高硫型水化硫铝酸钙(Aft)： 4CaOAl2O3Fe2O3 + 2 Ca(OH)2 + 6 (CaSO42H2O) + 50 H2O = 2 [3CaO(Al2O3,Fe2O3)3CaSO432H2O] 当石膏耗尽，而且尚有4CaO(Al2O3,Fe2O3)13H2O时，生成单硫型水化硫铝酸钙(Afm)： 2[4CaO(Al2O3,Fe2O3)13H2O] + 3CaOAl2O33CaSO432H2O = 3[3CaO(Al2O3,Fe2O3)CaSO412H2O] + 2 Ca(OH)2 + 20 H2O

38. 水泥水化产物 C3S的水化产物：C-S-H + Ca(OH)2 C2S的水化产物：C-S-H + Ca(OH)2 C3A和C4AF的水化产物：Aft + Afm 在充分水化的水泥石中： • C-S-H约占70%； • Ca(OH)2约占20%； • Aft+Afm约7%。

39. 1.2.2 硅酸盐水泥的凝结硬化 水泥加水拌和后，成为可塑的水泥浆，水泥浆逐渐变稠失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐发展而成为坚强的人造石——水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。

40. 3 1 2 6 4 5 3 水泥凝结硬化过程示意图 1—水泥颗粒； 2—水分； 3—凝胶； 4—晶体； 5—水泥颗粒的未水化内核； 6—毛细孔 (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） (a) (b) (c) (d)

42. 1.2.3 硅酸盐水泥的性能 • 细度 • 凝结时间； • 强度； • 安定性； • 化学减缩； • 水化热。

43. ⑴ 细 度 当水泥颗粒＞90μm时几乎没有活性 ≤40μm时活性好 磨的过细①电耗大，产量低，成本高 ②收缩大，易开裂 ③水化速度过大，凝结硬化快 国标要求硅酸盐水泥细度用比表面积表示 ≥300m2/kg；其它通用水泥用0.08mm筛 余表示，要求不大于10%

44. 加水拌和 诱导期 初凝 时间 可塑浆体具有流动性 终凝时间 初凝 凝结 稠硬浆体流动性消失 终凝 硬化 硬化浆体强度增长 （2）凝结时间 GB175-1999规定，硅酸盐水泥初凝不早于45min，终凝时间不晚于6h30min。

45. 终凝 屈服值 C-S-H形成 初凝 钙矾石形成 （或二水石膏形成） 水化时间 水泥浆体屈服值与凝结时间的关系 C-S-H Ca2+、OH- Al(OH)4- SO42- Aft CSH2 初凝时间取决于C3A、C4AF及C3S的水化； 终凝时间主要受C3S水化控制。

46. 凝结时间的测定——维卡仪 试杆沉至底板3-5mm时，即为初凝状态；当下沉0.5mm，没有压痕时即为终凝状态。 影响凝结时间的因素： ① C3A含量； ② 水泥的细度； ③ 水灰比； ④ 混合材掺量。 试杆 试针支架 圆模

47. Φ10 Φ5 试锥 50 试针支架 75 试模 5 Φ60 水泥标准稠度用水量测定 凝结时间需要在标准稠度用水量下测定。 试锥下降深度为28±2mm时的加水量即为标准稠度用水量。

48. （3）强度 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T17671-1999） 40×40×160 试体连模一起在湿气中（温度20℃±1℃，相对湿度不低于90%）养护24h，然后脱模在水中（20℃±1℃）养护，测定3d和28d强度。 试件尺寸

49. 硅酸盐水泥各龄期的强度要求(GB175-1999) 三个强度等级、两种类型。R——早强型

50. （4）安定性 水泥在调水和凝结以后，必须不产生任何显著的体积变化。体积安定性不良的水泥，有凝结硬化过程中产生不均匀的膨胀，从而导致硬化浆体的开裂。 f-CaO、f-MgO水化引起及石膏掺量过多时，石膏与硬化体中的水化铝酸钙作用生成钙矾石，体积膨胀1.5倍造成破坏。