水硬性胶凝材料课件.ppt

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1、甘肃农业大学工学院土木工程系,第4章 水硬性胶凝材料,学习目标,掌握硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性，掌握硅酸盐水泥的组成材料、凝结硬化过程、技术性质、质量鉴定方法及其应用。了解其他水泥的特性及其应用。,硅酸盐水泥兴起于19世纪。它已经成为现在最为重要的一种建筑材料。它的化学成成分复杂，但主要的胶结成分是水化硅酸钙。普通硅酸盐水泥强度高、能抗硫酸盐腐蚀、水化热，也可用于制备砂浆。为了建筑需要，水泥可做成白色、黑色或其他各种颜色。,简介,水泥的概念、特点和适用范围,什么是水泥(cement)？ 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

2、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。水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。,水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。,水泥的分类,水泥按化学成分可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。,水泥的分类,按性能和用途分类,水 泥,通用水泥,专用水泥,特性水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,石灰石硅酸盐水泥,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,水泥的分类,

3、按主要水硬性物质分,水泥在土木工程中的重要作用,水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！,尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。,第一节 硅酸盐水泥,第一节 硅酸盐水泥,学 习 目 的,学习硅酸盐水泥的矿物组成，及其与其他水泥的差别；水泥的生产过程及其对性质的影响。 掌握水泥凝结硬化机理和

4、凝结硬化过程的影响因素；应用这些基本理论，说明水泥和混凝土的性质，指导合理选择与使用水泥，改善水泥基材料的性能。熟悉水泥各种性质的含义和工程意义；水泥性质的影响因素及其规律；水泥性质的检验方法和评定标准。,一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺,硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、05%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(即国外通称的Portland Cement)。硅酸盐水泥分两种类型：不掺混合材的称型硅酸盐水泥，其代号为P；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材的称型硅酸盐水泥，其代号为P。,硅酸盐水泥的原材料生产硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料

5、天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩、石灰等。粘土质原料 主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。 铁矿粉 采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。 石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。混合材料 包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。,一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺,硅酸盐水泥是以石灰质原料(如石灰石等)与粘土质原料(如粘土、页岩等)为主，有时加入少量铁矿粉等，按一定比例配合，磨细成生料粉(干法生产)或生料浆(湿法生产)，经均化后送入回转窑或立窑中煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主

6、要成分的水泥熟料，再与适量石膏共同磨细，即可得到P型硅酸盐水泥。,一、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺,一、硅酸盐水泥是怎样制造的？,原 料：硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)， 占1/3 钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占2/3调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3 与SiO2制造工艺：原料经粉磨混合后得到水泥生料生料经窑内煅烧得到水泥熟料水泥熟料石膏(或再混合材）一起经粉磨混合后得到水泥,“两磨一烧”,水泥生料可以是： 与水混合成浆体湿法工艺 加少量水制成料球半干法工艺 加稍多水制成湿球半湿法工艺 干粉混合物干法工艺,硅质(粘土),钙 质(石灰石),1450,调节原料,石膏,石膏,水 泥

7、,生 料,熟 料,混合材,水泥制造的“两磨一烧”工艺流程,粉 磨,煅 烧,粉 磨,原料采掘,原料磨细,原料混合,反应物产物中间产物,预热器回转窑,产 物,熟料冷却,熟料储存,硅酸盐水泥熟料制造工艺流程,水泥制造厂全貌,水泥的制造工艺全貌,水泥生料煅烧回转窑,回转窑尾,14501500C,水泥煅烧过程,排气,原料入口,气体温度,进料温度,50oC,450oC,600oC,800oC,1000oC,1200oC,1350oC,1350oC,1450oC,1550oC,1,2,3,4,5,6,7,1. 失去自由水,4. 初化合物形成,7. C3S初形成,2. 粘土分解,5. C2S初形成,3. 石灰

8、岩分解,6. 熔胶形成,二、熟料的矿物组成及其特性,熟料的矿物组成,水泥熟料矿物,硅酸二钙,铁铝酸四钙,游离氧化钙和氧化镁,铝酸三钙,硅酸三钙,碱类及杂质,2CaOSiO2，C2S,4CaOAl2O3Fe2O3，C4AF,fCaO和fMgO,3CaOAl2O3，C3A,3CaOSiO2，C3S,化学式及简写,化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。矿物组成： 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：,硅酸盐水泥熟料的组成,水泥颗粒宏观形貌,水泥颗粒的结构,水泥熟料颗粒细观形貌,水泥熟料矿物微

9、观结构,二、熟料的矿物组成及其特性,水泥熟料矿物的主要特性 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。,矿物组成对水泥性能的影响 以上是单个矿物组成的性能，水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比例，水泥的性质即发生相应的变化。硅酸三钙高强水泥铝酸三钙、硅酸三钙 硅酸二钙 铁铝酸四钙抗折强度道路水泥,水化热大坝水泥,1.熟料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。,讨论：硅酸盐水泥熟料矿物各具特性。C3S在最初四个星期内强度发展迅速，它实际上决定着硅酸盐水泥四个星期以内的强

10、度；C3S的水化热较多，其含量也最多，故它放出的热量最多；但其耐腐蚀性较差。 C2S的硬化速度慢，在大约4个星期后才发挥其强度作用，约一年左右达到C3S四个星期的发挥程度；而其水化热少；耐腐蚀性好。C3A硬化速度最快，但强度低，其对硅酸盐水泥在13 d或稍长的时间内的强度起到一定作用；C3A的水化热多；耐腐蚀性最差。C4AF的硬化速度也较快，但强度低，其对硅酸盐水泥的强度贡献小；其水化热和耐腐蚀性均属中等。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。,二、熟料的矿物组成及其特性,观察与讨论,2.挡墙开裂与水泥的选用 现象：

11、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42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S 61；C2S14；C3A14；C4AF11。,讨论： 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，产生冷缩，造成贯穿型的纵向裂缝。 首先，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。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。,二、熟料的矿物组成及其特性,观察与讨论,水化水化机理石膏调节凝结时间的原理水化产物凝结与硬化何为凝结、硬化？凝结硬化

12、过程影响因素,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,水 化 机 理,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量的过程。硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的速度快，形成早期强度并生成早期水化热。,硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的速度慢，对后期龄期混凝土强度的发展起关键作用。水化热释放缓慢。产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物。,水 化 机 理,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如

13、果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将无法正常使用。通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。,水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。,水 化 机 理,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,铁铝酸四钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶该水化反应的速度和水化放热量均属中等。,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,经过上述水化反应后，主要水化产物为：水化硅酸钙(50%

14、)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等。,熟料矿物的水化反应硅酸三钙2（3CaOSiO2）6H2O = 3CaO2SiO23H2O3Ca（OH）2硅酸二钙2（2CaOSiO2）4H2O = 3CaO2SiO23H2OCa（OH）2 铝酸三钙3CaOAl2O3H2O = 3CaOAl2O36H2O3CaOAl2O36H2O3（CaSO42H2O）19H2O = 3CaOAl2O33CaSO431H2O 铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O37H2O = 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,凝

15、结硬化的概念凝结：水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化：随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。,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

16、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。,水泥浆凝结硬化的物理过程,水泥水化过程,1. 初拌水泥浆,2. 7天,3. 28天,4. 90天,日期,3、硬化水泥浆体水泥石的组成与结构,水泥石的组成固相水泥水化物与未水化的水泥颗粒胶体相：水化硅酸钙C-S-H凝胶和铁相凝胶等；晶体相：硫铝酸钙水化物、水化铝酸钙与氢氧化钙晶体等；气相各种尺寸的孔隙与空隙凝胶孔毛细孔工艺空隙液相水或孔溶液自由水吸附水凝胶水水泥石的组成随水泥水

17、化度而变 实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。,水化硅酸钙凝胶(70%) 氢氧化钙晶体 (20%) 水化铝酸钙晶体水化铁酸钙凝胶水化硫铝酸钙晶体,水泥熟料水化后的主要水化产物有：,图3.2.2 水化程度与水泥石组成,水化产物,水泥石的结构水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。 水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。,3、硬化水泥浆体水泥石的组成与结构,背散射扫描电镜照片,未

18、水化水泥颗粒,C-S-H,氢氧化钙,单硫型硫铝酸盐,水泥浆扫描电镜照片(7d龄期),C-S-H,钙矾石,未水化的水泥内核,未水化的水泥颗粒内核，处于水化物包裹中水灰比越小，其含量越多。,水泥石中未水化的水泥内核,凝胶孔,毛细孔,凝胶,水泥石的孔结构模型,水泥石中孔分布与水灰比,水泥石中孔分布与水化龄期,石膏调节凝结时间的原理,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。为什么石膏用量

19、不能过多？这个问题将通过水泥石腐蚀的学习得到答案。,铝酸三钙C3A在石膏存在下的水化反应,C3A与石膏反应首先形成三硫型硫铝酸钙钙矾石晶体，并放出大量热： C3A+ 3CH2+26H C3A3C3H32 + 300 cal / g (1) (钙钒石)反应后期，石膏量不足时，水化生成单硫型硫铝酸钙水化物： C3A+ C3A3C3H32 +4H C3AC3H12 (2)石膏消耗完后， C3A直接水化形成C3AH6： C3A + 18H2O C3AH6 (3),石膏缓凝机理： 钙钒石的形成反应(1)速度比纯C3A的反应(3)慢； 在水泥颗粒表面析出钙矾石晶体构成阻碍层，延缓了水泥颗粒的水化，避免闪凝

20、或假凝。,石膏调节凝结时间的原理,石膏的作用,避免水泥浆的闪凝和假凝现象。调节水泥的凝结时间。导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。,石膏调节凝结时间的原理,生长在水泥石孔隙中的针状的钙钒石晶体,石膏调节凝结时间的原理,影响水泥凝结硬化的因素,影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。,三、硅酸盐水泥的水化、凝结和硬化,图3.2.3 影响水泥凝结硬化的因素,应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题,水泥生产中为什么掺加石膏？C3A在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；水泥的凝结速度取决于水泥浆体中水化物凝胶微粒的聚集，Al3对凝胶微粒聚集有促进作用；石膏与

21、C3A反应形成难溶的硫铝酸钙水化物，反应速度减缓，并减少了溶液中的Al3浓度，延缓了水泥浆的凝结速度。为什么水泥硬化后能产生强度？水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；在浆体硬化过程中，随着水泥矿物的水化，比表面较大的水化物颗粒不断增多，颗粒间相互作用力不断增强，产生的强度越来越高。,水泥浆体强度的增长规律是什么？ 水泥浆体的强度随龄期而逐渐增长，早期增长快，后期增长较慢，但是只要维持一定的温度和湿度，其强度可在相当长的时期内增长。这与水泥矿物的水化反应规律是一致的。为什么强度发展与环境温、湿度有关？ 水泥的水化需要水，如果没有水，水泥的水化就将停止；提高温度可加快水泥的凝结硬化，而降低温度就

22、会减缓水泥的凝结硬化。为什么水泥的储存与运输时应防止受潮？ 水泥受潮，因表面水化结块，丧失凝胶能力，强度大为降低。,应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,1.密度、堆积密度和各成分含量,注：表中百分数均为质量百分数。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,2.细度(Fineness of Cement)细度是指水泥颗粒的粗细程度。国家标准GB175-1999规定，水泥的细度可用比表面积或0.08 mm方孔筛的筛余量（未通过部分占试样总量的百分率）来表示。其筛余量不得超过规定的限值。比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和（cm2/g 或 m2/kg）。一般常为31

23、7350m2/kg。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%。细度不符合要求的水泥为不合格品！,测量方法筛分析法 以80m方孔筛的筛余量表示； 水泥试样筛余百分率按下式计算: 式中：F 水泥试样筛余百分率，%； ms水泥试样在80m筛上筛余 质量，g； m水泥试样的质量，g。比表面积法 以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。比表面积采用勃氏法测定。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,比表面积,硅酸盐水泥的细度用比表面积表示按照 GB175-1999的规定硅酸盐水泥的比表面积 300 m/kg 比表面积可采用比表面积仪测定（图3.2.4）用

24、比表面积测定仪测试颗粒粒径分布情况。测量一定量空气通过水泥石时，流速变化.,图3.2.4 比表面积测定仪,细 度,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,细 度,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,比表面积,细 度,问题：为什么需要规定水泥的细度？,解答：水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化； 粒径： 90 m 几乎接近惰性。一般认为，水泥颗粒粒径小于40m时才具有较大的活性。虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度

25、。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,根据GB/T1345-2005水泥细度检验方法，水泥细度测定方法有负压筛法、水筛法及干筛法。当实验结果有争议，以负压筛法为准。 1负压筛析法(GB13451991) 试验筛：试验筛由圆形筛框和筛网组成(筛网孔边长为80 m) 负压筛析法测定水泥细度。 (1) 筛析试验前，应把负压筛放在筛座上，盖上筛盖，接通电源，检查控制系统，调节负压至40006000Pa范围内。 (2) 称取试样25g，置于洁净的负压筛中，盖上筛盖，放在筛座上，开动筛析仪连续筛析2min；在此期间如有试样附着在筛盖上，可轻轻地敲击，使试样落下。筛毕，用天平称量筛余物。 (3) 当工作负压小于

26、4000Pa时，应清理吸尘器内水泥，使负压恢复正常。 以两次筛余平均值作为筛分结果，若两次筛余误差大于0.5%（筛余值大于5% 可放宽至1% ），应重做，取两次相近结果算术平均值作为实验结果,点击图标观看水泥负压筛析法测定细度实验,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,细 度,2干筛法 在没有负压筛仪和水筛的情况下，允许用手工干筛法测定。 (1) 称取水泥试样25g（精确至0.01g）倒入符合GB33507要求的干筛内（0.08mm方空筛，筛框有效直径150mm，高50mm，并附有筛盖）。 (2) 用一只手执筛往复摇动，另一只手轻轻拍打，拍打速度每分钟约120次，每40次向同一方向转动60，使试样均匀

27、分布在筛网上，直至每分钟通过的试样量不超过0.05g为止。用天平称量筛余物，称准至0.01g。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,细 度,标准稠度 在测定水泥的凝结时间和安定性时，为使其测定结果具有可比性，必须采用标准稠度的水泥净浆进行测定。水泥标准稠度用水量以水泥净浆达到规定稀稠程度时的用水量占水泥用量的百分数表示。 按GB/T1346-2001水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法，标准稠度用水量可用标准法或代用法测定，代用法又有调整用水量和固定用水量法两种，当发生争议时以标准法为主。 现行国家标准( GB/T 1346-2001)规定，以标准法维卡仪的试杆沉入净浆距底板的距离为6mm1

28、mm时的水泥浆的稠度作为标准稠度。水泥净浆达到标准稠度时所需拌和水量称为标准稠度用水量。标准稠度用水量P(%)按一定的方法将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的水量。,3.标准稠度及标准稠度用水量,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,标准稠度用水量,硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在之间。,标准法测定水泥标准稠度用水量实验 (1) 水泥标准稠度用水量试验试验前的准备A. 试验前必须检查维卡仪的金属棒能否 自由滑动。B. 调整至试杆接触玻璃板时指针对准零点。C. 搅拌机运转正常。D.水泥净浆搅拌机的筒壁及叶片先用湿布 擦抹干净。 (2) 水泥净浆的拌和 用水泥净浆搅拌机搅拌，搅拌锅和搅拌叶片先用湿布擦过，

29、将拌和水倒入搅拌锅内，在510s内将称好的500g水泥全部加入水中，防止水和水泥溅出；拌和时，先将锅放在搅拌机的锅座上，升至搅拌位置，旋紧定位螺钉，连接好时间控制器，将净浆搅拌机右侧的快停慢扭拨到“停”；手动停自动拨到“自动”一侧，启动控制器上的按钮，搅拌机将自动低速搅拌120s，停15s，接着高速搅拌120s停机。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,标准稠度用水量,拌和结束后，立即将拌制好的水泥净浆装入已置于玻璃底板上的试模中，用小刀插捣，轻轻振动数次，刮去多余的净浆；抹平后速将试模和底板移到维卡仪上，并将其中心定在标准稠度试杆下，降低试杆直至与水泥净浆表面接触。 A降低试杆至水泥净浆表面后，拧

30、紧螺丝12 s，突然放松，使试杆垂直自由地沉入水泥净浆中。B在试杆停止沉入或释放试杆30s时记录试杆距底板之间的距离。C. 整个操作应在搅拌后1.5 min内完成。 试验结果以试杆沉入净浆并距底板61 mm的水泥净浆为标准稠度净浆。其拌和水量为该水泥的标准稠度用水量，按水泥质量的百分比计。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,标准稠度用水量,水泥净浆搅拌机,标准法维卡仪,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,代用法测定水泥标准稠度用水量采用不变(固定)水量法和调整水量法2种。初学者多用前者，有争议时以后者为准。,点击图标观看代用法测定水泥标准稠度用水量（固定用水量法）,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,标准稠度

31、用水量,问题：标准稠度用水量与什么因素有关？为什么？,解答： 与水泥细度、水泥矿物组成、混合材掺量等有关。因为水泥颗粒越细，比表面越大，表面吸附水越多；水泥矿物组成和混合材掺量不同，颗粒的表面吸附特性不同，吸附水量不同。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,3.凝结时间 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。,水泥初凝时间不宜过早，终凝时间不宜过迟。 国家标准GB1751999规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6

32、.5h。普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h。 现行国家标准(GB/T1346-2001)规定：将标准稠度的水泥净浆装入凝结时间测定仪的试模中，以标准试针（分初凝用试针和终凝用试针）测试。,点击图标观看水泥凝结时间的测定,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,标准要求45min国产水泥一般为1-3h实验（标准法）测试时以试针距底板41mm为准，由水泥加水时至达到初凝状态所经历的时间作为初凝时间。工程意义水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充分的时间搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作。,初始凝结时间,凝结时间,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,终凝时间,标准要求390min国产水泥一般为5-6

33、h 实验完成初凝时间测定后，将试模连同浆体翻转180，换上终凝试针（终凝针上装有一个环形附件），当试针沉入试体0.5mm时，即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时，为水泥达到终凝状态由水泥加水时至达到终凝状态所经历的时间作为水泥的终凝时间。 工程意义终凝时间不宜过迟，以便施工完毕后更快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行。,凝结时间,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,国标 规定：凡初凝时间不符合规定的水泥为废品；终凝时间不符合规定的水泥为不合格品。为什么？,答：水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量；初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用

34、价值，即为废品；终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工，即为不合格品。,水泥凝结时间前后变化 现象：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40 min，本属于废品。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。,观察与讨论,讨论：该立窑水泥厂的普通硅酸盐水泥游离氧化钙含量较高，该氧化钙相当部分的煅烧温度较低。加水拌和后，水与氧化钙迅速反应生成氢氧化钙，并放出水化热，使浆体的温度升高，加速了其它熟料矿物的水化速度。从而产生了较多的水化产物，形成了凝聚结晶网结构，凝结时间较短。水泥放置一段时间后，吸收了空气中的水汽，大部分氧化钙生成氢氧化钙，或进一步与空

35、气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙。故此时加入拌和水后，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。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,4.体积安定性体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的稳定性。水泥在硬化过程中体积变化不稳定，即为体积安定性不良。 体积安定性不良的表现 水泥硬化后产生不均匀的体积变化（裂纹后弯曲）。国家标准GB1751999规定，硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格。体积安定性不良的水泥为废品！用于工程使建筑质量下降，甚至引起严重的建筑事故。,体积安定性,

36、水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。水泥中的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的它们的水化速度慢，在水泥硬化后才开始水化，使已经硬化的水泥石膨胀开裂。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还能继续与水化铝酸钙反应，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积增大1.5倍，引起水泥石开裂。此时，水化 硫铝酸钙被称为水泥杆菌。,体积安定性不良的原因,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,体积安定性,煮沸法-加速实验法 测量体积安定性的两种方法：饼法观察水泥净试饼在沸煮后的外形变化雷氏夹法测量水泥石饼沸煮后的膨胀值雷氏法为标准法，试饼法是代用法，有矛盾时以标准法为准。,体积安定性的测定,点击图标观看水泥体积安定性的测定,四、

37、硅酸盐水泥的主要技术性质,体积安定性,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,体积安定性,雷氏夹法测定水泥体积安定性步骤示意图,图3.2.9 雷氏夹法体积安定性测定仪,体积稳定性的测定,图3.2.8 沸煮箱,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,图3.2.7 试饼法体积安定性不良,图3.2.10 雷氏夹,限制,上述测试方法仅能测出游离CaO是否过量。游离MgO和石膏不能通过加速实验的方法检测所以它们必须在生产工艺中严格控制，避免过量。 标准规定： MgO5%、石膏SO33.5%。,体积安定性的测定,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,体积安定性,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,5.强度及强度等级（1）胶砂强度 国家标准

38、规定，水泥和标准砂按1：3.0质量比混合，加入规定量的水（水灰比为0.50），经标准试验方法搅拌成型。制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准条件（1d温度为201，相对湿度90以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入201的水中养护）下养护。根据水泥品种不同，分别测定3d、28d的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。,强度及强度等级,C:S:W=1:3:0.5的比例混合，制成标准尺寸的试件（4040160mm），在标准条件下养护，测试抗压强度和抗折强度。,C:S:W=1:3:0.5,Standard specimen 40 40160,Compressive strength,C

39、ured under the standard condition,Bending strength,test,强度及强度等级,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,试件制作主要设备仪器,强度及强度等级,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,强度测定仪,强度及强度等级,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,100mm,160mm,P,抗折强度试验,P,P,抗压强度试验,（2）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。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,（3）抗折强度结果评定：以一

40、组三个棱柱体抗折强度结果的平均值作为试验结果。当三个强度值中有一个超出平均值10%时，应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。若两个超出则试验结果无效。抗压强度结果评定：以一组三个棱柱体上得到的六个抗折强度测定值的算术平均值作为试验结果。如六测定值中有一个超出六个平均值的10%，就应剔除这个结果，而以剩下五个的平均数为结果，如果五个测值中再有超过它们平均数10%的，则此结果作废。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,（4）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,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,注：R型为早强型，主要是3d强度较高。,水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，

41、应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。,3d,水泥强度发展规律,早期增长快，随后逐渐减慢；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。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,问题：为什么水泥强度检验方法要规定试件尺寸、试件配比、养护条件、养护时间等？,解答：水泥胶砂试件的强度与水泥的组成、试件的水灰比和砂灰比、水泥的水化程度，以及试件的大小有关，而水泥的水化程度与养护条件和养护时间有关；水泥强度检验目的是检验具有确定组成的水泥的强度，因此，为排除其它因素的影响，将这些因素统一规定，以便相互比较。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,点击图

42、标观看水泥胶砂抗折强度的测定,点击图标观看水泥胶砂抗压强度的测定,实验录像,强度及强度等级,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,6.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。放热特征： 水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。水化热的益处与危害： 水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大体积混凝土，更是如此。水化热和放热速度的影响因素：水泥矿物组成水泥细度,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,按我国现行国标硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥(GB175-2007)规定：硅酸盐水泥的技术标准 注：1、如水泥经压蒸安定性试验合格，则

43、允许放宽到6.0； 2、水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。若使用活性骨料， 用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60或由供需 双方商定。,问题？,为什么水泥颗粒越细，水化放热越快？ 答: 水泥矿物的水化反应是放热反应，水泥颗粒越细，水化反应速度越快。硅酸盐水泥熟料的四种矿物中，哪一种水化热最大？哪一种水化热最小？ 答： 铝酸三钙C3A水化热最大；硅酸三钙C3S次之；硅酸二钙C2S水化热最小。为什么要限制水泥的不溶物含量和烧失量？ 答：不溶物是指水泥经酸和碱处理后，不能被溶解的残余物；烧失量是指水泥经高温灼烧后的质量损失率。这两项指标超标表示水泥中不能水化的杂质含量

44、大，影响水泥硬化后的性能。,问题？,试从应用的角度，分析水泥的技术性质及其要求？ 答：水泥是一种胶凝材料，是主要的结构材料之一，因此，它必须具有强度和体积安定性；细度和标准稠度用水量是相互关联的，用水量大将影响强度；为了浇注成型施工，应对凝结时间有所限制；水化热对水泥硬化过程和硬化后的水泥石体积稳定性有影响；碱含量、不溶物和烧失量影响水泥的品质；为了结构物自重的计算，必须知道水泥的密度。,国家标准GB 175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥还规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中任一项不符合本标准规定时（即前述规定），均为废品。 氧化镁 水泥中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如果水泥经

45、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%。（因氧化镁水化生成氢氧化镁，体积膨胀，而其水化速度慢，须以压蒸的方法加快其水化，方可判断其安定性。） 三氧化硫 水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。水泥中过量的三氧化硫会与铝酸三钙形成较多的钙矾石，体积膨胀，危害安定性。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,产品质量评定,硅酸盐水泥初凝 硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min。初凝为水泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；为使水泥混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥初凝时间不能过短。,安定性 用沸煮法检验必须合格。安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均

46、匀性。当水泥浆体硬化过程发生了不均匀的体积变化，会导致水泥石膨胀开裂、翘曲，即安定性不良。安定性不良的水泥会降低建筑物质量，甚至引起严重事故。,凡细度、终凝时间中的任一项不符合本标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品。水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,产品质量评定,水泥质量的判定,技术性质 不符合要求 细 度 不合格品凝结时间 （初凝）废品 （终凝）不合格品体积安定性 废 品 强 度 不合格品或降低等级不溶物和烧失量 不合格品,四、硅酸盐水泥的主要技术性质,五、水泥石的腐蚀及防止,水

47、泥石腐蚀 硅酸盐水泥硬化后形成的水泥石，在正常环境条件下将继续硬化，强度不断增长。但在某些腐蚀性液体或气体的长期作用下，水泥石就会受到不同程度的腐蚀，严重时会使水泥石强度明显降低甚至完全破坏，这种现象称为水泥石的腐蚀。水泥石腐蚀的方式（1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）（2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀）一般酸的腐蚀碳酸水的腐蚀（3）盐类腐蚀硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀）镁盐腐蚀 （4）强碱腐蚀,导致水泥石腐蚀性破坏的原因 外因： 环境中的腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等。 内因：水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供了通道；水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，

48、水化铝酸钙等；腐蚀与毛细孔通道的共同作用 加剧水泥石结构的破坏。,五、水泥石的腐蚀及防止,软水侵蚀（溶出性侵蚀）,机理：当水泥石处在软水（含HCO3少的水，如雨水、雪水和蒸馏水）中，软水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙；另一方面，水泥石中游离的钙离子的减少，使钙离子的浓度低于水化物的溶度积，导致水化物分解、溶失和转变，产生大量孔隙。尤其是处于压力水或流水条件下，腐蚀越快。 破坏形式： 水化物的分解、溶失，造成水泥石密实度下降，孔缝增多、强度降低，直至整体破坏。,五、水泥石的腐蚀及防止,在硬水中会发生如下反应生碳酸钙几乎不溶于水，堆积在水泥石的空隙中，形成密实的保护层预防

49、措施将与软水接触的混凝土，事先在空气中碳化人工碳化,硬水侵蚀,五、水泥石的腐蚀及防止,软水侵蚀,五、水泥石的腐蚀及防止,盐类腐蚀,硫酸盐的腐蚀 腐蚀机理：硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸钙再与水泥石中未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石，其体积增加2.22倍，引起水泥石的破坏。当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，造成膨胀压力，引起破坏。镁盐的腐蚀 腐蚀机理： 主要是硫酸镁和氯化镁，他们与氢氧化钙反应，生成氢氧化镁（易溶于水或松软无胶凝作用的产物，破坏水泥石）和硫酸钙或氯化钙，造成双重腐蚀作用。,钙矾石,水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物,水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物

50、引起的开裂,硫酸盐腐蚀,特点以硫酸盐为介质的海水、地下水等硫酸盐与水泥石中的成分反应生成膨胀性晶体，使水泥石破坏腐蚀过程举例：,五、水泥石的腐蚀及防止,硫酸盐侵蚀,五、水泥石的腐蚀及防止,镁盐侵蚀,镁盐腐蚀,特点以镁盐为介质的海水、地下水等镁盐与水泥石中的成分反应，生成易溶于水或松软无胶凝作用的产物，破坏水泥石腐蚀过程举例：,酸类腐蚀,腐蚀机理：水泥石中的水化物都是碱性化合物，与碳酸、盐酸、硫酸、醋酸、蚁酸等酸反应生成可溶性盐。另一方面，氢氧化钙浓度的降低，会导致水泥石中其它水化物的分解，使腐蚀作用加剧。破坏形式： 溶失性破坏，组成与结构发生很大改变。,水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落,碳酸盐