Transcript 第二章水泥生产、矿物组成、凝结硬化

《道路建筑材料》
——水泥
主讲：乔晓霞
水泥
拉法基水泥厂一角
水泥混凝土路面
内容提要及知识要点
1.本章重点阐述了硅酸盐水泥熟料的矿物组
成、凝结硬化机理和技术性质的检验测定
方法，以及其他水泥的特性和应用。
2. 简要介绍掺混合料的硅酸盐水泥和其他
品种水泥。
水泥
概念及分类


水泥是一种水硬性胶凝材料，也是建筑工程中用量
最大的建筑材料之一。
硅酸盐类水泥
按化学成分分类
铝酸盐类水泥
硫铝酸盐类水泥
 水泥的分类按


用途和性能分类
铁铝酸盐类水泥
氟铝酸盐类水泥
通用水泥
专用专水泥:道路硅酸盐水泥、大坝
水泥等
特性水泥：快硬硅酸盐水泥、膨胀水
泥等
水泥分类
 通用硅酸盐水泥：
硅酸盐水泥（P Ⅰ、PⅡ）、普通硅酸盐水
泥（PO）、矿渣硅酸盐水泥（PS） 、火
山灰质硅酸盐水泥（PP）和粉煤灰硅酸盐
水泥（PF）、复合硅酸盐水泥（PC）等六
大硅酸盐水泥
一.硅酸盐水泥
 现行国家标准GB 175—2011定义：凡由硅酸盐水
泥熟料、0-5％的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(波
特兰水泥)。
 硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称I型
硅酸盐水泥，代号PI。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
混合材料的称II型硅酸盐水泥，代号PII。
一.硅酸盐水泥
1.硅酸盐水泥的生产
硅酸盐的生产工艺可概括为三个阶段：
（1）生料制备。以石灰石、粘土和铁矿粉为主要原料(有
时需加入校正原料)，将其按一定比例配合、磨细，制
得具有适当化学成分、质量均匀的生料。
（2）熟料煅烧。将生料在水泥窑内经1450℃高温煅烧至
部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟
料。
（3）水泥粉磨。将熟料加适量石膏和约3%的石灰石或
粒化高炉矿渣共同磨细，即得到硅酸盐水泥
一.硅酸盐水泥
1.生产工艺 ：
石灰质原料
（CaO）
粘土质原料
（SiO2、Al2O3）
校正原料
（Fe2O3）
石膏
CaO
按比例混合
磨细
SiO2
生料
Al2O3
Fe2O3
煅烧
熟料
3CaO  SiO2
2CaO  SiO2
3CaO  Al2O3
4CaO  Al2O3  Fe2O3
石灰石或粒
化高炉矿渣
硅酸盐水泥
一.硅酸盐水泥
原料：
石灰质原料：石灰石、白垩、石灰质凝灰岩等物质，主
要提供氧化钙成分CaO。
黏土质原料：黏土、黏土质页岩、黄土物质，主要提供
氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、及少量氧化铁Fe2O3成分。
校正材料：所配生料不符合要求时掺加，如生料中Fe2O3
含量不足时，加适量黄铁矿渣或含铁高的黏土等；如生
料中SiO2含量不足时，加适量硅藻土、硅藻石等，或者
加入易于粉磨的风化砂岩；如生料中Al2O3含量不足时，
加适量的铁矾土废料或含铝较高的黏土加以调整。
一.硅酸盐水泥
 2.硅酸盐水泥的矿物组成和矿物性质



2.1硅酸盐水泥的矿物组成
生料主要化学成分：CaO SiO2
Al2O3
Fe2O3
经高温煅烧后，以上四种化学成分化合为熟料中的主
要矿物组成：

硅酸三钙 3CaO  SiO2
简式为 C3 S

硅酸二钙 2CaO  SiO2
简式为 C2 S

铝酸三钙

铁铝酸四钙 4CaO  Al2O3  Fe2O3

3CaO  Al2O3
简式为 C3 A
简式为 C AF
4
一.硅酸盐水泥
 2.2主要组成矿物的性质
 C3S 水泥中主要矿物组成，含量通常为50﹪左
右，对硅酸盐水泥影响大。

水化速度较快，水化热高，早期强度大。
 C2 S （15%～37%）水化速度较慢，水化热很低。

早期强度较低而后期强度较高。

耐化学侵蚀和干缩性较好。

一.硅酸盐水泥
C3 A （低于15%）水化反应速度最快，水化热最高。
耐化学腐蚀性差，干缩性大。
（注：C3 A 的含量决定水泥的凝结速度和释放热量，通常
为调节水泥凝结速度，需掺加石膏或铝酸三钙与石膏形成
的水化产物）。
C4 AF （10%～18%）遇水反应较快，水化热较高。
强度较低，对水泥抗折强度和抗冲击性能起重要作
用。
耐化学腐蚀性好，干缩性小。
一.硅酸盐水泥
2.3水泥熟料主要矿物组成的性质比较
１）水化反应速度 C3 A  C3S  C4 AF  C2S
２）水化热
３）抗压强度
C3 A  C3S  C4 AF  C2 S
早期 C3S  C3 A  C4 AF  C2S
后期 C3S  C2 S  C4 AF  C3 A
可见， C3S 和
C2 S 是水泥强度的主要来源。
４） C4 AF 对抗折强度有利。
５）耐化学腐蚀性
６）干缩性
C4 AF  C2 S  C3S  C3 A
C3 A  C3S  C2 S (C4 AF )
一.硅酸盐水泥
3.硅酸盐水泥的水化
水泥加水拌和后成为可塑性水泥浆，由于水泥
的水化作用。水泥水化产物：
水化硅酸钙凝胶（3CaO.2SiO2.3H2O）（70%）
水化铝酸钙凝胶（3CaO.2Al2O3.6H2O）
水化铁酸钙凝胶（3CaO.2Al2O3.6H2O
+CaO.Fe2O3.H2O）
 氢氧化钙晶体（Ca(OH)2）（20%）
三硫型水化铝酸钙、单硫型水化铝酸钙（7%）
一.硅酸盐水泥
3.硅酸盐水泥的凝结和硬化
水化后的水泥浆，逐渐变稠失去流动性和可塑性而
未具有强度的过程，成为水泥的“凝结”。
水泥凝结后，产生强度逐渐发展成为坚硬的人造石
的过程成为水泥的“硬化”。
初始反应期：
诱导期：
凝结期：
硬化期：
二.掺混合料的硅酸盐水泥
在水泥生产过程中加入的人工的或天然的
矿物材料称为水泥混合材料。
为改善硅酸盐水泥的某些性能，同时达到
增加产量降低成本的目的，在硅酸盐水泥
熟料中掺加适量的混合材料与石膏共同磨
细制得的水硬性胶凝材料，称为掺混合材
料水泥。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料
1.活性混合材料
在常温条件下，能与Ca(OH)2或水泥发生水化反应的
混合材料称为活性混合材料。活性混合材料能参与水
泥的水化反应，明显改善水泥的性能。
常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合
材料和粉煤灰。
2.非活性混合材料
在常温条件下，不能与Ca(OH)2或水泥发生水化反应
的混合材料称为非活性混合材料。起到提高产量、降
低成本、调整水泥强度等级、降低水化热和改善新拌
混凝土和易性的作用，也称为填充性混合材料。磨细
的石灰石、石英砂、粘土、慢冷矿渣及各种废渣都属
于非活性混合材料
二.掺混合料的硅酸盐水泥
1.矿渣硅酸盐水泥（PS）
组成：
 （1）PSA：熟料和石膏≥50%且＜80%，掺加＞
20%且≤50%粒料高炉矿渣，其中允许用不超过水
泥质量8%的其他活性、非活性混合料或窑灰中任
一种材料代替。
 （2）PSB：熟料和石膏≥30%且＜50%，掺加＞
50%且≤70%粒料高炉矿渣，其中允许用不超过水
泥质量8%的其他活性、非活性混合料或窑灰中任
一种材料代替。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
1.矿渣硅酸盐水泥
水化：
分两步进行：首先熟料矿物水化，生成水
化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水
化硫铝酸钙、氢氧化钙等水化产物。
其次ca(0H)2起激发活性作用，与矿渣中活
性SiO2和活性 Al2O3 作用形成具有胶凝作用
的水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化产物。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
1.矿渣硅酸盐水泥
性能：
 （1）抗软水及硫酸腐蚀能力强：适用于要求耐淡水
腐蚀和硫酸盐侵蚀的水工和海港工程。
 （2）水化热低：宜于大体积施工。
 （3）早期强度低，后期强度高：不宜用于温度太低
、养生条件差工程。
 （4）耐热性较强
 （5）干缩性较大：
二.掺混合料的硅酸盐水泥
2.火山灰硅酸盐水泥（PP）
组成
熟料和石膏≥60%且＜80%，掺加＞20%且
≤40%的火山灰质活性混合材料。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
2.火山灰硅酸盐水泥（PP）
水化和硬化
与矿渣水泥相似。
火山灰质混合料品种多，组成与构造差异
大，水化、硬化基本相似，但水化速度和
水化产物等各异。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
2.火山灰硅酸盐水泥（PP）
性能与应用
 （1）凝结硬化缓慢，早期强度低，后期强度高：
宜于蒸汽或压蒸养护，不宜用于有早强要求或低温工程中
。
（2）抗渗性、耐水性及抗腐蚀能力良好：宜用于
抗渗要求高工程，但抗硫酸腐蚀能力差。
 （3）保水性差：不宜用于干燥环境。
 （4）较低水化热：宜用于大体积工程。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
3.粉煤灰硅酸盐水泥（PF）
组成
熟料和石膏≥60%且＜80%，掺加＞20%且
≤40%的活性粉煤灰。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
3.粉煤灰硅酸盐水泥（PF）
水化和硬化
与矿渣水泥相似，但有不同，粉煤灰活性
主要是玻璃体（玻璃珠或空心玻璃珠），
这种玻璃体比较稳定而且结构致密，不宜
水化。在Ca（OH）2的激发下，经过28d或
3个月的水化龄期，才能在玻璃体表面形成
水化硅酸钙和水化铝酸钙。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
3.粉煤灰硅酸盐水泥（PF）
性能与应用
 （1）凝结硬化慢，早期强度低，后期强度高甚至
能赶上或明显超过硅酸盐水泥：宜用于承受荷载较
迟的工程。
 （2）比表面积小，吸附水的能力较小，干缩小，
抗裂性较强。
 （3）泌水较快，易引起失水裂缝：适用于大体积
水工混凝土以及水中结构、海港工程。
二.掺混合料的硅酸盐水泥
4.复合硅酸盐水泥（PC）
组成
熟料和石膏≥50%且＜80%，掺加两种或两
种以上活性或非活性混合材料，掺量＞
20%且≤50%，其中允许用不超过水泥质量
8%的窑灰代替，掺矿渣时，掺量不得与矿
渣水泥重复。
三.其他品种水泥——道路硅酸盐水泥
组成
适当成分的生料烧制部分溶解，所得以硅
酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸改的硅
酸盐水泥熟料称为道路硅酸盐水泥熟料。
由道路硅酸盐水泥熟料0～10%活性混合材
料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料
，称为道路硅酸盐水泥（简称道路水泥）
。
三.其他品种水泥——道路硅酸盐水泥
技术要求
满足《道路硅酸盐水泥》（GB13693－
2005）要求
三.其他品种水泥——道路硅酸盐水泥
工程应用
道路硅酸盐水泥强度高，特别是抗折强度
高，耐磨性好，干缩小，抗冲击性好，抗
冻性好，抗硫酸盐腐蚀性能好。
适用于道路路面、机场跑道道面、城市广
场等工程。
总结
 1.硅酸盐水泥是一种水硬性胶凝材料，其基本成
分为硅酸盐熟料。
 2.熟料的主要矿物组成是 C3S C2 S C3 A C4 AF
 3.C3S 和 C2 S对水泥的强度其主要作用，C3 A和C3S
对水泥的水化热贡献较大，而
C4 AF 有助于提高水
泥的抗折强度，改变矿物组成比例将会影响水泥
的性质，以满足不同的使用条件。
 4. PO、PP、PS、PF、PC、P统称通用硅酸盐水
泥，这些水泥是在硅酸盐熟料中掺加适量混合材
料锁的，掺加混合料的目的是为了改善水泥的某
些性能，增加水泥产量。
作业
1.硅酸盐水泥熟料由哪些矿物组成的，他们
对水泥的技术性能（强度、水化反应速度
、水化热等）有何影响。
2.什么是水泥混合材料，掺加混合材料的硅
酸盐水泥有什么技术特性。
3.试述硅酸盐水泥的水化和硬化机理。