第五章水泥
本章主要講述：矽酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥、礦渣矽酸鹽水泥、火山灰質矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥、復合矽酸鹽水泥以及其它品種水泥
本章重點：矽酸鹽水泥熟料的礦物組成、熟料礦物的水化及凝結硬化的特性、矽酸鹽水泥的技術性質、水泥石的腐蝕與防止、矽酸鹽水泥的特性與應用以及摻混合材料矽酸鹽水泥的特性與應用
本章難點：矽酸鹽水泥效能的評定、矽酸鹽水泥的特性與應用以及摻混合材料矽酸鹽水泥的特性與應用
本章要點：矽酸鹽水泥熟料的礦物組成、熟料礦物的水化及凝結硬化的特性、矽酸鹽水泥的技術性質、水泥石的腐蝕與防止、矽酸鹽水泥的特性與應用以及摻混合材料矽酸鹽水泥的特性與應用
本章基本概念：細度、水泥初凝時間、水泥終凝時間、體積安定性、水泥石的腐蝕、活性混合材料、標準稠度用水量
本章基本要求：了解水泥的生產過程，凝結硬化機理；
掌握水泥熟料主要礦物成分，各自特性；
掌握水泥的主要技術性質、技術標準及應用；
掌握水泥石的腐蝕與防止。
本章學時安排：共7學時
本章基本內容：
水泥，是典型的水硬性膠凝材料，和上一章的石膏、石灰等有明顯不同的性質。
現代建築中，混凝土，特別是鋼筋混凝土是主要結構材料，廣泛用於建築、道路、水利等工程。而水泥做為混凝土當中的主要組分，其性質、效能優劣對工程質量影響很大。因而，我們通過本章的學習，希望能對水泥的品種、性質、工作機理、防腐蝕等方面有比較清楚的了解。
在2023年，英國人就取得了水泥生產的專利權，隨著社會生產力的不斷提高，各種工程的規模、所處的環境條件等都有了很大發展，與之相適應，水泥的品種、質量也有了極大的發展。
水泥的分類：
● 按水硬性物質劃分：矽酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥等
● 按性質和用途劃分：
通用水泥（常用的五大水泥，為矽酸鹽系水泥）、
專用水泥（砌築水泥、道路水泥）、
特性水泥（快硬水泥、白色（彩色）水泥、低熱水泥….）
目前生產和使用的水泥品種達200多種。但在建築工程中主要使用的有矽酸鹽類的水泥,其中包括矽酸鹽水泥、普通矽酸鹽水泥、礦渣矽酸鹽水泥、火山灰質矽酸鹽水泥、粉煤灰矽酸鹽水泥、復合矽酸鹽水泥,以及快硬矽酸鹽水泥、白色矽酸鹽水泥、抗硫酸鹽矽酸鹽水泥等;
鋁酸鹽類水泥,如高鋁水泥;硫鋁酸鹽類水泥,如,快硬硫鋁酸鹽水泥、i型低鹼硫鋁酸鹽水泥等。
但使用量最大的為矽酸鹽類水泥。在矽酸鹽類水泥中,最重要、最基本的水泥是矽酸鹽水泥,其它水泥均是在矽酸鹽水泥的基礎上摻入了一定量的混合材料,因而在某些效能上它們與矽酸鹽水泥類同。本章重點介紹矽酸鹽水泥。
第一節矽酸鹽水泥
凡由矽酸鹽水泥熟料、0%～5%的石灰石或粒化高爐礦渣、適量石膏磨細製成的水硬性膠凝材料,稱為矽酸鹽水泥。
未摻混合材料的稱為i型矽酸鹽水泥,代號p·i;
摻不超過5%的混合材料的稱為ⅱ型矽酸鹽水泥,代號p·ⅱ。
一、矽酸鹽水泥的原材料與生產過程
1. 原材料
1) 石灰質原料：如石灰岩、貝殼等。主要作用是提供cao
2) 粘土質原料：如粘土、頁岩等。主要作用是提供sio2、al2o3等
3) 校正原料：如鐵礦粉、砂岩等。主要是為了補充鐵質、矽質
4) 礦化劑：瑩石等。為了改善煅燒條件，提高熟料質量
5) 混合材料：後面再說
2. 矽酸鹽水泥的生產過程
水泥的生產工序可概括為「兩磨一燒」：
1) 把幾種原材料按適當的比例配合，磨成生料
生料中 cao佔60％－67％
sio2佔20％－24％
al2o3 佔4％－7％
fe2o3佔2.5％－6％
2) 將製備好的生料入窖煅燒，在大約1450oc左右，生成以矽酸鈣為主要成分的水泥熟料
3) 為調節水泥凝結速度，在燒成的鵝水泥熟料中加入適量石膏，並共同磨細，即為矽酸鹽水泥
上述過程如圖所示：
3. 矽酸鹽水泥熟料的礦物組成
矽酸鹽水泥熟料主要由四種礦物組成：
● 矽酸三鈣3cao.sio2 （c3s）質量分數36％－60％
矽３矽酸三鈣的化學3cao.sio2，其簡寫為c3s。它是矽酸鹽水泥熟料中最主要的礦物成分，約佔水泥熟料總量的３６％～６０％。
矽酸三鈣遇水後能夠很快與水產生水化反應，並產生較多的水化熱。它對促進水泥的凝結硬化，特別是對水泥３～７天內的早期強度以及後期強度都起主要作用.
● 矽酸二鈣2cao.sio2 （c2s）質量分數15％－37％
矽酸二鈣的化學成分為2cao.sio2，其簡寫為c2s，約佔水泥熟料總量的15％～37％。
矽酸二鈣遇水後反應較慢，水化熱也較低。它不影響水泥的凝結，對水泥的後期強度起主要作用。
● ● 鋁酸三鈣3cao.al2o3 （c3a）質量分數7％－15％
鋁酸三鈣遇水後反應極快，產生的熱量大而且很集中。鋁酸三鈣對水泥的凝結起主導作用，
但其水化產物強度較低，主要對水泥的早期強度有所貢獻。
● 鐵鋁酸四鈣4cao.al2o3* fe2o3 （c4af）質量分數10－18％
鐵鋁酸四鈣遇水時水化反應也很快，水化熱較低，水化產物的強度不高，對水泥石的抗壓強度
貢獻不大，主要對抗折強度貢獻較大。
除此之外，還有游離cao，游離mgo等，是有害成份
四種礦物的含量不同時,水泥的各項性質也不同（見下表）。如增加c3s和c3a的含量,可生產出快硬矽酸鹽水泥；增加c2s和c4af的含量可生產出低熱矽酸鹽水泥。水泥熟料礦物的含量不同,水泥的性質和用途也不同。
二、 矽酸鹽水泥的水化與凝結硬化
● 水化：是指熟料礦物成份遇水發生一系列化學反應，生成各種水化物的過程。
● 凝結：水泥加水拌和，稱為可塑性漿體，隨著時間變化，水泥漿逐漸變稠失去塑性，但還不具備強度的過程。
● 硬化：漿體強度不斷提高，逐漸變成堅硬的水泥石的過程
1.矽酸鹽水泥的水化
水泥加水拌和後，其顆粒表面的熟料礦物立即與水發生化學反應，形成水化物，並放出熱量，固相體積增加
矽酸鹽水泥的水化反應及水化產物如下：
2(3cao·sio2)+6h2o3cao·2sio2·3h2o+3ca(oh)2
2(2cao·sio2)+4h2o3cao·2sio2·3h2o+ ca(oh)2
3cao·al2o3+6h2o3cao·al2o3·6h2o
4cao·al2o3·fe2o3+7h2o 3cao·al2o3·6h2o+ cao·fe2o3·h2o
部分水化鋁酸鈣還與石膏作用，生成水化硫鋁酸鈣
矽酸鹽水泥在水化後，主要有五種水化產物。
按形態又分有凝膠和晶體：
● 凝膠佔水化產物的絕大多數，在水中幾乎不溶。
水化矽酸鈣凝膠（c-h-c凝膠）、水化鐵酸鈣凝膠
● 晶體：氫氧化鈣晶體、水化鋁酸鈣晶體、水化硫鋁酸鈣晶體
2.矽酸鹽水泥的凝結硬化
● 隨水化反應的進行，以及水分的蒸發,水泥漿中的自由水減少，同時水化產物不斷增多，使水泥顆粒表面新生物厚度不斷增大，而使固體顆粒之間距離越來越近，直至相互連線、形成骨架結構，此時，水泥漿的塑性開始下降；――初凝
● 隨著反應不斷進行，水泥漿體塑性越來越差，直至最後消失；――終凝
● 水化反應進一步進行，水化物不斷增多，逐漸充實毛細孔，使水泥漿體結構更加密實，強度提高並逐漸變成水泥石，即為硬化。
在水泥熟料中之所以加入適量石膏，是為了調節水泥凝結時間。
適量石膏的凝結硬化機理：
水泥水化時，石膏首先與熟料中水化速度最快的c3a反應，產生難溶於水的水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），並沉澱在水泥顆粒表面形成保護膜，阻止了內部的鋁酸三鈣繼續快速水化，而延緩了水泥的凝結時間；當摻入的石膏耗盡，內部的水化產物不斷增多，最後將表面的鈣礬石脹破，從而使水化反應再次快速進行，直至終凝、硬化。
必須注意的是，只要有水，未水化的水泥就會發生水化反應，只是其速度隨著水分的減少而減慢，也就是說水泥的水化會經歷很長時間，甚至是投入使用很多年。
3.水泥石的結構
經歷上面各個過程後，水泥漿體硬化成為水泥石，水泥石內部組成分為：
凝膠體：包括水化反應各個產物，如凝膠、結晶體
未水化的水泥顆粒核心
毛細孔不同時期，相互數量隨時發生變化，並影響水泥石的性質。其中水化矽酸鈣凝膠對水泥石的強度和其它效能起到支配作用。
4.影響水泥凝結硬化的因素
（1）熟料礦物組成的影響
（2）石膏摻入量石膏摻入量主要取決於水泥中c3a的含量和石膏中so3的含量，同時和水泥細度及熟料中的so3含量有關。
一般摻入量為水泥質量的3％－5％
若摻入量過多，則會引起水泥石膨脹破壞。(見後面硫酸鹽破壞)
(3) 水泥細度
在礦物組成相同的條件下，水泥顆粒越細，其比表面積越大，和水反應時與水的接觸面積就越大，從而使水化速度加快，凝結、硬化速度也隨之提高，早期強度有所提高，水化熱增加，硬化收縮增大，容易開裂。
（4）水泥漿的水灰比
水灰比是水泥漿中水和水泥的質量比
水灰比大，則摻入水相對較多，水泥顆粒間距遠，凝結時間相對較長。
一般滿足水泥正常水化所需的水灰比為0.15－0.25之間，但為了使水泥漿體有一定的鵝流動性，滿足施工要求而加大水灰比。過多的水分蒸發後留下大量孔隙，使水泥石強度下降。
通過書上圖5.3可以看到不同水灰比情況下，水泥石在水化前後內部組成的變化。
（5）環境溫度、濕度
提高環境溫度，可加快水泥的水化速度，使早期強度較快發展；若溫度降低至0oc以下，則水化反應停止，強度不但不會增長，還可能因為周圍水結冰而導致水泥石結構的破壞。
水是水泥發生水化反應的必要條件，若環境乾燥，則水泥中的水分很快蒸發，導致水泥顆粒無法正常水化，而影響水泥的凝結硬化。
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