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第五章 水 泥 水泥是粉末状水硬性无机胶凝材料。水泥加水拌合成塑性浆体，经过物理化学作用，能在空气中或水中正常凝结硬化，形成具有一定物理力学性能的坚硬的人造石材。与钢材、木材并称建筑三大主材。 概述 水泥历史：公元初期人们已认识到石灰中掺入火山灰，不仅强度高，而且能抵抗水的侵蚀。1796年，“罗马水泥”用一定比例粘土成分石灰石煅烧而成。特定成分原料较少，人们开始探索配制。1824年，英国泥瓦工约瑟夫。阿斯普丁（Joseph Aspdin）首先取得生产硅酸盐水泥的专利权。命名为“波特兰”水泥。 水泥分类 第一节 硅酸盐水泥和普通水泥 现行国家标准GB175-2007定义：定义：凡是由硅酸盐水泥熟料、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，称为硅酸盐水泥(国外称波特兰水泥)。 硅酸盐水泥分两种类型，不掺混合材料的为I型硅酸盐水泥，代号P·I；在硅酸盐水泥熟料中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为II型硅酸盐水泥，代号P·II。 普通硅酸盐水泥定义： 凡是由硅酸盐水泥熟料、6%～15％混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥)。混合材料最大掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥重量5%的窑灰或不超过水泥重量10%的非活性材料来代替。 水泥熟料：是指以适当成分的生料，烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的产物，简称熟料。 一、硅酸盐水泥的生产工艺概述 水泥生产线示意图： 二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性 1. 硅酸盐水泥熟料的矿物组成 硅酸三钙 3CaO·SiO2（C3S）：36～60%， 硅酸二钙 2CaO·SiO2（C2S）：15～37%， 铝酸三钙 3CaO·Al2O3（C3A）：7～15%， 铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF）：10～18%。 硅酸三钙和硅酸二钙称为硅酸钙矿物，一般占总量的75％～82％(国家标准中规定不小于66%, CaO与SiO2的质量比不小于2.0)。除此之外还有游离氧化钙、游离氧化镁，总量不超过10%。 二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性 2．水泥熟料主要矿物与水作用时的特性 ①磨细后能与水发生水化反应，生成具有水硬性的水化产物。 ②C3S、C3A、C4AF水化快，C2S水化慢， C3A＞C3S＞C4AF＞C2S ③水化反应过程中会放出热量, C3A、C3S放热量大， C3A＞C3S＞C4AF＞C2S ④C3S早期强度和后期强度均较高，C2S早期强度低，后期强度高。C3A、C4AF强度均不高。四个矿物的强度均随龄期成曲线变化，见图5-2。 第二节 硅酸盐水泥的硬化机理 水泥加水拌和后，最初形成具有可塑性和流动性的浆体，经过一定时间，水泥浆体逐渐变稠失去可塑性，这一过程称为凝结。随着时间继续增长，水泥产生强度且逐渐提高，并形成坚硬的石状体——水泥石，这一过程称为硬化。 水泥的凝结与硬化是一个连续的复杂的物理化学变化过程，这些变化决定了水泥一系列的技术性能。因此，了解水泥的凝结与硬化过程，对于了解水泥的性能有着重要的意义。 一、硅酸盐水泥的水化 水泥颗粒与水接触后，水泥熟料各矿物立即与水发生水化作用，生成新的水化物，并放出一定的热量。 一、硅酸盐水泥的水化 水化硅酸钙几乎不溶于水，形成后立即以胶体微粒析出，并逐渐凝聚而成为凝胶体。 氢氧化钙呈六方晶体。由于氢氧化钙可溶于水，但溶解度不大，所以溶液的CaO浓度很快达到饱和状态。 因此，各矿物成分的水化主要是在CaO饱和溶液中进行的。式中水化硅酸钙的组成只是理论上的组成，实际上各氧化物之间的比例是不确定的，通常随水化时的温度、溶液中的CaO浓度等因素的变化而变化。 一、硅酸盐水泥的水化 水化铝酸钙为立方晶体。由于铝酸三钙的水化、凝结和硬化速度很快，为了调节水泥的凝结时间，在水泥中掺入了少量石膏。铝酸三钙水化后形成的水化铝酸钙会与石膏作用，生成三硫型水化硫铝酸钙，也称钙矾石晶体（以AFt表示），其反应式如下： 一、硅酸盐水泥的水化 钙矾石呈针状（或柱状）晶体，它难溶于水。当石膏耗尽后，钙钒石将与水化铝酸钙反应生成单硫型水化硫铝酸钙晶体（以AFm表示）： 铁铝酸四钙与水反应后生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶体。 一、硅酸盐水泥的水化 综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产物有两类： 凝胶体：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶体； 晶体：氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。 由于水泥熟料中硅酸三钙和硅酸二钙的含量高，所以在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙凝胶体约占70％，而氢氧化钙约占20％，钙矾石和单