《无机胶凝材料中》PPT课件.ppt

水 泥 Cement,水泥的历史、现状和发展,1824年获得专利：波特兰水泥。 我国1876年在唐山建立第一家洋灰公司启新洋灰公司。 1876年钢筋混凝土诞生。 我国目前水泥产量8亿多吨。,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！,水泥的定义和分类 水泥是一种磨细成粉末状，加入适量水后成为可塑性的浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结成具有一定强度的整体的水硬性胶凝材料。 按用途和性能分类,用于一般土木建筑工程中的水泥，如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等,具有专门用途水泥 ，如中、低热水泥，道路水泥等,具有某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥等,按其主要水硬性物质种类 虽然水泥品种繁多，分类方法各异，但我国水泥产量的90%左右属以硅酸盐为主要水硬性矿物的硅酸盐水泥。,我国水泥工业现状 近年来我国水泥工业发展很快，无论是品种、产量、质量都有很大的突破，尤其是产量居世界前列。但同时也存在着严重的不足，主要表现为：能耗大、污染严重。我们来看一组统计数据： 如何降低水泥能耗、减少污染物的排放量，将是今后应该研究的主要内容，绿色产业化是水泥工业的发展方向。,专题介绍,专题一 3.4 硅酸盐水泥 专题二 3.5 掺混合材料的硅酸盐水泥 专题三 3.6 其他水泥,学习目标,1.熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理，熟练掌握硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥和复合水泥等通用水泥的性能特点，相应的检测方法及选用原则。 2.了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点,难点是硅酸盐水泥的组成、技术要求，重点是几种通用水泥的性能特点和选用原则。水泥品种繁多，建议学习中以硅酸盐水泥为点，搞清楚此点后拓展至其它通用水泥，再拓展至其它特性水泥和专用水泥，采用点面结合、对比的学习方法。,3.4 硅酸盐水泥,主 要 内 容,什么是硅酸盐水泥？ 硅酸盐水泥是怎样制造？ 硅酸盐水泥的组成？ 水泥浆如何转变成坚硬固体？ 水泥应满足哪些技术性质？ 如何正确使用水泥？,重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。,3.4.1 硅酸盐水泥的定义、生产及矿物组成 现行国家标准GB175-2007定义：凡由硅酸盐水泥熟料、05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（国外统称为波特兰水泥）。,3.4.1.1 硅酸盐水泥的生产,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”,硅质 (粘土),钙 质 (石灰石),1450,调节 原料,石膏,石膏,水 泥,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,水泥制造厂全貌,水泥生料煅烧回转窑,回转窑尾,14501500C,3.4.1.2 硅酸盐水泥熟料的矿物组成,生料,SiO2,CaO,化合反应,8001450,800左右,分解反应,Al2O3,Fe2O3,2CaOSiO2,3CaOSiO2,3 CaO Al2O3,4 CaOAl2O3Fe2O3,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,水泥熟料矿物微观结构,3.4.2 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化 3.4.2.1 水化 水泥加水拌和后，水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应，生成各种水化物。 硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 铝酸三钙 水化铝酸三钙 铁铝酸四钙 水化铝酸钙 水化铁酸钙,水化铝酸四钙 水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙，也称为钙矾石晶体： 水化硫铝酸钙（钙矾石） 经过上述水化反应后，主要水化产物为：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等。,硅酸盐水泥熟料的矿物组成 硅酸盐水泥熟料矿物的特性,3.4.2.2 硅酸盐水泥熟料矿物的水化特性,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,水 泥,水,溶 解,沉 淀,水泥浆的凝结硬化过程,扩 散,3.4.2.3. 硅酸盐水泥的凝结硬化,水泥浆如何转变成坚硬固体？,水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体。,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”。,水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。,水泥颗粒,水,水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体,硅酸盐水泥水化物理过程模型,水泥水化物膜层,水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期,水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。,水化物膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小,在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。,凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。,随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。,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,水泥石中的固体相,水泥石中有四种主要固体相 硅酸钙水化物 氢氧化钙 硫铝酸钙水化物 未水化的水泥颗粒,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，丧失胶凝能力，强度大为降低。,（1）水泥矿物组成 （2）水泥细度 （3）养护条件（温度、湿度）与时间 （4）拌合用水量 （5）水泥中的混合材 （6）水泥外加剂,3.4.2.4 水泥凝结硬化的主要影响因素,水泥浆的凝结硬化取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数： R(t) = f(C3S)f(细度)f(T)f(W/C),水泥熟料中单一矿物的水化速度,水化度(),时间(天),水泥熟料矿物组成的影响,水泥熟料矿物的水化速度： C3A C3ACaSO42H2O C3S C4AF C2S 水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快； 水泥的C3A和C3S含量越低，凝结硬化速度越慢；,石膏掺量的影响,石膏主要降低C3A的水化速度； 掺量太少，凝结较快； 过多，凝结硬化过快。,石膏掺量对C3A浆体(水/固比1.0) 水化速度(放热量)的影响,放热速度(W/kg),试验时间(h),石膏掺量增加： 放热速度减慢 放热峰延后,水泥颗粒细度的影响,水泥颗粒越细，水化速度越快，为什么？,答：水泥的水化反应是液固异相反应，反应首先发生在液固界面上； 水泥颗粒越细，比表面积越大，界面区越大，反应点越多，因此水化速度越快。,比表面积 m2/kg,放热速度,时间/小时,细度(比表面积)对C3S浆体(水/固比1.0) 水化速度(放热量)的影响,温度与湿度的影响,温度升高，水化反应加快，凝结硬化加速。 温度升高10C，速度加快一倍。 温度低于0C时，水化反应基本停止。 保持一定湿度，有利于水泥的水化。,温度升高，放热速度加快，诱导期时间缩短,拌和用水量的影响,重要概念：水灰比水泥浆体中拌和水量与水泥质量之比(W/C)； 水泥熟料矿物完全水化的理论水灰比0.23； 水灰比越大，需要水化物固相填充的孔隙越多，凝结硬化所需时间越长； 水灰比越大，水泥石中孔隙越多，强度越低。,Summary,C3S、C3A含量多，凝结硬化快，反之亦然。 掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。 有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。 细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。 水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝结硬化速度越慢。 提高温度，加快水泥的凝结硬化；保持足够的水分有利于水泥的凝结硬化,3.4.3 硅酸盐水泥的技术性质,密度与堆积密度 细度 标准稠度用水量 凝结时间 体积安定性 强度 水化热 不溶物和烧失量 碱含量,耐腐蚀性 软水侵蚀 盐类侵蚀 酸类腐蚀 强碱腐蚀 防腐措施,1.密度与堆积密度,密度 3.053.20，混凝土配合比计算时，一般取3.10。 堆积密度 10001600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取1300 kg/m3 。 密度的测量方法 排液法，用煤油作为测量液体。,2. 细 度,定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。 测量方法 负压筛分析法 以80m方孔筛的筛余量表示； 比表面积法 以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。 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！,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； 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。,3. 标准稠度用水量,标准稠度： 按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，标准法维卡仪的试杆沉入净浆距底板的距离为6mm+-1mm时水泥浆稠度为标准稠度 标准稠度用水量： 是指水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量，用水与水泥质量的比来表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在21%33%。,6mm,水泥浆,试锥,不同的水泥品种，标准稠度用水量各不相同，一般在21%33%之间。,水泥净浆搅拌机,标准法维卡仪,水泥标准稠度用水量测定,4. 凝结时间,概念： 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。 测定方法： 用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。 国标要求：硅酸盐水泥 初凝时间45min； 终凝时间390min。,凝结时间以试针沉入水泥标准稠度净浆至一定深度所需时间表示。 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。,标准法维卡仪,初凝试针,终凝试针,水泥凝结时间的测定,标准稠度水泥浆,离底4mm为初凝,圆弧形压痕,终凝,水泥凝结时间测定,5. 体积安定性,基本概念： 水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。 若水泥石的体积变化均匀适当，则水泥的体积安定性良好； 若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。 体积安定性不良的水泥为不合格品！,水泥体积安定性不良的原因： 水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。 因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水泥石中继续与水反应，其固体体积增大，产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。 石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀 。,5. 体积安定性,检测方法： 试饼法 雷氏夹法,5. 体积安定性,试饼法,雷氏夹法,合格标准：5mm。,肉眼观察表面有无裂纹,用直尺检查有无弯曲,合格标准： 无裂纹、无弯曲。,试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹，用直尺检查没有弯曲，则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。,雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体积安定性不合格。,雷氏夹,雷氏夹膨胀测定仪,沸煮箱,水泥安定性实验雷氏法,6. 强 度,检验方法水泥胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。 试件尺寸：4040160mm 棱柱体； 胶砂配比： 水泥 : ISO标准砂 : 水= 1 : 3 : 0.5； 振动成型： 在频率为28003000次/min，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间120s。 试件养护： 在20 C 1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中24h，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试龄期；,100mm,160mm,P,抗折强度试验,P,P,抗压强度试验,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。,水泥胶砂搅拌机,水泥胶砂试模,水泥胶砂振实台,电动抗折试验机,压力试验机,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,3d,28d,时间（d）,强度（MPa）,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。,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。,7.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,烧失量,烧失量是指水泥在一定灼烧温度和时间内，烧失的量占原质量的百分数。,氧化镁、三氧化硫、碱含量,水泥中氧化镁含量不得超过5，三氧化硫的含量不得超过3.5。若使用活性骨料，水泥中碱含量不得大于0.60，因为当骨料中含有活性二氧化硅时，水泥的碱含量又较高时，则水泥会与骨料发生碱骨料反应，在骨料表面生成复杂的碱硅酸凝胶，凝胶吸水体积膨胀，从而导致混凝土开裂。,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。,3.4.4 水泥石的耐腐蚀性,基本概念： 在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。水泥石抵抗这种作用、而保持不变的能力称为其耐腐蚀性。,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，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。,软水侵蚀（溶出性侵蚀）,机理： 当水泥石处在软水中，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，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。,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，因膨胀性结晶产物引起的开裂,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