水泥分类及性能介绍.ppt

5 水 泥,1、了解水泥熟料的矿物组成及水泥浆凝结硬化过程对水泥硬化体的结构、性能的影响； 2、掌握常用水泥的技术性质、质量要求及如何合理选用水泥； 3、了解一些专用及特性水泥的组成和性能特点及应用范围。,教学目的,4.1 硅酸盐水泥 4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥 4.3 其他品种水泥,教学内容,按其主要成分分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥和磷酸盐类水泥等。 按水泥的用途和性能又可分为通用水泥(如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等)、专用水泥(如中、低热水泥等)及特性水泥(如快硬硅酸盐水泥、膨胀水泥等)。,硅酸盐水泥是由硅酸盐水泥熟料、05%的混合料(如石灰石或粒化高炉矿渣等)、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。 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。 硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R等6个强度等级。,5.1 硅酸盐水泥,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。 其生产工艺流程(简称为“两磨一烧”)如图5.1所示。,5.1.1 硅酸盐水泥生产简述,图5.1 硅酸盐水泥生产工艺流程示意图,矿物组成主要是： （1）硅酸三钙(3CaOSiO2，简写为C3S，占36%60%) （2）硅酸二钙(2CaOSiO2，简写成C2S，占15%37%) （3）铝酸三钙(3CaOAl2O3，简写成C3A，占7%15%) （4）铁铝酸四钙(4CaOAl2O3Fe2O3，简写为C4AF，占10%18%)。,5.1.2.1 水泥的凝结与硬化 水泥加水拌和后，成为可塑性浆体，随后，水泥浆逐渐变稠而失去塑性，但尚不具有强度的过程，称为水泥的凝结。 凝结过后，水泥浆产生明显的强度并逐渐发展成为坚硬的固体，这一过程称为水泥的硬化。 5.1.2.2 熟料矿物的水化产物 其化学反应式有：,5.1.2 硅酸盐水泥的凝结硬化,为了调节水泥的凝结时间，掺入适量石膏，这些石膏与反应最快的铝酸三钙的水化产物作用生成难溶的水化硫铝酸钙，覆盖于未水化的铝酸三钙周围，阻止其继续快速水化。其反应式为：,综上所述，硅酸盐水泥与水作用后，主要水化产物有水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。 5.1.3 水泥石的结构 硬化后的水泥石是由胶体粒子、晶体粒子、凝胶孔、毛细孔及未水化的水泥颗粒所组成。 其结构如图5.2所示。,图5.2 硬化水泥石结构,5. 1. 4. 1 密度、堆积密度、细度,硅酸盐水泥的密度约为3.10g/cm3。其松散状态下的堆积密度为10001100kg/m3，紧密堆积密度达1600kg/m3。 细度是指水泥颗粒的粗细程度，是影响水泥性能的重要指标。 国家标准GB 17599规定，硅酸盐水泥比表面积应大于300m2/kg。,5.1.4 硅酸盐水泥的技术性质,为了测定水泥的凝结时间及体积安定性等性能，应该使水泥净浆在一个规定的稠度下进行，这个规定的稠度称为标准稠度。 达到标准稠度时的用水量称为标准稠度用水量，以水与水泥质量之比的百分数表示，按水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB 13462001)规定的方法测定。,5.1.4.2 标准稠度用水量,凝结时间分初凝和终凝。 初凝时间是指水泥从开始加水拌和起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间是指从水泥开始加水拌和起至水泥浆完全失去可塑性，并开始产生强度所需的时间(图5.3)。 水泥的凝结时间是按水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB 13462001)规定的方法测定的。国家标准规定:硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min终凝时间不得迟于6.5h。,5.1.4.3 凝结时间,图5.3 水泥凝结时间示意图,水泥体积安定性简称水泥安定性，是指水泥浆硬化后体积变化是否均匀的性质。 当水泥浆体在硬化过程中或硬化后发生不均匀的体积膨胀，会导致水泥石开裂、翘曲等现象，称为体积安定性不良。 水泥安定性通常用雷式夹法测定。 引起水泥体积安定性不良的原因主要有熟料中含有过量的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入的石膏过多。 体积安定性不合格的水泥不能用于工程中。,5.1.4.4 体积安定性,水泥强度是表示水泥力学性能的一项重要指标，是评定水泥强度等级的依据。 根据GB/T 17599规定，硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R等6个强度等级，各强度等级水泥在各龄期的强度值不得低于表5.1中的数值。,5.1.4.5 水泥的强度与等级,表5.1 硅酸盐水泥的强度指标（依据GB17599）,水化热是指水泥与水发生水化反应时放出的热量，通常用J/kg表示。 水化热的大小主要与水泥的细度及矿物组成有关。颗粒愈细，水化热愈大；不同的矿物成分，其放热量不一样(见表5.2)，矿物中C3S、C3A含量愈多，水化热愈大。,5.1.4.6 水化热,表5.2 水泥熟料单矿物水化时特征,水泥石在正常使用条件下，具有较好的耐久性，但在某些腐蚀性介质作用下，水泥石的结构逐渐遭到破坏，强度下降以致全部溃裂，这种现象叫水泥石的腐蚀。主要原因有： 5.1.5.1 软水腐蚀 当水泥石长期与流动淡水接触时,由于水的浸析作用，将已硬化的水泥石中的固相组分（特别是水化产物氢氧化钙）逐渐溶解带走，并促使硬化水泥石中的其它产物分解，导致水泥石结构破坏。,5.1.5 水泥石的腐蚀及防止,(1) 硫酸盐腐蚀 硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应生成硫酸钙，硫酸钙与水泥石中固态的水化铝酸钙作用，生成比原体积增加1.5倍以上的高硫型水化硫铝酸钙(钙化石)，由于体积膨胀而使已硬化的水泥石开裂、破坏。因高硫型水化硫铝酸钙呈针状晶体，故俗称“水泥杆菌”。 (2)镁盐腐蚀 硫酸镁和氯化镁与水泥石中的氢氧化钙反应，生成氢氧化镁松软无胶凝能力、氯化钙和硫酸钙易溶于水，均能使水泥石强度降低或破坏。同时，尚未溶出的硫酸钙与水泥石中的水化铝酸钙作用，形成膨胀破坏。,5.1.5.2 盐类腐蚀,5.1.5.3 酸类腐蚀 工业废水、地下水中常含无机酸和有机酸；它们与水泥石中的氢氧化钙作用后生成的化合物，或者易溶于水，或者体积膨胀而导致水泥石破坏，对水泥石腐蚀作用最快的是无机酸中的盐酸、氢氟酸、硫酸和有机酸中的醋酸、蚁酸和乳酸。 5.1.5.4 强碱腐蚀 碱类溶液如浓度不大时一般是无害的，但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱作用后也会破坏。如氢氧化钠可与水泥石中未水化的铝酸钙作用，生成易溶的铝酸钠。,(1)水泥石受腐蚀的基本原因：水泥石中存在着易受腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身不密实而使侵蚀性介质易于进入其内部；外界因素的影响，如腐蚀介质的存在，环境温度、湿度、介质浓度的影响等。 (2)防止腐蚀的措施：根据工程所处环境，选用适当品种的水泥 ；增加水泥制品的密实度，减少侵蚀介质的渗透；加做保护层。,5.1.5.5 腐蚀的防止,5.2 掺混合材料的硅酸盐水泥,凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入一定量的混合材料和适量石膏，共同磨细制成的水硬性胶凝材料，均属掺混合材料的硅酸盐水泥。 按所掺混合材料的品种和数量可分为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。,混合材料是指在水泥生产过程中，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，而加到水泥中的矿物质材料。它一般为天然的矿物材料或工业废料。 根据其性能可分为活性混合材料和非活性混合材料，有天然的和人工之分。,5.2.1 水泥混合材料,活性混合材料是指具有火山灰性或潜在水硬性的矿物质材料。 火山灰性是指磨细的矿物质材料和水拌和成浆后，单独不具有水硬性，但在常温下与外加的石灰一起和水后的浆体，能形成具有水硬性化合物的性能。 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等。,5.2.1.1 活性混合材料,(1)粒化高炉矿渣 将炼铁高炉中的熔融矿渣经水淬等方式急速冷却而形成的松软颗粒，称为粒化高炉矿渣，其主要的化学成分是CaO、SiO2和Al2O3，占90%以上。 (2)火山灰质混合材料 凡是天然的或人工的以活性SiO2和活性Al2O3为主要成分，具有火山灰活性的矿物质材料，都称为火山灰质混合材料。,(3)粉煤灰 粉煤灰是燃煤锅炉排出的烟道灰，其颗粒直径一般为0.0010.05mm，呈玻璃态实心或空心的球状颗粒，表面比较致密。粉煤灰的成分主要是活性SiO2和活性Al2O3。,活性混合材料的矿物成分主要是活性二氧化硅和活性三氧化二铝，它们与水泥熟料的水化产物氢氧化钙发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，称为二次水化反应。 Ca(OH) 2是易受腐蚀的成分。活性氧化硅与活性氧化铝与Ca(OH) 2作用后，减少了水泥水化产物氢氧化钙的含量，相应提高了水泥石的抗腐蚀性能。,这类材料又称填充材料，它与水泥矿物成分或水化产物不起化学反应。掺入水泥中主要起调节水泥强度等级、增加水泥产量、降低水化热等作用。 常用的有磨细石英砂、石灰石粉及磨细的块状高炉矿渣与炉灰等。,5.2.1.2 非活性混合材料,5.2.2.1 普通硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥简称普通水泥(PO)，是由硅酸盐水泥熟料、6%15%混合材料、适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料。掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15%。 普通水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等6个强度等级。各强度等级水泥在各龄期强度要求见表5.3。,5.2.2 掺混合材料的硅酸盐水泥,表5.3 普通硅酸盐水泥的强度要求(GB 17599),矿渣硅酸盐水泥简称矿渣水泥(PS)，是由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料。其中粒化高炉矿渣掺量按质量百分比计为20%70%。允许用石灰石、窑灰、火山灰质混合材料中的一种代替矿渣，但代替量不得超过水泥质量的8%。,5.2.2.2 矿渣硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥简称火山灰水泥(PP)，是由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料。其中火山灰质混合材料掺量按质量百分比计为20%50%。,5.2.2.3 火山灰质硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥简称粉煤灰水泥(PF)，是由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰、适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料。其中粉煤灰掺量按质量百分比计为20%40%。 矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等6个强度等级。各龄期强度要求见表5.4。,5.2.2.4 粉煤灰硅酸盐水泥,表5.4 矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥的强度要求(GB 134499),矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥与硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥相比，它们的特点是：（1）水化放热速度慢，放热量低，凝结硬化速度较慢，早期强度较低，但后期强度增长较多；（2）对温度敏感性较高，温度低时硬化较慢；（3）因混合材料水化时消耗了一部分氢氧化钙，水泥石中氢氧化钙含量减少，抗软水及硫酸盐腐蚀的能力较硅酸盐水泥强；（4）抗冻性差；（5）矿渣水泥和火山灰水泥的干缩值大，矿渣水泥的耐热性较好，粉煤灰水泥干缩值较小，抗裂性较好。,复合硅酸盐水泥简称复合水泥，是由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏，经磨细制成的水硬性胶凝材料。 复合水泥的细度、凝结时间和体积安定性要求与普通水泥相同，按规定龄期的抗压强度和抗折强度分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R等6个强度等级，各强度等级水泥在各龄期强度要求见表5.5。,5.2.2.5 复合硅酸盐水泥,表5.5 复合硅酸盐水泥的强度要求(GB 129581999),5.2.3 通用水泥的选用,硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥及复合水泥是工程中常用的通用水泥，其技术性质的比较见表5.8(详见武汉理工大学出版社高琼英主编建筑材料教材P53)，适用范围见表5.7（详见武汉理工大学出版社高琼英主编建筑材料教材P52）。,凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料称为铝酸盐水泥，代号为CA。 5.3.1.1 分类 铝酸盐水泥按Al2O3含量百分数分为4类： CA50 50%Al2O360% CA60 60%Al2O368% CA70 68%Al2O377% CA80 77%Al2O3,5.3.1 铝酸盐水泥,5.3 其他品种水泥,铝酸盐水泥熟料的主要矿物成分为铝酸一钙(CaOAl2O3，简写CA)，此外，还有少量硅酸二钙(C2S)和其他铝酸盐。 5.3.1.2 物理性能与强度等级 细度 凝结时间 表5.6 强度 表5.7,(1)特性 快硬早强，后期强度下降 耐高温 抗渗性及耐腐蚀性强 水化热高，放热快,5.3.1.3 特性及应用,(2)应用 宜用于早期强度高的特殊工程,如紧急军事及抢修工程，也可用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程。 铝酸盐水泥不宜用于大体积混凝土工程及长期承重的结构和高温潮湿环境中的工程。不得用于接触碱性溶液的工程。在施工中，不能与硅酸盐水泥或石灰等能析出氢氧化钙的胶凝物质混合，以防止凝结时间失控 铝酸盐水泥混凝土后期强度下降较大，设计时应以最低稳定强度为依据。,表5.6 铝酸盐水泥的凝结时间(GB 2012000),表5.7 铝酸盐水泥胶砂强度(GB 2012000),5.3.2 快硬型水泥,凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示强度等级的水硬性胶凝材料称为快硬硅酸盐水泥(简称快硬水泥)。 快硬水泥分32.5、37.5、42.5等强度等级，不同强度等级水泥各龄期强度不得低于表5.8数值。,5.3.2.1 快硬硅酸盐水泥,表5.8 快硬水泥各龄期强度(GB 19990),快硬水泥的生产方法与普通水泥基本相同，只是较严格地控制生产工艺条件。包括：原料含有害杂质较少；设计合理的矿物组成，其硅酸三钙和铝酸三钙含量较高，前者含量约为50%60%，后者为8%14%；水泥的比表面积较大，一般控制在330450m2/kg。 快硬硅酸盐水泥可用于紧急抢修工程和低温施工工程，可配制早强、高等级混凝土。,凡以铝酸钙为主要成分的熟料，加入适量的硬石膏，经磨细制成具有快硬高强性能的水硬性胶凝材料，称为快硬高强铝酸盐水泥。 该水泥适用于早强、高强、抗渗、抗硫酸盐及抢修等特殊工程。,5.3.2.2 快硬高强铝酸盐水泥,由硅酸盐水泥熟料与适量石膏和膨胀剂共同磨细制成的水硬性胶凝材料，称为膨胀水泥。 按水泥的主要成分不同，分为硅酸盐、铝酸盐和硫铝酸盐型膨胀水泥； 按水泥