土木工程材料-第4章水泥课件

林建好 建筑工程学院,第4章 水泥,主要内容,4.1 硅酸盐水泥 4.1.1 硅酸盐水泥的原材料和生产工艺 4.1.2 熟料的矿物组成及其特性 4.1.3 硅酸盐水泥的凝结和硬化 4.1.4 硅酸盐水泥的主要技术性质 4.1.5 水泥石的腐蚀及防止 4.1.6 硅酸盐水泥的特性及应用,主要内容,4.2掺混合材料的硅酸盐水泥 4.2.1混合材料及其分类 4.2.2普通硅酸盐水泥 4.2.3矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥 4.2.4复合硅酸盐水泥,4.4水泥在土木工程中的应用,4.3其它品种水泥,4.1 硅酸盐水泥,水泥的特点和适用范围,水泥的特点 水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。 水泥适用范围 不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。,水泥的分类,按性能和用途分,水泥,通用水泥,专用水泥,特性水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,石灰石硅酸盐水泥,如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等,如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等,水泥的分类,按主要水硬性物质分,4.1.1硅酸盐水泥的原材料和生产工艺,硅酸盐水泥的原材料 生产硅酸盐水泥熟料的原材料 石灰质原料 : 天然石灰石。也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩、石灰华等。 粘土质原料 : 主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。 校正原料: 采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。 石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等 。 混合材料： 包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。,硅酸盐水泥的生产工艺“两磨一烧”工艺 生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种 ； 硅酸盐水泥分为：型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。,4.1.1硅酸盐水泥的原材料和生产工艺,石灰石,粘 土,铁矿粉,生 料,石 膏,硅酸盐水泥,混合材料,熟 料,按比例混合,磨细,13501450,煅烧,磨细,4.1.2熟料的矿物组成及其特性,熟料的矿物组成,水泥熟料矿物,硅酸二钙,铁铝酸四钙,铝酸三钙,硅酸三钙,2CaOSiO2，C2S,4CaOAl2O3Fe2O3，C4AF,3CaOAl2O3，C3A,3CaOSiO2，C3S,化学式及简写,4.1.2熟料的矿物组成及其特性,水泥熟料矿物的主要特性 熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。,4.1.3硅酸盐水泥的凝结和硬化,凝结硬化的概念 凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程； 硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。 水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。,4.1.3硅酸盐水泥的凝结和硬化,熟料矿物的水化反应 硅酸三钙 2（3CaOSiO2）6H2O = 3CaO2SiO23H2O3Ca（OH）2 硅酸二钙 2（2CaOSiO2）4H2O = 3CaO2SiO23H2OCa（OH）2 铝酸三钙 3CaOAl2O3H2O = 3CaOAl2O36H2O 3CaOAl2O36H2O3（CaSO42H2O）19H2O = 3CaOAl2O33CaSO431H2O 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O37H2O = 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,(C-S-H),(C-S-H),(C-A-H),(AFt),(C-A-H),(C-F-H),4.1.3硅酸盐水泥的凝结和硬化,熟料矿物的水化反应过程 水化初期 熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。,4.1.3硅酸盐水泥的凝结和硬化,水化中期 以水化硅酸钙（CSH）和氢氧化钙的快速形成为特征。 水化后期 由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。,4.1.3硅酸盐水泥的凝结和硬化,A凝胶体（CSH凝胶，水化铁酸钙凝胶）； B晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）； C孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）； D未水化的水泥颗粒,水泥石的结构 水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。 水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。,4.1.4硅酸盐水泥的主要技术性质,1.密度、堆积密度和各成分含量,(注：表中百分数均为质量百分数。),4.1.4硅酸盐水泥的主要技术性质,2.细度 细度是指水泥颗粒的粗细程度。 水泥颗粒的粗细，直接影响其水化反应速度、活性和强度。 国家标准中规定，水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定。硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2/kg。,4.1.4硅酸盐水泥的主要技术性质,3.凝结时间 凝结时间 分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。 水泥初凝时间不宜过早，终凝时间不宜过迟。 国家标准GB1752007规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h。,4.1.4硅酸盐水泥的主要技术性质,4.体积安定性 体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的稳定性。水泥在硬化过程中体积变化不稳定，即为体积安定性不良。 水泥安定性不良的原因： 熟料中含有过量的游离氧化钙（fCaO），或含有过量的游离氧化镁（fMgO）； 生产水泥时掺入的石膏过量。 国家标准GB1752007规定，硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验合格。 体积安定性不良的水泥不应用于工程中。,4.1.4硅酸盐水泥的主要技术性质,5.强度及强度等级 （1）胶砂强度 国家标准规定， 水泥和标准砂和水按1:3.0:0.5质量比配制成胶砂，经标准试验方法搅拌成型。制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准条件（1d温度为201，相对湿度95以上的空气中带模养护；1d以后拆模，放入201的水中养护）下养护。根据水泥品种不同，分别测定3d、28d的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。,4.1.4硅酸盐水泥的主要技术性质,（2）强度等级 根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级。硅酸盐水泥的强度等级划分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R共六个等级。见表的 规定。,（注：R型为早强型，主要是3d强度较高。）,4.1.4硅酸盐水泥的主要技术性质,6.水化热 水泥的水化热是指在水化过程中的放热量，单位为kJ/kg。 水化热的高低与熟料矿物的相对含量有关。铝酸三钙、硅酸三钙的水化热高，而铁铝酸四钙、硅酸二钙的水化热较低。因此要降低水化热，可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量。 水化热主要对大体积混凝土工程有影响。对于大体积混凝土工程，应选择水化热较低的水泥，或者采取特殊措施降低水化热的危害。,4.1.5水泥石的腐蚀及防止,水泥石腐蚀的类型 （1）软水（Ca离子浓度很低）侵蚀（溶出性侵蚀） （2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀） 一般酸的腐蚀 碳酸水的腐蚀 （3）硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀） （4）强碱腐蚀,4.1.5水泥石的腐蚀及防止,水泥石腐蚀的根本原因 （1）水泥石生成物中有易被腐蚀成分Ca(OH)2 和C-A-H； （2）水泥石本身不密实，开口孔隙率大； （3）腐蚀介质的存在以及水泥石所处的外界物理条件（如海水冲击、流动等）或腐蚀与通道的相互作用。 防止水泥石腐蚀的措施 （1）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种。 （2）提高水泥石的密实度。 （3）在水泥石结构的表面设置保护层。,4.1.6硅酸盐水泥的特性及应用,凝结硬化快，早期及后期强度均高，适用于有早强要求的工程。 抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。 耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。 水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。,4.1.6硅酸盐水泥的特性及应用,抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。 耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工程。 耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。,观察与讨论,熟料矿物组成对早期强度及水化热的影响 以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比 含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化 热的差别。,A水泥的C3S及C3A含量高，而C3S及C3A的早期强度及水化热都较高，故A硅酸盐水泥的早期强度与水化热高于B水泥。,工程案例分析,挡墙开裂与水泥的选用 某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多 道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型 硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：,由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。,首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。,4.2 掺混合材料的硅酸盐水泥,4.2.1混合材料及其分类,混合材料的概念 所谓混合材料就是为了改善水泥性能、提高水泥的产量，在生产时掺入的天然或人工矿物质材料。分为活性混合材料和非活性混合材料两大类。 非活性混合材料 不具有活性或活性很低的人工或天然的矿物材料。,4.2.1混合材料及其分类,活性混合材料 混合材料磨成细粉，与水调和后，它们本身不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。但在氢氧化钙溶液中，就会发生显著的水化，特别是在饱和的氢氧化钙溶液中及有石膏存在的条件下水化更快。 粒化高炉矿渣； 粉煤灰； 火山灰质混合材料,非活性混合材料 它们与水泥成分起的化学作用很小，非活性混合材料掺入硅酸盐水泥中起提高水泥产量和降低水泥强度等级，减少水化热等作用，并起到降低成本及改善砂浆或混凝土和易性的作用。,4.2.2普通硅酸盐水泥（代号PO）,定义 硅酸盐水泥熟料5且1的混合材料适 量石膏 技术性质要求（与硅酸盐水泥相比） 相同点 MgO含量、SO3含量、初凝时间、安定性的技术要求相同。 不同点 细度：80m方孔筛筛余量不超过10.0%； 终凝时间：不迟于10h； 烧失量：不得大于5.0%。,4.2.2普通硅酸盐水泥,强度等级：普通硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。各龄期的强度不低于下表的规定。,4.2.2普通硅酸盐水泥,主要特性 （1）早期强度、强度等级略低，后期强度高。 （2）水化热略低。 （3）抗渗性、抗冻性、抗碳化能力略低。 （4）抗侵蚀、抗腐蚀能力稍好。 （5）耐磨性、耐热性能略有提高。 应用 由于性能上与硅酸盐水泥有一点差异，普通水泥的应用比硅酸盐水泥较广泛。,4.2.3矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,定义 技术性质要求（与普通水泥相比） 相同点 MgO含量、细度、凝结时间、安定性的技术要求相同。 不同点,熟料,适量石膏,20%70% 粒化高炉矿渣,20%40% 粉煤灰,20%40% 火山灰混合材,矿渣水泥 （PS）,粉煤灰水泥 （PF）,火山灰水泥 （PP）,磨细,磨细,磨细,4.2.3矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,三氧化硫含量：矿渣水泥不超过4.0；火山灰质水泥、粉煤灰水泥不得超过3.5。 强度等级：强度等级划分为32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R共六个等级。各龄期的强度要求见下表。,4.2.3矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,主要特性（与硅酸盐水泥、普通水泥相比） 三种水泥的共同特性 凝结硬化较慢，早强强度较低，但后期强度较高； 水化热较低，放热速度慢； 抗腐蚀能力强； 硬化时对湿热敏感性强； 抗冻性、耐磨性及抗碳化性能较差。,4.2.3矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥,三种水泥各自特性 矿渣水泥保水性差、易泌水、抗渗性较差，但耐热性好，因此用于高温环境。 火山灰水泥具有较高的抗渗性和耐水性。但在干燥环境易产生干缩裂缝，CO2 使水化硅酸钙分解成CaCO3和氧化硅的粉状物，即发生“起粉”现象。 粉煤灰水泥具有抗裂性好的特性，原因是其独特的球状玻璃态结构，吸水力弱，干缩小，裂纹也小，抗裂性好。,4.2.4复合硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥 (PC) 在硅酸盐水泥熟料中，加入两种或两种以上的混合材料(掺量在20%50%)。适量石膏磨细而成的水硬性胶凝材料。 与硅酸盐水泥相比，由于掺入了两种或两种以上的混合材料，复合水泥的水化热较低；早期强度较高，其强度要求与矿渣、火山灰和粉煤灰水泥的强度要求相同。但是复合水泥性能受所用混合材性能影响，使用时应针对工程的性质加以选用。,4.3 其它品种水泥,4.3.1铝酸盐水泥,定义 以石灰石和铝矾土为主要原料，配制成适当成分的生料，烧至全部或部分熔融所得以铝酸钙为主要矿物的熟料，经磨细而成的水硬性胶凝材料，代号CA。由于熟料中Al2O3 含量高于50%故又称为高铝水泥。,4.3.1铝酸盐水泥,主要矿物成分 铝酸一钙（CaOAl2O3简写 CA）凝结正常，硬化迅速，为铝酸盐水泥强度的主要来源。 二铝酸一钙（CaO2Al2O3简写 CA2），其特点是凝结硬化慢，早期强度较低，后期强度高。 此外还有少量水化极快、凝结迅速而强度不高的七铝酸十二钙（127）以及胶凝性极差的硅酸盐二钙（铝方柱石）（C2AS）、六铝酸一钙（CA6）等矿物。,4.3.1铝酸盐水泥,铝酸盐水泥的水化与硬化 当温度低于20时，水化生成水化铝酸钙（CAH10），当温度在20 30时水化铝酸二钙（C2AH8）、铝胶（AH3）。CAH10、C2AH8都属六方晶系，其晶体呈片状或针状，互相交错攀附，重叠结合，可形成坚强的结晶共生体，使水泥获得很高的强度。氢氧化铝凝胶又填充于晶体骨架的空隙，所以能形成比较致密的结构。 当温度高于30时，水化生成立方晶系的水化铝酸三钙（C3AH6）、铝胶（AH3）。此时形成的水泥石孔隙率很大，强度较低。因而铝酸盐水泥不宜在高于30的条件下养护。,4.3.1铝酸盐水泥,铝酸盐水泥的技术要求 细度: 比表面积不小于300 m2/kg或0.045mm筛余不大于20%。 凝结时间： 按GB201-2000规定的标准稠度胶砂测得的 凝结时间应符合如下要求：CA-50、CA-70、 CA-80铝酸盐水泥的初凝时间不早于30min， 终凝时间应不迟于6；CA-60铝酸盐水泥的 初凝时间不早于60min，终凝时间应不迟于18。,4.3.1铝酸盐水泥,强度: 铝酸盐水泥按照Al2O3含量分为四类。各类型铝酸盐水泥的不同龄期强度值不得低于GB201-2000的规定。(分为6h、1d、3d、28d强度要求) 铝酸盐水泥受到高温作用时，由于产生了固相反应，烧结结合代替了水化结合，因而具有良好的耐高温性能。,4.3.1铝酸盐水泥,铝酸盐水泥的建筑性能与应用 快凝、早强。高温下后期强度倒缩，甚至引起结构破坏，故其不宜在高温、高湿环境及长期承载结构工程中使用，宜用于工期紧急的工程。 抗渗性、抗冻性好。 抗硫酸盐腐蚀性好。 水化热高，放热快，不得应用于大体积混凝土工程。 耐热性强。高温下产生烧结作用，具有良好的耐高温性能，较高的强度，故适合耐热工程。,4.3.1快硬性水泥,1.快硬硅酸盐水泥 （1）定义 由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，简称快硬水泥 （2）技术要求 细度：0.08mm方孔筛，筛余量不得超过10% 凝结时间：初凝45min，终凝10h 安定性：三氧化硫4.0%，其他同硅酸盐水泥 强度等级：按3d抗压强度分为32.5、37.5和42.5三个等级,4.3.2快硬性水泥,（3）特性 具有硬化快、早期强度高、水化热高、抗冻性好、耐腐蚀性差的特性 （4）应用 适用于紧急抢修工程，早期强度要求高的工程及冬季施工工程，但不适合大体积混凝土工程和有腐蚀介质的混凝土工程。,4.3.3快硬性水泥,2.快硬硫铝酸盐水泥 （1）定义 由适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏和015%石灰石磨细而成的早期强度高的水硬性胶凝材料。 （2）技术要求 细度：一般控制在 350m2/kg； 凝结时间：初凝25min，终凝3h； 强度等级：按3d抗压强度分为42.5、52.5、62.5和72.5四个等级。,4.3.2快硬性水泥,（3）特性 早期强度高、抗硫酸盐侵蚀强、抗渗性好、水化热小但放热快、耐热性差的特性。 （4）应用 适用于冬季施工、抢修、修补及有硫酸盐侵蚀的工程。,4.3.3膨胀水泥和自应力水泥,1.明矾石膨胀水泥 （1）定义 是以硅酸盐水泥熟料、天然明矾石、无水石膏和粒化高炉矿渣共同磨细制成的具有膨胀性的水硬性胶凝材料。,4.3.3膨胀水泥和自应力水泥,（2）技术要求 细度：一般控制在 450m2/kg 凝结时间：初凝45min，终凝6h 强度等级：按3.7.28d抗压强度分为525、625两个标号 膨胀率：1d, 0.15 % ;28d, 0.35%和1.00% （3）应用 适用于补偿收缩混凝土、防渗混凝土、防渗抹面、预制构件梁、柱的接头和构件拼装接头等。,4.3.3膨胀水泥和自应力水泥,2. 自应力硫铝酸盐水泥 （1）定义 以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量石膏磨细制成的强膨胀性的水硬性胶凝材料 （2）技术要求 细度：一般控制在 370m2/kg 凝结时间：初凝40min，终凝4h 抗压强度：7d 32.5MPa;28d 42.5MPa,4.3.3膨胀水泥和自应力水泥,（2）技术要求 膨胀率：7d, 1.30 % ;28d, 1.75% 级别：按28d自应力值分为30级、40级、50级三个级别 28d自应力增进率0.0070MPa/d （3）应用 它可用于制造大口径或较高压力的水管或输气管，也可现场浇制储罐，储槽或作为接缝材料使用。,4.3.4道路硅酸盐水泥,定义 以道路硅酸盐水泥熟料，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。 技术要求 (1)细度：比表面积为300450m2/kg (2)凝结时间：初 凝时间1.5h，终凝时间10h (3)体积安定性：沸煮法检验合格 (4)干缩率和耐磨性：干缩率0.10%，磨损量3.00kg/m3,4.3.4道路硅酸盐水泥,技术要求 (5)道路水泥分32.5、42.5和52.5三个强度等级 道路水泥中铝酸三钙含量不大于5.0，铁铝酸四钙含量不小于16.0，游离CaO含量旋窑不大于1.0，立窑不大于1.8% 。 特性 道路硅酸盐水泥强度较高，特别是抗折强度高、耐磨性好、较长的初凝时间、干缩率低，抗冲击性、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力比较好。 应用 适用于水泥混凝土路面、机场跑道、车站及公共广场等工程的面层混凝土中应用。,4.3.5白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥,白色硅酸盐水泥的组成、性质与硅酸盐水泥基本相同，所不同的是在配料和生产过程中严格控制着色氧化物（Fe2O3、MnO、Cr2O3、TiO2等）的含量。为提高水泥白度，可用还原气氛对熟料进行漂白处理；也可在熟料出窑时采取喷水急冷处理；也可在粉磨时提高细度。 彩色硅酸盐水泥简称彩色水泥。它是用白水泥熟料，适量石膏和耐碱矿物颜料共同磨细而制成的。 白水泥和彩色水泥广泛地应用于建筑装修中。如制作彩色水磨石、饰面砖、锦砖、玻璃马赛克以及制作水刷石、斩假石、