课件：普通硅酸盐水泥强度高.ppt

第三章,水 泥,目 录,基本要求 3.1 简介 3.2 硅酸盐水泥 3.3 掺混合材料的硅酸盐水泥,基本要求,内容 主要介绍水泥的分类、优点及生产。 主要介绍硅酸盐水泥及掺加混合料的硅酸盐水泥，包括：定义、组成、水化、凝结与硬化、实验和技术性质、腐蚀与防护、特性和应用。 重点 6种硅酸盐水泥的定义 硅酸盐水泥的矿物组成 水泥水化、凝结与硬化机理 技术性质及测试方法,基本要求,重点 水泥的腐蚀及防护 特性 应用 难点 水泥水化、凝结和硬化机理 各种水泥的异同点 注意事项 本章是整个课程的重点 联系各种水泥进行学习 着重分析它们之间的差异及造成这些差异的原因,第三章 水泥,3.1 简介,Back,硅酸盐水泥兴起于19世纪。 它已经成为现在最为重要的一种建筑材料。 它的化学成成分复杂，但主要的胶结成分是水化硅酸钙。 普通硅酸盐水泥强度高、能抗硫酸盐腐蚀、水化热，也可用于制备砂浆。 为了建筑需要，水泥可做成白色、黑色或其他各种颜色。,简介,简介,水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。,Back,水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。 通用水泥 硅酸盐水泥 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 复合水泥,简介,专用水泥 砌筑水泥 油井水泥,特性水泥 快硬水泥 膨胀水泥 抗硫酸盐水泥 中热水泥,水泥按化学成分可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。,硅酸盐水泥,一般工程,铝酸盐水泥,硫酸盐水泥,快硬、早强。主要用于紧急抢修工程、早强工程、冬季施工、抗蚀、抗冻等工程。,早强、膨胀。适用于抢修工 程、锚固和地下工程等。,Back,简介,硅酸盐水泥生产工艺流程示意图 两磨一烧,混合材料 0-5%,石膏,熟 料,磨细,硅酸盐水泥,P.P.,混合材料 6-15%,石膏,熟 料,磨细,普通硅酸盐水泥,P.O,粒化高炉 矿渣,石膏,熟 料,磨细,矿渣硅酸盐水泥,P.S,火山灰质 混合材料,石膏,熟 料,磨细,火山灰质硅酸盐水泥,P.P,粉煤灰,石膏,熟 料,磨细,粉煤灰硅酸盐水泥,P.F,两种以上 混合材料,石膏,熟 料,磨细,复合硅酸盐水泥,P.C,尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。,Back,简介,硅酸盐水泥的生产简述及其矿物组成 硅酸盐水泥的凝结和硬化 硅酸盐水泥的技术性质 硅酸盐水泥的腐蚀与防护 硅酸盐水泥的特性与应用,3.2 硅酸盐水泥,Back,何为硅酸盐水泥？,凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰或熟化高炉矿渣、适量石膏共同磨细制的水硬性胶凝材料。 硅酸盐水泥代号P、P P表示不掺混合材料的硅酸盐水泥 P表示混合材料掺量不超过5%的硅酸盐水泥,Clinker,Portland Cement,Back,硅酸盐水泥的生产简述及其矿物组成,图3.2.1 硅酸盐水泥的生产过程,硅酸盐水泥的矿物组成及特性,硅酸盐水泥的主要矿物组成包括： 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙 矿物组成的技术特性见表3.2.1,表3.2.1 硅酸盐水泥的矿物组成,（1）硅酸二钙 硅酸二钙的化学成分为2ai2，其简写为C2S，约占水泥熟料总量的1537。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。 （2）硅酸三钙 硅酸三钙的化学成分为ai2，其简写为3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的。硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。,（3）铝酸三钙 铝酸三钙的化学成分是CaOAl2O3，其简写为 C3，约占水泥熟料总量的715。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。 （4）铁铝酸四钙 铁铝酸四钙的化学成分为CaOAl2O3Fe2O3，其简写为4AF，约占水泥熟料总量的1018。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。,水泥中各熟料矿物的含量，决定着水泥某一方面的性能。改变熟料矿物成分之间的比例，水泥的性质就会发生相应的变化。如果提高硅酸三钙的相对含量，可制得高强水泥和早强水泥；如果提高硅酸二钙的相对含量，同时适当降低硅酸三钙和铝酸三钙的相对含量，可制得低热水泥或中热水泥。,表3.2.2 矿物组成性质,Back,水化 水化机理 石膏调节凝结时间的原理 水化产物 凝结与硬化 何为凝结、硬化？ 凝结硬化过程 影响因素,硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化,Back,水 化 机 理,水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量的过程。 硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。 该水化反应的速度快，形成早期强度并生成早期水化热。,硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。 该水化反应的速度慢，对后期龄期混凝土强度的发展起关键作用。水化热释放缓慢。 产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物。,水 化 机 理,铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将无法正常使用。 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。,水 化 机 理,硅酸二钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶 该水化反应的速度和水化放热量均属中等。,石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。 该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。 所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。 为什么石膏用量不能过多？这个问题将通过水泥石腐蚀的学习得到答案。,石膏调节凝结时间的原理,Back,水化硅酸钙(70%) 氢氧化钙 (20%) 水化铝酸钙 水化铁酸钙 水化硫铝酸钙,水化产物,水泥熟料水化后的主要水化产物有：,图3.2.2 水化程度与水泥石组成,Back,何为凝结？ 水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐渐变 稠失去可塑性的过程。 何为硬化？ 失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥石的过程。 水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程组成。,凝结与硬化,Back,凝结硬化过程,凝结硬化过程,Back,影响水泥凝结硬化的因素,影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。,图3.2.3 影响水泥凝结硬化的因素,Back,硅酸盐水泥的技术性质,细度 凝结时间 体积安定性 强度 其他性质,Back,水泥的细度指水泥的磨细程度或分散度。细度决定了水泥与水接触的表面积。从而影响水泥的水化和凝结速度和性质。,表3.2.3 水泥的细度和性质,细 度,比表面积,硅酸盐水泥的细度用比表面积表示 按照 GB175-1999的规定 硅酸盐水泥的比表面积 300 m/kg 比表面积可采用比表面积仪测定（图3.2.4） 用比表面积测定仪测试颗粒粒径分布情况。 测量一定量空气通过水泥石时，流速变化.,图3.2.4 比表面积测定仪,细 度,Back,凝结时间,标准稠度及标准稠度用水量 凝结时间测定 初凝时间 终凝时间,标准稠度 试锥下沉深度为282mm时的稠度 标准稠度用水量P(%) 按一定的方法将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的水量。P%=水量ml/水泥1g。 标准稠度用水量测试方法有不变(固定)水量法和调整水量法2种。 初学者多用前者，有争议时以后者为准。,标准稠度及标准稠度用水量,不变(固定)水量法,固定水量法采用以下方法配制标准稠度净浆 称取500g水泥 加入500P%ml水 采用标准稠度测定仪（图3.2.5） 测量 P%,不变(固定)水量法,图3.2.5 标准稠度测定仪,通过水泥净浆凝结时间测定仪测定标准稠度水泥净浆的凝结时间。,测定方法,图3.2.6 凝结时间测定仪,水泥凝结时间测定录像,凝结时间测定,概念 从水泥加水拌和起至标准稠度的水泥净浆开始失去可塑性所需的时间 标准要求45min 国产水泥一般为1-3h 实验 测试时以试针距底板41mm为准。 工程意义 水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充分的时间搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作。,初始凝结时间,终凝时间,概念 从水泥加水拌和起至水泥净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。 标准要求390min 国产水泥一般为5-6h 实验 测试时以试针下沉0.5mm为准。 工程意义 终凝时间不宜过迟，以便施工完毕后更快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行。,Back,定义 指水泥硬化过程中体积变化小且均匀的性能。 体积安定性不良 水泥硬化后产生不均匀的体积变化（裂纹后弯曲）。 使建筑质量下降，甚至引起严重的建筑事故。 体积安定性不良的原因 过量游离的CaO 过量游离的MgO 过量石膏,硅酸盐水泥的体积安定性,Back,水泥中的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的它们的水速度慢，在水泥硬化后才开始水化，使已经硬化的水泥石膨胀开裂。 当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还能继续与水化铝酸钙反应，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积增大2.22倍，引起水泥石开裂。此时，水化 硫铝酸钙被称为水泥杆菌。,体积安定性不良的原因,煮沸法-加速实验法 测量体积安定性的两种方法： 饼法 观察水泥净试饼在沸煮后的外形变化 雷氏夹法 测量水泥石圆柱体沸煮后的膨胀值,体积稳定性的测定,水泥安定性的测定,图3.2.8 煮沸法测定仪,图3.2.7 体积安定性不良,体积安定性的测定,图3.2.9 雷氏夹法体积安定性测定仪,2019/8/23,54,可编辑,限制,上述测试方法仅能测出游离CaO是否过量。 游离MgO和石膏不能通过加速实验的方法检测 所以它们必须在生产工艺中严格控制，避免过量。 标准规定： MgO5%、石膏SO33.5%。,体积安定性的测定,Back,C:S:W=1:3:0.5,Standard specimen 40 40160,Compressive strength,Cured under the standard condition,Bending strength,test,C:S:W=1:3:0.5的比例混合，制成标准尺寸的试件（4040160mm），在标准条件下养护，测试抗压强度和抗折强度。,强度试验,Back,图3.2.10 强度测定仪,bending strength instrument,图3.2.10 强度测定仪,Compressive strength instrument,实验录像,强度等级,根据 3天和28天抗压强度 3天和28天抗折强度 硅酸盐水泥可分为6个等级：42.5，42.5R, 52.5，52.5R, 62.5, 62.5R 各龄期的强度不低于GB175-99表中的规定。 按早期强度不同分为两种类型，早强型(用R表示)和普通型。,表3.2.4硅酸盐水泥各龄期的强度要求 （GB175-99）,其他性质,密度:3.0-3.15g/cm3, 通常3.1g/cm3 堆积密度:1000-1600kg/m3 碱含量 以Na2O+0.658K2O计算值表示，以防止碱-骨料反应的发生。 低碱水泥含碱量0.6%，或由供需双方商定。 水化热 大部分的水化热在水化反应的初期释放出来，它的数量决定于水泥的化学成分和细度、矿物掺合料以及酸的侵蚀。 C3S，C3A越高，颗粒越细，水化热越大，对冬季施工有利，但对大体积混凝土工程有害。,Back,技术性质分析,水泥在出厂和使用前必须检验的技术指标有四项：细度、凝结时间、强度和体积安定性。这四项指标中，除强度外，其它任何一项指标不合格，则水泥不能使用；反之，若仅强度一项指标不合格，而其它三项指标合格，则水泥可降等级使用。,If only the strength is unqualified,Cement of the lower grade,Back,水泥石的腐蚀和防止,简介 腐蚀类型 腐蚀原因 防止措施,Back,简 介,水泥石硬化后，在正常的使用条件下，即在潮湿环境中或水中，仍可以逐渐硬化并不断增长期强度。 水泥石的腐蚀 在一些腐蚀性介质中，水泥石的结构会遭到破坏，强度和耐久性降低，甚至完全破坏的现象。 腐蚀类型 软水侵蚀，硫酸盐腐蚀，镁盐腐蚀，碳酸盐的腐蚀，酸的腐蚀，碱的腐蚀,Back,软水侵蚀,特点 介质软水（含HCO3少的水，如雨水、雪水和蒸馏水）；氢氧化钙溶解于水中引起的腐蚀。 过程 当水泥石与软水接触时，最先溶出的成分是氢氧化钙。当水泥使处于流水或是有压力的水中时，氢氧化钙不断溶解流失，水泥石的密实度下降，强度和耐久性也降低；而且，由于氢氧化钙浓度的下降，还引起了水泥石中的其它水化产物的分解,在硬水中会发生如下反应 生成的碳酸钙几乎不溶于水，堆积在水泥石的空隙中，形成密实的保护层 预防措施 将与软水接触的混凝土，事先在空气中碳化人工碳化,软水侵蚀,人工碳化,将与软水接触的混凝土，事先在空气中碳化,生成的氢氧化钙几乎不溶于水，堆积在水泥石的空隙中，形成密实的保护层,软水侵蚀,硫酸盐腐蚀,特点 以硫酸盐为介质的海水、地下水等 硫酸盐与水泥石中的成分反应生成膨胀性晶体，使水泥石破坏 腐蚀过程举例：,镁盐腐蚀,特点 以镁盐为介质的海水、地下水等 镁盐与水泥石中的成分反应，生成易溶于水或松软无胶凝作用的产物，破坏水泥石 腐蚀过程举例：,碳酸盐腐蚀,Ca(OH)2+CO2+H2O CaCO3+2H2O CaCO3+H2O+CO2 Ca(HCO3)2,易溶于水,特点 以碳酸盐为介质的海水、地下水等 碳酸盐与水泥石中的成分反应，生成易溶于水的产物，破坏水泥石 腐蚀过程举例：,酸的腐蚀,特点 以酸性介质为主的工业环境等 酸与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结晶膨胀的产物，破坏水泥石 腐蚀过程举例：,碱的腐蚀,易溶于水,干燥空气,结晶膨胀,特点 碱与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结晶膨胀的产物，破坏水泥石,Back,腐蚀原因,内因 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，使侵蚀性介质易于进入其内部； 腐蚀与介质相互作用； 外因 腐蚀介质、温度、湿度、介质浓度,Back,防止措施,根据环境特点，合理选择水泥品种 提高水泥石的密实度 在混凝土表面覆盖保护层，对有特殊要求的混凝土工程，还可以采用浸渍混凝土,Back,硅酸盐水泥的特点和应用,强度高 适用于高强混凝土和预应力钢筋混凝土工程 硬化快 适用于要求凝结快、早强高的工程，冬季施工，预制、现浇等工程 抗冻性好 适用于冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程 耐蚀性差 不适用与淡水及海水等腐蚀性介质接触的工程,Back,耐热性差 不适用于有耐热要求的混凝土工程 水化热大 不适用于大体积混凝土工程，但有利于低温季节畜热法施工 耐磨性好 适用于公路、地面工程 抗碳化性好 对钢筋的保护作用强，适合CO2 浓度高的环境,硅酸盐水泥的特点和应用,混合材料 普通硅酸盐水泥 (P.O) 矿渣硅酸盐水泥 (P.S) 火山灰质硅酸盐水泥 (P.P) 粉煤灰硅酸盐水泥 (P.F) 复合硅酸盐水泥 (P.C),Back,3.3 掺混合材料的硅酸盐水泥,混合材料,定义 分类 活性混合材料 概述 二次水化 活性原理 非活性混合材料,Back,混合材料,定义,生产水泥时加入的人工或 天然矿物材料,改善水泥性能,调节水泥强度等级,降低成本,在生产水泥时，为了改善水泥性能，调节水泥强度等级，降低成本，而加入的人工或天然的矿物材料。,Back,分 类,按性能分为两类: 活性混合材料 (水硬性混合材料) 非活性混合材料（填充性混合材料）,Back,活性混合材料,磨细后加水不水化 但掺加石灰后 发生二次水化反应 生成水硬性胶凝产物 火山灰活性,概 述,Back,活性混合材料,消耗 Ca(OH)2,水硬性胶凝产物,火山灰活性,水化反应,硅酸盐水泥中加入活性混合材料,硅酸盐水泥水化,一次水化,二次水化,虽然活性混合材料不是水泥的组成材料. 但水泥中用一定比例的活性混合材料代替可以改变各种水泥的性能,活性混合材料,二次水化反应的特性 温度敏感性 常温反应速度慢 高温反应速度快 消耗 Ca(OH)2 改善孔隙构造,掺活性混合材料的作用,提高产量 降低成本 改善水泥的性能 调整强度等级 降低水化热 减少碱骨料反应的发生 扩大应用范围 充分利用工业废渣 保护环境,常用活性混合材料,粒化高炉矿渣,火山灰质混合材料,粉煤灰,粉煤灰是一种发电厂燃料废渣 粒化高炉矿渣是熔融的矿渣水淬而得到。活性成分为活性氧化硅和活性氧化铝。 火山灰质混合材料是火山喷发沉积物及其它具有类似活性的材料的统称。分为含水硅酸质（如硅藻土等）、铝硅玻璃质（如火山灰等）、粘土质（烧粘土等）。,Back,非活性混合材料,Back,特点 磨成细粉与石灰加水拌和后，不能或很少生成具有胶凝性质的水化产物 常用品种 石英 粘土 慢冷矿渣,普通硅酸盐水泥,什么是普通硅酸盐水泥 技术性质 强度要求 应用,Back,什么是普通硅酸盐水泥？,普通硅酸盐水泥是一种水硬性胶凝材料 掺加少量混合材料和适量的石膏 混合材料的最大掺量不超过 15%,熟料,混合材料,石膏,磨细,水硬性胶凝材料,P.O,Back,技术性质,特点 与硅酸盐水泥相近 因为混合材料的掺量少，其矿物组成仍在硅酸盐水泥的范围之内 不同点 细度采用筛余量表示 测量通过0.08mm的方孔筛的筛余量10% 强度等级 强度应符合表3.3.1的要求 共有六个强度等级 :32.5, 32.5R , 42.5R , 42.5, 52.5, 52.5R 最终凝结时间不超过 10h,表3.3.1 普通硅酸盐水泥强度要求,普通硅酸盐水泥的应用,是通用的水泥主要品种，广泛应用于各种混凝土和钢筋混凝土工程。 应用范围与硅酸盐水泥相同。,Back,凡有硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣水泥。 粒化矿渣掺量为2070%。,什么是矿渣硅酸盐水泥？,Back,技 术 性 质,技术性质: 分为6个强度等级 :32.5, 32.5R, 42.5, 42.5R, 52.5, 52. 5R（表3.3.2） 其它技术性质与普通水泥相同,表3.3.2 P.S、P.P、P.F的强度要求,P.S的特点与应用,性能与硅酸盐水泥和普通水泥有以下区别 原因：水泥中混合材料掺量多，熟料成分少，故其性能与硅酸盐水泥有一定的差别。 早期强度低，后期强度高 矿渣水泥的水化分两步:水泥熟料的水化;二次水化 二次水化早期速度慢，生成的水化产物少，因而强度低 后期二次水化速度增长，生成产物数量增加，强度也随之提高。 矿渣水泥适用于中期养护的预制构件以及承重迟缓的工程,不适用于早强要求高的工程。,与硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥相比,P.S的特点与应用,抗蚀性强，抗碳化能力差。 因为氢氧化钙含量低 适用于水工或海港混凝土工程 不适用于CO2浓度高的工业厂房（如铸造翻砂车间） 水化热低。 适用大体积混凝土工程 温度敏感性大 适合高温养护,抗冻性差：早期强度低，且火山灰需水量大。 耐热性好 适用于有耐热要求的混凝土工程。 干缩大，抗渗