水泥的性能特点及其可能的改性方法.doc

水泥的性能特点及其可能的改性方法1133001 1113300107 刘晓玲摘要：水泥作为广泛应用的建筑材料，满足不同的使用要求有不同的组成与结构，还要满足规定的技术性质标准。水泥混凝土是土木工程中应用最多的混凝土，水泥对混凝土的使用以及各种性能都有很大的影响。通过在水泥中加入纤维，聚合物，或采用纳米混合材料会极大地改善水泥的性能，而满足不同混凝土工程的要求。关键词：水泥组成与结构 水泥技术性质 混凝土工程 新性能水泥一 水泥概述水泥是粉状水硬性无机胶凝材料，加适量水搅拌，经一系列物理化学反应能由可塑性浆体变坚硬的石状体，并能将砂、石等散粒材料胶结成砂浆或混凝土。水泥广泛应用于工业与民用建筑工程，还广泛应用于农业、水利、公路、铁路、海港和国防等工程。1.水泥的组成水泥的品种很多，按水泥的矿物组成，可以分为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥、硫铝酸盐类水泥、铁铝酸盐类水泥，氟铝酸盐类水泥等。但其中最基本，应用最广泛的是硅酸盐水泥。 硅酸盐水泥：以硅酸盐为主要矿物组成的称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥主要有以下几种类型： 硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、0 5%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，即国外通称的波特兰水泥。不掺混合材料的称为型硅酸盐水泥，代号P，在水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称型硅酸盐水泥，代号P。 普通硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、5% 20%的活性混合材料，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），代号：PO。 矿渣硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥，代号：PS。水泥中粒化高炉矿渣的掺入量按百分比记为20% 70%（20% 50%为PSA型，50% 70%为PSB型）。 火山灰质硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、20% 40%的火山灰质混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥），代号：PP。 粉煤灰硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、20% 40%的粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号：PF。 复合硅酸盐水泥：据GB 1752007，由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号PC。2. 水泥的结构特点水泥加水拌合，水泥颗粒分散在水中，成为水泥浆体。与水接触的水泥颗粒表面很快发生水化反应，水化产物的生成速度远大于水化产物向周围溶液扩散的速度，并迅速形成水化产物的过饱和溶液，于是水化产物在水泥颗粒表面沉淀析出，形成水化物膜层，包裹在水泥颗粒的表面。随着水化反应的不断进行，水化产物不断增多，包在水泥颗粒表面的水化物膜层增厚，自由水分不断减少，颗粒间空隙逐渐减少，包有凝胶的水泥颗粒逐渐接近，以致相互接触，在接触点借助范德华力，形成凝聚结构，使水泥浆体开始失去可塑性，表现为初凝。随后，颗粒间的接触点数目逐渐增多，凝胶和晶体互相贯穿形成的凝聚结晶网状结构不断加强，固体颗粒之间的空隙不断减小，结构逐渐紧密，浆体完全失去失去可塑性并开始产生强度，表现为终凝。水泥进入硬化阶段后，水化产物不断增多、长大，并填充到毛细孔当中，使结构更紧密，硬化程度和强度相应提高。最后发展成坚硬的石状体水泥石（由水泥水化生成的晶体和凝胶，未水化的水泥颗粒内核，毛细孔，水等组成）。对于掺混合材料的硅酸盐水泥，水化反应分两步进行，熟料矿物先水化，随后，熟料矿物水化析出的氢氧化钙和渗入水泥中的石膏与混合材料中的活性氧化硅与活性氧化铝发生二次水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，填充空隙使得水泥后期强度发展快。3. 水泥的技术性质下面主要以硅酸盐水泥的技术性质为例作阐述：硅酸盐水泥的技术性质细度 水泥颗粒粒径一般在7 200的范围内，一般认为水泥颗粒小于40时才具有较高活性，大于100活性就很小了。凝结时间 GB1752007规定，硅酸盐水泥的初凝不得早于45min，终凝不得迟于390min（为使混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣、砌筑水泥的初凝时间不能过短。当施工完毕，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝时间不能过长）。初凝时间不满足时为废品，终凝时间不满足时为不合格品。体积安定性 体积安定性是指水泥硬化过程中，产生体积变化的均匀程度。GB1752007和GB/T 13462001规定，用沸煮法检验体积安定性，如用饼法，则试饼无裂纹、无翘曲则水泥体积安定性合格，否则为不合格；如用雷氏法，则雷氏夹膨胀值大于5.0mm则体积安定性不合格。体积安定性不良的水泥应按做废品处理，不得用于工程中。强度 水泥的强度时水泥性能的重要指标，也是划分水泥强度等级的依据。GB/T 176711999规定，将水泥、标准砂和水按照1：3.0：0.5的比例，并按规定的方法制成40mm40mm160mm的标准试件，在标准养护条件下养护至规定龄期，分别按照规定的方法测定其3d和28d的抗压强度和抗折强度，按测定结果把硅酸盐水泥分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R六个强度等级。水化热 水化热指水泥在水化过程中放出的热。水化放热量和放热速度不仅取决于水泥的矿物组成，而且还与水泥细度、水泥中掺混合材料及外加剂的品种、数量以及熟料的煅烧和冷却条件等有关。铝酸三钙，硅酸三钙含量多时放热量增大，放热速度增快，铝酸二钙含量多时，热量减少，速度减慢。水泥细度越细，水化反应比较容易进行，水化放热量越大，放热速度越快。大体积混凝土工程中不应用硅酸盐水泥。国家对普通硅酸盐水泥的技术要求有：凝结时间 初凝不得早于45min，终凝不得迟于600min。强度等级 根据3d和28d龄期的抗折抗压强度，分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。细度，体积安定性，氧化镁含量，三氧化硫含量与硅酸盐水泥的要求相同。对矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥的技术要求：细度、凝结时间、体积安定性 三种水泥的凝结时间、体积安定性要求与普通硅酸盐水泥相同；细度要求为80微米方孔筛筛余不大于10%或45微米方孔筛筛余不大于30%。强度等级 根据3d和28d龄期的抗折抗压强度，分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。氧化镁、三氧化硫 水泥中氧化镁的含量不得超过6%，如水泥经压蒸体积安定性合格，则可大于6%。矿渣水泥中的三氧化硫含量不得超过4%；火山灰水泥和粉煤灰水泥中的三氧化硫不得超过3.5%。二 水泥的性能特点对混凝土工程的影响 高性能混凝土是当代混凝土的发展方向，其特征是合理的强度、高耐久性、高体积稳定性、高工作性；其组成特点是广泛使用减水剂和高效减水剂、水灰比大幅度降低（多为0.30.45 之间）、大量使用磨细掺和料。而其中水泥对混凝土性能的影响不可忽视。1. 水泥品种及胶凝材料用量对混凝土使用性能的影响 众所周知，硅酸盐水泥主要的组成矿物有四种，它们的水化性质不同，在水泥中所占比例不同时将影响对水泥整体的性质。（表1所示为水泥中四种主要矿物的水化热和这四种主要矿物的收缩率。） 表1 C3A、C3S、C2S、C4AF四种矿物收缩率和水化热指标比较 矿物种类收缩率()水 化 热 水化反应过程 (Jg) C3A2.3400.100C3AC4AH13+C2AH8单硫型铝酸盐1340C3S0.7900.036C3SCSH+CH490C2S0.7700.036C2SCSH+CH225C4AF 0.4900.114C4AFC3(AF)H+单硫型铝酸盐460C3A的水化热是其他矿物水化热的数倍，尤其在混凝土早期强度的发挥时期。C3S的水化热虽然比C3A的小很多，但在3天却是C2S水化热的几乎5倍，因其含量在熟料中约占一半，故影响也很大；C3A的收缩率是C2S收缩率的3倍，是C4AF的45倍。因此用C3A含量较大的早强水泥浇筑的混凝土容易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。 配制高耐久性混凝土时，一般不宜选用早强水泥，单方混凝土的最大和最小胶凝材料用量应严格控制。混凝土结构耐久性设计指南( 讨论意见稿) 规定了相应的限值( 表) 对于强度等级达到C60的泵送混凝土，单位体积混凝土的最大胶凝材料用量可增大至30kg/m3。混凝土中水泥用量越大，混凝土的水化放热量越大，早期收缩和开裂的危险性越大，混凝土抵抗有害离子侵蚀的能力越差，减少胶凝材料用量有利于降低混凝土的渗透性并能减少混凝土的收缩量，降低浆骨比，也是提高混凝土抗渗性和抗氯离子扩散性的重要手段。2. 水泥性能对混凝土体积稳定性的影响 水泥向高 C3S和高C3A 、高比表面积发展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超细矿物掺合料的使用，造成混凝土的温度收缩、自收缩和干燥收缩增加期弹性模量提高，在受约束时产生较大的内应力；另一方面，混凝土早期的徐变减小，无法缓解这种应力，而产生早期裂缝；内部不可见的微裂缝在混凝土长期使用过程中继续发展，造成混凝土提早劣化。实际上，要提高混凝土的早期强度，并不一定需要提高水泥的 含量和细度，而可以依靠混凝土方面的措施来达到这一目的，例如掺高效减水剂减少水灰比。1944年，美国公共道路管理局对使用了330年的约 200座桥梁的混凝土结构的调查结果证实了上述观点。结果表明， 1930年以前建造的桥梁有 67%检查时完好，而1930 年后建造的仅27% 尚完好。由于施工技术仍然保持一样，水泥的细度发生了变化很可能是主要原因。3.水泥性能对混凝土耐久性的影响 在水泥的细度和C3S 含量相同时，28d抗压强度取决于水灰比；但是当细度和C3S含量不同时，情况就不一样了。当用了较细、C3S 较多的水泥时，可能会在较大的水灰比条件下得到较高的 28d强度。同样是配制 28d强度为 31MPa的混凝土，用1945 年生产的水泥时需要0.47 的水灰比；而用 1980年的I型水泥，虽然水泥用量可以减少，但水灰比大幅度提高到0.72 。对于结构设计人员而言，上述两种混凝土是一样的。然而，如果混凝土暴露于严酷环境中，决定其耐久性的关键因素就是水灰比和用水量，而非其抗压强度。从微结构的角度看，两种混凝土的孔隙率和渗透性大不相同，水灰比大的渗透性将增大、耐久性将下降；水灰比为0.6 的混凝土碳化比水灰比 0.45的混凝土快，抗海水、冻融与化冰盐的耐久性也不如后者。与这种变化相对应的是，1974年以后美国的混凝土桥面板加速出现耐久性问题。水泥细度与混凝土孔径分布密切相关，而孔径分布又是决定混凝土在毛细作用下常压渗透性的关键因素。试验结果表明：水泥中细颗粒较多的混凝土，比水泥中细颗粒较少的混凝土常压渗透性更大。具体表现有两种情况：一是将混凝土试件局部浸入水中，水泥中细颗粒较多的混凝土在常压下的渗透高度更大；二是在一定条件下将混凝土试件浸入水中，水泥细度相对较细的混凝土开口孔隙体积的吸水速率更大。这两种现象直接证实了细度相对较细的水泥对混凝土常压渗透性的不利影响。4. 常用水泥在混凝土工程中的应用硅酸盐水泥常用于早期强度要求高的混凝土，有耐磨要求的混凝土，严寒地区反复遭受冻融循环作用的混凝土，抗碳化要求高的混凝土，高强度的混凝土。但不适用于大体积混凝土及耐腐蚀性要求高的混凝土。普通硅酸盐水泥常用于早期强度要求高的混凝土，有耐磨要求的混凝土，严寒地区反复遭受冻融循环作用的混凝土，抗碳化要求高的混凝土，普通气候及干燥气候的混凝土，有抗渗要求的混凝土，受干湿交替作用的混凝土。但不适用于大体积混凝土及耐腐蚀性要求高的混凝土。掺混合材料的混凝土适用于水下混凝土，海港混凝土，大体积混凝土耐腐蚀性要求高的混凝土，高温养护下的混凝土，不适用于有早强要求的混凝土，低温与冬季施工的混凝土，抗冻性，抗碳化要求高的混凝土。由于掺入混合材料的不同三种掺混合材料的硅酸盐水泥的性能还有一点差异。其中，矿渣硅酸盐水泥也适用于有耐热要求的混凝土，不适用于抗渗性要求高的混凝土中；火山灰质硅酸盐水泥也适用于有抗渗要求的混凝土，不适用于干燥环境中的混凝土，有耐磨要求的混凝土；粉煤灰硅酸盐水泥也适用于受载较晚的混凝土，但不适用于干燥环境中的混凝土，有耐磨要求的混凝土。三 新性能水泥混凝土可以在水泥中均匀的掺入纤维质材料，高弹性模量纤维（如钢纤维、玻璃纤维、石棉、碳纤维等）在混凝土中可以起到提高混凝土抗拉、抗折强度，刚度以及承担动载荷的作用低弹性模量；低弹性模量纤维（如尼龙纤维、聚苯乙烯纤维以及其他合成纤维或植物纤维）在混凝土硬化过程中能起到限制混凝土早期塑性开裂的作用。在水泥中加入聚合物，比如聚醋酸乙烯乳液、橡胶乳液、聚丙烯酸脂乳液等。聚合物能使水泥石与集料界面的粘结得到大大的改善，并增加了混凝土的密实度，因而聚合物混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗渗性、抗冻性、抗碳化性、抗冲击性、耐磨性、耐侵蚀性等较普通混凝土均有明显的改善。可以用于耐久性要求较高的路面、机场跑道以及混凝土结构的修补等。在生产掺混合材料的硅酸盐水泥时，如果将矿渣、粉煤灰等混合材料磨到极细，到纳米尺度，可以使混合材料的活性得到极大发挥，小颗粒填充在空隙当中，而使孔隙率降低，使得混凝土的强度，耐久性得到充分提高。