第05章水泥.ppt

第五章水泥水泥 指加水拌和成塑性浆后 能胶结砂 石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料 土木建筑工程通常采用的水泥主要有 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 粉煤灰硅酸盐水泥等品种 第一节硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料 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 硅酸盐水泥在国际上分为两种类型 不掺混合材的称I型硅酸盐水泥 其代号为P I 在硅酸盐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II型硅酸盐水泥 其代号为 II 一 硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥的原料 主要是石灰质和粘土质两类原料 为了补充铁质及改善煅烧条件 还可加入适量铁粉 萤石等 生产水泥的基本工序可以概括为 两磨一烧 先将原材料破碎并按其化学成分配料后 在球磨机中研磨为生料 然后入窑锻烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料 配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度 即得到硅酸盐水泥 二 硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为 硅酸三钙硅酸三钙的化学成分为 a i 2 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 硅酸二钙硅酸二钙的化学成分为2 a i 2 其简写为C2S 约占水泥熟料总量的15 37 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 铝酸三钙铝酸三钙的化学成分是 CaO Al2O3 其简写为C3 约占水泥熟料总量的7 15 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 铁铝酸四钙铁铝酸四钙的化学成分为 CaO Al2O3 Fe2O3 其简写为 4AF 约占水泥熟料总量的10 18 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 3 硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥遇水后 水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应 生成各种水化物 硅酸三钙水水化硅酸钙氢氧化钙 硅酸二钙水水化硅酸钙氢氧化钙铝酸三钙水水化铝酸三钙铁铝酸四钙水水化铝酸三钙水化铁酸钙 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针状结晶体 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 水泥浆中不断增加的水化产物主要有 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新生矿物 4 硅酸盐水泥的凝结和硬化水泥加水拌合后的剧烈水化反应 一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少 另一方面 水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出 水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大 使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小 越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构 此时 水泥浆便开始慢慢失去可塑性 表现为水泥的初凝 由于铝酸三钙水化极快 会使水泥很快凝结 为使工程使用时有足够的操作时间 水泥中加入了适量的石膏 水泥加入石膏后 一旦铝酸三钙开始水化 石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石 钙矾石很难溶解于水 可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面 从而阻碍了铝酸三钙的水化 阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散 降低了水泥的水化速度 使水泥的初凝时间得以延缓 当掺入水泥的石膏消耗殆尽时 水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破 铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行 水泥颗粒间逐渐相互靠近 直至连接形成骨架 水泥浆的塑性逐渐消失 直到终凝 随着水化产物的不断增加 水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实 加之水化产物中的氢氧化钙晶体 水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中 逐渐形成了具有一定强度的水泥石 从而进入了硬化阶段 水化产物的进一步增加 水分的不断丧失 使水泥石的强度不断发展 随着水泥水化的不断进行 水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程 称为水泥的 凝结 随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石 水泥石 这一过程称为水泥的 硬化 实际上 水泥的水化过程很慢 较粗水泥颗粒的内部很难完全水化 因此 硬化后的水泥石是由晶体 胶体 未完全水化颗粒 游离水及气孔等组成的不均质体 5 影响水泥凝结硬化的主要因素 矿物组成不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的 如C3A水化速率最快 放热量最大而强度不高 C2S水化速率最慢 放热量最少 早期强度低 后期强度增长迅速等 因此 改变水泥的矿物组成 其凝结硬化情况将产生明显变化 水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素 水泥浆的水灰比水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比 当水泥浆中加水较多时 水灰比较大 此时水泥的初期水化反应得以充分进行 但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远 颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长 所以水泥浆凝结较慢 水泥浆的水灰比较大时 多余的水分蒸发后形成的孔隙较多 造成水泥石的强度较低 因此水泥浆的水灰比过大时 会明显降低水泥石的强度 3 石膏掺量石膏起缓凝作用的机理可解释为 水泥水化时 石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙 钙矾石 钙矾石很难溶解于水 它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜 从而阻碍了铝酸三钙的水化反应 控制了水泥的水化反应速度 延缓了凝结时间 4 水泥的细度在矿物组成相同的条件下 水泥磨得愈细 水泥颗粒平均粒径小 比表面积大 水化时与水的接触面大 水化速度快 相应地水泥凝结硬化速度就快 早期强度就高 5 环境温度和湿度在适当温度条件下 水泥的水化 凝结和硬化速度较快 反应产物增长较快 凝结硬化加速 水化热较多 相反 温度降低 则水化反应减慢 强度增长变缓 但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢 甚至下降 水的存在是水泥水化反应的必要条件 当环境湿度十分干燥时 水泥中的水分将很快蒸发 以致水泥不能充分水化 硬化也将停止 反之 水泥的水化将得以充分进行 强度正常增长 6 龄期 时间 水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程 只要温度 湿度适宜 水泥强度的增长可持续若干年 6 硅酸盐水泥的技术要求 细度水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响 水泥颗粒粒径一般在7 200 m范围内 国家标准GB175 1999规定 水泥的细度可用比表面积或0 08mm方孔筛的筛余量 未通过部分占试样总量的百分率 来表示 其筛余量不得超过规定的限值 比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和 cm2 g或m2 kg 一般常为317 350m2 kg 标准稠度用水量稠度是水泥浆达到一定流动度时的需水量 国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定性时需用 标准稠度 的水泥净浆 标准稠度 是人为规定的稠度 其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定 硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在 之间 3 凝结时间水泥从加水开始到失去其流动性 即从液体状态发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程 这个过程所需要的时间称为凝结时间 凝结时间分初凝时间和终凝时间 初凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性所需的时间 终凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间 国家标准规定 水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆 在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定 硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于6h30min 体积安定性水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性 即水泥硬化浆体能保持一定形状 不开裂 不变形 不溃散的性质 体积安定性不良的水泥应作废品处理 不得应用于工程中 否则将导致严重后果 导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料中的游离氧化钙 游离氧化镁或掺入石膏过多等原因造成的 其中游离氧化钙是一种最为常见 影响也是最严重的因素 熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的 结构致密 水化很慢 加之被熟料中其它成分所包裹 使得其在水泥已经硬化后才进行熟化 生成六方板状的Ca OH 2晶体 这时体积膨胀 以上 从而导致不均匀体积膨胀 使水泥石开裂 当石膏掺量过多时 在水泥硬化后 残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石 体积增大约1 5倍 从而导致水泥石开裂 国家标准规定 水泥的体积安定性用雷氏法或试饼沸煮法检验 5 强度强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标 水泥的强度是按照GB T17961 1999 水泥胶砂强度检验方法 ISO 法 的标准方法制作的水泥胶砂试件 在20 1 C温度的水中 养护到规定龄期时检测的强度值 其中标准试件尺寸为4cm 4cm 16cm 胶砂中水泥与标准砂之比为1 3 W C 0 5 标准试验龄期分别为 d和28d 分别检验其抗压强度和抗折强度 按照测定结果 将硅酸盐水泥分为42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5R六个强度等级 各等级硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求见表5 3 6 碱含量水泥中含有较多的强碱物Na2O或K2O时 容易发生不良反应对结构造成危害 因而国家标准规定 水泥中的含碱量不得大于0 6 7 水泥石的腐蚀7 1水泥石腐蚀的方式 软水侵蚀水泥石长期接触软水时 会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出 当水泥石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时 水泥石中的其它含钙矿物也可能分解和溶出 从而导致水泥石结构的强度降低 甚至破坏 当水泥石处于软水环境时 特别是处于流动的软水环境中时 水泥被软水侵蚀的速度更快 一般酸的腐蚀工程结构处于各种酸性介质中时 酸性介质易与水泥石中的氢氧化钙反应 其反应产物可能溶于水中而流失 或发生体积膨胀造成结构物的局部被胀裂 破坏了水泥石的结构 其基本化学反应式为 碳酸的腐蚀雨水及地下水中常溶有较多的二氧化碳 形成了碳酸 碳酸水先与水泥石中的氢氧化钙反应 中和后使水泥石碳化 形成了碳酸钙 碳酸钙再与碳酸反应生成可溶性的碳酸氢钙 并随水流失 从而破坏了水泥石的结构 其腐蚀反应过程为 硫酸盐的腐蚀当环境中含有硫酸盐的水渗入到水泥石结构中时 会与水泥石中的氢氧化钙反应生成石膏 石膏再与水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石 产生1 5倍的体积膨胀 这种膨胀必然导致脆性水泥石结构的开裂 甚至崩溃 由于钙矾石为微观针状晶体 人们常称其为水泥杆菌 此外 有些其它物质也能腐蚀水泥石 如镁盐 强碱 糖类 脂肪等 7 2防止水泥石腐蚀的方法 根据工程的环境特点 合理选择水泥品种 或适当掺加混合材料 减少可腐蚀物质的浓度 防止或延缓水泥的腐蚀 如处于软水环境的工程 常选用掺混合材料的矿渣水泥 火山灰水泥或粉煤灰水泥 因为这些水泥的水泥石中氢氧化钙含量低 对软水侵蚀的抵抗能力强 提高混凝土的密实度 采取措施减少水泥石结构的孔隙率 特别是提高表面的密实度 阻塞腐蚀介质渗入水泥石的通道 在水泥石结构的表面设置保护层 隔绝腐蚀介质与水泥石的联系 如采用涂料 贴面等致密的耐腐蚀层覆盖水泥石 能够有效地保护水泥石不被腐蚀 8 硅酸盐水泥的性能特点与应用 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 如冬季施工