3.第三章 水泥.ppt

广州城建学院 第三章水泥 主讲 卢春燕 广州城建学院 学习任务 广州城建学院 本章内容 第一节通用水泥第二节专用水泥第三节特性水泥 广州城建学院 水泥的定义和分类水泥是一种细磨成粉末状 加入适量水后成为可塑性的浆体 既能在空气中硬化 又能在水中硬化 并能将砂 石等材料牢固地胶结成具有一定强度的整体的水硬性胶凝材料 按用途和性能分类 用于一般土木建筑工程中的水泥 如硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥等 具有专门用途水泥 如中 低热水泥 道路水泥等 具有某种性能比较突出的水泥 如快硬硅酸盐水泥 抗硫酸盐水泥等 广州城建学院 水下混凝土结构 广州城建学院 普通混凝土结构 广州城建学院 道路混凝土 广州城建学院 第一节通用水泥一 硅酸盐水泥现行国家标准GB175 1999定义 凡由硅酸盐水泥熟料 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 国外统称为波特兰水泥 广州城建学院 一 硅酸盐水泥的生产工艺生产原料主要是石灰质原料和粘土质原料两类 石灰质原料 如石灰石 白垩 e 等 主要提供CaO粘土质原料 如粘土 粘土质页岩等 主要提供SiO2 Al2O3 Fe2O3有时两种原料化学组成不能满足要求 还要加入少量校正原料 如铁矿粉等 调整 广州城建学院 生产工艺概述硅酸盐水泥的生产工艺可概括为三个阶段 生料制备 以石灰石 粘土和铁矿粉为主要原料 有时需加入校正原料 将其按一定比例配合 磨细 制得具有适当化学成分 质量均匀的生料 生料煅烧 将生料在水泥窑内经1450 高温煅烧至部分熔融 得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料 水泥粉磨 将熟料加适量石膏和0 5 的石灰石或粒化高炉矿渣共同磨细得到硅酸盐水泥 广州城建学院 硅酸盐水泥生产工艺可概括为 两磨一烧 石灰质原料 粘土质原料 校正原料 熟料 生料 水泥 石灰石或粒化高炉矿渣 磨细 按比例配合 1450 煅烧 磨细 水泥生产流程图 石膏 广州城建学院 二 硅酸盐水泥熟料的矿物组成 生料 SiO2 CaO 化合反应 800 1450 800 左右 分解反应 Al2O3 Fe2O3 2CaO SiO2 3CaO SiO2 3CaO Al2O3 4CaO Al2O3 Fe2O3 广州城建学院 硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料矿物的特性 广州城建学院 矿物组成对水泥性能的影响以上是单个矿物组成的性能 水泥熟料是几种矿物的混合物 改变熟料矿物成分间的比例 水泥的性质即发生相应的变化 硅酸三钙 高强水泥铝酸三钙 硅酸三钙 硅酸二钙 铁铝酸四钙 铁铝酸四钙 抗折强度 道路水泥 水化热 大坝水泥 广州城建学院 例题 现有甲 乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料 其矿物成分如下表 试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异 广州城建学院 三 硅酸盐水泥的水化和凝结硬化水化水泥加水拌和后 水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应 生成各种水化物 硅酸三钙水化硅酸钙氢氧化钙硅酸二钙水化硅酸钙氢氧化钙铝酸三钙水化铝酸钙铁铝酸四钙水化铝酸钙水化铁酸钙 广州城建学院 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 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 主要水化产物为 水化硅酸钙 70 氢氧化钙 20 水化硫铝酸钙 7 水化铝酸钙 水化铁酸钙及等 广州城建学院 凝结硬化随着时间的推移 水泥浆逐渐失去塑性 形成具有一定强度的石状体 这个过程叫水泥的凝结硬化 水泥的凝结硬化大致可划分为以下三个阶段 潜伏期 诱导期 水泥矿物的水化反应凝结期 1h初凝 6 8h终凝硬化期 固体 广州城建学院 四 硅酸盐水泥的技术性质细度细度指水泥颗粒的粗细程度 一般情况下 水泥颗粒越细 其总表面积越大 与水反应时接触的面积也越大 水化反应速度就越快 所以相同矿物组成的水泥 颗粒越细 凝结硬化速度越快 早期强度越高 一般认为 水泥颗粒粒径小于40 m时才具有较大的活性 但水泥颗粒太细 使混凝土发生裂缝的可能性增加 此外 水泥颗粒细度提高会导致生产成本提高 水泥细度可用下列方法表示 广州城建学院 1 筛析法以80 m方孔筛上的筛余量百分率表示 筛析法分负压筛法和水筛法两种 以负压筛法为准 水泥试样筛余百分率按下式计算式中 F 水泥试样筛余百分率 ms 水泥试样在80 m筛上筛余质量 g m 水泥试样的质量 g 水泥负压筛析仪 广州城建学院 2 比表面积法 采用比表面测定仪 勃氏法 检验 根据一定量空气通过一定空隙率和厚度的水泥时所受阻力的不同而引起流速的变化测定 国家标准 硅酸盐水泥不小于300 kg 广州城建学院 标准稠度用水量在测定水泥的凝结时间和安定性时 为使其测定结果具有可比性 必须采用标准稠度的水泥净浆进行测定 现行国家标准 GB T1346 2001 规定 以标准法维卡仪的试杆沉入净浆距底板的距离为6mm 1mm时的水泥浆的稠度作为标准稠度 水泥净浆达到标准稠度时所需拌和水量称为标准稠度用水量 广州城建学院 不同的水泥品种 标准稠度用水量各不相同 硅酸盐水泥一般在24 30 之间 水泥净浆搅拌机 标准法维卡仪 广州城建学院 水泥全部加入水中 开始失去可塑性 完全失去可塑性 初凝时间 终凝时间 凝结时间水泥从加水时至水泥浆失去可塑性所需的时间 凝结时间分初凝时间和终凝时间 初凝时间 从水泥加水至水泥浆开始失去可塑性所经历的时间 终凝时间 从水泥加水至水泥浆完全失去可塑性所经历的时间 广州城建学院 水泥的初凝时间不宜过短 终凝时间不宜过长 水泥的初凝时间太短 则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工 水泥的终凝时间过长 则将延长施工进度和模板周转期 我国现行国标 GB175 1999 规定 硅酸盐水泥初凝不得早于45min 终凝不得迟于6 5h 普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min 终凝不得迟于10h 广州城建学院 水泥的体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀程度 如果这种体积变化是轻微的均匀的 则对建筑物的质量没什么影响 但是如果混凝土硬化后 由于水泥中某些有害成分的作用 在水泥石内部产生了剧烈的 不均匀的体积变化 则会在建筑物内部产生破坏应力 导致建筑物的强度降低 若破坏应力发展到超过建筑物的强度 则会引起建筑物开裂 崩塌等严重质量事故 这种现象称为水泥的体积安定性不良 广州城建学院 引起水泥体积安定性不良的原因是 水泥中含有过多的游离CaO和MgO 熟料中所含游离CaO或MgO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97 以上 从而导致不均匀体积膨胀 使水泥石开裂 石膏掺量过多 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 广州城建学院 强度水泥技术要求中最基本的指标 它直接反映了水泥的质量水平和使用价值 水泥的强度越高 其胶结能力也越大 硅酸盐水泥的强度主要取决于熟料的矿物组成和水泥的细度 此外还与水灰比 试验方法 试验条件 养护龄期等因素有关 广州城建学院 我国现行标准 水泥胶砂强度检验方法 ISO法 GB17671 1999 规定 将水泥 标准砂及水按规定的比例 水泥 标准砂 水 1 3 0 5 用规定方法制成40mm 40mm 160mm的标准试件 在标准条件 24h之内在温度20 1 相对湿度不低于90 的养护箱或雾室内 24h后在20 1 的水中 下养护 测定其3d和28d的抗折强度和抗压强度 相对湿度 空气中实际所含水蒸气密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比值 广州城建学院 水泥胶砂搅拌机 水泥胶砂试模 水泥胶砂振实台 广州城建学院 压力试验机 广州城建学院 抗折强度结果评定 以一组三个棱柱体抗折强度结果的平均值作为试验结果 当三个强度值中有一个超出平均值 10 时 应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果 若两个超出则试验结果无效 抗压强度结果评定 以一组六个棱柱体上得到的六个抗压强度测定值的算术平均值作为试验结果 如六测定值中有一个超出六个平均值的 10 就应剔除这个结果 而以剩下五个的平均数为结果 如果五个测值中再有超过它们平均数 10 的 则此结果作废 广州城建学院 水泥强度等级按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分 在规定各龄期的抗压强度和抗折强度均符合某一强度等级的最低强度值要求时 以28d抗压强度值 MPa 作为强度等级 硅酸盐水泥强度等级分为42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5R六个强度等级 广州城建学院 水泥型号为提高水泥早期强度 我国现行标准将水泥分为普通型和早强型 或称R型 两个型号 早强型水泥3d的抗压强度较同强度等级的普通型强度提高10 24 早强型水泥的3d抗压强度可达28d抗压强度的50 广州城建学院 硅酸盐水泥强度标准 GB175 1999 水泥混凝土路面用水泥 在供应条件允许时 应尽量优先选用早强型水泥 以缩短混凝土养护时间 提早通车 广州城建学院 五 硅酸盐水泥的技术标准按我国现行国标 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 GB175 1999 规定 硅酸盐水泥的技术标准注 1 如水泥经压蒸安定性试验合格 则允许放宽到6 0 2 水泥中碱含量按Na2O 0 658K2O计算值表示 若使用活性骨料 用户要求提供低碱水泥时 水泥中碱含量不得大于0 60 或由供需双方商定 广州城建学院 我国现行国家标准 GB175 1999 规定 凡氧化镁 三氧化硫 初凝时间 安定性中的任一项不符合标准规定 均为废品 废品水泥在工程中严禁使用 凡细度 终凝时间 不溶物和烧失量中的任一项不符合标准规定 或混合材料掺加量超过最大限量 或强度低于规定指标时 称为不合格品 水泥包装标志不全的也属于不合格品 广州城建学院 六 硅酸盐水泥石的腐蚀与防止硅酸盐水泥硬化后形成的水泥石 在正常环境条件下将继续硬化 强度不断增长 但在某些腐蚀性液体或气体的长期作用下 水泥石就会受到不同程度的腐蚀 严重时会使水泥石强度明显降低甚至完全破坏 这种现象称为水泥石的腐蚀 广州城建学院 水泥石腐蚀的类型软水侵蚀 溶出性侵蚀 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 广州城建学院 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 2HCl Ca OH 2 CaCl2 2H2OH2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O 广州城建学院 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 Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2OCaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2 广州城建学院 硫酸盐的腐蚀 膨胀性侵蚀 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 4CaO Al2O3 12H2O 3CaSO4 20H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O Ca OH 2当水中硫酸盐浓度较高时 硫酸钙还会在孔隙中直接结晶成二水石膏 体积膨胀 引起膨胀应力 导致水泥石破坏 广州城建学院 镁盐的腐蚀海水及地下水中 常含有大量的镁盐 主要是硫酸镁和氯化镁 它们与水泥石中的氢氧化钙起复分解反应 MgCl2 Ca OH 2 2H2O CaCl2 Mg OH 2MgSO4 Ca OH 2 2H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2硫酸镁对水泥石起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用 广州城建学院 强碱的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 如氢氧化钠 作用后也会破坏 氢氧化钠与水泥熟料中未水化的铝酸盐作用 生成易溶的铝酸钠 3CaO Al2O3 6NaOH 3Na2O Al2O3 3Ca OH 2当水泥石被氢氧化钠浸透后又在空气中干燥 与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钠 碳酸钠在水泥石毛细孔中结晶沉积 会使水泥石胀裂 2NaOH CO2 Na2CO3 H2O 广州城建学院 水泥石腐蚀的基本原因内因 水泥石中存在有引起腐蚀的组成成分氢氧化钙和水化铝酸钙 水泥石本身不密实 有很多毛细孔通道 侵蚀性介质易进入其内部 外因 外界存在腐蚀性介质和条件 广州城建学院 水泥石腐蚀的防止根据环境特点 合理选择水泥品种 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 提高水泥石的致密度 降低水泥石的孔隙率 通过减小水灰比 掺加外加剂 采用机械搅拌和机械振捣 可以提高水泥石的密实度 在水泥石的表面涂抹或铺设保护层 隔断水泥石和外界的腐蚀性介质的接触 例如 可在水泥石表面涂抹耐腐蚀的涂料 如 水玻璃 沥青 环氧树脂等 或在水泥石的表面铺建筑陶瓷 致密的天然石材等 广州城建学院 七 硅酸盐水泥的特性与应用凝结硬化快 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 预制 现浇等工程 高强度混凝土工程 如预应力钢筋混凝土 大坝溢流面部位混凝土 抗冻性好 适用于抗冻性要求高的工程 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 耐腐蚀性差 因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多 不宜用于流动的淡水接触及有水压作用的工程 也不适用于受海水 矿物水等作用的工程 广州城建学院 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 对钢筋的保护作用较强 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 广州城建学院 八 硅酸盐水泥的储存与运输硅酸盐水泥在储存和运输过程中 应按不同品种 不同强度等级及出厂日期分别储运 不得混杂 要注意防潮 防水 水泥的有效储存期是3个月 一般水泥在储存3个月后 强度降低约10 20 6个月后降低15 30 存放超过6个月的水泥必须经过检验后才能使用 广州城建学院 二 掺混合材料的硅酸盐水泥为改善硅酸盐水泥的某些性能 同时达到增加产量和降低成本的目的 在硅酸盐水泥熟料中 掺入一定数量的混合材料和适量石膏共同磨细的水硬性胶凝材料 称为掺混合材料的硅酸盐水泥 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 粉煤灰硅酸盐水泥及复合硅酸盐水泥 广州城建学院 一 混合材料活性混合材料活性混合材料是具有较高的火山灰性或潜在的水硬性或两者兼有 性能符合有关国家标准的矿物材料 火山灰性 指一种材料磨成细粉 单独不具有水硬性 但在常温下与石灰一起和水拌合后 能生成具有水硬性化合物的性能 潜在的水硬性 指将磨细的材料与水拌合后 在有少量激发剂的情况下 具有水硬性的性能 广州城建学院 常用的活性混合材料 粒化高炉矿渣 火山灰质混合材料和粉煤灰 粒化高炉矿渣粒化高炉矿渣是炼铁高炉的熔融矿渣经急速冷却而成的松软颗粒 其粒径一般为0 5 5mm 矿渣经水淬的原因 就是要使之形成无定形的玻璃体 具有热力学不稳定性 因此具有活性 广州城建学院 火山灰质混合材料凡是天然或人工的以氧化硅 氧化铝为主要成分 具有火山灰性的矿物材料 称为火山灰质混合材料 如火山灰 凝灰岩 煤矸石渣等 粉煤灰是以煤粉为燃料的火力发电厂从其锅炉烟气中收集下来的粉末 又称飞灰 粉煤灰中含有较多的活性SiO2 Al2O3 具有较高的活性 广州城建学院 非活性混合材料经磨细后加入水泥中不具有或只具有微弱的化学活性 在水泥水化中基本上不参加化学反应 仅起提高产量 降低水泥强度等级 节约水泥熟料的作用 因此又称为填充性混合材料 如石英砂 石灰石 粘土等 广州城建学院 二 普通硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料 6 15 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P O 水泥中混合材料掺量按质量百分比计 掺活性混合材料时 最大掺量不得超过15 其中允许用不超过水泥质量5 的窑灰或不超过水泥质量10 的非活性混合材料来代替 掺非活性混合材料时 最大掺量不得超过水泥质量10 广州城建学院 普通硅酸盐水泥强度等级分为32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个强度等级 普通硅酸盐水泥强度标准 GB175 1999 广州城建学院 由于混合材料的掺量较少 所以普通硅酸盐水泥的性质与硅酸盐水泥基本相同 略有差异 主要表现为 1 早期强度略低 2 耐腐蚀性略有提高 3 耐热性稍好 4 水化热略低 5 抗冻性 耐磨性 抗碳化性略有降低 广州城建学院 三 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥 简称矿渣水泥 由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 代号P S 水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为20 70 允许石灰石 窑灰 粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料代替矿渣 代替数量不得超过水泥质量的8 代替后水泥中粒化高炉矿渣不得少于20 广州城建学院 火山灰质硅酸盐水泥 简称火山灰水泥 凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 代号P P 水泥中火山灰质混合材料掺加量按质量百分比计为20 50 粉煤灰硅酸盐水泥 简称粉煤灰水泥 凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 代号P F 水泥中粉煤灰掺加量按质量百分比计为20 40 广州城建学院 这三种水泥强度等级分为32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个强度等级 矿渣水泥 火山灰水泥及粉煤灰水泥的强度标准 GB1344 1999 广州城建学院 这三种水泥与水拌和后 首先是水泥熟料水化 然后 水化生成的Ca OH 2再与活性混合材料中的活性组分发生二次水化反应生成相应的水化产物 由该水化过程和活性混合材料的水化特点可知 掺活性混合材料的水泥较硅酸盐水泥的凝结硬化速度慢 早期强度低 广州城建学院 三种水泥的共性凝结硬化慢 早期强度低 后期强度高 对温度敏感 适合高温养护 抗软水 海水和硫酸盐腐蚀的能力较强 水化放热量小 抗冻性和耐磨性较差 广州城建学院 三种水泥的特性矿渣水泥耐热性较好 可用于高温环境中 保水性差 易产生泌水 抗渗性差 干缩性大 不宜用于有抗渗要求的混凝土工程中 火山灰水泥保水性好 具有较高的抗渗性和耐水性 可用于有抗渗要求的混凝土工程 粉煤灰水泥干缩性小 抗裂性好 抗碳化能力差 广州城建学院 四 复合硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料 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P C 水泥中混合材料总掺加量按质量百分比应大于15 不超过50 允许用不超过8 的窑灰代替部分混合材料 掺矿渣时混合材料掺量不得与矿渣硅酸盐水泥重复 广州城建学院 复合硅酸盐水泥强度等级分为32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个强度等级 按现行国标 复合硅酸盐水泥 GB12958 1999 规定 对复合硅酸盐水泥技术要求 细度 氧化镁 三氧化硫 安定性等指标与矿渣水泥 火山灰水泥和粉煤灰水泥相同 但对凝结时间的要求有所不