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第三章无机胶凝材料 石膏石灰水玻璃硅酸盐水泥掺混合材的硅酸盐水泥其它品种水泥 胶凝材料定义 是指在一定的条件下 经过一系列的物理化学作用后 能将散粒状 如砂 石子 或块状 砖 砌块 材料粘结成为具有一定强度的整体的材料 分类 气硬性 石膏 石灰无机胶凝材料菱苦土 水玻璃水硬性 各种水泥有机胶凝材料 沥青 树脂 橡胶 气硬性胶凝材料与水硬性胶凝材料的区别 一是硬化条件不同 气硬性胶凝材料只能在空气中凝结硬化 在水中不能硬化 而水硬性胶凝材料既能在空气中凝结硬化 而且能更好地在水中硬化和发展其强度二是适用环境不同 气硬性胶凝材料适宜用于干燥环境 不能用于潮湿环境 更不能用于水中 而水硬性胶凝材料不仅能用于空气中 而且能更好的用于水中 ConstructionMaterials 第一节石灰 Lime 一 石灰的制备原料 石灰石 主要成分是CaCO3 有少量MgCO3 原材料中粘土杂质含量小于8 反应式 生石灰过火石灰欠火石灰 按氧化镁的多少 建筑石灰分钙质和镁质石灰两类 5 钙质石灰MgO 5 镁质石灰同等级的钙质石灰质量优于镁质石灰 一 石灰的制备 二 生石灰的消化 Slaking 反应式 依加水的多少 消化后的状态有 消石灰粉石灰膏石灰浆生石灰粉 直接粉磨 定义 工地上使用石灰时 通常将石灰加水 使之消解为膏状或粉末状的消石灰 这个过程称为石灰的 消化 又称 熟化 块状生石灰 二 生石灰的熟化石灰的陈伏 定义 石灰膏在储灰池中隔离空气下保存 两周 以上的工艺过程 目的 消除过火石灰的危害要求 表面应保有一层水分 使其与空气隔绝过火石灰 过烧 表面形成一层釉质 熟化极慢 当这种未充分熟化的石灰抹灰后 会吸收空气中的水分继续熟化 体积膨胀 最终造成墙面的隆起 开裂 但若将生石灰磨细后使用 则不需要 陈伏 制备工艺与产品 石灰石 1000 1200 C 磨细 生石灰粉 生石灰 水喷淋 熟石灰粉 水 化灰池 石灰浆 浓缩 石灰膏 陈伏 煅烧温度较低 时间较短时 欠火石灰煅烧温度较高 时间较长时 过火石灰 减轻或消除过火石灰的危害 石灰浆体 氢氧化钙晶体碳酸钙晶体 石灰凝胶体 石灰碳化体 水 孔隙 水分损失 碳化 三 石灰的硬化 结晶作用生石灰或熟石灰 水成为Ca OH 2浆体 浆体中游离水的不断损失 导致Ca OH 2结晶 晶粒长大 交错堆聚成晶粒结构网 硬化 碳化作用Ca OH 2与空气中的CO2气体反应 在表面形成CaCO3膜层 提高耐久性 石灰凝结硬化过程的特点 1 速度慢 通常需要几周的时间加快硬化速度的简易方法有加强通风和提高空气中CO2的浓度2 体积收缩大 容易产生收缩裂缝 四 石灰的性质与技术要求 1 良好的保水性与可塑性2 凝结硬化慢 强度低 主要为失水硬化3 耐水性差 不宜用于潮湿 水侵环境4 收缩大 抗折强度低 加砂 丝麻5 吸湿性强 1 石灰的性质 2 建筑石灰的技术要求 ConstructionMaterials 建筑生石灰粉的技术指标 JC T480 92 3 建筑消石灰粉的技术指标 钙质 MgO 4 镁质 4 MgO 24 和白云石消石灰粉 24 MgO 30 五 石灰的应用 配制石灰砂浆和石灰乳 配制三合土和灰土 石灰占灰土总重的10 30 即一九 二八及三七灰土 制作碳化石灰板 生产无熟料水泥和硅酸盐制品 某工地急需配制石灰砂浆 当时有消石灰粉 生石灰粉及生石灰材料可供选用 因生石灰价格相对较便宜 便选用 并马上加水配制石灰膏 再配制石灰砂浆 使用数日后 石灰砂浆出现众多凸出的膨胀性裂缝 请分析原因 这是由于石灰浆的陈伏时间不足 制使其中部分过火石灰在石浆砂浆制作时尚未水化 导致在硬化的石灰砂浆中继续水化成Ca OH 2 产生体积膨胀 从而形成膨胀性裂纹 六 石灰的储存 生石灰储存时间不宜过长 一般不超过一个月 做到 随到随化 以防止碳化 不得与易燃 易爆等危险液体物品混合存放和混合运输 受潮熟化放出大量热量 熟石灰在使用前必须陈伏14d以上 以防止过火石灰对建筑物产生的危害 第二节石膏 Gypsum 是一种以硫酸钙 CaSO4 为主要成分的古老的气硬胶凝材料 特点 1 具有质轻 强度较高 绝热 防火 质地细腻美观 是优良的装饰材料 2 易于加工 成品多样 能做成各类石膏线 3 资源丰富 分布广 储量大 4 理想的高效节能材料 是重点发展的新型材料 一 石膏的制备 原材料 天然二水石膏 CaSO4 2H2O 生石膏 天然无水石膏 CaSO4 仅用于生产无水石膏水泥化工石膏 磷石膏 氟石膏 化工副产品 工艺 原材料 不同温度 压力煅烧 磨细 成品 二水石膏晶体形貌 半水石膏晶体形貌 天然石膏矿纤维状晶体 石膏制备工艺示意图 各类石膏的特点 建筑石膏 CaSO4 1 2H2O 又称熟石膏 晶体较细 需水量较大 80 100 因而强度较低 主要用于石膏建筑制品高强石膏 CaSO4 1 2H2O 晶粒粗大 需水量小 35 45 强度高 高级室内抹灰 石膏线 石膏板等可溶性石膏 需水量大 凝结很快 强度低 不宜直接使用 各类石膏的特点 不溶性硬石膏 难溶于水 生产无水石膏水泥 高温煅烧石膏 硬化后有较高的强度和耐磨性 抗水性也较好 凝结硬化过程 流体 塑性体 固体 水化反应式 C 8 16g L 半水石膏的溶解度 C 2 05g L 二水石膏的溶解度 二 建筑石膏的凝结硬化 二 建筑石膏的凝结硬化 凝结硬化过程中的水化反应 CaSO4 0 5H2O 1 5H2O CaSO4 2H2O Q即 石膏的水化反应是由二水石膏制备半水石膏的逆反应凝结硬化机理 溶解 沉淀理论 溶解沉淀硬化 半水石膏的溶解度 8 16g L 大于二水石膏 2 05g L 因此 前者在水中不断溶解 生成Ca2 SO42 离子的饱和溶液 半水石膏的饱和溶液 对于二水石膏是过饱和溶液 后者不断结晶沉淀 二水石膏晶体不断生长 连生 交错 构成晶体颗粒堆聚的结晶结构网 凝结硬化的物理化学过程 石膏浆体 半水石膏颗粒二水石膏晶体 石膏胶体 石膏硬化体 水 孔隙 水化初期 二水石膏晶体较少 随着水化反应进行二水石膏晶体量 石膏硬化体中晶体堆积体 凝结硬化过程特点 1 速度快 水化过程一般为7 12min 整个凝结硬化过程只需20 30min 2 体积微膨胀 建筑石膏凝结硬化过程产生约1 左右的体积膨胀 这是其它胶凝材料所不具有的特性 是一种较好的室内饰面材料 三 建筑石膏的等级与技术性质 GB9776 88 按强度 细度 凝结时间分 ConstructionMaterials 建筑石膏易吸潮 长期限储存强度会有所降低 因此 一般储存时间不得超过三个月 建筑石膏的标记顺序为 产品名称 抗折强度值 标准号 例 抗折强度为2 5MPa 标记为 建筑石膏2 5GB9776 88 三 建筑石膏的等级与技术性质 石膏颗粒表面分子首先水化 颗粒表面二水石膏晶体不断增多 半水石膏全部水化成二水石膏 所以 石膏胶凝材料运输 储存中 必须防潮 防水 以免失效 三 建筑石膏的等级与技术性质 1 表观密度小 抗折强度低 加筋 覆面 2 凝结硬化快 6 30min 加缓凝剂3 孔隙率大 导热率小 质轻 吸声性好 4 体积微膨胀 制品密实 表面光滑细腻 5 防火性好 高温 结晶水脱出 6 吸湿性强 耐水性和抗冻性差 防水剂 铝箔覆面改性 7 加工性能好 可锯 可刨 可钉 可打眼 1 为什么石膏制品的耐水性差Why 答 石膏晶体是亲水性很强的离子晶体 而且晶体内有明显的解理面 层间和晶体颗粒间是较弱的氢键结合 因此 水分子进入 降低了晶体层间和颗粒间的相互作用力 导致强度下降 其软化系数只有0 30 0 45 另一方面 二水石膏在水中的溶解度较大 石膏制品长期在水中的强度将更低 学会分析 思考和回答问题 2 如何改善石膏制品的耐水性How 答 降低孔隙率 改善孔隙结构 对毛细缝隙进行憎水处理 以减小吸水率 掺加其它矿物或有机物 以降低晶体水化物的溶解度 阻止水分子对晶体颗粒间的削弱作用 二水石膏晶体解理面 3 为什么石膏制品的防火性好Why 答 石膏制品的孔隙率大 隔热性较好 二水石膏晶体含有两个结晶水分子 在受热后 二水石膏晶体脱去水分子 并蒸发吸收和带走热量 硫酸钙分子的分解温度很高 因此 在高温下 主要发生脱水和烧结 学会分析 思考和回答问题 4 进一步思考的问题 警察在勘察犯罪野外现场时 用石膏翻版罪犯足印 其原理是什么 试验证明石膏板有调节室内湿度的功能 为什么 如何在土木工程建设中正确地使用或选用石膏 为什么 调湿作用 红线条表示室内湿度变化 蓝线条表示室外湿度变化 四 建筑石膏的应用 建筑石膏是一种很好的绿色建材 应用中扬长避短 正确应用 建筑上的主要应用有 建筑石膏制品 各种板材 墙板 天花板等艺术装饰品粉刷石膏 墙面粉刷雕饰 各种墙板 德国一所教堂的外墙面雕饰 室内墙面和天花板的雕饰 建筑石膏与石灰的凝结硬化对比 请观察与对比经过半小时后的建筑石膏与石灰的凝结录像 并分析两者凝结硬化的差别石膏凝结石灰凝结 建筑石膏凝结过程很快 终凝时间不超过30min 而石灰凝结慢 此外 石灰硬化后体积收缩 而石膏则略有膨胀 膨胀率为0 05 0 15 此性质使石膏制品干燥时不开裂 光滑饱满 石膏硬化后多孔 故强度较低 石灰水化形成Ca OH 2 强度也不高 碳化后强度才能提高 但这是一个缓慢的过程 建筑石膏及石灰均为耐水性差的气硬性胶凝材料 且石膏吸湿 吸水性大 工程实例分析 某住户喜爱石膏制品 全宅均用普通石膏浮雕板作装饰 使用一段时间后 客厅 卧室效果相当好 但厨房 厕所 浴室的石膏制品出现发霉变形 请分析原因 厨房 厕所 浴室等处一般较潮湿 普通石膏制品具有强的吸湿性和吸水性 在潮湿的环境中 晶体间的粘结力削弱 强度下降 变形 且还会发霉 建筑石膏一般不宜在潮湿和温度过高的环境中使用 欲提高其耐水性 可于建筑石膏中掺入一定量的水泥或其它含活性SiO2 Al2O3及CaO的材料 如粉煤灰 石灰 掺入有机防水剂亦可改善石膏制品的耐水性 第三节其他气硬性胶凝材料 俗称泡花碱品种 硅酸钠水玻璃 Na2O nSiO2 硅酸钾水玻璃 K2O nSiO2 硅酸锂水玻璃 Li2O nSiO2 通式 R2O nSiO2n 水玻璃模数 即二氧化硅与碱金属氧化物这间的摩尔比 一般在1 5 3 5之间 n值越大 越难溶于水中 一 水玻璃 一 水玻璃的生产 湿法 将石英砂和苛性钠溶液在压蒸锅 2 3大气压 内用蒸汽加热 并搅拌 使直接反应而成液体水玻璃 干法 将石英砂和碳酸钙磨细拌匀 在熔炉内于1300 1400 温度下熔化 按下式反应生成固体水玻璃 然后在水中加热溶解而成液体水玻璃 ConstructionMaterials 碳化硬化 水玻璃吸收空气中的二氧化碳 形成无定形的硅酸硅胶 并逐渐干燥而硬化 由于空气中的CO2含量低 水玻璃的硬化过和缓慢 为了加速硬化 常加入氟硅酸钠 Na2SiF6 掺量为水玻璃的12 15 二 水玻璃的硬化 三 水玻璃的特性 1 良好的粘结能力 2 较强的耐酸性能 由于硬化后的水玻璃主要成分为SiO2 在强氧化性酸中具有较高的化学稳定性 能抵抗大多数无机酸和有机酸的作用 3 具有良好的耐热性能 4 不耐水 不耐碱 四 水玻璃的应用 涂刷或浸渍材料 外墙的抗风化剂 加固基础 化学加固法 水玻璃 氯化钙 亦称硅化加固法 配防水砂浆 水玻璃中加入2至5种矾 制成防水剂 用于填缝 局部抢修 配耐酸砂浆 耐酸工程 配耐热砂浆 高炉基础 修补砖墙裂缝注意 不能长期浸水 不耐碱 问题 为什么水玻璃模数n越大 粘结力越强 耐水性越好 答 n是SiO2 R2O的摩尔比 n越大 表明SiO2含量越大 硬化后的玻璃体中SiO2的交联密度越大 所以 粘结力越强 耐水性越好 第四节硅酸盐水泥 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 46 ConstructionMaterials 加拿大Montreal体育馆 47 输水管 内径6 6m外径7 5m 48 美国加州引水渠 3 4 1水泥 cement 的生产与基本组成 硅酸盐水泥定义 由硅酸盐水泥熟料 0 5 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 波特兰水泥 分类 不掺加混合材料 称为 型硅酸盐水泥 代号P I加入不超过水泥质量5 的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料 称为 型硅酸盐水泥 代号P 一 硅酸盐水泥是怎样制造的 原料 硅质 粘土 SiO2 Al2O3 占1 3钙质 石灰石 白垩等 CaO 占2 3调节原料 铁矿与砂 调节与补充Fe2O3与SiO2制造工艺 原料经粉磨混合后得到水泥生料生料经窑内煅烧得到水泥熟料水泥熟料 石膏 或再 混合材 一起经粉磨混合后得到水泥 两磨一烧 水泥生料可以是 与水混合成浆体 湿法工艺加少量水制成料球 半干法工艺加稍多水制成湿球 半湿法工艺干粉混合物 干法工艺 硅质 粘土 钙质 石灰石 1450 调节原料 石膏 石膏 水泥 生料 熟料 混合材 水泥制造的 两磨一烧 工艺流程 粉磨 煅烧 粉磨 预热器 回转窑 硅酸盐水泥熟料制造工艺流程 回转窑尾 1450 1500 C 二 硅酸盐水泥的熟料成分 硅酸盐水泥熟料 以适当比例的石灰质原料 粘土质原料和少量校正原料共同磨制成生料 将生料送入水泥窑中进行高温煅烧至部分熔融 所得的以硅酸钙 CaSiO3 为主要成分的产物 化学组成 主要成分 CaO C SiO2 S Al2O3 A Fe2O3 F 少量杂质 MgO K2O Na2O SO3 P2O5等 矿物组成 硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物 硅酸盐水泥熟料的组成 水泥颗粒宏观形貌 水泥颗粒的结构 水泥熟料颗粒细观形貌 水泥熟料矿物微观结构 二 硅酸盐水泥的熟料成分 石膏是硅酸盐系水泥中必不可少的组成材料 主要作用是调节水泥的凝结时间 常采用天然的或合成的二水石膏CaSO4 2H2O 除四种主要成分外 水泥中尚含有少量游离CaO MgO SO3及碱 K2O Na2O 这些均为有害成分 国家标准中有严格限制 三 水泥的水化 凝结 硬化 水化 物质由无水状态变为有水状态 由低含水变为高含水 统称为水化 凝结 水泥加水拌和初期形成具有可塑性的浆体 然后逐渐变稠并失去可塑性的过程称为凝结 三 水泥的水化 凝结 硬化 硬化 失去可塑性以后 浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体 水泥石 这一过程称为硬化 水泥 水 流体 可塑性浆体 塑性体 固体 三 水泥的水化 凝结 硬化 水泥水化反应2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2 水化硅酸钙 水化速度较快 早期强度高 水化热较高 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2 水化硅酸钙 水化速度较慢 早期强度低 水化热较小 三 水泥的水化 凝结 硬化 水泥水化反应3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O 水化铝酸三钙 水化速度很快 早期强度高 放热量大4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O 水化铝酸三钙 水化铁酸钙 水化反应快 水化放热中等 强度较低 三 水泥的水化 凝结 硬化 水泥水化产物晶体 氢氧化钙20 25 水化铝酸钙水化硫铝酸钙 石膏作用下生成 钙矾石 胶体 水化硅酸钙 C S H 70 水化铁酸钙C S H尺度为1 0 100nm 1nm 10 7mm 63 ConstructionMaterials 水泥浆扫描电镜照片 7d龄期 C S H 钙矾石 64 ConstructionMaterials C S H水化硅酸钙凝胶 CHCrystal氢氧化钙晶体 电镜下的水泥水化产物图 水泥浆中氢氧化钙的生长 3天 7天 28天 365天 66 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图1 67 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图2 水泥的水化示意图2 68 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图3 水泥的水化示意图3 69 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图4 水泥的水化示意图4 70 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图5 水泥的水化示意图5 71 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图5 水泥的水化示意图6 72 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图6 水泥的水化示意图7 73 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图7 水泥的水化示意图8 74 ConstructionMaterials 水泥的水化示意图8 水泥的水化示意图9 硅酸盐水泥熟料矿物的基本特性 抗压强度与水化放热的比较 工程实例分析 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 C3S61 C2S14 C3A14 C4AF11 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 四 水泥石的结构 水泥石的组成 未水化水泥颗粒 水化产物 晶体 胶体 毛细孔 毛细水 水泥石是多相 固相 液相 气相 多孔体系 水泥石的工程性质取决于水泥石的结构组成 即决定于水化物的类型和相对含量 内部孔的大小 形状和分布状态 毛细孔 未被水化产物所填充的原充水空间凝胶孔 C S H内部的结构孔28 影响水泥石结构的因素 水灰比水化程度养护时间 龄期温度石膏用量 80 ConstructionMaterials 养护对水泥强度发展的影响 81 ConstructionMaterials 蒸汽养护 蒸气养护的水泥混凝土构件 问题 水泥凝结硬化速度快 好吗 答 水化加快 放热速率加速 升温并膨胀 凝结硬化形成的微结构体积较疏松 且在随后的降温期间 或受干燥环境作用收缩变形时产生大量微裂缝 致使结构混凝土强度与渗透性 耐久性 受到严重影响 水泥宜在什么条件下凝结硬化 答 水泥宜在常温 20 10 C 与相对湿度较高的条件下 凝结硬化 即水泥水化速度适宜的温度 水化所需水分供应充足的条件 五 硅酸盐水泥的技术性质 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 GB175 1999 1 密度 细度密度 3 05 3 20g cm3 一般取3 1 堆积密度 1 3g cm3 细度 指水泥颗粒的粗细程度 用筛分析法 300m2 kg 影响水泥的水化速度 收缩等性质 粒径 40 m水化非常缓慢 接近惰性 细度不符合要求的水泥为不合格品 采用边长为80 m的方孔筛对水泥试样进行筛析试验 用筛余百分数表示水泥的细度 根据一定量空气通过一定空隙率和厚度的水泥层时 所受阻力不同而引起流速的变化来测定水泥的比表面积 单位质量的粉末所具有的总表面积 2 氧化镁 三氧化硫 碱含量 氧化镁 MgO 5 影响体积稳定性 三氧化硫 SO3 3 5 影响体积稳定性 碱 Na2O K2O 0 6 以Na2O 0 685K2O计 超量造成碱骨料反应破坏 3 凝结时间 初凝时间 t初 水泥开始加水拌和至水泥浆开始失去可塑性所需的时间 终凝时间 t终 水泥开始加水拌和至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间 GB175 1999规定 t初 45mint终 6 5h 实验测定 国标规定 凡初凝时间不符合规定的水泥为废品 终凝时间不符合规定的水泥为不合格品 为什么 答 水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量 初凝时间太短 来不及施工 水泥石结构疏松 性能差 水泥无使用价值 即为废品 终凝时间太长 强度增长缓慢 也会影响施工 即为不合格品 3 凝结时间凝结时间的工程意义 水泥的初凝时间不宜过早 以便在施工时有足够的时间完成混凝土或砂浆的搅拌 运输 浇注和砌筑等工作 水泥的终凝时间不宜过迟 以免延误施工工期 异常情况 闪凝 无石膏假凝 温度过高 石膏少缓凝 温度过低 有机质 4 体积安定性 定义 是水泥硬化后因体积膨胀而产生不均匀变形的性质 体积安定性不良的水泥应作废品处理 原因 熟料中含游离氧化钙 f CaO 过多熟料中含游离氧化镁 f MgO 过多掺入石膏过多 4 体积安定性游离氧化钙 镁膨胀原因 熟料中f CaO f MgO都是过烧的 结构致密 水化很慢 水泥硬化后才吸收孔隙中水分熟化 CaO H2O Ca OH 2MgO H2O Mg OH 2体积膨胀97 以上 从而引起不均匀体积膨胀 使水泥石开裂 掺入石膏过多 高硫型水化硫铝酸钙 钙矾石 水泥浆中的钙钒石 生长在水泥石孔隙中的针状的钙钒石晶体 4 体积安定性体积安定性不良的检验 国家标准 GB1346 规定采用 沸煮法 雷氏夹 试饼法 f CaO引起的压蒸法 f MgO引起的长期浸水法 石膏引起的 体积安定性不良的水泥为废品 5 强度及强度等级国家标准规定 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40mm 40mm 160mm的标准试件 在标准条件 1d温度为20 1 相对湿度95 以上的空气中带模养护 1d以后拆模 放入20 1 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 5 水泥的强度与强度等级 强度等级 依 水泥胶砂强度检验方法 GB T17671 1999 分为 42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5R六个强度等级 ISO法 R代表早强型 95 ConstructionMaterials 6 水泥的强度与强度等级硅酸盐水泥各龄期强度要求 GB175 1999 7 水化热 定义 水泥水化时放出的热量 以J kg示 主要集中在水化初期 7d 主要考虑 放热总量与放热速度影响因素 熟料的矿物组成 如C3A 水泥的细度 越细 放热速度越快 水泥的强度等级 越高 放热速度越快 越大 外加剂 掺加缓凝剂可降低早期水化热 7 水化热水化热对工程的影响 对大体积混凝土 高层基础 大坝等 由于混凝土是热的不良导体 水化热在混凝土内的聚集造成内外温差过大 可达50 70 内胀外缩的结果在混凝土产生拉应力 使混凝土产生热裂缝 冬季混凝土施工 水化热有利于水泥的水化和混凝土早期强度的发展 98 ConstructionMaterials 大体积的桥梁 洞庭湖大桥 洞庭湖大桥 桥梁的热裂缝 100 ConstructionMaterials 大坝 此外 国标规定 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 凡氧化镁 三氧化硫 初凝时间 安定性中任一项不符合要求 均为废品 凡细度 终凝时间中的任一项不符合本标准或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品 水泥包装标志中水泥品种 强度等级 生产者名称和出厂编号不全的也属地不合格品 六 水泥石的腐蚀与防止 定义 水泥石在外界侵蚀性介质 软水 含酸 含盐 含碱等 的作用下结构受到破坏 强度降低的现象称为水泥石的腐蚀 表现形式 体积膨胀 膨胀型腐蚀体积收缩 溶出型腐蚀 103 碱 骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝 碱骨料反应 104 ConstructionMaterials 膨胀裂缝 105 ConstructionMaterials 膨胀裂缝 106 ConstructionMaterials 开裂的轨枕 1 水泥石腐蚀性破坏的原因 外因 环境中的腐蚀性介质 如 软水 酸 碱 盐的水溶液等 内因 水泥石内存在原始裂缝和孔隙 为腐蚀性介质侵入提供了通道 水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分 如 Ca OH 2 水化铝酸钙等 腐蚀与毛细孔通道的共同作用加剧水泥石结构的破坏 2 软水的腐蚀 软水 重碳酸盐 含HCO3 的含量比较低的水 如雨水 雪水 内陆河水 湖水 腐蚀机理 A 长期饱和水 水泥石中Ca OH 2晶体逐渐溶出 B 在静水 无水压下 溶液饱和 溶解作用停止 2 软水的腐蚀 C 在有压 流动的软水下 Ca OH 2不断溶出并带走 引起在一定碱度下稳定的C S H的分解溶出 水泥石崩溃 在硬水下 重碳酸盐与Ca OH 2反应生成不溶的碳酸钙 堵塞毛细孔 阻止腐蚀的进行 Ca OH 2 Ca HCO3 22CaCO3 2H2O 3 盐类的腐蚀 硫酸盐腐蚀 膨胀腐蚀镁盐腐蚀 双重腐蚀MgSO4 Ca OH 2 H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2MgCl2 Ca OH 2 CaCl2 Mg OH 2Mg OH 2松软而无胶凝能力 CaCl2易溶与水 CaSO4 2H2O则引起硫酸盐的破坏作用 高硫型水化硫铝酸钙 4 酸类腐蚀 碳酸腐蚀 工业污水 地下水Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2OCaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2一般酸的腐蚀 工业建筑HCl Ca OH 2 CaCl2 2H2OH2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O 水泥石受硫酸盐侵蚀后 因膨胀性结晶产物引起的开裂 5 强碱的腐蚀 3CaO Al2O3 6NaOH 3Na2O Al2O3 3Ca OH 2 当水泥石被NaOH浸透后又在空气中干燥 与空气中的CO2作用 生成物在水泥石毛细孔中结晶沉淀使水泥石膨胀 6 防止水泥石腐蚀的措施 主要针对引起腐蚀破坏的内因采取措施 根据使用环境条件 选用水泥品种 降低水泥石中不稳定组分的含量 提高水泥石的密实度 减少腐蚀性介质的通道 如降低水灰比 掺加外加剂等 表面防护处理 堵塞通道如 防腐涂层 七 硅酸盐水泥的应用 常用于 1 重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程2 要求凝结快的现场浇注的混凝土工程3 冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程 七 硅酸盐水泥的应用 不宜用于 1 受流动的软水和有水压作用的工程2 受海水和矿物水作用的工程3 大体积工程4 耐热 耐酸工程 第五节掺混合材料的硅酸盐水泥 定义 凡在硅酸盐水泥熟料中 掺入一定量的混合材料和适量的石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料 均属掺混合材料的硅酸盐水泥 掺入目的 改善水泥的性能 增加品种 提高产量 节约熟料 降低成本 掺混合材的硅酸盐水泥品种 硅酸盐水泥熟料 石膏 6 15 混合材 普通硅酸盐水泥 20 70 矿渣 矿渣硅酸盐水泥 20 50 火山灰 火山灰硅酸盐水泥 20 40 粉煤灰 粉煤灰硅酸盐水泥 16 50 两种混合材 复合硅酸盐水泥 掺混合材硅酸盐水泥的凝结硬化和性能与所掺混合材的种类与掺量密切相关 一 水泥混合材料 定义 在水泥生产过程中 为改善水泥性能 调节水泥强度等级 扩大使用范围而掺入的天然或人工的矿质原料称为水泥混合材料 分类 活性混合材料 activeadmixture 具有火山灰性或潜在水硬性的材料 如矿渣 粉煤灰 含有SiO2和Al2O3 等 非活性混合材料 inactiveadmixture 不具有潜在水硬性的材料 如石灰石粉 慢冷矿渣等 火山灰反应 xCa OH 2 SiO2 mH2O xCaO SiO2 nH2OxCa OH 2 Al2O3 mH2O xCaO Al2O3 nH2O稀释作用减少水泥中熟料矿物含量 降低水化热 减少水泥石中Ca OH 2的含量 超细粉末的密实填充效应 活性混合材料的作用 3d 7d 49d 182d 掺加粉煤灰的水泥石中Ca OH 2的含量 矿渣掺量对硬化水泥浆中Ca OH 2的影响 掺加粉煤灰的水泥的水化热 活性矿物粉磨颗粒与石灰的反应 1 粒化高炉矿渣Granulatedblastfurnaceslag 定义 是高炉炼铁时所排出的以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物 经淬冷成粒后的产品 主要化学成分 CaO SiO2 Al2O3活性来源 玻璃体 矿渣融体在淬冷成粒时 阻止了融体向结晶结构的转变而形成亚稳的玻璃体 因此具有潜在水硬性 2 粉煤灰 Flyash 定义 火力发电厂煤粉燃烧后从烟道中收集的粉状物 又称飞灰 粒径1 50 呈玻璃质的空心或空心球状颗粒 化学成分 SiO2 Al2O3 3 火山灰 Pozzolan 定义 是具有火山灰性的天然的或人工的矿质物料 包括 天然的火山灰 凝灰岩 浮石 硅藻土 人工的烧粘土 烧矸石 主要化学成分 SiO2 Al2O3 浮石 硅藻土 4 非活性混合材料 这类材料本身不具有潜在的水硬性或火山灰性 与水泥矿物组成不起化学作用 掺入目的 降低水泥强度等级 降低水化热 降低成本 提高水泥产量等 常用的有 磨细的石英砂 石灰石粉磨细的高炉矿渣 尾矿粉 二 几种通用水泥的组成与技要求 硅酸盐水泥熟料 6 15 混合材料 石膏 1 普通硅酸盐水泥 代号P O OrdinaryPortlandcement 强度等级 GB175 1999 32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个 性质 同硅酸盐水泥相近初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于10h 2 矿渣硅酸盐水泥 代号P S PortlandBlast furnance slagCement 组成 水泥熟料 20 70 矿渣 石膏 强度等级 GB1344 1999 32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个 主要特点 凝结硬化慢 早期强度 2d 7d 强度低 后期随着二次水化反应的进行 水化硅酸钙胶体数量增多 后期强度增加明显 内部氢氧化钙含量减少 抵抗海水 软水和硫酸盐能力较强 宜用于水工和海港工程 具有耐热性 可以用于耐热混凝土工程 3 火山灰质硅酸盐水泥 代号P P Portland Pozzlanacement 由硅酸盐水泥熟料 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 熟料 20 50 火山灰 石膏强度等级 32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个火山灰水泥的抗冻性和耐磨性比矿渣水泥差 干燥收缩较大 在干热条件下会产生起粉现象 因此火山灰水泥不宜用于抗冻 耐磨要求的干热环境使用的工程 4 粉煤灰硅酸盐水泥 代号P F Portlandfly ashcement 熟料 20 40 粉煤灰 石膏强度等级 32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个 5 复合硅酸盐水泥 代号P C compositePortlandcement 由硅酸盐水泥 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 三 掺混合材料水泥的共性 凝结硬化速度慢 早期强度低 后期强度高 水化放热速度慢 放热量低 对温度敏感性高 适合高温养护 抗软水 SO42 的腐蚀性好 矿渣水泥耐热性好适于水下 大体积混凝土结构和蒸养的混凝土构件 不适于抗冻 干燥地区的混凝土工程 四 常用水泥的特点及应用 四 常用水泥的特点及应用 四 常用水泥的特点及应用 工程实例分析 某机场道肩混凝土于1995年7 11月施工 当年10月就发现网状裂缝 次年6月表面层开始剥落 该混凝土使用某立窑水泥厂生产的普通硅酸盐水泥 该厂当时生产的熟料呈暗红色 还有一些白色物质 钻取破坏与未破坏的混凝土各加工成试件 未被破坏混凝土强度可满足设计要求 密实 颜色为正常的青灰色 而已破坏的混凝土强度大大下降 低于设计值 劈开可见砂浆层与集料之间粘结疏松 经X射线衍射分析可知 已破坏混凝土试样有大量Ca OH 2和大量CaCO3 经有关单位研究认为 该混凝土破坏主要是由于水泥质量不稳定所致 水泥中有一定数量的游离氧化钙存在 以及大量生成的钙矾石造成泥土膨胀开裂 且由于水泥质量不稳定 给混凝土施工造成不便 水泥混凝土凝结时间或长或短 使混凝土施工质量得不到保证 第六节特性水泥及专用水泥 特性水泥 为了满足紧急抢修工程 冬季施工 加固结构 建筑装饰 海工和地下工程的特殊要求 所生产的具有某种比较突出性能的水泥 称特性水泥 如快硬水泥 抗硫酸盐水泥 膨胀水泥 高铝水泥等 专用水泥 适应专门用途的水泥 如道路水泥 低热大坝水泥 油井水泥 砌筑水泥等 137 ConstructionMaterials 一 快硬硅酸盐水泥 硫铝酸盐水泥 sulfoaluminatecement 定义 凡以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏磨细制成的 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 快硬水泥各标号强度指标 GB199 90 一 快硬硅酸盐水泥 特点 凝结硬化快 早期强度增进较快 通过增加熟料中C3S C3A的含量 适于 要求早期强度高的工程 紧急抢修工程 冬季施工的工程等 注意 快硬水泥易受潮变质 运输和储存中特别注意防潮 从出厂起应在一个月内使用 二 快凝快硬硅酸盐水泥 氟铝酸盐水泥 定义 以硅酸三钙 氟铝酸钙为主的熟料 加入适量的硬石膏 粒化高炉矿渣 无水硫酸钠 经过磨细制成的一种凝结快 小时强度增长快的水硬性胶凝材料 双快水泥各龄期的强度 JC314 82 二 快凝快硬硅酸盐水泥 凝结时间 t初