环境管理_硅酸盐水泥的特性介绍及应用

2020 2 27 1 第四章水泥 内容提要 重点介绍硅酸盐水泥的矿物组成 水化硬化机理 影响水化因素 硅酸盐水泥主要技术性质 水泥石的腐蚀和防止 同时介绍了其它掺混合材的水泥 特种水泥 达到正确的选择和使用水泥 2020 2 27 2 水硬性胶凝材料 不但能在空气中硬化 其后又能在水中继续硬化 并不断增进其强度的一类材料 凡细磨材料与水混合后成为塑性浆体 经一系列物理化学作用凝结硬化变成坚硬的石状体 并能将沙石等散粒状材料胶结成为整体的水硬性胶凝材料 通称水泥 水泥不仅适合用于干燥环境中的工程部位 而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位 水泥是建筑工业的三大基本材料之一 使用广 用量大 素有 建筑工业的粮食 之称 第一节概述 2020 2 27 3 水泥的应用 土木工程房屋建筑 道路 桥梁 隧道 机场 海洋工程港口 码头 水下建筑 石油钻井平台 能源电力石油钻井 热电站 核电站 水利电力大坝 水电站 水工建筑 2020 2 27 4 输水管 内径6 6m外径7 5m 2020 2 27 5 巴西Itaipu坝 2020 2 27 6 正在建设中的三峡大坝 三峡大坝 2020 2 27 7 挪威的海上石油钻井平台 2020 2 27 8 水泥的发展历史 最早使用气硬性胶凝材料 石灰 石膏 修筑金字塔 万里长城 古罗马时代使用火山灰 Pozzolana 建造大斗兽场 万神庙 1756年 JohnSmeaton在Eddystone灯塔的重建中发明了水硬性石灰 含粘土的石灰 用作耐海水的建筑砂浆 1824年 英国的约瑟夫 阿斯普丁JosephAspdin获得PortlandCement的生产专利 2020 2 27 9 2020 2 27 10 2020 2 27 11 PortlandCement 1824年 英国泥瓦工约瑟夫 阿斯普丁 JosephAspdin 申报波特兰水泥专利 把粘土和焙烧过的石灰石混合 经煅烧至二氧化碳释放 将所得到的产物磨细成粉末 这种粉末在与水拌合时 具有水硬胶凝性 由于它的颜色象波特兰 英国一港口城市 的石头 就起名为波特兰水泥 2020 2 27 12 水泥的分类 按主要水硬性物质分 2020 2 27 13 按性能和用途分 水泥 通用水泥 专用水泥 特性水泥 普通硅酸盐水泥 P O 矿渣硅酸盐水泥 P S 粉煤灰硅酸盐水泥 P F 火山灰质硅酸盐水泥 P P 复合硅酸盐水泥 P C 硅酸盐水泥 P I P II 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 2020 2 27 14 第二节硅酸盐水泥 一 硅酸盐水泥生产及其矿物组成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 也称波特兰水泥 不掺混合材料的 称为 型硅酸盐水泥 代号P 掺入不超过水泥质量5 的混合材料的 称为 型硅酸盐水泥 代号P 2020 2 27 15 一 硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料 天然石灰石 也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩 粘土质原料 主要为粘土 其主要化学成分为SiO2 其次为Al2O3和少量Fe2O3 铁矿粉 采用赤铁矿 化学成分为Fe2O3 石膏主要为天然石膏矿 无水硫酸钙等 混合材料 包括活性混合材料 粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料等 和非活性混合材料 石灰石粉 磨细石英砂等 2020 2 27 16 生产工艺 二磨一烧 2020 2 27 17 二 硅酸盐水泥熟料及水泥的矿物成分 水泥熟料矿物 硅酸二钙 铁铝酸四钙 游离氧化钙和氧化镁 铝酸三钙 硅酸三钙 碱类及杂质 2CaO SiO2 C2S 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF f CaO和f MgO 3CaO Al2O3 C3A 3CaO SiO2 C3S 少量的游离氧化钙和氧化镁及少量的碱 氧化钠和氧化钾 对水泥的质量及应用带来不利影响 化学式及简写 2020 2 27 18 四种熟料矿物的水化特性各不相同 对水泥的强度 凝结硬化速度及水化放热的影响也不同 改变熟料矿物成分间的比例时 水泥的性质即发生相应的变化 2020 2 27 19 水泥熟料矿物的组成 含量及特性 例 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 由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度 水化热 d时的强度均高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥 但耐腐蚀性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥 2020 2 27 21 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 硬化 此后 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 二 硅酸盐水泥的水化与凝结硬化 2020 2 27 22 硅酸盐水泥熟料的水化 1 C3S的水化2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2生成的水化硅酸钙凝胶C S H 几乎不溶于水 具有较高的强度 是硬化后水泥的主要强度组分 生成的氢氧化钙晶体CH数量比C S H少 通常起填充作用 因其具有层状构造 层间结合较弱 在受力较大时是裂缝策源地 2020 2 27 23 水泥浆扫描电镜照片 7d龄期 C S H 钙矾石 2020 2 27 24 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 2020 2 27 25 2 C2S的水化2 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2C2S的水化与C3S相似 但水化速度慢 且生成的CH较少 2020 2 27 26 3 C3A的水化3CaO Al2O3 H2O 3CaO Al2O3 6H2O3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O主要水化产物为水化铝酸三钙C3AH6 强度较低 水化速度极快 因此 在水泥粉磨时 需加入石膏作缓凝剂 C3AH6与石膏反应 生成高硫型水化硫铝酸钙 钙矾石 针状晶体 含大量结晶水 体积增加1 5倍以上 难溶于水 包裹在熟料颗粒周围 延缓水化 石膏耗尽后 部分钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸钙晶体 2020 2 27 27 4 C4AF的水化4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O与C3A的水化相似 主要水化产物为水化铝酸三钙C3AH6晶体 水化铁酸一钙 2020 2 27 28 水泥熟料的主要水化产物有 水化硅酸钙和水化铁酸钙胶凝 氢氧化钙 水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体 在充分水化的水泥石中 C S H约占70 CH约占20 钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7 2020 2 27 29 硅酸盐水泥的凝结硬化水泥的凝结与硬化实际上是一个连续的复杂的物理化学变化过程 凝结过程较短暂 一般几个小时即可完成 硬化过程是一个长期的过程 在一定温度和湿度下可持续几十年 2020 2 27 30 水泥的凝结硬化理论至今仍在继续研究 当前一般的看法为 水泥颗粒的溶解和水化 水化产物析出 在水泥颗粒表面形成水化物膜层 水化物膜层不断增厚 水泥颗粒逐渐接近 以至相互接触 形成凝聚结构 水泥表现为初凝 水化物继续增多 颗粒间接触点增加 空隙 毛细孔 减少 结构逐渐紧密 水泥浆体完全失去可塑性并具有一定强度 水泥表现为终凝 水泥进入硬化期 水化速度减慢 水化物逐渐增加并扩展到毛细孔中 结构更超致密 强度提高 2020 2 27 31 2020 2 27 32 水化产物 2020 2 27 33 2020 2 27 34 2020 2 27 35 水化产物填充空隙并将水泥颗粒连接在一起 2020 2 27 36 已水化的水泥浆里留下的孔隙 未水化水泥颗粒 2020 2 27 37 水泥的水化速度和强度增长规律是开始较快 然后逐渐减慢 硬化后的水泥石中 同时包含 水化凝胶体和结晶体 未水化的水泥颗粒 水 自由水和吸附水 和孔隙 毛细孔和凝胶孔 它们在不同时期相对数量的变化 使水泥石的性质随之改变 2020 2 27 38 水泥石的结构毛细孔 未被水化产物所填充的原充水空间 凝胶孔 C S H胶体内部的结构孔 占其体积的28 A 凝胶体 C S H凝胶 水化硅酸钙凝胶 B 晶体 氢氧化钙 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙 C 孔隙 毛细孔 凝胶孔等 D 未水化的水泥颗粒 2020 2 27 39 影响水泥凝结硬化的主要因素 水泥的熟料矿物组成及细度水灰比石膏的掺量环境温度和湿度龄期外加剂的影响 2020 2 27 40 蒸汽养护 蒸气养护的水泥混凝土构件 2020 2 27 41 养护对水泥强度发展的影响 2020 2 27 42 三 硅酸盐水泥的主要技术性质 1 密度及堆积表观密度硅酸盐水泥的密度为3 1 3 2g cm3 其表观密度按松紧程度在900 1700kg m3之间 2020 2 27 43 2 细度水泥细度是指水泥颗粒粗细的程度 水泥颗粒越细 与水起反应的表面积就越大 因而水化较快而且较完全 早期强度高 但标准稠度用水量也越大 成本越高 硬化收缩越大 且易受潮 水泥细度可用筛析法和比表面积法检验 硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2 kg 2020 2 27 44 3 标准稠度用水量水泥标准稠度用水量是指水泥静浆达到标准稠度时所需要的水 其主要与水泥的细度及矿物成分有关 所谓标准稠度 是按规定的方法拌制的水泥静浆 用维卡仪测定试杆沉入静浆并距底板6 1mm时的水泥静浆的稠度 或在水泥标准稠度测定仪上 试锥下沉28 2mm时的水泥静浆的稠度 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 2020 2 27 45 4 凝结时间初凝 水泥加水拌合起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间 终凝 水泥加水拌和起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间 2020 2 27 46 凝结时间试验简图 初凝 终凝 2020 2 27 47 国家标准GB175 1999规定 硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于6 5h 凝结时间的影响因素 石膏掺量 水灰比 温度 混合材料掺量等 2020 2 27 48 2020 2 27 49 5 体积安定性安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性 当水泥浆体硬化过程发生了不均匀的体积变化 会导致水泥石膨胀开裂 翘曲 即安定性不良 安定性不良的水泥会降低建筑物质量 甚至引起严重事故 安定性不良的原因 熟料中游离氧化钙 游离氧化镁过多或石膏掺量过多 2020 2 27 50 水泥安定性用沸煮法检验 测试方法可以用饼法也可以用雷氏法 有争议时以雷氏法为准 沸煮法只能检验游离氧化钙引起的体积安定性不良 压蒸法 检验游离MgO是否过量长期浸水法 石膏引起的安定性测试游离氧化镁含量不得超过5 三氧化硫含量不得超过3 5 安定性不良的水泥应作废品处理 不能用于工程中 2020 2 27 51 2020 2 27 52 6 强度水泥强度即水泥胶砂强度 用ISO胶沙法测定国家标准规定 水泥和标准砂按1 3 0质量比混合 加入规定量的水 水灰比为0 50 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90 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 2020 2 27 53 根据测定的3d和28d的强度 硅酸盐水泥共分为六个强度等级 硅酸盐水泥的强度主要决定于4种熟料矿物的比例 水泥细度 水灰比 龄期 环境温度 试验条件等 2020 2 27 54 计算水泥试样的抗折强度时 以 个试件的强度平均值作为测定结果 当3个试件的强度值中有超过平均值 时 应删除后再取平均值作为抗折强度的测定结果 计算水泥试样的抗压强度时 以 个半截试件的平均值作为测定结果 如 个测定值中有 个超出平均值的 10 应删除 以其余 个测定值的平均值作为测定结果 如果 个测定值中仍有再超过它们平均值 的数据 则该试验结果作废 例 建筑材料试验室对一普通硅酸盐水泥试样进行了检测 试验结果如下表 试确定其强度等级 2020 2 27 61 7 水化热水泥的水化热是指水泥在水化过程中所放出的热量 影响因素 熟料矿物的相对含量 铝酸三钙 硅酸三钙的水化热高 而铁铝酸四钙 硅酸二钙的水化热较低 因此要降低水化热 可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量 2020 2 27 62 水泥的标号 越高 放热速度越快水泥的细度 越细 放热速度越快外加剂 掺加缓凝剂可降低早期水化热 2020 2 27 63 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 对于大体积混凝土工程 应选择水化热较低的水泥 或者采取特殊措施降低水化热的危害 2020 2 27 64 大体积的桥梁 洞庭湖大桥 2020 2 27 65 洞庭湖大桥 桥梁的热裂缝 2020 2 27 66 大坝 2020 2 27 67 反应堆 西安脉冲堆堆本体 2020 2 27 68 脉冲反应堆热裂纹示意图 2020 2 27 69 8 不熔物和烧失量不熔物是指水泥经酸和碱处理后 不能被溶解的残余物 主要由生料 混合料和石膏中的杂质产生 烧失量是指水泥经高温灼烧以后的质量损失率 主要由水泥中未煅烧组分产生 如未烧透的生料 石膏带入的杂质 掺和料及存放过程中的风化等 国家标准规定了水泥中不熔物和烧失量的最大含量 任一项不符合规定的水泥均为不合格品 2020 2 27 70 9 碱含量水泥中碱含量按Na2O 0 658K2O计算值来表示 若使用活性骨料 碱含量过高将引起碱骨料反应 碱骨料反应是指混凝土骨料中的硅质组分与孔隙里含碱 钠 钾 钙的氢氧化物 的溶液反应 生成易于吸水膨胀的碱 硅酸盐凝胶 当结构物暴露在潮湿环境中 混凝土体内相对湿度超过85 时 就会出现体积膨胀 大约3倍以上 直到引起混凝土开裂与破坏 如用户要求提供低碱水泥时 水泥中碱含量不得大于0 6 或由供需双方商定 2020 2 27 71 碱 骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝 MapCracking 碱 骨料反应 2020 2 27 72 碱骨料反应 碱 骨料反应引起的错位 2020 2 27 73 2020 2 27 74 四 环境水对水泥石的侵蚀 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环境水对水泥石的侵蚀 2020 2 27 75 1 软水的侵蚀 溶出性侵蚀 在静水及无水压的情况下 溶出的CH易饱和 使溶解中止 溶出仅限于表层 影响不大 在流水及压力水作用下 CH不断溶解流失 同时 由于CH浓度的继续降低 还会引起其他水化物的分解溶蚀 使水泥石结构受到进一步的破坏 我们称Ca OH 2是水泥 水体系的平衡调整物 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 填实 Ca OH 2 Ca HCO3 2 2CaCO3 2H2O故提前将水泥制品空气中放置 使其表面碳化 2020 2 27 76 2 碳酸性侵蚀Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2OCaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2重碳酸钙Ca HCO3 2易溶于水 当水中碳酸增多时 反应向右进行 Ca OH 2 Ca HCO3 2 Ca OH 2浓度下降 导致水化产物逐步分解 2020 2 27 77 3 一般酸性侵蚀HCl Ca OH 2 CaCl2 2H2OH2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O反应中 生成可溶性的产物 或体积膨胀 导致使水泥石结构破坏 2020 2 27 78 4 硫酸盐腐蚀 膨胀型腐蚀 硫酸盐与水泥石中的CH反应 生成硫酸钙 硫酸钙与水泥石中固态水化铝酸钙作用生成钙矾石 体积膨胀 使水泥石胀裂 硫酸盐浓度较高时 硫酸钙在孔隙中直接结晶成二水石膏 体积膨胀 导致水泥石破坏 2020 2 27 79 5 镁盐的腐蚀 双重腐蚀 MgSO4 Ca OH 2 2H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2MgCl2 Ca OH 2 CaCl2 Mg OH 2生成的Mg OH 2松软而无胶结能力 CaCl2易溶于水 CaSO4 2H2O则引起硫酸盐的破坏 镁盐腐蚀对水泥石起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用 2020 2 27 80 除上述腐蚀类型外 糖 强碱 酒精 氨盐 动物脂肪 含环烷酸的石油产品等也对水泥石有腐蚀作用 水泥石的腐蚀是一个极为复杂的物理化学作用过程 它在遭受腐蚀时 很少仅有单一的侵蚀作用 往往是几种同时存在 互相影响 2020 2 27