建筑材料之水泥讲义.ppt

本章内容 4 1水泥概述4 1 1水泥的定义和分类4 1 2我国水泥工业发展现状4 2硅酸盐水泥4 2 1硅酸盐水泥的生产和基本组成4 2 2硅酸盐水泥的水化硬化4 2 3硅酸盐水泥的技术要求4 3其它通用水泥4 3 1水泥混合材料4 3 2几种通用水泥的组成与技术要求4 3 3几种通用水泥的性能特点及应用4 4特性水泥和专用水泥4 4 1高铝水泥4 4 2中热水泥和低热矿渣水泥4 4 3道路水泥4 4 4其它水泥 熟悉硅酸盐水泥的矿物组成 了解其硬化机理 熟练掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点 相应的检测方法及选用原则 了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点 教学目标 4 1水泥概述 4 1 2我国水泥工业发展现状 一般土木建筑工程通常采用的 如硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥 通用水泥 适应专门用途的水泥 专用水泥 如中 低热水泥道路水泥 砌筑水泥 具有某种性能比较突出的水泥 特性水泥 如快硬硅酸盐水泥抗硫酸盐水泥 4 1 1水泥的定义和分类水泥是能与水发生物理化学作用 使其由可塑性浆体硬化成坚硬的人造石材的一种粉末状水硬性胶凝材料 它是重要的建筑材料 水泥按其用途和性能分 作为主要的建筑材料 水泥产量变化客观反映了建筑业的发展 在过去的100年中 中国的建筑业以惊人的速度发展 特别是近二十年来更是盛况空前 从表1中水泥产量的变化中可以得到充分证明 4 1 2我国水泥工业发展现状 我国水泥产量 106t 新型干法产量所占比例超过50 4 2硅酸盐水泥 4 2 1硅酸盐水泥的生产和基本组成硅酸盐水泥的定义与分类凡以适当成分的生料烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主的水泥熟料 掺入适量石膏 0 5 的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成的水硬性胶凝材料 就是硅酸盐水泥 也称波特兰水泥 当硅酸盐水泥中不掺混合材料时 称为 型硅酸盐水泥 代号P 当硅酸盐水泥中混合材料掺量不超过5 时 称为 型硅酸盐水泥 代号P 2 硅酸盐水泥的生产概述生产硅酸盐水泥的原料主要有 石灰质原料 如石灰石 白垩等 主要提供氧化钙 和黏土质原料 如黏土 页岩等 主要提供氧化硅及氧化铝与氧化铁 还有少量辅助原料 如铁矿石 煅烧所得的熟料还要加入作缓凝剂用的石膏磨制水泥 硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是 二磨一烧 水泥生产工艺流程示意图 硅酸盐水泥熟料矿物组成 硅酸三钙 简称C3S 其矿物组成为3CaO SiO2 含量约50 左右 硅酸二钙 简称C2S 其矿物组成为2CaO SiO2 含量约20 左右 铝酸三钙 简称C3A 其矿物组成为3CaO Al2O3 含量7 15 铁铝酸四钙 简称C4AF 其矿物组成为4CaO Al2O3 Fe2O3 含量10 18 其它矿物组成 硅酸盐水泥熟料中还含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁及少量的碱 氧化钠和氧化钾 它们可能对水泥的质量及应用带来不利影响 熟料矿物组成对早期强度及水化热的影响以下是A B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量 请分析A B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别 案例分析 分析答案 分析 硅酸盐水泥熟料矿物各具特性 C3S在最初四个星期内强度发展迅速 它实际上决定着硅酸盐水泥四个星期以内的强度 C3S的水化热较多 其含量也最多 故它放出的热量最多 但其耐腐蚀性较差 C2S的硬化速度慢 在大约4个星期后才发挥其强度作用 约一年左右达到C3S四个星期的发挥程度 而其水化热少 耐腐蚀性好 C3A硬化速度最快 但强度低 其对硅酸盐水泥在1 3d或稍长的时间内的强度起到一定作用 C3A的水化热多 耐腐蚀性最差 C4AF的硬化速度也较快 但强度低 其对硅酸盐水泥的强度贡献小 其水化热和耐腐蚀性均属中等 A水泥的C3S及C3A含量高 而C3S及C3A的早期强度及水化热都较高 故A硅酸盐水泥的早期强度与水化热高于B水泥 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 案例分析 分析答案 分析 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 防治措施 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 4 2 2硅酸盐水泥的水化硬化 硅酸盐水泥熟料矿物的水化硅酸盐水泥拌合水后 四种主要熟料矿物与水反应 硅酸三钙水化硅酸三钙在常温下的水化反应生成水化硅酸钙 C S H凝胶和氢氧化钙 3CaO SiO2 nH2O xCaO SiO2 yH2O 3 x Ca OH 2 硅酸二钙的水化 C2S的水化与C3S相似 只不过水化速度慢而已 2CaO SiO2 nH2O xCaO SiO2 yH2O 2 x Ca OH 2所形成的水化硅酸钙在C S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别 故也称为C S H凝胶 但CH生成量比C3S的少 结晶却粗大些 铝酸三钙的水化铝酸三钙的水化迅速 放热快 其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大 先生成介稳状态的水化铝酸钙 最终转化为水石榴石 C3AH6 在有石膏的情况下 C3A水化的最终产物与起石膏掺入量有关 最初形成的三硫型水化硫铝酸钙 简称钙矾石 常用AFt表示 若石膏在C3A完全水化前耗尽 则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙 AFm 铁相固溶体的水化水泥熟料中铁相固溶体可用C4AF作为代表 它的水化速率比C3A略慢 水化热较低 即使单独水化也不会引起快凝 其水化反应及其产物与C3A很相似 2 硅酸盐水泥的凝结硬化硅酸盐水泥水化初期 水化产物的数量较少 水泥浆还具有良好的可塑性 随后水化产物的数量不断增加 自由水分不断减少 水化产物颗粒间逐渐接近 部分颗粒黏结在一起形成了一定的网状结构 水泥浆体失去可塑性 产生凝结 石膏对硅酸盐水泥水化起缓凝剂作用 随着水化的进一步进行 水化产物不断生成并填充水泥颗粒的空隙 更多的水化产物颗粒间产生黏结作用使所形成的网状结构更加密实 此时水泥浆体逐步产生强度进入硬化阶段 影响凝结硬化的因素 水泥的熟料矿物组成及细度水泥熟料中各种矿物的凝结硬化特点不同 当水泥中个矿物的相对含量不同时 水泥的凝结硬化特点就不同 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 凝结硬化快 早期强度就高 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 且空隙多 降低水泥石的强度 石膏的掺量硅酸盐水泥中加入适量的石膏会起到良好的缓凝效果 且由于钙矾石的生成 还能提高水泥石的强度 但是石膏掺量过多时 可能危害水泥石的安定性 环境温度和湿度水泥水化反应的速度与环境的温度有关 只有处于适当温度下 水泥的水化 凝结和硬化才能进行 通常 温度较高时 水泥的水化 凝结和硬化速度就较快 当环境温度低于0 时水泥水化趋于停止 就难以凝结硬化 水泥水化是水泥与水之间的反应 必须在水泥颗粒表面保持有足够的水分 水泥的水化 凝结硬化才能充分进行 保持水泥浆温度和湿度的措施 称水泥的养护 龄期水泥浆随着时间的延长水化物增多 内部结构就逐渐致密 一般来说 强度不断增长 熟料矿物组成对水泥性能的影响 4 2 3硅酸盐水泥的技术要求 国家标准GB175 1999 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 对硅酸盐水泥的不溶物 烧失量 氧化镁 三氧化硫 细度 凝结时间 安定性 强度和碱9个方面提出了技术要求 不溶物 型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0 75 型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1 50 不溶物是指经盐酸处理后的残渣 再以氢氧化钠溶液处理 经盐酸中和过滤后所得的残渣经高温灼烧所剩的物质 不溶物含量高对水泥质量有不良影响 烧失量 型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3 0 型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3 5 烧失量是用来限制石膏和混合材中杂质的 以保证水泥质量 氧化镁水泥中氧化镁的含量不宜超过5 0 如果水泥经压蒸安定性试验合格 则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6 0 因氧化镁水化生成氢氧化镁 体积膨胀 而其水化速度慢 须以压蒸的方法加快其水化 方可判断其安定性 三氧化硫水泥中三氧化硫的含量不得超过3 5 水泥中过量的三氧化硫会与铝酸三钙形成较多的钙矾石 体积膨胀 危害安定性 细度硅酸盐水泥比表面积大于300m2 kg 水泥颗粒过粗既不利于水泥活性的发挥 又影响了其保水成浆的性能 凝结时间硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于6h30min 初凝为水泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间 终凝为水泥加水拌和时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 为使水泥混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌 运输 浇捣和砌筑 水泥初凝时间不能过短 当施工完成 则要求尽快硬化 具有强度 故终凝时间不能太长 PLAY稠度和凝结时间的测定 安定性用沸煮法检验必须合格 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 引起水泥安定性不良的原因有三个 熟料中游离氧化镁过多 水泥中的氧化镁 MgO 在水泥凝结硬化后 会与水生成Mg OH 2 该反应比过烧的氧化钙与水的反应更加缓慢 且体积膨胀 会在水泥硬化几个月后导致水泥石开裂 石膏掺量过多 当石膏掺量过多时 水泥硬化后 在有水存在的情况下 它还会继续与固态的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙 俗称钙矾石 简写成AFt 体积约增大1 5倍 引起水泥石开裂 熟料中游离氧化钙过多 水泥熟料中含有游离氧化钙 其中部分过烧的氧化钙CaO在水泥凝结硬化后 会缓慢与水生成Ca OH 2 该反应体积膨胀 使水泥石发生不均匀体积变化 因为氧化镁和三氧化硫已作定量限制 而游离氧化钙对安定性的影响不仅与其含量有关 还与水泥的煅烧温度有关 故难以定量 沸煮可加速氧化钙的熟化 故需用沸煮法检验水泥的体积安定性 测试方法可以用试饼法也可用雷氏法 PLAY雷氏法测水泥案定性 强度水泥等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分 按水泥胶砂强度检验方法 ISO法 测定其强度 各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表中数值 带R的为早强型 硅酸盐水泥各龄期的强度要求 碱水泥中碱含量按Na2O 0 653K2O计算值来表示 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 国家标准GB175 1999 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 还规定 凡氧化镁 三氧化硫 初凝时间 安定性中任一项不符合本标准规定时 均为废品 凡细度 终凝时间中的任一项不符合本标准规定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于不合格品 某工地使用某厂生产的硅酸盐水泥 加水拌和后 水泥浆体在短时间内迅速凝结 后经剧烈搅拌 水泥浆体又恢复塑性 随后过三小时才凝结 请讨论形成这种现象的原因 案例分析 分析答案 分析 此为水泥假凝现象 假凝是指水泥的一种不正常的早期固化或过早变硬现象 假凝与快凝不同 前者放热量甚微 且经剧烈搅拌后浆体可恢复塑性 并达到正常凝结 对强度无不利影响 假凝现象与很多因素有关 一般认为主要是由于水泥粉磨时磨内温度较高 使二水石膏脱水成半水石膏的缘故 当水泥拌水后 半水石膏迅速水化为二水石膏 形成针状结晶网状结构 从而引起浆体固化 另外 某些含碱较高的水泥 硫酸钾与二水石膏生成钾石膏迅速长大 也会造成假凝 某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙含量较高 加水拌和后初凝时间仅40min 本属于废品 但后放置1个月 凝结时间又恢复正常 而强度下降 请分析原因 案例分析 分析答案 分析 该立窑水泥厂的普通硅酸盐水泥泥游离氧化钙含量较高 该氧化钙相当部分的煅烧温度较低 加水拌和后 水与氧化钙迅速反应生成氢氧化钙 并放出水化热 使浆体的温度升高 加速了其它熟料矿物的水化速度 从而产生了较多的水化产物 形成了凝聚 结晶网结构 所以短时间凝结 水泥放置一段时间后 吸收了空气中的水汽 大部分氧化钙生成氢氧化钙 或进一步与空气中的二氧化碳反应 生成碳酸钙 故此时加入拌和水后 不会再出现原来的水泥浆体温度升高 水化速度过快 凝结时间过短的现象 但其它水泥熟料矿物也会和空气中的水汽反应 部分产生结团 结块 使强度下降 4 3其它通用水泥 4 3 1水泥混合材料在生产水泥时 为改善水泥性能 调节水泥强度等级而加到水泥中去的人工的和天然的矿物材料 称为水泥混合材料 水泥混合材料包括非活性混合材料 活性混合材料和窑灰 活性混合材活性混合材是具有火山灰性或潜在水硬性 以及兼有火山灰性和水硬性的矿物质材料 粒化高炉矿渣 火山灰质混合材料和粉煤灰都属于活性混合材料 它们中都含有大量活性氧化硅 SiO2 与活性氧化铝 Al2O3 与水调和后 它们本身不会硬化或硬化极为缓慢 强度很低 但在氢氧化钙溶液中 就会发生显著的水化 特别是在饱和的氢氧化钙溶液中及有石膏存在的条件下水化更快 粒化高炉矿渣 凡在高炉冶炼生铁时 所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物 经淬冷成粒后 即为粒化高炉矿渣 简称矿渣 粉煤灰 从煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰 火山灰质混合材料 凡天然的或人工的以氧化硅 氧化铝为主要成分的矿物质材料 本身磨细加水拌和并不硬化 但与气硬性的石灰混合后 再加水拌和 则不单能在空气中硬化 而且能在水中继续硬化的 称为火山灰混合材料 非活性混合材活性指标低于GB1596 GB2847和GB203标准要求的粉煤灰 火山灰质混合材料和粒化高炉矿渣以及石灰石和砂岩 石灰石中的三氧化二铝含量不得超过2 5 它们与水泥成分起的化学作用很小 非活性混合材料掺入硅酸盐水泥中起提高水泥产量和降低水泥强度等级 减少水化热等作用 并起到降低成本及改善砂浆或混凝土和易性的作用 窑灰从水泥回转窑窑尾废气中收集的粉尘 4 3 2几种通用水泥的组成与技术要求 通用水泥是指用于一般土木建筑工程的水泥 如硅酸盐水泥 除硅酸盐水泥外 其它通用水泥为普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等 普通硅酸盐水泥以硅酸盐水泥熟料为主 加入6 15 的混合材料和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 矿渣硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和20 70 的粒化高炉矿渣及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料 称为矿渣硅酸盐水泥 简称矿渣水泥 代号P S 火山灰质硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和20 50 的火山灰质混合材料及适量石膏混合磨细而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P P 粉煤灰硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和20 40 的粉煤灰及适量石膏混合磨细而成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥 简称粉煤灰水泥 代号P F 复合硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料 两种或两种以上规定的混合材料和适量的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 几种通用水泥的技术要求 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥的各龄期强度 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的各龄期强度 4 3 3几种通用水泥的性能特点及应用 4 4特性水泥和专用水泥 水泥按用途与性能划分为通用水泥 专用水泥及特性水泥三类 其中专用水泥是指专门用途的水泥 如道路硅酸盐水泥 特性水泥是指某种性能比较突出的水泥 如快硬硅酸盐水泥 4 4 1高铝水泥 高铝水泥生产所用的原料为矾土和石灰石 国外多采用熔融法生产高铝水泥 原料不需磨细 可用低品位矾土 但烧成热耗高 熟料硬度高 粉磨电耗大 我国广泛采用回转窑烧成法 烧成热耗及粉磨电耗较低 可用生产硅酸盐水泥的设备 CA是高铝水泥的主要矿物 有很高的水硬活性 凝结时间正常 水化硬化迅速 CA2水化硬化慢 后期强度高 但早期强度却较低 具有较好的耐高温性能 高铝水泥的特点是强度发展非常迅速 24h内几乎可达到最高强度 标号以3d抗压强度来表示 该水泥分425 525 625 725四个标号 其28d强度不得低于3d强度指标 另一特点是在低温 5 10 也能很好硬化 而在高温 30 养护时强度剧烈下降 因此高铝水泥使用温度不得超过30 更不宜采用蒸汽养护 高铝水泥抗硫酸盐性能好 对碳酸和稀酸 pH不小于4 也有很好的稳定性 但对浓酸和浓碱的耐蚀性不好 高铝水泥有一定耐高温性 在高温下仍能保持较高强度 特别是低钙铝酸盐水泥 可作各种高温炉内衬 目前高铝水泥主要用于配制膨胀水泥 自应力水泥和耐热混凝土 4 4 2中热水泥和低热矿渣水泥 中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥的主要特点为水化热低 适用于大坝和大体积混凝土工程 中热硅酸盐水泥是由适当成分的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏磨细而成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料 简称中热水泥 低热矿渣硅酸盐水泥是由适当成分的硅酸盐水泥熟料加入矿渣和适量石膏磨细而成具有低水化热的水硬性胶凝材料 简称低热矿渣水泥 其矿渣掺量为水泥质量的20 60 允许用不超过混合材总量50 的磷渣或粉煤灰代替矿渣 由较高铁铝酸钙含量的硅酸盐道路水泥熟料 0 10 活性混合材和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 称为道路硅酸盐水泥 简称道路水泥 对道路水泥 Portlandcementforroad 的性能要求是 耐磨性好 收缩小 抗冻性好 抗冲击性好 有高的抗折强度和良好的耐久性 道路水泥的上述特性 主要依靠改变水泥熟料的矿物组成 粉磨细度 石膏加入量及外加剂来达到 4 4 3道路硅酸盐水泥 快硬水泥 快硬硅酸盐水泥凡以硅酸盐水泥熟料和石膏磨细制成 以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料 称为快硬硅酸盐水泥 简称快硬水泥 快硬硅酸盐水泥生产方法与硅酸盐水泥基本相同 只是要求C3S和C3A含量高些 快硬硅酸盐水泥水化放热速率快 水化热较高 早期强度高 但干缩率较大 主要用于抢修工程 军事工程 预应力钢筋混凝土构件 适用于配制干硬混凝土 水灰比可控制在0 40以下 快硬硫铝酸盐水泥凡以适当成分的生料 经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物 加入适量石膏磨细制成的早期强度高的水硬性胶凝材料 称为快硬硫铝酸盐水泥 快硬硫铝酸盐水泥的主要矿物为无水硫铝酸钙和 C2S 4 4 4其他水泥 抗硫酸盐水泥按抗硫酸盐侵蚀程度 分为中抗硫酸盐硅酸盐水泥和高抗硫酸盐硅酸盐水泥两类 以适当成分的硅酸盐水泥熟料 加入适量石膏磨细制成的具有抵抗中等浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料 称为中抗硫酸盐硅酸盐水泥 简称中抗硫水泥 代号P MSR 以适当成分的硅酸盐水泥熟料 加入适量石膏 磨细制成的具有抵抗较高浓度硫酸根离子锓蚀的水硬性凝材料 称为高抗硫酸盐硅酸盐水泥 简称高抗硫水泥 代号P HSR 抗硫酸盐水泥适用于一般受硫酸盐侵蚀的海港 水利 地下 隧涵 道路和桥梁基础等工程设施 膨胀和自应力水泥使水泥产生膨胀的反应主要有三种 Ca0水化生成Ca OH 2 MgO水化生成Mg OH 2以及形成钙矾石 因为前两种反应产生的膨胀不易控制 目前广泛使用的是以钙矾石为膨胀组分的各种膨胀水泥 油井水泥油井水泥 Oilwellcement 专用于油井 气井地固井工程 又称堵塞水泥 它的主要作用是将套管与周围的岩层胶结封