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第二章水泥 第一节硅酸盐水泥 在中国硅酸盐辞典中 将水泥的概念定义为 凡以适当的生料 烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料 加入适量的石膏磨细制得的水硬性胶凝材料 称之为硅酸盐水泥 水硬性 粉末状水泥与水泥混合后 经过一系列复杂的物理化学反应 可由可塑性浆体变成坚硬的石状体 将散粒材料胶结成整体 这一过程是水化在水环境下完成的 同时可以在水中更好的保持石状体的概念 所以 水泥是一种水硬性胶凝材料 胶凝材料的发展史大致可分为三个历史时期 石膏 石灰时期 公元前2000 3000年 利用生石灰和锻烧石膏的砂浆 埃及金字塔和中国的万里长城 石灰 火山灰时期 公元初 18世纪 石灰中加入火山灰 其强度与抗水性都比石灰 石膏有所提高 古罗马圣庙建筑 水泥时期 以前的 都是气硬性胶凝材料 而1796年 利用天然水泥岩 含粘土成分的石灰石 制造的 罗马水泥 开始有水硬性胶凝材料 而水泥岩分布不广 所以 1824年英国泥瓦工Jose ph Aspdin发明泥特兰水泥 也即硅酸盐水泥 而1838年约翰逊首先将水泥的锻烧的关键 适当的配料和温度加以明确 1890年唐山水泥厂是第一个在中国建成的水泥厂 硅酸盐水泥 型硅酸盐水泥 代号P 型硅酸盐水泥 代号P 普通硅酸盐水泥 简称普通水泥 代号P O 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 简称火山灰水泥 代号P P 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 复合水泥 代号P C 还有其他水泥 如快硬水泥 油井水泥 彩色水泥等普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥统称掺混合材料的硅酸盐水泥 水泥的分类 六大通用水泥 1 生料的配制与粉磨 2 硅酸盐水泥的煅烧 3 水泥熟料的粉磨 一 硅酸盐水泥的生产 两磨一烧 二 硅酸盐水泥熟料矿物组分 矿物名称化学成分缩写符号含量硅酸三钙3CaO SiO2C3S44 62 硅酸二钙2CaO SiO2C2S18 30 铝酸三钙3CaO Al2O3C3A5 12 铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3C4AF10 18 其中 硅酸三钙和硅酸二钙为强度组分 铝酸三钙和铁铝酸四钙为熔剂组分 其他还有少部分f CaO f MgO及玻璃体等 三 硅酸盐水泥熟料率值和矿物组成计算 一 熟料的各率值 各氧化物之间的比例 1 硅率 2 铝率 铁率 3 石灰饱和系数 4 碱度 二 水泥熟料中矿物组成 根据熟料中的化学成分含量 计算硅率 铝率 碱度和石灰饱和系数 可以计算出任何水泥熟料中C2S C3S C3A和C4AF的含量 C3S 3 8SiO2 N 2 3 8SiO2 3KH 2 C2S 2 87SiO2 3 N 8 61SiO2 1 KH 一般 P 0 9 1 7 所以C4AF 3 04Fe2O3C3A 2 65 Al2O3 0 64Fe2O3 CaSO4 1 70SO3 四 硅酸盐水泥的主要技术性能 1 密度 一般在3 05 3 2间 其测试注意介质 与密度有关的因素 c3S 3 25 c2S 3 28 c3A 3 04 C4M 3 71存放时间越长 密度下降 这是因为水泥中的f CaO 3 34 吸水及吸收CO2 变成Ca OA 2甚至CaCO3 2 23 2 7 水泥欠烧比重小 过烧比重大表现密度 1300左右 粉磨越细 表观密度越小 2 细度 分散度 水泥的细度是表示水泥磨细的程度或分泥分散度的指标 水泥细度的测试有两种方法 筛分法 水筛法或干筛法 我国多用0 080 80nm 的方孔筛进行水筛或干筛 以其筛余百分数表征细度 一般筛余量 12 比表面积法 测试单位每克的水泥粉的总外表面积 一般没动在2500 3500cm2 g之间 硅酸盐水泥多用比表面积法 水泥细度对水泥性能影响很大 在一般情况下 水泥细度越大 强度越高 但太细时早期强度增长虽快 但后期可能要下降 且对耐久性不利 分析 a 水化速度加快 b 水化范围变大 需水性影响 收缩影响 经济性分析 3 需水量 将水泥与水拌成标准稠度状态下的加水量为水泥的标准稠度需水量 水泥重量百分数 P O水泥一般在25 28 之间 影响因素 细度 矿物组分 C3A C3S C4AF C2S 4 泌水性与保水性在拌制水泥浆以及砂浆 砼时 为保证必要的和易性 往往加入比标准稠度用水量多的水 但是 水泥由于自重的原因 有可能下沉 而余水则向上移动被析出 从而使浆体分层 从而影响强度及耐久性等 这一现象即称为泌水性 与之有关的是保水性 此时余水不会析出 但当在真空抽吸时能析出 这种现象称为保水性 减少泌水性的措施 增加水泥细度 增加C3A含量 掺入混合材 在工程中应杜绝的现象 砌筑砂浆要求保水性好 决不能泌水 否则砌体很快吸收浆体中的水分 从而降低砂浆的塑性和粘结性 影响砌体的整体性 离心法生产砼制品时 不能用泌水性大的水泥 5 凝结时间凝结分为初凝和终凝 初凝 水泥加水拌合时 到标准稠度净浆开始推动可塑性所需的时间 终凝 水泥加水拌合至标准稠度净浆完全推动可塑性并开始产生强度所需的时间 硅酸盐水泥标准规定 初凝不得早于45min 终凝不迟于6h30min 影响水泥凝结的因素 矿物组分 C3A越高 凝结越快 水泥细度 环境温 湿度 缓凝组分 a 石膏 b 缓凝剂及促凝剂 C 矿物掺合料 特别是FA 6 体积安定性水泥石硬化后 产生不均匀的体积变化 即体积安定性不良 体积稳定性的危害 引起建筑物的破坏 构件崩溃 原因 熟料中的f CaO太多 控制方法 沸煮法测定 熟料中的f MgO太多 5 0 掺入的石膏太多 3 5 一般是由于熟料烧结时温度高于石灰烧结时的温度 熟料中的f CaO和f MgO成死烧状态 而过熟的f Ca与f Mg熟化慢 待水泥凝结酸化后还在熟化 导致水泥石体积安定性不良 熟化后体积膨胀 水泥石开裂 主要是由于过量的石膏与C3A的水化物水化铝酸钙反应 生成高硫型水化硫酸钙 体积膨胀1 5倍 也引起水泥石开裂 安定性测试 饼法 雷化法 主要是促使f CaO熟化 7 强度与水泥标号强度是材料在外力荷载作用下 材料抵抗破坏的能力 水泥硬化以后石的强度 水泥强度与矿物组分和水泥细度关系明显 水泥细度 水灰比 矿物组分 C3S早强与后期强度都高 而C2S早期强度较低 后期增长快 一年后可能超过C3S C4AF和C3A早强都较高 但后期无增长 环境条件 8 水化热 产生的原因 水化放热反应 矿物组分放热速度不同 C3A C3S C4AF C2S 影响水化热的因素 总的放热量一样 但可以控制放热速度 大体积禁用硅酸盐水泥 普硅也应控制使用 水化热利用 自养护温度 消除水化热不利影响措施 低热水泥 冷却导流浇注温度 养护等 9 水泥的碱含量 若使用活性骨料 用户要求提供低碱水泥时 水泥中的碱含量按Na2O 0 658K2O计算值表示不得大于0 6 五 硅酸盐水泥的水化过程 一 硅酸盐水泥熟料的水化作用水泥的性能主要由其熟料矿物的矿物组成的决定 矿物组分遇水 发生水化反应 水泥由粉状胶结成固太而具有强度 1 C3S和C2S的水化 C S H以及CH 硅酸三钙和硅酸二钙 C2S 由于其晶体结构特点 因此遇水后与水发生水化反应 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 22 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2 C S HCH 生成的水化硅酸钙 C S H 中各化学成分不是恒定值 有两种形态 C S H 和C S H 其中 C S H 的C S比 0 8 1 5 C S H 的C S比为1 5 2 0 它们统称为C S H凝胶 结晶度较差 C S H 又可表示为C S H B C S H凝胶有四种形态 它们具有以下特点 1 具有高度的不溶性 溶解度极小 2 比表面积大 高度分散性 3 具有刚度特征 胶体微粒间以化学键和范德华力结合 有一定的强度 4 内部多孔隙 凝胶孔 而CH生成量较CSH少的多 只能起到填充作用 但由于CH间是层状结构 层间结合弱 因此 是裂缝的策源低 而CH溶解度较大 对耐久性也不利 C3S水化比C2S快 同时生成的CH较多 C S H凝胶的形成与温度有一定的关系 从而影响凝胶类型和C S比 3CaO A12O3 6H2O 3CaO A12O3 6H2O 2 C3A的水化 3 C4AF的水化 二 硅酸盐水泥的水化 七 水泥石体积的变化 1 化学收缩 水泥在水化过程 由水泥熟料水化成水化产物 由于这一过程产生的收缩叫化学收缩 原因 水泥水化后的固相体体积比水化前大 虽然如此 就整个水泥 水体系来讲 体积反而有的减少 其原因是主要原因是水化前体系体积包括固 液相 虽然反应生成物固相增大 但总体积减小 对于硅酸盐水泥来讲 每100g的缩减总量为7 9ml 矿物组分化学缩减不同 C3A C4AF C3S C2S 2 干缩 失水收缩 3 碳化收缩 当空气中有适当的湿度时 CO2 H2O会引起水泥石收缩 CO2 H2O与Ca OH 2不断作用 CO2与水化物发生置换反应 而发生碳化收缩 4 自干燥收缩 低水胶比下 八 水泥石的耐久性 1 软水腐蚀 溶出性腐蚀 氢氧化钙不断地溶解流失 2 离子交换腐蚀 溶解性腐蚀 1 碳酸的腐蚀2 一般酸的腐蚀3 镁盐的腐蚀 3 膨胀性腐蚀1 硫酸盐腐蚀2 硫酸的腐蚀 4 碱的腐蚀 5 水泥石腐蚀的防止 第二节掺混合材的硅酸盐水泥 混合材 在水泥生产时 为改善水泥的性能 如强度和耐久性等而加入到水泥中 和水泥熟料 石膏一起粉磨的矿物材料 混合材又分为活性混合材和非活性混合材 一 混合材的类别1 活性混合材 在激发条件下 石灰或石膏的作用 加水拌合后 生成具有胶凝性的水化产物 既能在水中 又能在空气中发展并保持强度的矿物材料 这一类材料包括有 粉煤灰 粒化高炉矿渣 火山灰质材料等 尽可能具无定形态 而非晶态 激发与激发剂 加入到水泥中的活性混合材的激发剂为水化物CH和石膏 并不外加 2 非活性混合材 由于这类材料活性很低 即使在有激发条件下 碱或石膏 也不与水发生水化反应 也不具有水硬性胶凝性质的矿物材料 活性混合材在水泥中的作用主要表现为以下几点 1 二次反应 又叫火山灰反应 火山灰效应的好处 由于消耗了大量的Ca OH 2 提高了水泥石的强度和耐久性 水泥水化物中 高碱性水化硅酸钙与低碱性 C S 1 5 水化硅酸钙相比 低碱性CSH强度更高 耐久性更好 因此 火山灰反应使CSH由高碱性CSH转变为低碱性水化硅酸钙 增加了强度和耐久性 降低了Aft生成的可能性 对碱集料反应的抑制有利 2 经济效应与环保效应活性混合材一般都是工业废弃物 将它加入到水泥中 在不改变水泥性能的前提下 取代了都分水泥 一来作到了废弃物的再利用 增加了水泥产量 提高了经济效应 再者废弃物利用 减少堆场占地面积 也有经济效应 同时废物利用 减少CO2排放是 也具有环保效应 3 降低水化热 4 改变水泥与集料间粘结力 非活性混合材作用 1 经济效应与环保效应 2 降低水化热 3 改变水泥与集料间粘结力 混合材品种 1 活性混合材 硅灰 SF 矿渣 SL 粉煤灰 FA 沸石粉 稻壳灰 偏高龄土 磷渣等 2 非活性混合材 石粉 石英粉 碳黑等 二 混合材性能 1 矿渣 磨细高炉矿渣矿渣 在炼铁炉中 浮于铁水的表面一层熔渣 排出时用水急冷 得到水淬矿渣 也叫粒状高炉矿渣 1 化学成分 2 矿渣结构 3 矿渣活性 2 火山灰质混合材 硅酸质混合材 硅藻土 SiO2 68 78 硅藻石 SiO2 76 50 蛋白石 SiO2 88 92 硅质渣 SiO2 79 1 硅灰等 其中的SiO2接近或超过70 硅灰的SiO2 90 铝硅玻璃质混合材 这类混合材除活性SiO2含量较大外 Al2O3含量也较大 包括粉煤灰 火山灰 浮石 凝灰岩等天然混合材及人工的粉煤等 烧粘土质混合材 这类材料的活性组成主要为脱水粘土矿物 仍以SiO2和Al2O3为主 包括烧粘土 煤矸石 页岩渣等 火山灰质混合材根据不同的种类及化学成分 活性成分不同 其水化 凝结 强度各有不同 1 粉煤灰粉煤灰 是发电厂铝炉以煤作燃料时 从其烟气中收集下来的灰渣 又叫作飞渣 又叫作飞灰 Flyash 2 硅灰硅灰是铁合金厂冶炼硅铁合金或金属硅时收集的烟气 硅灰平均粒径很小 只有0 1 m左右 比表面积高达150000 250000cm2 g 硅灰组成中 含活性SiO2约90 98 呈球状体 硅灰具有火山灰活性 3 其它 主要的火山灰混合材 活性混合材活性及评价 活性混合材种类不同 其活性原因也不同 1 具有潜在水硬性 矿渣 需要碱或硫酸盐激发其活性 2 具有火山灰反应 二次反应 能力 硅灰 粉煤灰及沸石等 3 同时具有以上两种能力 高钙粉煤灰 固硫渣等 活性评价 1 活性率指标 廉慧珍 2 质量系数法3 石灰吸收值法4 抗压强度比法 较普遍 5 比强度法 蒲心诚 三 掺混合材的水泥 1 硅酸盐水泥 型硅酸盐水泥 代号P 型硅酸盐水泥 代号P 2 普通硅酸盐水泥 简称普通水泥 代号P O 3 矿渣硅酸盐水泥 简称矿渣水泥 代号P S 4 火山灰质硅酸盐水泥 简称火山灰水泥 代号P P 5 粉煤灰硅酸盐水泥 简称粉煤灰水泥 代号P F 6 复合硅酸盐水泥 代号P C 第三节高铝水泥 矾土水泥 铝酸盐水泥 高铝水泥是铝酸盐水泥的一种 其主要矿物组成主要为CA 铝酸 钙 CA2 二铝酸一钙等铝酸盐矿物以及少量的C2S等 高铝水泥是以铝矾土和石灰石为原料 按适当的比例配合后进行烧结或熔融 冷却后经粉磨而成 生产工艺与硅酸盐基本相同 但相对熟料难磨 高铝水泥矿物组分 矿物名称矿物成分简写铝酸一钙 主要 CaO A12O3CA二铝酸一钙CaO 2A12O3CA2硅铝酸二钙2CaO A12O3 SiO2C2AS七铝酸十二钙12CaO 7A12O3C12A7 高铝水泥的水化与硬化 高铝水泥矿物组分中CA和CA2是主要的 其次是C12A7 这些矿物组分在不同的温度下水化产物不同 虽然在低温下形成的CAH10和C2AH8 但它们都是亚稳定性的 最终要转化为C3AH6 这是一个自发的过程 由在以下条件下 这个过程会加快 温度的升高 湿度的升高 碱度增加 但C3AH6强度不如CAH10和C2AH8 降低值达40 以上 在常温下的工程实践证明 高铝水泥长期强度要下降 特别是在湿热环境中 影响更为严重 甚至引起结构的破坏 因此 高铝水泥应限制使用 特别是结构工程中 但由于其强度发展快 可用于抢修工程 在实践中 保证高铝水泥砼工程质量的关键环节在于 施工和养护降低砼温度 不要阳光照对 要洒水养护等 砼体积不宜过大 不超过45cm为宜 但非国家规定 合理控制好W C 应尽量采用较低的W C 一般为0 4 W C 0 4时水份并不能保证水泥的完全水化 但可以保证出现晶型转化时 CAH10和C2AH8 C3AH6 游离出的水又使水泥开始水化 新形成的水化物填充密实孔隙 在高铝水泥中掺加石膏或无水石膏 CAH10和C2AH8可与石膏反应生成水化硫铝酸钙 从而解决晶型转化 掺加粒化高炉矿渣 三 高铝水泥的性能及应用 施工与养护避免高温 温热 适于冬季施工 不适于大体积砼 不得与石灰 硅酸盐水泥混合存放或使用 因会出现闪凝 且生成高碱性水化铝酸钙另有膨胀 因为Ca OH 2对高铝水泥起加速凝结作用 适于抢修工程 有很高的抗硫酸盐浸蚀性能 有较高的耐热性 在900 下 强度损失至原来的70 1300 时为50 左右 对Cl 渗透性强 所以对钢筋锈的防护不利 可用于生产人造大理石 成型快 脱模快 但不宜追求高过的后期强度 抗碱 抗酸性极差 与石膏配合可以配制膨胀水泥 第四节其它品种水泥 其它品种水泥是以硅酸盐水泥以及铝酸盐 硫铝酸盐水泥等为基础 通过掺入其它材料或在特殊工艺下 赋予水泥特殊的性能 一 快硬水泥 1 快硬硅酸盐水泥2 快硬硫铝酸盐水泥3 氟铝酸盐快硬水泥 二 装饰水泥 1 白色水泥2 彩色水泥 三 道路硅酸盐水泥 以适当的生料烧至部分熔融 所得的以硅酸钙为主要成分和较多的铁铝酸四钙的硅酸盐熟料 加入适量的石膏共同磨细 所得的水硬性胶凝材料 称为道路硅酸盐水泥 道路硅酸盐水泥 GBl3693 92 在道路硅酸盐水泥中 熟料的化学组成和硅酸盐水泥是完全相同的 只是水泥中的铝酸三钙的含量小于5 0 铁铝酸四钙的含量要大于16 0 道路水泥的技术性质及应用 道路水泥抗折强度高 耐磨性好 干缩小 抗冻性 抗冲击性 抗硫酸盐性能好 可减少混凝土路面的断板 温度裂缝和磨耗 减少路面维修费用 延长使用年限 适用于道路路面 机场跑道 城市人流较多的广场等工程的面层混凝土 四 抗硫酸盐水泥 以适当的生料烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主要成分的熟料 加入石膏 共同磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料 称为抗硫酸盐硅酸盐水泥 简称抗硫酸盐水泥 在抗硫酸水泥中 C3S的含量小于50 C3A含量小于5 C3A和C4AF的总含量小于22 五 膨胀水泥和自应力水泥 在钢筋混凝土中应用膨胀水泥 由于混凝土的膨胀使钢筋产生一定的拉应力 混凝土受到相应的压应力 根据压应力的大小 可以将水泥分为两类 一类压应力值不小于2 0MPa时 为自应力水泥 另一类压应力值小于2 0MPa的为膨胀水泥 自应力水泥 自应力水泥的膨胀值较大 常用的自应力水泥有硅酸盐自应力水泥 铝酸盐自应力水泥等 一般用于预应力钢筋混凝土压力管及配件等 膨胀水泥 膨胀水泥主要用于收缩补偿混凝土工程 防渗混凝土 屋顶防渗 水池等 防渗砂浆 结构的加固 构件接缝 接头的灌浆 固定设备的机座及地脚螺栓等 膨胀水泥有硅酸盐膨胀水泥 高铝膨胀水泥 硫铝酸盐膨胀水泥 铁铝酸盐膨胀水泥等 六 砌筑水泥 以活性混合材料和一些具有潜在水硬性的工业废料为主 加入少量的水泥熟料 石膏 磨细所得的水硬性胶凝材料 称为砌筑水泥 砌筑水泥 GBl83 82 用于工业与民用建筑的砌筑砂浆 内墙抹面砂浆 也可用于配制道路混凝土垫层或蒸养混凝土砌块 七 油井水泥 用于油井 气井的固井工程中 又称之为堵塞水泥 这主要是保证在石油 天然气勘探 开采时把钢质套管下入井内 再注入水泥浆将套筒与周围地层胶结封固 封隔地层内的油气 水层 以便在井内形成一条良好的油流通道 油井水泥因受地层温度影响 要承受高温 高压这是油井水泥生产和使用中最主要的问题 八 大坝水泥 大坝水泥包括低热水泥 中热水泥等 是水化热较低的一种硅酸盐水泥品种 适用于水工大坝 大型构筑物及大体积的基础工程 水泥砼导热性差 水泥的水化热不易散失 造成砼内 外温差太大而易产生裂缝的出现 因而有必要采取措施控制温差 内部冷却系统 集料预冷却 注意养护条件 低热 中坝水泥等大坝水泥 冰水搅拌 掺入掺和料 大坝水泥 熟料中C3A和C3S含量应降低 掺入混合材如矿渣 粉煤灰 九 喷射水泥十 超细水泥十一 活化水泥十二 球状水泥十三 调粒水泥 硅酸盐水泥 1 硅酸盐水泥定义 凡由硅酸盐水泥熟料 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 即国外通称的波特兰水泥 硅酸盐水泥分两种类型 不掺加混合材料的称 型硅酸盐水泥 代号P 在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5 的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称 型硅酸盐水泥 代号P 据GB175 1999 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 2 硅酸盐水泥的技术性能3 硅酸盐水泥的特性 应用1 早期强度和后期强度高2 水化热大 抗冻性好3 干缩小 耐磨性较好4 抗碳化性较好5 耐腐蚀性差6 不耐高温 普通硅酸盐水泥 1 普通硅酸盐水泥定义 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 据GB175 1999 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 2 普通硅酸盐水泥的技术要求1 细度 0 08mm方孔筛筛余量不得超过10 0 用筛余法 2 凝结时间 初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于10h 3 强度等级3 普通硅酸盐水泥的特性 应用基本同硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥定义 凡由硅酸盐水泥熟料和20 70 粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制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 据GB1344 1999 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 特性及应用 凝结硬化速度慢 早期强度低 后期强度高 对温度湿热敏感性强 适于蒸养 steamcuringorhigh pressuresteamcuring 耐腐蚀性好 可用于海港工程和水工大坝的建设 水化热小 可用于大体积混凝土 大型基础和混凝土大坝等 耐热性好 抗碳化 carbonization 能力差 一般不用于热处理车间的修建 矿渣水泥的保水性差 抗渗性差 泌水通道较多 干缩较大 使用中要严格控制用水量 加强早期养护 抗冻性差 不宜用于冬季施工 火山灰质硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥定义 凡由硅酸盐水泥熟料 火山灰质混合材料 掺量为水泥熟料质量的20 50 和适量石膏磨细制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 据GB1344 1999 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 特性及应用火山灰水泥干缩大 在干燥高温下 水化硅酸钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙和氧化硅 产生 起粉 现象 不宜用于干燥环境 抗冻性和耐磨性比矿渣水泥还要差 抗渗性高 掺入粘土质的火山灰水泥不抗硫酸盐侵蚀 粉煤灰硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥定义 凡由硅酸盐水泥熟料 粉煤灰 掺量按质量百分比计为20 40 和适量石膏磨细制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 据GB1344 1999 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 特性及应用干缩小 抗裂 凝结硬化慢 早期强度低 色深 抗碳化性能差 复合硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥定义 凡由硅酸盐水泥熟料 两种或两种以上规定的混合材料 混合材的总掺量按质量的百分比为15 50 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 据GB12958 1999 复合硅酸盐水泥 特性及应用耐腐蚀性好水化热小 抗渗性好 早强 硅酸盐水泥生料的配制 原料石灰质原料 如石灰石 贝壳等 提供CaO 粘土质原料 如粘土 页岩等 主要提供SiO2 Al2O3 Fe2O3 校正原料 如铁矿粉 砂岩 前者是补充原料中不足的氧化铁 后者是补充原料中不足的SiO2 矿化剂工艺干法湿法 硅酸盐水泥的煅烧 窑型立窑回转窑煅烧过程 硅酸三钙 硅酸三钙简称A矿 Alite 硅酸三钙晶体结构特点 1 是晶体结构是 SiO4 4 四面体和 CaO6 10 八面体交联而成 2 在常温下存在的假稳态 具有热力学不稳定性 3 结构中由于Al3 Mg2 等离子的搀杂 而形成固溶体 固溶体程度越大 矿物矿性越高 4 Ca2 的配位数得不到满足 5 CaO6 10 八面体中O2 分布不规则 结构中存在较大的空穴 水分或OH 容易进入 易利水化 硅酸二钙 B矿 Blite 硅酸二钙有四种晶型 C2S C2S C2S C2S 水泥中出现的是 C2S 结构特点 1 晶体结构是由 SiO4 4 四面体和Ca2 组成 2 在常温下存在的假稳态 具有热力学不稳定性 3 结构中的钙离子具有不规则的配位 配位数不能满足 因此活性较高 4 杂质和稳定剂的存在 有利于固溶体的形成 能提高矿物的活性 5 没有象硅酸三钙那样的空穴 因此水化速度较慢 铝酸三钙 铁铝酸四钙 1 硅率 表示水泥熟料中SiO2与Al2O3 Fe2O3之和的比值 以n或SM表示 本指标表示水泥熟料中硅酸盐矿物 强度组分 与熔剂性矿物之间的数量比 硅率越大 强度组分含量也越高 这意味着煅烧过程中的液相含量越少 煅烧温度越高 当硅率过小时 因熔剂矿物太多 熟料易形成大块 甚至出现结圈 结窑 影响生产 2 铝率 又称铁率 表示Al2O3与Fe2O3的相对含量 也表示熟料中铝酸三钙与铁铝酸四钙的相对比例 用P或IM表示 P一般在0 9 1 7之间波动 铝率反映了水泥煅烧过程中高温液相的黏度 铝率高 意味着铝酸三钙含量高 液相黏度大 铝率低 液相黏度小 对形成硅酸三钙有利 但烧结范围变窄 窑内易结大块 不利于控制 当P大于0 64时 C3A和C4AF都能生成 当P小于0 64时 只能生成C4AF 无C3A生成 3 石灰饱和系数 熟料中全部氧化硅生成硅酸钙 C2S和C3S 所需的氧化钙与全部氧化硅生成硅酸三钙所需氧化钙最大含量的比值 也即表示熟料中氧化硅被氧化钙饱和形成硅酸三钙的程度 用KH表示 理想水泥熟料KH 1 但实际上KH 0 8 0 9 KH过低 C3S量少 C2S量多 C2S易出现晶型转化 KH过高 烧结困难 容易生成f CaO 在旋窑KH值控制比立窑的偏高 主要是旋窑煅烧条件好 均匀 4 碱度 表示与一个SiO2分子平均能结合CaO的分子数 用N表示 由于水泥熟料中主要出现出社C2S和C3S 因此N 2 3 N 3KH 碳酸对水泥石的腐蚀 Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2OCaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 2反应生成的碳酸氢钙易溶于水 溶解流失 一般酸对水泥石的腐蚀 2HCl Ca OH 2 CaCl2 易溶 2H2O 镁盐对水泥石的腐蚀 MgCl2 Ca OH 2 CaCl2 易溶 Mg OH 2 絮凝状 无胶结力 硫酸盐对水泥石的腐蚀 MgSO4 Ca OH 2 2H2O Mg OH 2 絮凝状的 无胶结力 CaSO4 2H2O3 CaSO4 2H2O 3CaO A12O3 6H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 水化硫铝酸钙 结晶膨胀 硫酸对水泥石的腐蚀 H2SO4 Ca OH 2 CaSO4 2H2O H2O3 CaSO4 2H2O 3CaO A12O3 6H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 水化硫铝酸钙 结晶膨胀 碱对水泥石的腐蚀 3CaO A12O3 6NaOH 3Na2O Al2O3 3Ca OH 2 易溶于水 2NaOH 2CO2 H2O 2Na2CO3 H2O 结晶膨胀 水泥石腐蚀的防止 当存在腐蚀性介质时 选择合适的水泥品种 掺入合适的混合材 减少水泥中易被腐蚀的物质 即Ca OH 2 3CaO A12O3 6H2O 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 矿渣化学成分 矿渣的主要化学成份是硅酸钙 与熟料的化学成分相似 但主要差别在于矿渣中钙含量偏低 而硅含量偏高 硅酸盐水泥与矿渣化学成分比较 化学成分与性能有直接的关系 1 当CaO含量高时 对活性有利 但不能超过51 以上 否则渣体在液态时 容易析出晶体 并会使其中的 C2S变为 C2S 使活性降低 2 SiO2对活性不利 因为容易形成高硅玻璃体 活性下降 3 MgO在矿渣中不存在安定性问题 因为是稳态存在 当含量 20 时 对矿渣活性有良好影响 可以促进矿渣玻璃化 非晶态 4 MnO是有害物质 5 Al2O3对活性有利 根据化学成分 矿渣可以分为酸性 中性和碱性矿渣三种 这主要是根据碱性系数来确定 M0 1 碱性矿渣 M0 1 酸性矿渣 M0 1 中性矿渣 结构 矿渣是非晶体 在宏观上是硅氧四面体组成的聚合度不同的网络状结构 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 同时使 C2S来不及变为 C2S 4200 2000磨细矿渣在SEM下的形貌 微观形貌 矿渣活性主要取决于结构 当然与化学成分也密切相关 质量系数 活性 粉煤灰 粉煤灰颗粒直径一般为0 001 0 05mm 其物理性态多为实心或空心的球颗粒 表面致密 其化学性质 也即其活性主要决定于玻璃体 含量可达70 其成份主要是活性氧化硅和活性氧化铝 除此两种化学成分外 其中还包括CaO SO32 以及未燃烧的碳等 其中 据一些资料介绍SO32 有可能附着于粉煤灰颗料表面 因而具有缓凝性 原状粉煤灰SEM下的形貌 2900 1000 5000 4200 2000磨细粉煤灰在SEM下的形貌 粉煤灰分类 根据品质 含碳量等分为I II III三级 按含钙量高低 可有高钙 低钙粉煤灰之分 CaO含量高对活性有利 当CaO含量 25 时 即使在无激发条件 也有可能产生水硬性 按f CaO含量分为酸性煤灰和碱性份煤灰 酸性矾 f CaO不含 用其制的水泥水化热很低 适用于大体积砼碱FA 含f CaO f CaO自力激发其他FA中的活性成分 因而具有自力水硬性 但当f Ca 25 时 会带来体积安定性问题 影响粉煤灰性能的因素 玻璃体含量 玻璃体含量越高 FA活性越好 煤粉 未燃碳 碳含量越高 越影响FA的水硬性及耐久性 要求 8 烧失量 CaO含量越高 活性越好 但不可超过限度 燃烧时的温度和负压抽风压力 也影响了玻璃体含量及碳粉含量等 粉煤灰细度 未燃碳的不利影响 a 增加了需水量 b 未燃煤粉遇水后表而形成一层憎水膜 阻碍了Ca OH 2与FA的作用影响活性发挥 c 煤粉吸收水分 体积膨胀 稳定性降低 硅灰 硅灰在SEM下的形貌 文献 火山灰反应 硅酸盐水泥熟料中含有高达75 的C3S和C2S 它们在水化后 主要形成高碱性水化硅酸钙 C S 1 5 和大量Ca OH 2的 与低碱性水化硅酸钙 C S