第五章_水_泥第六章混凝土

第五章水泥 cement 1824年英国阿斯谱丁获得英国 波特兰水泥 专利证书 从而成为流芳百世的水泥发明人 该水泥水化硬化后的颜色类似英国波特兰地区建筑用石料的颜色 所以被称为 波特兰水泥 水泥的定义 粉末状水硬性无机矿物胶凝材料 建筑上用来将散粒材料 如砂 石子 或块状材料 如砖 石块 粘结成为整体的材料 统称为胶凝材料 胶凝材料按其化学成分可分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类 前者如水泥 石灰 石膏 菱苦土 水玻璃等 后者如沥青 有机高分子聚合物等 无机胶凝材料按其硬化条件又分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料两大类 气硬性胶凝材料是指只能在空气中凝结硬化 也只能在空气中保持或发展其强度的胶凝材料 如石灰 石膏 水玻璃 菱苦土等 水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中硬化 而且能更好地在水中硬化 保持并继续提高其强度的胶凝材料 如各种水泥 水泥的分类 按熟料矿物组成 可分为硅酸盐系列水泥 铝酸盐系列水泥 硫铝酸盐系列水泥 铁铝酸盐系列水泥等 其中以硅酸盐系列水泥生产量最大 应用最为广泛 按性能和用途 可分为通用硅酸盐水泥 如硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 粉煤灰水泥 矿渣水泥 火山灰水泥和复合水泥 特性水泥 如快硬水泥 低热水泥 膨胀水泥等 专用水泥 如道路硅酸盐水泥 砌筑水泥 油井水泥 大坝水泥和港工水泥等 硅酸盐系列水泥是以硅酸钙为主要成分的水泥熟料 一定量的混合材料和适量石膏 共同磨细制成的水硬性胶凝材料 六大通用硅酸盐水泥 硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥 不掺混合材 很少量混合材 掺量 水泥量5 硅酸盐水泥熟料 适量石膏 多量混合材 掺量 水泥量20 P P 少量混合材 5 掺量 20 P O 粒化高炉矿渣 P P P F P S 火山灰 粉煤灰 两种或两种以上多量混合材 掺量 水泥量20 复合硅酸盐水泥 P C 本章主要内容 5 1硅酸盐水泥5 2通用硅酸盐水泥的其他品种5 3铝酸盐水泥5 4其他品种水泥 5 1硅酸盐水泥 5 1 1硅酸盐水泥的定义由硅酸盐水泥熟料 0 5 混合材料 如石灰石或粒化高炉矿渣 适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料 即国外统称的波特兰 Portland 水泥 硅酸盐水泥有两种型号 不掺混合材料的称 型硅酸盐水泥 代号P I 在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥重量5 的混合材料如石灰石或粒化高炉矿渣的称为 型硅酸盐水泥 代号P II 硅酸盐水泥熟料 后面再讲 一 硅酸盐类水泥的生产简单地说 生产过程就是 两磨一烧 即 第一步 将原料按一定比例配料并磨细得到生料 第二步 将生料煅烧使之部分熔融 冷却后形成熟料 第三步 将熟料与适量的石膏 混合材料共同磨细即为硅酸盐水泥 其主要生产过程如下 5 1 2硅酸盐水泥的生产及熟料的矿物组成 粗大的颗粒 有石灰石 白垩等 有粘土 黄土等 二 硅酸盐水泥熟料的矿物组成主要矿物 硅酸三钙 3CaO SiO2 简写式C3S 硅酸二钙 2CaO SiO2 简写式C2S 铝酸三钙 3CaO Al2O3 简写式C3A 铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 简写式C4AF 以上矿物中硅酸三钙约含量最多 37 60 硅酸二钙含量次之 15 37 铝酸三钙和铁铝酸四钙含量最少 分别为7 15 10 18 水泥熟料是以上四种矿物的混合物 其中每种矿物单独水化 具有各自的特性 如果改变熟料中矿物的比例 水泥的性质也将随着改变 各种矿物的特性见下表 硅酸盐水泥熟料的矿物特性 次要成分 为有害成分 游离CaO和MgO 产生原因 石灰质原料中含 煅烧水泥中反应 游离CaO和MgO属过烧产物 活性低 水化慢 危害 影响水泥体积安定性 少量Na2O K2O等碱性氧化物 可能引起碱 骨料反应 少量SO3 会使水泥石产生硫酸盐破坏 一 硅酸盐水泥的水化当石膏耗尽后 钙矾石还会与水化铝酸三钙反应生成单硫型水化硫铝酸钙针状晶体 3CaO Al2O3 CaSO4 12H2O 简写AFm 凝胶 简写C S H 六方板状晶体 立方板状晶体 凝胶 针状或杆状晶体 又称钙矾石 AFt 5 1 3硅酸盐水泥的水化硬化 高硫型 由上可知 硅酸盐水泥的主要水化产物有水化硅酸钙 水化铁酸钙凝胶体 氢氧化钙 水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体 在完全水化的水泥石中 水化硅酸钙约为50 氢氧化钙约为25 二 硅酸盐水泥的凝结硬化概念 水泥用适量的水调和后 最初形成可流动浆体 然后浆体逐渐变稠直至完全失去可塑性 这一过程称为凝结 然后浆体开始产生强度并不断提高 变成坚硬的石状物 水泥石 这一过程称为硬化 水泥的凝结和硬化是人为划分的 实际上是一个连续 复杂的物理化学变化过程 初凝状态 终凝状态 硬化阶段 可塑态 流动态 固态 凝结阶段 凝结硬化过程 水泥加水后水泥中的各种矿物成分便不断发生水化反应 生成的水化产物数量越来越多 水泥浆中的水分越来越少 水泥浆逐渐变稠 可塑性越来越小 直至最后水泥浆可塑性完全消失 开始产生强度 此时表示水泥浆已硬化 三 水泥石的结构随着包裹水泥颗粒的水化产物膜层的逐渐增厚 水泥颗粒内部的水化越来越困难 经过长时间 几个月甚至若干年 的水化以后 除极细的颗粒外 多数颗粒仍剩余尚未水化的内核 所以水泥石是由水泥的水化产物 包括凝胶和晶体 未水化的水泥内核 孔隙和水组成 混凝土中孔隙包括毛细孔 气孔 凝胶孔 孔径为微米级的毛细孔构成了孔隙的主体 对水泥石或混凝土的性能有重要影响 气孔比毛细孔粗 对混凝土性能也有影响 凝胶孔 纳米级 比毛细孔更小 对水泥石性能几乎没有影响 四 影响水泥水化和凝结硬化速度的主要因素 水泥的矿物组成 水泥的细度 水泥颗粒越细 水化速度越快 凝结硬化也快 养护条件 养护的温度越高 水泥水化速度越快 凝结硬化也快 但温度超过40 对水泥后期强度有不利影响 当水泥中的水结冰后水化将停止 环境干燥 水泥的水化不能正常进行 影响水泥石的强度 养护 为促使水泥或混凝土强度的增长 使水泥或混凝土处于一定的温度和湿度环境中的工作称为养护 养护龄期 早期 水泥水化速度快 强度发展快 后期水泥水化速度慢 强度发展也慢 龄期 水泥或混凝土水化的时间称为龄期 5 拌和用水量 用水量越多 水泥水化越快 但凝结硬化速度变慢 6 石膏掺量 石膏掺量过少起不到缓凝作用 过多则会使水泥体积安定性变差 在硅酸盐水泥中为什么要加入适量的石膏 水泥熟料中C3A水化反应迅速 水泥一旦与水接触便会生成大量的水化铝酸钙晶体 使得水泥浆迅速凝结 即发生瞬凝或闪凝 不利于施工 因此为了调节水泥的凝结速度 在熟料磨细时 应掺有适量的 5 左右 石膏 水泥与水接触后这些石膏迅速溶解并与水化铝酸钙反应 生成难溶于水的钙矾石晶体 覆盖在水泥颗粒表面形成膜层 阻碍了水泥与水的接触 延缓了水泥水化速度 从而延长了水泥凝结时间 所以水泥中的石膏起缓凝作用 7 外加剂和混合材料 如缓凝剂可延缓水泥的凝结时间 速凝剂可加速水泥的凝结 用粉煤灰 矿渣等混合材料取代部分水泥可使浆体水化速度变慢 凝结硬化速度也慢 细度细度是指水泥颗粒粗细的程度 水泥颗粒愈细 水泥与水起反应的面积愈大 水化速度愈快并较完全 细度提高 可使水泥混凝土的强度提高 尤其是对早期强度的发展非常有利 一般认为 粒径小于40 m的水泥颗粒才具有较高活性 大于100 m的水泥颗粒则几乎是惰性 但是 水泥磨得过细在存储期间容易受潮而降低强度 也会大大增加粉磨的能耗 还会增大硬化时的收缩使水泥发生裂缝的可能性增加 因此 对水泥细度必须予以合理控制 硅酸盐水泥细度用比表面积法确定 国家标准规定 硅酸盐水泥比表面积大于300m2 Kg 比表面积 单位质量的水泥所有颗粒的总表面积 5 1 4硅酸盐水泥的技术性质和技术标准 水泥净浆标准稠度和水泥净浆标准稠度用水量水泥的凝结时间 安定性均与水泥浆稠度有关 随用水量增加 即水泥浆变稀 凝结时间延长 安定性不合格的水泥浆加水后安定性可能变为合格 为使水泥凝结时间和安定性的测定结果具有可比性 在测定时必须采用规定的统一稠度的水泥净浆即标准稠度的水泥净浆 国标规定 水泥净浆标准稠度采用维卡仪测定 以试杆沉入净浆距底板 时的稠度为 标准稠度 此时的用水量为标准稠度用水量 以占水泥质量的百分数表示 硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般为21 28 附 水泥净浆标准稠度的测定 目的 使凝结时间和安定性等试验结果具有可比性 试验仪器 维卡仪试验方法 标准法 调整水量法 标准稠度的确定 试杆距底板距离为6mm 1mm时的稠度即为标准稠度 此时的水泥净浆即为标准稠度水泥净浆 标准稠度用水量 达到标准稠度时净浆的用水量 以占水泥质量的百分率表示 凝结时间凝结时间分为初凝时间和终凝时间 初凝时间 从水泥加水时起到水泥浆开始失去可塑性时止所经历的时间 或者说 从水泥加水时起到水泥浆达到初凝状态时所经历的时间 终凝时间 从水泥加水时起到水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度时止所经历的时间 或者说 从水泥加水时起到水泥浆达到终凝状态时所经历的时间 水泥的凝结时间对水泥混凝土的施工有重要意义 如果凝结过快 混凝土会很快失去流动性 以致无法浇筑 所以初凝时间不宜过短 以便有足够的时间在初凝之前完成混凝土的施工操作 但终凝时间又不宜太迟 以便混凝土在浇捣完毕后 尽早凝结硬化 以尽早进行下道工序施工 2007规定 硅酸盐水泥初凝时间不得早于 终凝时间不得迟于 6 5小时 普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于 终凝时间不得迟于 初凝时间的测定 试针距底板距离为4mm 1mm时表示水泥浆达到初凝状态 终凝时间测定 测完初凝时间后 立即将试件从玻璃片上移下 反扣在玻璃片上并继续养护 并取下初凝针换上终凝针 当试针沉入水泥浆中刚好为0 5mm时 即终凝针上的环形附件开始不能在试体上留下痕迹时表示水泥浆达到终凝状态 附 凝结时间测定 用维卡仪测 4 体积安定性定义 安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化是否均匀的性质 如体积变化均匀表示水泥安定性良好 如体积变化不均匀则表示水泥安定性不良 在工程中使用安定性不合格的水泥 将使水泥制品产生膨胀性裂缝 甚至使构件 结构破坏 引起严重的事故 安定性不良的原因 熟料中含有过多游离氧化钙或游离氧化镁 或是水泥中掺入的石膏过量而造成的 熟料中含有的游离氧化钙或游离氧化镁都是过烧产物 水化缓慢 在水泥硬化后才开始水化 水化时体积膨胀使水泥石开裂 当石膏掺量过多时 在水泥硬化后 石膏与水化铝酸钙反应生成钙矾石 体积膨胀1 5倍以上 引起水泥石开裂 安定性的检测 一2007规定 水泥的安定性用沸煮法检验必须合格 但沸煮法只能检验由游离氧化钙所引起的安定性不良 游离氧化镁及石膏引起的安定性不方便检测 其数量在水泥生产时加以控制 国标规定 硅酸盐水泥中游离氧化镁含量不得超过5 0 如水泥经压蒸安定性实验合格 则氧化镁含量允许放宽到6 0 水泥中石膏含量常用三氧化硫含量控制 国标规定 水泥中三氧化硫的含量不得超过3 5 沸煮法包括雷氏夹法和试饼法 附1 试饼法用标准稠度的水泥净浆成型为直径70 80mm 中心厚约10mm 边缘渐薄 表面光滑的试饼 试饼标准养护24小时后置于沸煮箱中沸煮3小时后 试饼表面无裂纹 同时试饼无弯曲则表示安定性合格 附2 雷氏夹法 用标准稠度水泥净浆按标准规定成型雷氏夹试件 一次成型两个 标准养护24h后测量雷氏夹指针尖端间的距离A 将雷氏夹沸煮3h后冷却 测量雷氏夹指针尖端的距离C C A即为雷氏夹膨胀值 当两个试件的膨胀值的平均值 5 0mm时 表示水泥安定性合格 当两个试件的膨胀值相差超过4 0mm时 结果无效 应重做试验 再如此 则认为该水泥安定性不合格 雷氏夹 雷氏夹膨胀值测定仪 5 强度 水泥的强度是表明水泥质量的重要指标 水泥的强度是以水泥胶砂强度来表示的 水泥胶砂强度 以水泥 标准砂 水 450 1350 225的比例 按规定的方法成型3个尺寸为40 40 160 的试件 在标准温度 20 1 的水中养护 测定其规定的龄期 3d和28d 的抗压和抗折强度 水泥强度等级 按3d 28d龄期水泥胶砂抗压强度和抗折强度来划分 硅酸盐水泥的强度等级有 42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5和62 5R六个等级 各强度等级的水泥各龄期强度不得低于下表的规定值 附 水泥 胶砂 强度试验 ISO法 按水泥 标准砂 水 450g 1350g 225g 制成三个40mm 40mm 160mm棱柱体试件 标准养护3d 28d 分别测定抗折强度 抗压强度 测定时 先测三个试件的抗折强度 取其平均值即为水泥的抗折强度 再测折断后六个试件的抗压强度 取其平均值即为水泥的抗压强度 右图为水泥胶砂成型用试模 也叫三联模 6 不溶物和烧失量不溶物是指水泥经酸 碱处理后不能被溶解的残余物 它是水泥中非活性组分的反映 不溶物增加 水泥活性下降 国标规定 P I中不溶物不得超过0 75 P II中不得超过1 5 烧失量是指水泥经过高温灼烧后的质量损失率 水泥煅烧不佳或受潮后 均会导致烧失量增加 国标规定 P I中烧失量不得超过3 0 P II中不得超过3 5 7 氯离子含量水泥中氯离子会引起混凝土中钢筋的锈蚀 国标规定 通用水泥中氯离子含量不得超过0 06 8 碱含量水泥中的碱含量按Na2O 0 658K2O计算 当水泥中碱含量较高 同时骨料又具有一定活性时 变会发生碱 骨料反应 引起混凝土破坏 国标规定 若使用活性骨料 碱含量不得大于0 6 9 水化热 水泥水化过程中放出的热量称为水泥水化热 和其他通用水泥相比 硅酸盐水泥的水化热较大 当用硅酸盐水泥浇筑大体积混凝土 如大型基础 桥梁墩台 混凝土大坝等 时 要严格控制水泥的水化热 同时在混凝土施工时要采取相应的温控措施 如原材料降温 使用冰水作拌合用水 埋设冷却管等 国标规定 硅酸盐水泥凡氧化镁含量 三氧化硫含量 初凝时间 终凝时间 安定性和强度中任何一项不符合规定作为不合格品处理 不能出厂 5 1 5硅酸盐水泥石的腐蚀及防止 在武汉有个老租界的房屋 英国的建筑事务所在2000年的时候专门发了一个函过来 说他们100年前设计的这栋房子的寿命到期了 这之后发生的任何事情 他们事务所不再负责任了 这说明什么 说明建筑是有寿命的 它结构会老化 钢筋会锈蚀 混凝土会腐蚀 还说明这样的设计所是负责任的 一 腐蚀的类型在腐蚀性液体和气体 统称侵蚀性介质 的作用下 水泥石会逐渐遭到破坏 引起强度降低甚至造成建筑物结构破坏 这种现象叫水泥石的腐蚀 产生水泥石腐蚀的主要原因有以下几种 1 软水 如雨水 雪水 蒸馏水等 腐蚀 软水侵蚀水泥石的基本原理 水泥石中的水化产物须在一定浓度的氢氧化钙环境中才能稳定存在 如果水泥石中氢氧化钙浓度小于水化产物所要求的最小浓度时 则水化产物将被溶解或分解 从而造成水泥石结构破坏 当水泥石长期与软水接触时 氢氧化钙会被溶出 在静水无压时 由于氢氧化钙溶解度小 易达饱和 故溶出仅限水泥石表层 影响不大 但在流动水或压力水作用下氢氧化钙会不断溶解流失 使水泥石碱度不断降低 从而引起其它水化产物的分解溶失 使水泥石结构遭受破坏 当环境水中含有重碳酸盐时 则重碳酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应 生成几乎不溶于水的碳酸钙 碳酸钙沉积在水泥石的孔隙中起密实作用 从而可阻止水继续渗入水泥石内部及阻止内部氢氧化钙的析出 所以硬水不会对水泥石产生腐蚀 2 硫酸盐的腐蚀在海水 地下水或某些工业废水中常含有钠 钾 铵等硫酸盐 它们与水泥石中的氢氧化钙起置换作用 在水泥石的孔隙中形成石膏 石膏进一步与水泥石中水化铝酸钙起反用 生成针状结晶的高硫型水化硫铝酸钙 钙矾石 AFt 体积增大1 5倍以上 从而对水泥石产生很大破坏作用 因钙矾石针状晶体与细菌中的杆菌外形相似 所以被称为 水泥杆菌 3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O硫酸盐会引起水泥石破坏 但生产水泥时掺入的适量石膏却对水泥石没有破坏作用 为什么 硫酸盐对水泥石的破坏是由于硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙 水化铝酸钙反应生成钙矾石 体积膨胀1 5倍以上 同时由于这一反应发生在变形能力很小的水泥石内部 因而膨胀的体积会造成水泥石破坏 生产水泥时掺入的适量石膏在水泥水化时也会与水化铝酸钙反应生成钙矾石 体积膨胀1 5倍以上 但该反应在水泥浆体硬化前就已基本完成 此时水泥浆还具有可塑性 因而膨胀的体积对水泥浆体无破坏作用 3 镁盐的腐蚀MgSO4 Ca OH 2 H2O CaSO4 2H2O Mg OH 2MgCl2 Ca OH 2 CaCl2 Mg OH 24 碳酸腐蚀Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2O CaCO3 CO2 H2O Ca HCO3 25 强碱的腐蚀3CaO Al2O3 6NaOH 3NaO Al2O3 3Ca OH 26 一般酸的腐蚀 均会产生不同程度的腐蚀 二 腐蚀的防止腐蚀的原因 有腐蚀介质的存在 水泥石本身不密实 腐蚀性介质容易侵入 水泥石中有易被腐蚀的成分 主要是氢氧化钙和水化铝酸钙 防止的方法 根据水泥石所处的环境 选用适当的水泥 提高水泥石本身的密实度 减少侵蚀介质的渗透 当侵蚀作用很强时 在水泥结构物表面加做防护层 如涂刷沥青 粘贴瓷砖 玻璃 塑料等 5 1 6硅酸盐水泥的特性及应用 与熟料的水化活性比 混合材料的水化活性要小很多 其活性是一个缓慢发挥的过程 水泥中混合材料含量越少 相应的孰料含量含量越多 则水泥水化速度越快 1 硬化速度快 早期 后期强度均高 因为早期强度高的C3S含量多 同时对水泥早期强度有利的C3A含量也较高 适用于现浇混凝土 高强混凝土和预应力混凝土工程 2 抗冻性好 适用于严寒地区遭受反复冻融的工程 3 水化热大 这是水化热大的C3S和C3A含量高所致 适用于冬季施工 不适宜于大体积混凝土工程 4 耐软水和耐化学腐蚀性差 这是因为水泥水化后生成了很多的氢氧化钙和较多的水化铝酸钙 这两种水化产物都不耐腐蚀 不适宜于有流动软水或压力软水作用的工程和有耐腐蚀性要求的工程如海水中工程 5 耐热性差 当温度为200 300 时 水化产物开始分解 水泥石强度开始降低 不适宜于耐热要求高的工程 6 抗碳化性能好 这是因为水泥石中氢氧化钙含量多 适宜于高浓度CO2中的混凝土工程 碳化 Ca OH 2 CO2 H2O CaCO3 2H2O 碳化会使混凝土碱度降低 使混凝土中钢筋表面的钝化膜破坏 从而加速钢筋锈蚀 7 干缩小 不易产生干缩裂纹 适用于干燥环境中 水泥很容易吸收空气中的水分 发生水化作用凝结成块状 从而失去胶结能力 因此水泥在运输和保管中应特别注意防水 防潮 工地存储水泥应有专用仓库 库房要干燥 存放袋装水泥时 地面垫板要离地30cm 四周离墙30cm 堆放高度一般以10袋为宜 水泥的储存应按照到货先后依次堆放 尽量作到先到先用 防止存放过久 不同品种不同标号的水泥要分别存放 不得混杂 并要防止其他杂物混入 一般水泥的储存期为三个月 三个月后强度降低约10 20 储存时间越长 强度降低越多 使用存放三个月以上的水泥 必须重新检验其强度 否则不得使用 对于受潮水泥可以进行处理 然后再使用 5 1 7水泥的运输及保管 5 2通用硅酸盐水泥的其他品种 六大通用水泥中 除了硅酸盐水泥外 根据水泥中掺入的混合材料的数量和品种的不同还有 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 一 定义 在水泥生产过程中 加入的天然或人工矿物材料 称为水泥混合材料 根据其性能分为活性混合材料和非活性混合材料 二 非活性混合材料定义 常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或水化反应很微弱 不能凝结硬化即不能起胶凝作用的混合材料称为非活性混合材料 作用 主要起填充作用 能调节水泥强度等级 增加产量 降低水化热等作用 常用品种 磨细石英砂 石灰石 黏土 慢冷矿渣等 以及活性指标低于要求的粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料 5 2 1混合材料 三 活性混合材料定义 常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应生成水硬性物质 并能逐渐凝结硬化即能起胶凝作用的混合材料称为活性混合材料 其主要活性成分是活性SiO2和活性Al2O3 作用 除了填充作用外 还能与水泥水化产物氢氧化钙起水化反应 生成水硬性胶凝材料水化硅酸钙和水化铝酸钙 因而除了能调节水泥强度等级 增加产量 降低水化热等作用外 还能改善水泥的某些性能如抗腐蚀性 抗渗性等 常用品种 常用的有粒化高炉矿渣 火山灰质混合材料和粉煤灰 它们中的主要活性成分都是活性SiO2和活性Al2O3 粒化高炉矿渣 高炉炼铁时 浮在铁水表面的熔融矿渣经水淬急冷成粒后即为粒化高炉矿渣 急冷的目的是阻止矿渣结晶 使矿渣形成一种化学性质较晶体活泼的玻璃体 如矿渣缓慢冷却则会形成活性很小的结晶体 粒化高炉矿渣的活性大小用质量系数K表示 K CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO TiO2 K越大 活性越高 用于水泥中的矿渣K不得小于1 2 粉煤灰 从燃煤的火力发电厂的烟囱中收集到的粉尘 又称飞灰 粉煤灰一般为实心或空心玻璃态球状颗粒 表面致密 颗粒越细 球状玻璃体越多 粉煤灰活性越大 火山灰质混合材料 广义地说 泛指以活性SiO2和活性Al2O3为主要成分的混合材料 天然的有火山灰 凝灰岩 浮石 硅藻土 沸石等 人工的有烧页岩 烧粘土 煤渣 煤矸石 硅灰等 狭义地说 就是指天然的火山灰 火山喷发时 随同熔岩一起喷发的大量碎屑沉积在地面或水中形成的松软物质就是火山灰 四 活性混合材料的水化在Ca OH 2溶液中的水化反应 xCa OH 2 SiO2 mH2O xCaO SiO2 x m H2O 凝胶 yCa OH 2 Al2O3 nH2O yCaO Al2O3 y n H2O 晶体 当液相中有石膏存在时 yCaO Al2O3 y n H2O还会与石膏发生反应生成水化硫铝酸钙晶体 Ca OH 2为常用的碱性激发剂 石膏为常用的硫酸盐激发剂 在混合材料水化时 硫酸盐激发剂要在碱性激发剂存在时才起作用 与水泥水化产物的水化反应 也称二次水化反应 掺活性混合材料的水泥水化时 先是熟料水化 然后才是活性混合材料中的活性成分 活性SiO2 活性Al2O3 与熟料的水化产物Ca OH 2发生水化反应 这个反应称为二次水化反应 二次水化反应的特点 与熟料的水化活性比 混合材料的水化活性要小很多 其活性是一个缓慢发挥的过程 与熟料的水化反应相比 二次水化反应的速度要慢 水化放热速度也要慢很多 故硅酸盐水泥中混合材料掺量越多 水泥水化速度越慢 早期水化热越少 水泥早期强度越低 一 定义 凡由硅酸盐水泥熟料 5 20 的混合材料 适量的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 P O和硅酸盐水泥在包装袋两侧都用用红色字体印刷 二 技术要求 根据GB175 2007的规定 细度 同硅酸盐水泥 比表面积 300 凝结时间 初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于10h 强度等级 按水泥胶砂3d和28d龄期的抗压和抗折强度来划分 普通水泥的强度等级分别有42 5 42 5R 52 5 52 5R四个级别 各种强度等级水泥各个龄期的强度见下表 体积安定性 沸煮法合格 MgO SO3含量要求同硅酸盐水泥 烧失量 不得大于5 0 三 技术性质由于P O是在硅酸盐水泥基础上掺入少量的混合材料而形成 所以普通水泥的性能 应用范围与同强度等级的硅酸盐水泥相近 与硅酸盐水泥比 普通水泥具有如下性质 凝结硬化稍慢 水化热稍低 强度特别是早期强度稍低 抗冻性 耐磨性 抗碳化性稍差 但耐腐蚀性稍好 普通水泥的应用范围比硅酸盐水泥还广 5 2 2普通硅酸盐水泥 一 定义矿渣硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料 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 又分A型矿渣水泥 20 50 矿渣 代号P S A 和B型矿渣水泥 50 70 矿渣 代号P S B 在包装袋两侧用绿色字体印刷 火山灰质硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料 20 40 火山灰质混合材料 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 在包装袋两侧用黑色或蓝色字体印刷 粉煤灰硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料 20 40 粉煤灰 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 在包装袋两侧用黑色或蓝色字体印刷 5 2 3矿渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 二 技术要求 根据GB175 2007的规定 详见下表 三 技术性质由于这三种水泥都是在硅酸盐水泥基础上掺入多量的混合材料而形成 它们区别仅在于掺加的活性混合材料的种类不同 由于三种活性混合材料的化学组成和化学活性基本相同 因此这三种水泥的大多数性质和应用比较接近 即这三种水泥在许多情况下可替代使用 同时 又由于三种活性混合材料的物理性质和表面特征等有些差异 使得这三种水泥又具有各自的特性 1 三种水泥的共性 与硅酸盐水泥或P O比 1 早期强度低 后期强度发展快 与硅酸盐水泥或P O比 这三种水泥中混合材料数量多 熟料数量少 因活性混合材料水化速度比熟料慢 故这三种水泥早期强度低 但随时间延长 活性混合材料的二次水化反应产生的水化产物数量越来越多 故后期强度发展快 2 硬化时对湿热敏感 适合高温养护 蒸汽养护 不但能大大提高早期强度 并可提高后期强度 3 耐软水侵蚀和抗硫酸盐侵蚀能力好 由于水化产物中氢氧化钙含量少 4 水化热小 由于熟料用量少 5 抗冻性较差 6 抗碳化性较差 由于水化产物中氢氧化钙含量少 7 耐磨性较差 2 三种水泥的特性及应用矿渣水泥 矿渣硅酸盐水泥中粒化高炉矿渣玻璃体吸附水的能力差 从而保持水分的能力差 保水性差 易泌水 造成较多的连通孔隙 即泌水通道 因此矿渣硅酸盐水泥抗渗性差 且干缩较大 矿渣本身耐热性好 且矿渣水泥水化后氢氧化钙的含量少 故矿渣硅酸盐水泥耐热性较好 矿渣硅酸盐水泥适合用于有耐热要求的混凝土工程 不适合用于有抗渗要求的混凝土工程 粉煤灰水泥 粉煤灰大部分是表面致密的球形玻璃体 吸附水的能力较差 即保水性差 泌水性大 易使水泥制品表面因大量泌水产生收缩裂纹 又称失水裂纹 因而粉煤灰水泥抗渗性差 但粉煤灰水泥干缩较小 抗裂性好 粉煤灰水泥适合用于承载较晚的混凝土工程和有抗裂要求的工程 不宜用于有抗渗性要求的混凝土工程 且不宜用于干燥环境中的混凝土及有耐磨性要求的混凝土工程 火山灰水泥 火山灰质混合材料内部含有大量的微细孔隙 内比表面积大 故火山灰水泥保水性好 火山灰水泥水化后会形成较多的水化硅酸钙凝胶 使水泥石结构致密 因而抗渗性较好 火山灰水泥干缩大 水泥石易产生微细裂纹 且在干燥环境中水泥石表面会产生起粉现象 火山灰水泥的耐磨性也较差 火山灰水泥适合于有抗渗性要求的混凝土工程 不宜用于干燥环境中的地上混凝土工程 也不宜用于有耐磨性要求的混凝土工程 5 2 4复合水泥 一 定义 由硅酸盐水泥熟料 20 50 两种或两种以上规定的混合材料 适量的石膏共同磨细而成的水硬性胶凝材料称复合硅酸盐水泥 简称复合水泥 代号P C 二 技术要求 复合水泥的各项技术要求与火山灰水泥 粉煤灰水泥相同 三 技术性质 复合水泥加入的两种或两种以上的混合材料会相互取长补短 产生1 1 2效应 因而复合水泥性能要好于掺单一混合材料的水泥 如耐腐蚀性 抗渗 抗冻性都较好 复合水泥在包装袋两侧用黑色或蓝色字体印刷 5 2 5通用水泥的性能特点及应用 接上表 凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料 磨细制成的水硬性胶凝材料 称为铝酸盐水泥 CA 铝酸盐水泥是一种快硬 高强 耐腐蚀 耐热的水泥 又称高铝水泥 5 3铝酸盐水泥 5 3 1铝酸盐水泥的分类和矿物组成 分类按Al2O3含量分为 CA 50 50 Al2O3 60 CA 60 60 Al2O3 68 CA 70 68 Al2O3 77 CA 80 77 Al2O3 矿物组成铝酸盐水泥的主要矿物成分是铝酸一钙 CaO Al2O3 简写式CA 和二铝酸一钙 CaO 2Al2O3 简写式CA2 此外还有少量的其他铝酸盐和硅酸二钙 铝酸一钙性质 凝结正常 硬化速度快 早期强度高 后期强度发展慢 二铝酸一钙性质 水化硬化慢 早期强度低 后期强度不断增加 随CA2含量增加 水泥耐火性提高 随铝酸盐水泥牌号增加 水泥中CA含量减少 CA2增加 故CA 50快硬 早强性能最好 而CA 80耐火性最好 水化铝酸盐水泥的水化产物与温度密切相关 当温度低于20 时 CA的水化产物为CAH10 而CA2的水化产物为CAH10及铝胶 当温度为20 30 时 CA和CA2的水化产物均为C2AH8及铝胶 当温度高于30 时 CA和CA2的水化产物均为C3AH6及铝胶 硬化CAH10和C2AH8为片状或针状的晶体 它们互相交错搭接 形成坚固的结晶连生体骨架 同时生成的铝胶填充于晶体骨架的空隙中 形成致密的结构 使水泥石强度较高 CA水化集中在早期 使水泥石早期强度迅速增加 水化5 7天后 水化物数量很少增长 而CA2水化集中在后期 使水泥石后期强度不断增加 特别需要指出的是 CAH10和C2AH8都是不稳定的 会逐步转化为C3AH6 温度升高转化加快 晶体转变的结果 使水泥石内析出了游离水 增大了孔隙率 同时也由于C3AH6本身强度较低 且相互搭接较差 所以水泥石的强度明显下降 后期强度可能比最高强度降低达40 以上 5 3 2铝酸盐水泥的水化和硬化 对铝酸盐水泥的技术要求 铝酸盐水泥 GB201 2000规定如下 一 化学成分 Al2O3 SiO2 Fe2O3 碱 硫和氯离子含量应符合教材表5 10要求 二 物理性能细度 比表面积不小于300 或45 m筛的筛余不大于20 凝结时间 强度 铝酸盐水泥6h 1d 3d和28d的抗压 抗折强度不得低于教材表5 11的规定 5 3 3铝酸盐水泥的技术要求 与硅酸盐水泥相比 铝酸盐水泥具有以下特性及应用 1 快硬早强 1d强度高 适用于紧急抢修工程 2 水化热大 放热量主要集中在早期 1d内即可放出水化总热量的70 80 因此 不宜用于大体积混凝土工程 但适用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程 3 抗硫酸盐侵蚀性好 因为铝酸盐水泥在水化后几乎不含有Ca OH 2 且结构致密 适用于抗硫酸盐及海水侵蚀的工程 4 耐热性好 是因为不存在水化产物Ca OH 2在较低温度下的分解 且在高温时水化产物之间发生固相反应 生成新的化合物 因此 铝酸盐水泥可作为耐热砂浆或耐热混凝土的胶结材料 能耐1300 1400 高温 5 长期强度要降低 一般降低40 50 因此不宜用于长期承载结构 且不宜用于高温环境中的工程 5 3 4铝酸盐水泥的性能特点与应用 特性水泥 如快硬水泥 低热水泥 膨胀水泥等 专用水泥 如道路硅酸盐水泥 砌筑水泥 油井水泥 大坝水泥和港工水泥等 5 4其他品种水泥 一 定义 以适当成分的生料烧至部分熔融 所得以硅酸钙为主要成分和较多量的铁铝酸钙的硅酸盐熟料称为道路硅酸盐水泥熟料 由道路硅酸盐水泥熟料 0 10 活性混合材料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 道路水泥是一种强度高 特别是抗折强度高 耐磨性好 干缩性小 抗冲击性好 抗冻性和抗硫酸性比较好的专用水泥 它适用于道路路面 机场跑道道面 城市广场等工程 由于道路水泥具有干缩性小 耐磨 抗冲击等特性 可减少水泥混凝土路面的裂缝和磨耗等病害 减少维修 延长路面使用年限 5 4 1道路硅酸盐水泥 二 技术要求化学组成在道路水泥或熟料中含有下列有害成分必须加以限制 氧化镁含量 道路水泥中氧化镁含量不得超过 三氧化硫含量 道路水泥中三氧化硫不得超过 烧失量 道路水泥中的烧失量不得大于 游离氧化钙含量 道路水泥熟料中游离氧化钙含量 旋窑生产不得大于 立窑生产不得大于 碱含量 如用户提出要求时 由供需双方商定 矿物组成铝酸三钙含量 道路水泥熟料中铝酸三钙的含量不得大于 铁铝酸四钙含量 道路水泥熟料中铁铝酸四钙的含量不得小于 物理力学性质细度 筛的筛余量不得大于 凝结时间 初凝不得早于 终凝不得迟于 安定性 沸煮法必须合格 干缩性 按水泥胶砂干缩性试验 干缩率不得大于 耐磨性 按行业标准 水泥胶砂耐磨性试验 磨损率不得大于 强度 道路水泥分为 和 三个标号 三 工程应用道路水泥是一种强度高 特别是抗折强度高 耐磨性好 干缩性小 抗冲击性好 抗冻性 抗硫酸性比较好的专用水泥 它适用于道路路面 机场跑道道面 城市广场等工程 由于道路水泥具有干缩性小 耐磨 抗冲击等特性 可减少水泥混疑土路面的裂缝和磨耗等病害 减少维修 延长路面使用年限 因而可获得显著的社会效益和经济效益 凡以适当成分的生料烧至部分溶融 所得以硅酸钙为主要成分 氧化铁含量很少的白色硅酸盐水泥熟料 加入适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料 称为白色硅酸盐水泥 简称白水泥 白水泥的性能与硅酸盐水泥基本相同 所不同的是严格控制水泥原料的铁含量 并严防在生产过程中混入铁质 Fe2O3含量一般小于0 5 尽可能除掉其他着色氧化物 MnO TiO2等 白色硅酸盐水泥 GB2015 91 的规定 细度为0 08mm方孔筛筛余不大10 初凝不得早于45min 终凝不得迟于12h 安定性 沸煮法 合格 水泥中SO3含量不得超过3 5 白水泥有325 425 525 625四个强度等级 白水泥按白度分为特级 一级 二级和三级四个等级 白水泥熟料与石膏以及颜料或着色剂共同磨细可制得彩色水泥 5 4 2白色硅酸盐水泥 定义 凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的 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 快硬水泥与硅酸盐水泥的主要区别在于提高了熟料中C3A和C3S的含量 同时适当增加了石膏的掺量和水泥的细度 技术要求 见 快硬硅酸盐水泥 GB199 1990的规定 细度 80 m方孔筛筛余不大于10 初凝时间和终凝时间 安定性 合格 SO3含量 不大于4 0 MgO含量 标号 以3d抗压强度表示 分325 375 425三个标号 特点 硬化快 早期强度发展快 可用来配制早强混凝土 用于紧急抢修工程和低温施工工程 5 4 3快硬硅酸盐水泥 中热水泥和低热矿渣水泥主要特点是水化热低 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的具有中等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20 60 允许用不超过混合材料总量50 的磷渣或粉煤灰代替矿渣 5 4 4中热 低热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥 按抗硫酸盐侵蚀程度 分为中抗和高抗硫酸盐水泥两类 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 较高 浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料 称为中抗 高抗 硫酸盐水泥 P MSR P HSR P MSR C3S C3A 55 0 5 0 P HSR C3S C3A 50 0 3 0 烧失量 3 0 SO3 2 5 比表面积 280m2 kg 各龄期强度符合要求 适用于一般受硫酸盐侵蚀的海港 水利 地下 隧道 道路和桥梁基础等工程设施 5 4 5抗硫酸盐水泥 常用水泥在空气中硬化时会收缩 导致砼产生裂缝 使一系列性能变坏 膨胀水泥可克服普通水泥砼的缺点 种类有 1 硅酸盐膨胀水泥 2 铝酸盐膨胀水泥 3 硫铝酸盐膨胀水泥 4 铁铝酸钙膨胀水泥 膨胀水泥的膨胀是由于水泥石中形成了钙矾石 通过调整各组分比例 即可得到不同膨胀值的膨胀水泥 膨胀水泥主要用于配制收缩补偿砼 构件接逢及管道接头 砼结构的加固和修补 防渗堵漏工程 机器底座和地脚螺丝固定 膨胀水泥的膨胀会在限制条件下使砼受到压应力 即自应力 自应力值 2 0MPa时就称为自应力水泥 可用于制造自应力钢筋砼压力管件及其配件 5 4 6膨胀水泥和自应力水泥 工程实例 硅酸盐水泥水化收缩 会产生裂缝 为此 引入膨胀组分如明矾石 石灰等以补偿收缩 或产生自应力 因大批量生产的膨胀水泥调节不同需求的膨胀量较困难 为适应不同工程的需求 又发展为膨胀剂 如我国较著名的U型膨胀剂 UEA 我国驻孟加拉国大使馆1991年2月正式开工 1992年6月竣工 被评为使馆建设 优质样板 工程 孟加拉国是世界暴风雨灾害中心区 年降雨量2000 3000mm 雨期长达6个月 使馆区地势低洼 暴雨后地面积水深达500mm 在该使馆工程地下室 楼板 公寓 地下室 室外游泳池 观赏池的混凝土中采用UEA膨胀剂防水混凝土