第03章水泥素材.ppt

第三章水泥,词典上的定义,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。,专业定义,水泥：指加水拌和成塑性浆后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。土木建筑工程通常采用的水泥主要有：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。,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20003000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-phAspdin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。,第一节硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料、05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。硅酸盐水泥在国际上分为两种类型：不掺混合材的称I型硅酸盐水泥，其代号为P.I；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称II型硅酸盐水泥，其代号为.II。,一.硅酸盐水泥的生产生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。生产水泥的基本工序可以概括为：“两磨一烧”：先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。,二.硅酸盐水泥熟料的矿物组成硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为:（）硅酸三钙硅酸三钙的化学成分为3ai2，其简写为3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的3660。硅酸三钙遇水后能够很快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥37天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。,）硅酸二钙硅酸二钙的化学成分为2ai2，其简写为C2S，约占水泥熟料总量的1537。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。（）铝酸三钙铝酸三钙的化学成分是3CaOAl2O3，其简写为C3，约占水泥熟料总量的715。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。,（）铁铝酸四钙铁铝酸四钙的化学成分为:CaOAl2O3Fe2O3，其简写为4AF，约占水泥熟料总量的1018。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。,3.硅酸盐水泥的水化硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应，生成各种水化物。硅酸三钙水水化硅酸钙氢氧化钙,硅酸二钙水水化硅酸钙氢氧化钙铝酸三钙水水化铝酸三钙铁铝酸四钙水水化铝酸三钙水化铁酸钙,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3CaOSiO2C3S4462硅酸二钙2CaOSiO2C2S1830铝酸三钙3CaOAl2O3C3A512铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3C4AF1018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,水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体，也称为钙矾石晶体：水化硫铝酸钙（钙矾石）经过上述水化反应后，水泥浆中不断增加的水化产物主要有：水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙等新生矿物。,4.硅酸盐水泥的凝结和硬化水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；同时，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。,由于铝酸三钙(C3A)水化极快，会使水泥很快凝结，为减缓凝结，水泥中加入了适量的石膏。石膏的缓凝分析：1、水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。2、钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。,当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。,随着水泥水化的不断进行，水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。,影响水泥凝结硬化的主要因素（）矿物组成不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素。,（）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。水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低，因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥石的强度。,（3）石膏掺量石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时，石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。（4）水泥的细度在矿物组成相同的条件下，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，相应地水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。,（5）环境温度和湿度在适当温度条件下，水泥的水化、凝结和硬化速度较快。反应产物增长较快，凝结硬化加速，水化热较多。相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增长变缓。但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢，甚至下降。水的存在是水泥水化反应的必要条件。当环境湿度十分干燥时，水泥中的水分将很快蒸发，以致水泥不能充分水化，硬化也将停止；反之，水泥的水化将得以充分进行，强度正常增长。（6）龄期（时间）水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，只要温度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干年。,硅酸盐水泥的主要技术性能,1密度：一般在3.053.2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(OH)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C3SC4AFC2S,（）标准稠度用水量稠度是水泥浆达到一定流动度时的需水量。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。“标准稠度”是人为规定的稠度，其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在2128之间。,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。,（3）凝结时间水泥从加水开始到失去其流动性，即从液体状态发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程。这个过程所需要的时间称为凝结时间。凝结时间分初凝时间和终凝时间。初凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性所需的时间。终凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。国家标准规定，水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆，在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定。,硅酸盐水泥标准规定，初凝不得早于45min，终凝不迟于6h30min。其它水泥不同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）,（）体积安定性水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性。即水泥硬化浆体能保持一定形状，不开裂，不变形，不溃散的性质。体积安定性不良的水泥应作废品处理，不得应用于工程中，否则将导致严重后果。,体积安定性不良原因：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%。,体积安定性,、：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）,熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其它成分所包裹，使得其在水泥已经硬化后才进行熟化，生成六方板状的Ca(OH)2晶体，这时体积膨胀97以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，从而导致水泥石开裂。,游离氧化钙、游离氧化镁或掺入石膏过多等原因的因素,（5）强度强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标。水泥的强度是按照GB/T17961-1999水泥胶砂强度检验方法（ISO）法的标准方法制作的水泥胶砂试件，在201温度的水中，养护到规定龄期时检测的强度值。其中标准试件尺寸为4cm4cm16cm，胶砂中水泥与标准砂之比为1：3（W/C=0.5），标准试验龄期分别为d和28d分别检验其抗压强度和抗折强度。按照测定结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。各等级硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求。,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：C3AC3SC4AFC2S。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。,水泥的碱含量,若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥。水泥中含有较多的强碱物Na2O或K2O时，容易发生不良反应对结构造成危害。因而国家标准规定，水泥中的碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示不得大于0.6%。,1.水泥石体积的变化,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79ml。矿物组分化学缩减不同：C3AC4AFC3SC2S。,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,7.水泥石的腐蚀7.1水泥石腐蚀的方式（）软水侵蚀水泥石长期接触软水时，会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出，当水泥石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时，水泥石中的其它含钙矿物也可能分解和溶出，从而导致水泥石结构的强度降低，甚至破坏。当水泥石处于软水环境时，特别是处于流动的软水环境中时，水泥被软水侵蚀的速度更快。,（）一般酸的腐蚀工程结构处于各种酸性介质中时，酸性介质易与水泥石中的氢氧化钙反应，其反应产物可能溶于水中而流失，或发生体积膨胀造成结构物的局部被胀裂，破坏了水泥石的结构。其基本化学反应式为：,）碳酸的腐蚀雨水及地下水中常溶有较多的二氧化碳，形成了碳酸。碳酸水先与水泥石中的氢氧化钙反应，中和后使水泥石碳化，形成了碳酸钙，碳酸钙再与碳酸反应生成可溶性的碳酸氢钙，并随水流失，从而破坏了水泥石的结构。其腐蚀反应过程为：,（）硫酸盐的腐蚀当环境中含有硫酸盐的水渗入到水泥石结构中时，会与水泥石中的氢氧化钙反应生成石膏，石膏再与水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石，产生1.5倍的体积膨胀，这种膨胀必然导致脆性水泥石结构的开裂，甚至崩溃。由于钙矾石为微观针状晶体，人们常称其为水泥杆菌。此外，有些其它物质也能腐蚀水泥石，如镁盐、强碱、糖类、脂肪等。,防止水泥石腐蚀的方法（）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种，或适当掺加混合材料，减少可腐蚀物质的浓度，防止或延缓水泥的腐蚀。如处于软水环境的工程，常选用掺混合材料的矿渣水泥、火山灰水泥或粉煤灰水泥，因为这些水泥的水泥石中氢氧化钙含量低，对软水侵蚀的抵抗能力强。,（）提高混凝土的密实度，采取措施减少水泥石结构的孔隙率，特别是提高表面的密实度，阻塞腐蚀介质渗入水泥石的通道。（）在水泥石结构的表面设置保护层，隔绝腐蚀介质与水泥石的联系。如采用涂料、贴面等致密的耐腐蚀层覆盖水泥石，能够有效地保护水泥石不被腐蚀。,防止水泥石腐蚀的方法,8.硅酸盐水泥的性能特点与应用（1）凝结硬化快，早期及后期强度均高，适用于有早强要求的工程，（如冬季施工、预制、现浇等工程），高强度混凝土工程（如预应力钢筋混凝土，大坝溢流面部位混凝土）。（2）抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。（3）耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。（4）水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。,（5）抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。（6）耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工程。（7）耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。,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,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。,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,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。,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/S90%。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0.1m左右，比表面积高达150000250000cm2/g，硅灰组成中，含活性SiO2约9098，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）,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：,其他品种水泥,在实际建筑施工中，往往会遇到一些有特殊要求的工程，如紧急抢修工程、具有鲜艳色彩的工程，耐热耐酸工程，新旧混凝土搭接工程等，前面介绍的五个品种的水泥已不能满足这