《建筑材料》教案(第四章).ppt

建筑材料教案第四章水泥,建筑工程系主讲教师：李棱雪,第四章水泥,4.1水泥概述4.2硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥4.3掺大量混合材料的硅酸盐水泥4.4其他品种水泥,水泥分类,硅酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥铁铝酸盐水泥,(2)按性能和用途分类,通用水泥专用水泥特性水泥,按化学成分,尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。,4.1水泥概述,4.1.1、水泥的发展过程cement一词由拉丁文caementum发展而来，是碎石及片石的意思。水泥的历史可追溯到古罗马人在建筑工程中使用的石灰和火山灰的混合物。1796年英国人J.帕克用泥灰岩烧制一种棕色水泥，称罗马水泥或天然水泥。1824年英国人J.阿斯普丁用石灰石和粘土烧制成水泥，硬化后的颜色与英格兰岛上波特兰地方用于建筑的石头相似，被命名为波特兰水泥，并取得了专利权。,水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。,Back,4.1.2硅酸盐系水泥的生产,硅酸盐水泥的生产工艺概述（1）生产工艺两磨一烧生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个过程（2）生产原料,石灰石质原料石灰石、白垩等粘土质原料粘土、页岩等,校正原料（少量）铁粉,SiO2、Al2O3、Fe2O3,Fe2O3,CaO,4.1.3硅酸盐水泥的组成材料1.硅酸盐水泥熟料,2.石膏石膏是硅酸盐水泥中必不可少的组成材料，主要作用是调节水泥的凝结时间，常采用天然的或合成的二水石膏，也可用含有二水石膏的化工废渣。3.混合材料是硅酸盐系水泥生产中经常采用的组成材料，按其性能不同，可分为活性与非活性两大类。活性类：粒化高炉矿渣、火山灰质材料（沸石、火山灰）、粉煤灰及烧煤矸石等；非活性类：石灰石、石英砂、钢渣、慢冷矿渣等。,注意,水泥中的其它成分：,原因：,煅烧水泥中反应：,危害：影响水泥体积安定性,石灰石质原料富含,潜在危害非常严重,4.2硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥,4.2.1硅酸盐水泥的定义按硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥规定：凡由硅酸盐水泥熟料、05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（国外通称波特兰水泥）。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.。,4.2.2硅酸盐水泥的水化和凝结硬化1.硅酸盐水泥的水化水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量的过程。（1）硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的速度快，形成早期强度并生成早期水化热。,（2）硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。该水化反应的速度慢，对后期龄期混凝土强度的发展起关键作用。水化热释放缓慢。产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物。,（3）铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将无法正常使用。通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。,缓凝机理：,（4）铁铝酸四钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶该水化反应的速度和水化放热量均属中等。,石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。为什么石膏用量不能过多？这个问题将通过水泥石腐蚀的学习得到答案。,石膏调节凝结时间的原理,Back,水化硅酸钙(70%)氢氧化钙(20%)水化铝酸钙水化铁酸钙水化硫铝酸钙,水化产物,水泥熟料水化后的主要水化产物有：,总结矿物组成性质,凝结：水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐渐变稠失去可塑性的过程。硬化：失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥石的过程。水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程组成。水泥凝结硬化过程动画,2.硅酸盐水泥的凝结与硬化过程,凝结硬化过程,水泥硬化研究理论水化过程在不同的情况下会有不同的水化机理；不同的矿物在不同的阶段，水化机理也会不完全相同。,3.影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素1）水泥熟料的矿物组成与细度2）温度、湿度及养护时间3）石膏掺量4）混合材料品种与掺量5）用水量,4.2.3、硅酸盐水泥的技术性质,细度凝结时间体检定性强度碱含量水化热,水泥的细度指水泥颗粒的粗细程度。细度决定了水泥与水接触的表面积。从而影响水泥的水化和凝结速度和性质。,水泥的细度和性质,1.细度,比表面积,硅酸盐水泥的细度用比表面积表示按照GB175-1999的规定硅酸盐水泥的比表面积300m/kg比表面积可采用比表面积仪测定（图3.2.4）用比表面积测定仪测试颗粒粒径分布情况。测量一定量空气通过水泥石时，流速变化.,图3.2.4比表面积测定仪,细度,2、凝结时间,标准稠度及标准稠度用水量凝结时间测定初凝时间终凝时间,标准稠度试锥下沉深度为282mm时的稠度标准稠度用水量P(%)按一定的方法将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的水量。P%=水量ml/水泥1g。标准稠度用水量测试方法有不变(固定)水量法和调整水量法2种。初学者多用前者，有争议时以后者为准。,标准稠度及标准稠度用水量,不变(固定)水量法,固定水量法采用以下方法配制标准稠度净浆称取500g水泥加入500P%ml水采用标准稠度测定仪（图3.2.5）测量P%,标准稠度测定仪,通过水泥净浆凝结时间测定仪测定标准稠度水泥净浆的凝结时间。,测定方法,凝结时间测定仪,概念从水泥加水拌和起至标准稠度的水泥净浆开始失去可塑性所需的时间标准要求45min国产水泥一般为1-3h实验测试时以试针距底板41mm为准。工程意义水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充分的时间搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作。,初始凝结时间,终凝时间,概念从水泥加水拌和起至水泥净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。标准要求390min国产水泥一般为5-6h实验测试时以试针下沉0.5mm为准。工程意义终凝时间不宜过迟，以便施工完毕后更快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行。,定义指水泥硬化过程中体积变化小且均匀的性能。体积安定性不良水泥硬化后产生不均匀的体积变化（裂纹后弯曲）。使建筑质量下降，甚至引起严重的建筑事故。体积安定性不良的原因过量游离的CaO过量游离的MgO过量石膏,3、硅酸盐水泥的体积安定性,水泥中的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的它们的水速度慢，在水泥硬化后才开始水化，使已经硬化的水泥石膨胀开裂。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还能继续与水化铝酸钙反应，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积增大1.5倍，引起水泥石开裂。此时，水化硫铝酸钙被称为水泥杆菌。,体积安定性不良的原因,煮沸法-加速实验法测量体积安定性的两种方法：试饼法观察水泥净试饼在沸煮后的外形变化雷氏夹法测量水泥石饼沸煮后的膨胀值,体积稳定性的测定,发生争议以雷氏法为主,煮沸法测定仪,体积安定性不良,体积安定性的测定,雷氏夹法体积安定性测定仪,限制,上述测试方法仅能测出游离CaO是否过量。游离MgO和石膏不能通过加速实验的方法检测所以它们必须在生产工艺中严格控制，避免过量。标准规定：MgO5%、石膏SO33.5%。,体积安定性的测定,C:S:W=1:3:0.5,标准试件4040160,抗压强度,标准氧化条件,抗折强度,C:S:W=1:3:0.5的比例混合，制成标准尺寸的试件（4040160mm），在标准条件下养护，测试抗压强度和抗折强度。,4、强度,强度等级,根据3天和28天抗压强度3天和28天抗折强度硅酸盐水泥可分为6个等级：42.5，42.5R,52.5，52.5R,62.5,62.5R各龄期的强度不低于GB175-99表中的规定。按早期强度不同分为两种类型，早强型(用R表示)和普通型。,硅酸盐水泥各龄期的强度要求（GB175-99）,技术性质分析,水泥在出厂和使用前必须检验的技术指标有四项：细度、凝结时间、强度和体积安定性。这四项指标中，除强度外，其它任何一项指标不合格，则水泥不能使用；反之，若仅强度一项指标不合格，而其它三项指标合格，则水泥可降等级使用。,其他性质,密度:3.0-3.15g/cm3,通常3.1g/cm3堆积密度:1000-1600kg/m3碱含量以Na2O+0.658K2O计算值表示，以防止碱-骨料反应的发生。低碱水泥含碱量0.6%，或由供需双方商定。水化热大部分的水化热在水化反应的初期释放出来，它的数量决定于水泥的化学成分和细度、矿物掺合料以及酸的侵蚀。C3S，C3A越高，颗粒越细，水化热越大，对冬季施工有利，但对大体积混凝土工程有害。,4.2.4水泥石的腐蚀和防止,简介腐蚀类型水泥石腐蚀的原因水泥石腐蚀的防止,简介,水泥石硬化后，在正常的使用条件下，即在潮湿环境中或水中，仍可以逐渐硬化并不断增长期强度。水泥石的腐蚀在一些腐蚀性介质中，水泥石的结构会遭到破坏，强度和耐久性降低，甚至完全破坏的现象。腐蚀类型软水侵蚀，硫酸盐腐蚀，镁盐腐蚀，碳酸盐的腐蚀，酸的腐蚀，碱的腐蚀,1、水泥石的几种主要腐蚀类型1）、软水侵蚀,特点介质软水（含重碳酸岩（HCO3-）少的水，如雨水、雪水和蒸馏水）；氢氧化钙溶解于水中引起的腐蚀。过程当水泥石与软水接触时，最先溶出的成分是氢氧化钙。当水泥使处于流水或是有压力的水中时，氢氧化钙不断溶解流失，水泥石的密实度下降，强度和耐久性也降低；而且，由于氢氧化钙浓度的下降，还引起了水泥石中的其它水化产物的分解。,人工碳化,将与软水接触的混凝土，事先在空气中碳化,生成的碳酸钙几乎不溶于水，堆积在水泥石的空隙中，形成密实的保护层,在硬水中会发生如下反应,2）、盐类侵蚀,硫酸盐侵蚀：特点以硫酸盐为介质的海水、地下水等硫酸盐与水泥石中的成分反应生成膨胀性晶体，使水泥石破坏腐蚀过程举例：,MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2MgSO4+Ca(OH)2+H2O=Mg(OH)2+CaSO42H2O,结晶膨胀,易溶于水,镁盐侵蚀：特点以镁盐为介质的海水、地下水等镁盐与水泥石中的成分反应，生成易溶于水或松软无胶凝作用的产物，破坏水泥石腐蚀过程举例：,硫酸镁对水泥石起镁盐与硫酸盐双重侵蚀作用。,3)、酸类侵蚀,Ca(OH)2+CO2+H2OCaCO3+2H2OCaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2,易溶于水,碳酸侵蚀特点以碳酸盐为介质的海水、地下水等碳酸盐与水泥石中的成分反应，生成易溶于水的产物，破坏水泥石腐蚀过程举例：,一般酸的腐蚀,特点以酸性介质为主的工业环境等酸与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结晶膨胀的产物，破坏水泥石腐蚀过程举例：,4）、强碱侵蚀,易溶于水,干燥空气,结晶膨胀,特点碱与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结晶膨胀的产物，破坏水泥石,2、水泥石腐蚀原因,内因水泥石中存在着易受腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙；水泥石本身不密实，使侵蚀性介质易于进入其内部；腐蚀与介质相互作用；外因腐蚀介质、温度、湿度、介质浓度,3、水泥石腐蚀的防止,（1）根据侵蚀介质的类型，合理选用水泥品种。如采用水化产物中Ca（OH）2含量较少的水泥，可提高对多种侵蚀作用的抵抗能力；采用铝酸三钙含量低于5%的水泥，可有效抵抗硫酸盐的侵蚀；掺入活性混合材料，可提高硅酸盐水泥抵抗多种介质的侵蚀作用。（2）提高水泥石的密实度。水泥石（或混凝土）的孔隙率越小，抗渗能力越强，侵蚀介质也越难进入，侵蚀作用越轻。在实际工程中，可采用多种措施提高混凝土与砂浆的密实度。（3）设置隔离层或保护层。当侵蚀作用较强或上述措施不能满足要求时，可在水泥制品（混凝土、砂浆等）表面设置耐腐蚀性高且不透水的隔离层或保护层。,4.2.5硅酸盐水泥的特性与应用,强度高适用于高强混凝土和预应力钢筋混凝土工程硬化快适用于要求凝结快、早强高的工程，冬季施工，预制、现浇等工程抗冻性好适用于冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程耐蚀性差不适用与淡水及海水等腐蚀性介质接触的工程,耐热性差不适用于有耐热要求的混凝土工程水化热大不适用于大体积混凝土工程，但有利于低温季节畜热法施工耐磨性好适用于公路、地面工程抗碳化性好对钢筋的保护作用强，适合CO2浓度高的环境干缩小不易产生干缩裂纹，故适用于干燥环境,4.2.5硅酸盐水泥的特点和应用,4.2.6普通硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥是一种水硬性胶凝材料掺加少量混合材料和适量的石膏混合材料的最大掺量不超过15%,熟料,混合材料,石膏,磨细,水硬性胶凝材料,P.O,技术性质,特点与硅酸盐水泥相近因为混合材料的掺量少，其矿物组成仍在硅酸盐水泥的范围之内不同点细度采用筛余量表示测量通过0.08mm的方孔筛的筛余量10%强度等级共有六个强度等级:32.5,32.5R,42.5R,42.5,52.5,52.5R最终凝结时间不超过10h,普通硅酸盐水泥的应用,是通用的水泥主要品种，广泛应用于各种混凝土和钢筋混凝土工程。应用范围与硅酸盐水泥相同。,混合材料矿渣硅酸盐水泥(P.S)火山灰质硅酸盐水泥(P.P)粉煤灰硅酸盐水泥(P.F)复合硅酸盐水泥(P.C),4.3掺大量混合材料的硅酸盐水泥,4.3.1混合材料,生产水泥时加入的人工或天然矿物材料,改善水泥性能,调节水泥强度等级,降低成本,定义：在生产水泥时，为了改善水泥性能，调节水泥强度等级，降低成本，而加入的人工或天然的矿物材料。,按性能分为两类:活性混合材料(水硬性混合材料)非活性混合材料（填充性混合材料）,（1）活性混合材料,磨细后加水不水化但掺加石灰后发生二次水化反应生成水硬性胶凝产物火山灰活性,活性混合材料,消耗Ca(OH)2,水硬性胶凝产物,火山灰活性,水化反应,硅酸盐水泥中加入活性混合材料,硅酸盐水泥水化,一次水化,二次水化,虽然活性混合材料不是水泥的组成材料.但水泥中用一定比例的活性混合材料代替可以改变各种水泥的性能,活性混合材料,二次水化反应的特性温度敏感性常温反应速度慢高温反应速度快消耗Ca(OH)2改善孔隙构造,掺活性混合材料的作用,提高产量降低成本改善水泥的性能调整强度等级降低水化热减少碱骨料反应的发生扩大应用范围充分利用工业废渣保护环境,常用活性混合材料,粒化高炉矿渣是熔融的矿渣水淬而得到。活性成分为活性氧化硅和活性氧化铝。火山灰质混合材料是火山喷发沉积物及其它具有类似活性的材料的统称。分为含水硅酸质（如硅藻土等）、铝硅玻璃质（如火山灰等）、粘土质（烧粘土等）。粉煤灰是一种发电厂燃料废渣,2）、非活性混合材料,特点磨成细粉与石灰加水拌和后，不能或很少生成具有胶凝性质的水化产物常用品种石英粘土慢冷矿渣,凡有硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣水泥。粒化矿渣掺量为2070%。,4.3.2、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1定义、代号（1）矿渣硅酸盐水泥,凡有硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材料和适量石膏其同磨细制成的水硬性胶凝材料。其中混合材料的掺量为2050%。,(2)火山灰质硅酸盐水泥,凡有硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和适量石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰水泥。粉煤灰掺量为2040%。,(3)粉煤灰硅酸盐水泥,2.技术性质,技术性质:分为6个强度等级:32.5,32.5R,42.5,42.5R,52.5,52.5R（表3.3.2）其它技术性质与普通水泥相同,表3.3.2P.S、P.P、P.F的强度要求,3.特性与应用,三种水泥的共性（1）早期强度低、后期强度发展高。其原因是这三种水泥的熟料含量少且二次水化反应（即活性混合材料的水化）慢，故早期（3d、7d）强度低。后期由于二次水化反应的不断进行和水泥熟料的不断水化，水化产物不断增多，强度可赶上或超过同标号的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。活性混合材料的掺量越多，早期强度越低，但后期强度增长越多。这三种水泥不适合用于早期强度要求高的混凝土工程，如冬季施工现浇工程等。,（2）对温度敏感，适合高温养护。这三种水泥在低温下水化明显减慢，强度较低。采用高温养护可大大加速活性混合材料的水化，并可加速熟料的水化，故可大大提高早期强度，且不影响常温下后期强度的发展。（3）耐腐蚀性好。这三种水泥的熟料数量相对较少，水化硬化后水泥石中的氢氧化钙和水化铝酸钙的数量少，且活性混合材料的二次水化反应使水泥石中氢氧化钙的数量进一步降低，因此耐腐蚀性好，适合用于有硫酸盐、镁盐、软水等侵蚀作用的环境，如水工、海港、码头等混凝土工程。但当侵蚀介质的浓度较高或耐腐蚀性要求高时，仍不宜使用。,（4）水化热小。三种水泥中的熟料含量少，因而水化放热量少，尤其是早期放热速度慢，放热量少，适合用于大体积混凝土工程。（5）抗冻性较差。矿渣和粉煤灰易泌水形成连通孔隙，火山灰一般需水量较大，会增加内部的孔隙含量，故这三种水泥的抗冻性均较差。（6）抗碳化性较差。由于这三种水泥在水化硬化后，水泥石中的氢氧化钙的数量少，故抵抗碳化的能力差。因而不适合用于二氧化碳浓度含量高的工业厂房，如铸造、翻砂车间等。,三种水泥的特性（1）矿渣硅酸盐水泥耐热性好适用于有耐热要求的混凝土工程。干缩大，抗渗性差。由于混合材料掺量大，而且高炉矿渣有尖锐棱角，拌和用水量大，保水性差，易产生泌水通道。,（2）火山灰质硅酸盐水泥在潮湿环境或水中养护时抗渗性好。因为细而多孔的火山灰材料适用于有抗渗要求工程发生膨胀胶化作用，生成较多的水化硅酸钙，使水泥石的结构密实在干燥环境中使用易裂纹、起粉