土木工程材料-第三章-无机胶凝材料-水泥

1、第三章 无机胶凝材料-水泥,第四节 通用硅酸盐水泥,通用硅酸盐水泥定义,硅酸盐水泥熟料 适量石膏 或/和混合材料,磨细,通用硅酸盐水泥,通用硅酸盐水泥的组分：,生产工艺流程,一 通用硅酸盐水泥的生产及矿物组成,(“两磨一烧”),如石灰石，提供CaO。,校正原料，补充Fe2O3不足。,如粘土，提供SiO2和Al2O3。,硅酸三钙(3CaOSiO2，简写C3S) 硅酸二钙(2CaOSiO2 ，简写C2S) 铝酸三钙(3CaOAl2O3 ，简写C3A) 铁铝酸四钙(4CaOAl2O3Fe2O3，简写C4AF),主要矿物组成,一.通用硅酸盐水泥的生产及矿物组成,1. C3S+ C2S70%, C3A+

2、 C4AF25%， 故称硅酸盐水泥。 2. 水泥中还含有少量游离CaO,游离MgO及 少量碱(K2O、Na2O)。,通用硅酸盐水泥熟料各组分特性,C3S,快,大,高,C2S,慢,小,高,低,C3A,最大,最快,低,低,中,快,C4AF,备注,1.提高 含量可制得早强高强水泥。,C3S,C3S,C3A,C2S,2.降低 和 含量，提高 含量，可制得低水化热的水泥(如大坝水泥),适用于大体积砼工程。但此类水泥早期强度较低。,二 通用硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,1.通用硅酸盐水泥水化,水泥遇水后，水泥中的矿物组分立即与水发生化学反应，称水化反应。,(1) C3S的水化,水化硅酸钙凝胶,(2) C2S

3、的水化,(3) C3A的水化,水化铝酸钙晶体,(4) C4AF的水化,水化铁酸钙凝胶,(5) 石膏,高硫型水化硫铝酸钙晶体，又称“钙矾石”,综上：水泥水化的产物主要有：,C3AH6晶体、,C-S-H凝胶(70%)、,Ca(OH)2晶体(20%)、,C-F-H凝胶、,AFt晶体。,2.通用硅酸盐水泥的凝结与硬化,水泥遇水后立即剧烈反应，自由水不断减少，水化产物不断析出，并凝聚在一起，形成骨架结构，水泥浆逐渐失去塑性，表现出“ ”现象。,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Ca(OH)2晶体、水化铝酸钙晶体和水化硅酸钙凝胶相互贯穿，逐渐形成具有一定强度的水泥石，

4、且强度不断增长，进入“ ”阶段。,凝结,硬化,硬化后的水泥石组成包括：,水化产物（胶体颗粒、晶体颗粒），,孔隙（凝胶孔、毛细孔），,未水化的水泥颗粒。,3. 石膏的作用,由于水泥熟料中铝酸三钙的水化速度极快，会使水泥很快凝结，为保证有足够的施工操作时间，加入石膏以,调节(延缓)水泥的凝结时间。,4. 影响水泥水化和凝结硬化的因素,(1) 矿物组成,矿物组成是影响水泥水化硬化的最主要因素。如C3A含量多，则水化速度快；C2S含量多，则水化速度慢。,水泥愈细，水化速度愈快，早期强度愈高。,(2) 细度,水灰比愈大，水化凝结速度愈慢，强度愈低。,(3) 水灰比,水灰比：水与水泥的质量之比。,(4)

5、石膏的掺量,掺量过少，缓凝作用小；掺量过多，会在水泥浆硬化后继续生成钙矾石，产生体积膨胀而导致已经硬化的水泥石胀裂破坏。石膏掺量一般为水泥质量的3%5%。,4. 影响水泥水化和凝结硬化的因素,必要的湿度能保证水泥充分水化。过度干燥的环境，不利于水泥的水化硬化。,(5) 温度和湿度,温度升高，水化速度加快，负温下水化停止，且能引起冻胀破坏。,为保证水泥充分水化硬化，促使水泥强度不断增长，需对水泥浆进行 养护。,保温保湿,4. 影响水泥水化和凝结硬化的因素,细 度,凝 结 时 间,体 积 安 定 性,标 准 稠 度 用 水 量,强 度,化学指标,（一）细度,定义,细度指水泥颗粒的粗细程度。,讨论与

6、分析,缺点:,水泥越细,优点：,水化反应速度越快， 水泥石的早期强度越高。,总表面积越大，,硬化收缩越大；易受潮而降低活性；成本越高。,P.I、P.II和P.O细度以比表面积表示，不小于300m2/kg；P.S、P.P、P.F和P.C细度以方孔筛筛余表示，80m方孔筛筛余不大于10%或45m方孔筛筛余不大于30%。,定义,不同的水泥品种，标准稠度用水量各不相同，一般在24%33%之间。,例：A水泥的标准稠度用水量为27%，B水泥的标准稠度用水量为30%。,（二）标准稠度用水量,讨论与分析,在测定水泥的凝结时间、体积安定性时，要将水泥净浆拌到标准稠度？,?,为了使试验结果 具有可比性,（二）标准

7、稠度用水量,定义,水泥的凝结时间分初凝时间和终凝时间。,水泥全部加入水中,开始失去可塑性,完全失去可塑性,初凝时间,终凝时间,（三）凝结时间,水泥的初凝和终凝时间对工程有重要意义。 例如：混凝土的施工。,讨论与分析,否则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工。,否则将延长施工进度和模板周转期。,（三）凝结时间,水泥的初凝时间不能过短，,水泥的终凝时间不应过长，,通用硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min,硅酸盐水泥终凝 不大于390min；,GB规定,（三）凝结时间,其它水泥终凝 不大于600min。,定义,体积安定性指水泥浆体在凝结硬化过程 中体积变化的均匀性。,水泥硬化后体积发生不均匀膨胀

8、，导致水泥石开裂、翘曲等现象。,安定性不良：,注意：安定性不良的 水泥严禁在工程中使用。,(四)体积安定性,讨论与分析,引起安定性不良的原因有哪些,熟料中的游离MgO过多;,熟料中的游离CaO过多;,石膏掺量过多。,GB规定,用沸煮法检验合格；,熟料中MgO含量： P.I、P.II、P.O5%； 其它水泥6%,熟料中SO3含量： 矿渣水泥4%； 其它水泥3.5%,(四)体积安定性,试验方法,沸煮法,试饼法,雷氏夹法,(四)体积安定性,（五）化学指标,(六)强度与强度等级,各强度等级水泥的各个龄期强度均不得低于GB175-2007的规定。,注意：,（一）凡化学指标、凝结时间、安定性及强度指标中有

9、任一项不符合标准要求的，该水泥视为不合格品，细度为选择性指标，不作为判定依据。,（二)水泥包装袋上应标明：执行标准、水泥品种、代号、强度等级、生产者名称、生产许可证标志（QS）及编号、出厂编号、包装日期、净含量。散装发运时应提交与袋装标志相同内容的卡片。,（三）包装袋两侧应根据水泥的品种采用不同的颜色印刷水泥名称和强度等级，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥采用红色，矿渣硅酸盐水泥采用绿色；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采用黑色或蓝色。,水泥石在正常使用条件下，具有较好的耐久性，但在某些腐蚀性介质作用下，水泥石的强度逐渐下降，水泥石被破坏,甚至溃裂的现象叫水泥石的腐蚀。 主要有以

10、下几种腐蚀：,四 水泥石的腐蚀和预防,软水：溶有少量或不含Ca2+ 、Mg2+的水。在软水中，尤其在流动水中或有水压作用下，Ca(OH)2会不断地溶解流失，水泥石孔隙率增大，强度降低。此类软水介质有：蒸馏水、工业冷凝水、雨水、雪水等。,1.软水的腐蚀,2.盐类腐蚀,MgCl2腐蚀反应： MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2,(2) 镁盐腐蚀,MgSO4腐蚀反应： MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=Mg(OH)2+CaSO4.2H2O,产物中：Mg(OH)2无胶凝能力；CaCl2易溶解流失；CaSO4.2H2O(体积增大)，也易生成水泥杆菌。地下水及海水中含有大量的镁盐。,

11、3. 酸腐蚀(1)一般酸的腐蚀,如：HCl+Ca(OH)2=CaCl2(可溶)+2H2O H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4.2H2O(体积膨胀)CaSO4还可生成“水泥杆菌” 。,酸与Ca(OH)2反应，生成物或溶于水流失，或体积膨胀，产生膨胀应力。,工业废水、地下水或沼泽水常含有引起此类腐蚀的无机酸(HCl、H2SO4、HNO3、HF等)和有机酸(HAc、HCOOH等)。,(2) 碳酸的腐蚀碳酸的腐蚀包含两个过程：,Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2(可溶),H2CO3,上述两个反应的最终结果使得水泥石中的Ca(OH)2

12、转 变为可溶性Ca(HCO3)2流失。 工业污水、地下水中溶解有较多的CO2。,4.强碱腐蚀对于铝酸三钙含量较高的水泥，容易引起强碱腐蚀。 主要包含两种腐蚀：,化学腐蚀：3CaO.Al2O3(未水化)+6NaOH=3Na2O.Al2O3+3Ca(OH)2 结晶腐蚀： 2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O 生成的Na2CO3在水泥石毛细孔内结晶沉积，使水泥石膨胀破坏。,水泥腐蚀的主要原因：,(1)水泥石中存在易被腐蚀的组分Ca(OH)2和铝酸钙。,(2)水泥石不致密，有许多毛细孔通道， 腐蚀介质容易渗入。,(3)水泥石处在有腐 蚀介质的环境。,防止腐蚀措施：,(1)根据工程所处环 境，选用合

13、适品种 的水泥；,(2)提高水泥石的密 实度，减少侵蚀 介质的渗透；,(3)加做保护层，防 止与腐蚀介质接触。,五. 通用硅酸盐水泥的性能与应用,2.抗冻性好，可用于严寒地区砼工程。,5.耐腐蚀性差，不宜用于经常接触淡水及 有水压作用的工程，也不宜用于海水和矿 物水作用的工程。,1.快硬早强高强，可用于高强砼或有早强 要求砼。,3.抗碳化性能好(碱度高)，可用于高CO2含 量地区。,4.水化热高，不宜用于厚大体积的砼工程。,（一）硅酸盐水泥的性能应用,凡在硅酸盐水泥熟料中，掺入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，均属掺混合材料的硅酸盐水泥。,五. 通用硅酸盐水泥的性能与应用

14、,（二）掺混合材料的硅酸盐水泥的性能应用,混合材料,生产水泥时，为改善水泥的性能，调节水泥的强度等级，提高水泥的产量，常在水泥中掺入一些人工的或天然的矿物材料，称之为水泥混合材料。主要有：,活性混合材料,分类,同时，水泥熟料中还有少量石膏，可与上述生成的水化铝酸钙再次反应，生成水化硫铝酸钙(体积微膨胀)，增加了水泥石的密实性。,具有活性的原因：,活性混合材料的主要化学成分为活性SiO2和活性Al2O3，掺入水泥后，可与水泥水化产物Ca(OH)2“二次反应”，生产具有胶凝性的水化硅酸钙和水化铝酸钙，主要提高了水泥的后期强度。,Ca(OH)2为碱性激发剂，石膏为硫酸盐激发剂。,不与水泥成分起化学作

15、用(无活性)或化学作用很小(活性很低)的混合材料。,非活性混合材料,非活性混合材料掺入水泥后，主要起填充作用，可调节水泥强度等级，降低水化热，提高水泥产量等。,与硅酸盐水泥相比，混合材料的掺量略有增加，所以早期强度、水化热、抗冻性稍有降低，耐热性和耐腐蚀性略增。,可以使用硅酸盐水泥的工程，也可以使用普通水泥； 不能使用硅酸盐水泥的工程，也不宜使用普通水泥。,总体性能相近，应用范围大致相同：,1.普通硅酸盐水泥性能与应用,（二）掺混合材料的硅酸盐水泥的性能与应用,五. 通用硅酸盐水泥的性能与应用,(1)三种水泥的共同性质,2.矿渣、粉煤灰、火山灰水泥、复合水泥的性能,凝结硬化慢，早期强度低，后期

16、强度 发展较快；,水化热低、放热速度慢；,抗腐蚀能力强；,抗碳化能力差；,抗冻性差；,湿热敏感性强，适合蒸汽养护；,（二）掺混合材料的硅酸盐水泥的性能与应用,五. 通用硅酸盐水泥的性能与应用,(2)三种水泥各自的特性,矿渣水泥耐热性强、保水性差、抗渗性差； 火山灰水泥抗渗性好、但干缩大； 粉煤灰水泥干缩性小、抗裂性好,（二）掺混合材料的硅酸盐水泥的性能与应用,五. 通用硅酸盐水泥的性能与应用,2.矿渣、粉煤灰、火山灰水泥的性能,第五节 其它品种水泥,一.铝酸盐水泥,以石灰石和矾土为主要原料，烧制而得的以铝酸钙为主要矿物成分的水泥。代号： 。,1.定义与代号,CA,其主要化学成分为Al2O3和C

17、aO，Al2O3含量较高(50%)。按Al2O3含量分为四类：,其中CA是铝酸盐水泥的主要强度来源。,2.铝酸盐水泥的矿物组成,铝酸一钙(CaOAl2O3 ，简写CA) 二铝酸一钙(CaO2Al2O3，简写CA2) 硅铝酸二钙(2CaOAl2O3SiO2 ，简写C2AS) 七铝酸十二钙(12CaO7Al2O3，简写C12A7),4. 技术要求 应符合GB201-2000规定。,3.铝酸盐水泥的水化与硬化 水化产物与温度有关。,耐碱性极差。,5.铝酸盐水泥的性能与应用,快硬早强，适用于紧急抢险工程。,耐热性强，可用于配制900以上的耐 热砼或耐热砂浆。,水化热高，放热快，适用于低温季节 施工，不

18、适用于大体积砼。,耐酸和耐硫酸盐腐蚀强。,(2)正是由于存在上述晶型的转变，铝酸盐水泥的长期强度会降低。因此铝酸盐水泥不能用于长期承重结构。,6.铝酸盐水泥在使用时的注意事项,(1)铝酸盐水泥配制的混凝土不能蒸汽养护， 也不宜在高温季节施工。,这是因为铝酸盐水泥最适宜的硬化温度在15左右，一般不得超过25。如果温度过高，水化产物水化铝酸一钙和水化铝酸二钙转变为水化铝酸三钙，水泥石内析出游离水，孔隙率大大增加，强度显著降低。,(3)铝酸盐水泥不得与硅酸盐水泥、石灰等 能析出Ca(OH)2的胶凝材料混合使用。,否则会引起“闪凝”，无法施工，强度也大大降低；也不得与未硬化的硅酸盐水泥水泥混凝土接触使用。,二.膨胀水泥和自应力水泥,前面所述的各种水泥在硬化过程中，均产生一定程度的收缩，造成裂缝，抗渗性和抗侵蚀性下降。而膨胀水泥和自应力水泥在硬化过程中,1.特点,都能产生体积膨胀，均具有补偿收缩性能，可防止和减少收缩裂缝。,膨胀水泥和自应力水泥共同点：,限制膨胀时产生的自应力较小(2.0MPa，一般0.5MPa左右)。,膨胀水泥和自应力水泥不同点：,膨胀水泥的膨胀值较小，,自应力水泥水泥膨胀值较大，,限制膨胀时产生的自应力较大(2.0MPa)，因而