第三章-硅酸盐水泥.ppt

1、3.2 硅 酸 盐 水 泥 Portland Cement,水泥的生产 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 硅酸盐水泥的技术性质 水泥石的腐蚀与防止 硅酸盐水泥的应用与存放,概述,水泥的定义： 水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。 水泥的特点： 水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。,水泥中的主要矿物,硅酸盐系水泥,铝酸盐系水泥,硫铝酸盐系水泥,磷酸盐系水泥,硫铝酸钙,硅酸钙,铝 酸 钙,磷 酸 钙, 镁,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸

2、盐系水泥等。,水泥的分类：,水泥的特性,膨胀水泥,快 硬 水 泥,低 热 水 泥,抗腐蚀水泥,硬化时膨胀,硬 化 速 度 快,水化热低,耐 腐 蚀 性 好,根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。,根据性能和用途分：,水 泥,通用水泥,专用水泥,特性水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等,如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等,3.2.1 硅酸盐水泥的生产及矿物组成,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(

3、即国外通称的Portland Cement). 硅酸盐水泥分为：型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。,硅酸盐水泥的生产工艺“两磨一烧”工艺 生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种 ； 各物质的作用 熟料：主要胶凝物质，能水化硬化； 石膏：调节水泥的凝结时间； 混合材：调节水泥的强度等级；,石灰石,粘 土,铁矿粉,生 料,石 膏,硅酸盐水泥,混合材料,熟 料,按比例混合,磨细,13501450,煅烧,磨细,熟料的矿物组成,水泥熟料矿物,硅酸二钙,铁铝酸四钙,游离氧化钙和氧化镁,铝酸三钙,硅酸三钙,碱类及杂质,2CaOSiO2，C2S,4CaOAl2O

4、3Fe2O3，C4AF,fCaO和fMgO,3CaOAl2O3，C3A,3CaOSiO2，C3S,化学式及简写,返回,1. 硅酸盐水泥的水化 2. 水泥浆的凝结硬化 3. 水泥浆凝结硬化的影响因素,返回,3.2.2 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化,C-S-H 凝胶,氢氧化钙晶体,水化铝酸钙晶体,水化铁酸一钙 凝胶,钙钒石AFt 晶体,AFm,熟料矿物的水化反应,硅酸三钙,2（3CaOSiO2）6H2O = 3CaO2SiO23H2O3Ca（OH）2,硅酸二钙,2（2CaOSiO2）4H2O = 3CaO2SiO23H2OCa（OH）2,铝酸三钙,3CaOAl2O3H2O = 3CaOAl2O36H

5、2O,3CaOAl2O36H2O 3（CaSO42H2O）19H2O = 3CaOAl2O33CaSO431H2O,铁铝酸四钙,4CaOAl2O3Fe2O37H2O = 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,3CaOAl2O36H2OCaSO42H2O4H2O = 3CaOAl2O3CaSO412H2O,石膏,各种水泥熟料与水作用时表现的特性,水泥熟料矿物的主要特性 熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。,返回,2、凝结硬化 setting and hardening 影响因素：,温度、湿度、养护时间,水泥颗粒,水,水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体,硅酸盐水泥水化

6、物理过程模型,水泥水化物膜层,水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期,水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。,水化物膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小,在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。,凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。,随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。,先在固液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积； 早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期； 因渗透压或Ca

7、(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期； 随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结； 由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。,水泥浆凝结硬化的物理过程,返回,A凝胶体（CSH凝胶，水化硅酸钙凝胶）； B晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）； C孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）； D未水化的水泥颗粒,水泥石的结构,水化产物未水化熟料颗粒孔隙,水泥石主

8、要由, 水化产物组成(充分水化时),C-S-HCa(OH)2水化(硫)铝酸钙 70% 20% 7, 孔隙组成, 凝胶孔毛细孔气孔,（1）水泥矿物组成： C3S、C3A含量多，凝结硬化快，反之亦然。 （2）水泥细度：细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。 （3）养护条件（温度、湿度）与时间 ：提高温度，加快水泥的凝结硬化；保持足够的水分有利于水泥的凝结硬化 （4）拌合用水量：水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝结硬化速度越慢。 （5）水泥中的混合材：掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。 （6）水泥外加剂：有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。,3. 水泥凝结硬化的主要影响因素,水泥浆的凝结硬化

9、取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数： R(t) = f(C3S)f(细度)f(T)f(W/C),返回,3.2.3 硅酸盐水泥的技术性质,密度与堆积密度 细度 标准稠度用水量 凝结时间 体积安定性 强度 水化热 不溶物和烧失量 碱含量,1.密度与堆积密度,密度 3.053.20，混凝土配合比计算时，一般取3.10。 堆积密度 10001600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取1300 kg/m3 。 密度的测量方法 排液法，用煤油作为测量液体。,2. 细 度,定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。 测量方法 筛分析法 以80m方孔筛的筛余量表示； 比

10、表面积法 以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。 国标要求 硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。 普通水泥80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%。 细度不符合要求的水泥为不合格品！,3. 标准稠度用水量,标准稠度： 按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，试锥下沉（282）mm时的水泥净浆的稠度。 标准稠度用水量： 是指水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量，用水与水泥质量的比来表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水泥量一般在21%28%。,4. 凝结时间,概念： 凝结时间水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。 初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去

11、可塑性所需的时间； 终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。 测定方法： 用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。 国标要求：硅酸盐水泥 初凝时间45min； 终凝时间390min。,水泥凝结时间的测定,标准稠度水泥浆,离底12mm为初凝,园弧形压痕,终凝,5. 体积安定性,基本概念： 水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。 若水泥石的体积变化均匀适当，则水泥的体积安定性良好； 若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。,水泥体积安定性不良的原因： 水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和

12、石膏。 因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。 石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀 。,试饼法,雷氏夹法,合格标准：5mm。,肉眼观察表面有无裂纹,用直尺检查有无弯曲,合格标准： 无裂纹、无弯曲。,试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹，用直尺检查没有弯曲，则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。,雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体

13、积安定性不合格。,检测方法：,6. 强 度,检验方法软练胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。 试件尺寸：4040160mm棱柱体； 胶砂配比： 水泥 : ISO标准砂 : 水= 1 : 3 : 0.5； 振动成型： 在频率为28003000次/min，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间120s。 试件养护： 在20 C 1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中24h，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试龄期；,100mm,160mm,P,抗折强度试验,P,P,抗压强度试验,强度测量： 将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600m

14、m2。 结果计算： 抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平均值。,强度等级：根据3天和28天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级,3d,28d,时间（d）,强度（MPa）,水泥强度发展规律,早期增长快，随后逐渐减慢； 28天，基本达到极限强度的80以上； 在合适的温湿度条件下，强度增长可以持续几十天 乃至几十年。,水泥石强度的影响因素,影响孔隙率的因素均影响水泥石的强度 水灰比 水灰比越大，孔隙率越大，强度越低 水泥组成：熟料矿物、混合材 养护条件：温度、湿度、龄期 水泥细度：水泥颗粒越细，强度发展越快,7.水化热,概念： 水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。 放热特

15、征： 水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。 水化热的益处与危害： 水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大体积混凝土，更是如此。 水化热和放热速度的影响因素： 水泥矿物组成 水泥细度,水泥质量的判定,返回,3.2.4 水泥的腐蚀与防止,基本概念： 在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。水泥石抵抗这种作用、而保持不变的能力称为其耐腐蚀性。,水泥石腐蚀的方式 （1）软水侵蚀（溶出性侵蚀） （2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀） 一般酸的腐蚀 碳酸水的腐蚀 （

16、3）硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀） （4）强碱腐蚀,导致水泥石腐蚀性破坏的原因,外因： 环境中的腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等。 内因： 水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供了通道； 水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等； 腐蚀与毛细孔通道的共同作用 加剧水泥石结构的破坏。,软水侵蚀（溶出性侵蚀）,机理： 当水泥石处在软水中，软水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙； 另一方面，水泥石中游离的钙离子的减少，使钙离子的浓度低于水化物的溶度积，导致水化物分解、溶失和转变，产生大量孔隙。尤其是处于压力水或流水条件下，腐蚀

17、越快。 破坏形式： 水化物的分解、溶失，造成水泥石密实度下降，孔缝增多、强度降低，直至整体破坏。,酸类腐蚀,腐蚀机理： 水泥石中的水化物都是碱性化合物，与碳酸、盐酸、硫酸、醋酸、蚁酸等酸反应生成可溶性盐。 另一方面，氢氧化钙浓度的降低，会导致水泥石中其它水化物的分解，使腐蚀作用加剧。 破坏形式： 溶失性破坏，组成与结构发生很大改变。,水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落,盐类腐蚀,硫酸盐的腐蚀 腐蚀机理： 硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸钙再与水泥石中未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石，其体积增加2.22倍，引起水泥石的破坏。 当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，造成膨胀压力，引起破坏。 镁盐的腐蚀 腐蚀机理： 主要是硫酸镁和氯化镁，他们与氢氧化钙反应，生成氢氧化镁和硫酸钙或氯化钙，造成双重腐蚀作用。,钙矾石,水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物,水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂,强碱腐蚀,腐蚀机理：氢氧化钠、氢氧化钾等强碱可与水泥石中的铝酸钙矿物或水化物反应，生成可溶性铝酸盐。当介质中强碱浓度较高时，会造成水泥石的严重破坏