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1、黑龙江大学水利电力学院史长莹 第4章水泥 Cement 4 1概述 水泥的特点水泥是一种粉末状材料 加水拌合均匀后形成的浆体不仅能够在干燥的环境中凝结硬化 而且能更好地在水中硬化 保持或继续提高其强度 形成具有堆聚结构的人造石材 水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位 而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位 4 1概述 按性能和用途分 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 石灰石硅酸盐水泥 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 4 1概述 按主要水
2、硬性物质分 4 2硅酸盐水泥 4 2 1硅酸盐水泥生产及其矿物组成 硅酸盐水泥的原材料生产硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料 如石灰石等 粘土质原料 主要为粘土 其主要化学成分为SiO2 其次为Al2O3和少量Fe2O3 铁矿粉 采用赤铁矿 化学成分为Fe2O3 石膏主要为天然石膏矿 无水硫酸钙等 混合材料 包括活性混合材料 粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料等 和非活性混合材料 石灰石粉 磨细石英砂等 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 硅酸盐水泥 凡由硅酸盐水泥熟料加适量石膏 或者再加不超过5 的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成 4 2
3、1硅酸盐水泥生产及其矿物组成 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 1450 煅烧 磨细 的水硬性胶凝材料 称为硅酸盐水泥 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 煅烧步骤 1 生料的干燥与脱水 2 碳酸钙分解 3 固相反应 4 烧成阶段 5 熟料的冷却 1 生料的干燥与脱水 干燥阶段 水分的蒸发 100 150 生料的脱水 预热带 500 800 高岭石 蒙脱石及伊利石脱水 生成无定形的SiO2和Al2O3 2 碳酸钙分解 800 1000 生成CaO 4 2 1硅酸盐水泥生产及其矿物组成 3 固相反应 8
4、00 1000 1300 CaO与SiO2 Fe2O3和Al2O3发生固相反应 随着温度的升高固相反应加速 逐步生成2CaO SiO2 C2S 3CaO Al2O3 C3A 和4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 同时有部分CaO剩余4 烧成阶段 1300 1450 1300 C3A与C4AF烧至熔融 将C2S与剩余的CaO反应生成3CaO SiO2 C3S 煅烧水泥的关键 5 熟料的冷却 煅烧完成后 迅速冷却 得到熟料 4 2 1硅酸盐水泥生产及其矿物组成 4 2 1硅酸盐水泥生产及其矿物组成 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
5、SO3 2CaO SiO2 C2S 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF f CaO和f MgO 3CaO Al2O3 C3A 3CaO SiO2 C3S 4 2 1硅酸盐水泥生产及其矿物组成 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 4 2 2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化 凝结硬化的概念凝结 水泥加水拌合而成的浆体 经过一系列物理化学变化 浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程 硬化 水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化 水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的 凝结过程较短暂 一般几个小时即可完成 硬化过程是一个长期的过程 在一定温度和湿度下可持续几十年
6、 4 2 2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化 熟料矿物的水化反应硅酸三钙2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2硅酸二钙2 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2铝酸三钙3CaO Al2O3 H2O 3CaO Al2O3 6H2O3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O 4 2 2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化 熟料矿物的水化反应过程水化初
7、期熟料矿物与水反应的速度较快 使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面 形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜 大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体 水化中期以水化硅酸钙 C S H 和氢氧化钙的快速形成为特征 水化后期由于新生成的水化产物的压力 水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂 使水进入未水化水泥颗粒的表面 水化反应继续进行 水化产物之间互相交叉连生 不断密实 固体之间的空隙不断减小 网状结构不断加强 结构逐渐紧密 4 2 2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化 A 凝胶体 C S H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
8、 气孔等 D 未水化的水泥颗粒 水泥石的结构水泥石主要由凝胶体 晶体 孔隙 水 空气和未水化的水泥颗粒等组成 存在固相 液相和气相 因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系 水泥石的结构 水化产物的种类及相对含量 孔的结构 对其性能影响最大 4 2 3硅酸盐水泥的主要技术性质 1 密度 堆积密度和各成分含量 注 表中百分数均为质量百分数 4 2 3硅酸盐水泥的主要技术性质 2 细度细度是指水泥颗粒的粗细程度 水泥颗粒的粗细 直接影响其水化反应速度 活性和强度 国家标准中规定 水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定 硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2 kg 筛析法 4 2 3硅酸盐水泥的主要技
9、术性质 3 标准稠度用水量水泥净浆达到标准稠度时 所需的拌和水量 称为标准稠度用水量 水泥磨得越细 标准稠度用水量越大 当其他条件相同时 水泥的标准稠度用水量越小越好 4 2 3硅酸盐水泥的主要技术性质 4 凝结时间凝结时间分为初凝时间和终凝时间 初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间 终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间 水泥初凝时间不宜过早 终凝时间不宜过迟 国家标准GB175 1999规定 硅酸盐水泥初凝不得早于45min 终凝不得迟于6 5h 5 体积安定性体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的均匀性 水泥在硬化过程中体积变化不均匀 即为体积安定性不良 4 2 3硅酸盐水泥的
10、主要技术性质 6 强度及强度等级 1 胶砂强度按照国家标准规定 水泥和标准砂按1 3质量比混合 加入规定量的水 水灰比为0 50 经标准试验方法搅拌成型 制成40mm 40mm 160mm的标准试件 在标准条件下养护 根据水泥品种不同 分别测定3d 28d的抗折强度和抗压强度 即为水泥的胶砂强度 4 2 3硅酸盐水泥的主要技术性质 2 强度等级根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级 硅酸盐水泥的强度等级划分为42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5R如下表所示共六个等级 注 R型为早强型 主要是3d强度较高 4 2 3硅酸盐水泥的主要技术性质 7 水化热水泥的水化热是指
11、在水化过程中的放热量 单位为kJ kg 水化热的高低与熟料矿物的相对含量有关 铝酸三钙 硅酸三钙的水化热高 而铁铝酸四钙 硅酸二钙的水化热较低 因此要降低水化热 可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量 水化热主要对大体积混凝土工程有影响 对于大体积混凝土工程 应选择水化热较低的水泥 或者采取特殊措施降低水化热的危害 4 2 4环境水对水泥石的侵蚀 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 一般酸的腐蚀碳酸性腐蚀 3 硫酸盐腐蚀 膨胀性化学腐蚀 4 镁盐腐蚀防止水泥石腐蚀的措施 1 根据工程的环境特点 合理选择水泥品种 2 提高混凝土的密实度 3 在水泥石结构的表面设
12、置保护层 硅酸盐水泥的特性及应用 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 抗冻性好 适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程 耐腐蚀性差 因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多 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 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 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 耐磨性好 适用于高速公路 道路和地面工程 4 3混合材料及掺有混合材料的硅酸盐水泥 4 3 1混合材料 混合材料 为了改善水泥性能 提高水泥的产量 在生产时掺入的天
13、然或人工矿物质材料 活性混合材料 水硬性混合材料 粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料非活性混合材料 填充性混合材料 如磨细石灰石粉 磨细石英砂等 4 3 2普通硅酸盐水泥 代号P O 定义硅酸盐水泥熟料 6 20 的混合材料 适量石膏技术性质要求 与硅酸盐水泥相比 相同点MgO含量 SO3含量 初凝时间 安定性的技术要求相同 不同点细度 80 m方孔筛筛余量不超过10 0 终凝时间 不迟于10h 烧失量 不得大于5 0 4 3 2普通硅酸盐水泥 代号P O 强度等级 普通硅酸盐水泥分为32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R六个强度等级 各龄期的强度不低于下表的规定
14、 4 3 2普通硅酸盐水泥 代号P O 主要特性 1 早期强度略低 后期强度高 2 水化热略低 3 抗渗性好 抗冻性好 抗碳化能力强 4 抗侵蚀 抗腐蚀能力稍好 5 耐磨性较好 耐热性能较好 应用普通硅酸盐水泥的应用范围和硅酸盐水泥相同 4 3 3矿渣水泥 粉煤灰水泥 火山灰水泥 定义技术性质要求 与普通水泥相比 相同点MgO含量 细度 凝结时间 安定性的技术要求相同 不同点 熟料 适量石膏 20 80 粒化高炉矿渣 20 40 粉煤灰 20 40 火山灰质混合材料 矿渣水泥 P S 粉煤灰水泥 P F 火山灰水泥 P P 磨细 磨细 磨细 4 3 3矿渣水泥 粉煤灰水泥 火山灰水泥 三氧化硫
15、含量 矿渣水泥不超过4 0 火山灰质水泥 粉煤灰水泥不得超过3 5 强度等级 强度等级划分为32 5 32 5R 42 5 42 5R 52 5 52 5R共六个等级 各龄期的强度要求见下表 密度 水泥的密度为2800 3000kg m3 4 3 3矿渣水泥 粉煤灰水泥 火山灰水泥 主要特性 与硅酸盐水泥 普通水泥相比 三种水泥的共同特性凝结硬化较慢 早强强度较低 后期强度增长较快 水化热较低 放热速度慢 抗硫酸盐腐蚀和抗水性较好 蒸汽养护适应性好 抗冻性 耐磨性及抗碳化性能较差 三种水泥各自特性矿渣水泥的抗渗性较差 但耐热性好 可用于温度不高于200 的混凝土工程中 火山灰水泥的抗渗性好 但
16、干缩较大 不适用于长期处于干燥环境中的混凝土工程 粉煤灰水泥干缩小 抗裂性好 4 3 4复合硅酸盐水泥和石灰石硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 P C 与硅酸盐水泥相比 由于掺入了两种或两种以上的混合材料 复合水泥的水化热较低 早期强度较高 其强度要求与普通水泥的强度要求相同 石灰石硅酸盐水泥 P L 凡由硅酸盐水泥熟料和石灰石 适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为石灰石硅酸盐水泥 石灰石硅酸盐水泥的技术要求应符合相应标准的规定 4 4其它品种水泥 4 4 1铝酸盐水泥 定义以石灰岩和矾土为主要原料 配制成适当成分的生料 烧至全部或部分熔融所得以铝酸钙为主要矿物的熟料 经磨细而成的水硬性胶凝材料 代号CA 主要矿物成分铝酸一钙 CaO Al2O3简写CA 凝结正常 硬化迅速 为铝酸盐水泥强度的主要来源 二铝酸一钙 CaO 2Al2O3简写CA2 其特点是凝结硬化慢 早期强度较低 后期强度高 此外还有少量水化极快 凝结迅速而强度不高的七铝酸十二钙 12 7 以及胶凝性极差的铝方柱石 C2AS 六铝酸一钙 CA6 等矿物 4 4 1铝酸盐水泥 铝酸盐水泥的水化与硬化当温度低于30 时 水化生成水
