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1、第3章水泥 目的要求 1 了解硅酸盐水泥的生产 2 掌握硅酸盐水泥的矿物组成 水化 硬化特征 3 掌握硅酸盐水泥的技术性质及其应用 4 理解水泥石腐蚀的方式及原理 掌握水泥腐蚀的防止方法 5 掌握混合材料的概念及其作用 掌握掺混合材料的硅酸盐水泥基本特性及选用 6 了解特种水泥的主要性能及其应用 按组成主要分为 通用硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥 铁铝酸盐系水泥四大类 根据国家标准GB T4131 1997 水泥的命名 定义和术语 规定 按水泥的性能和用途可分为通用水泥 专用水泥 特性水泥三大类 通用水泥是用于一般土木工程的水泥 也是土木工程中用量最大的水泥 包括硅酸盐水泥 普通硅酸盐水
2、泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥六个品种 专用水泥适用专门用途的水泥 主要包括道路水泥 砌筑水泥 油井水泥 特性水泥是具有某种突出性能的水泥 如白色硅酸盐水泥和彩色硅酸盐水泥 快硬水泥 膨胀型水泥 抗硫酸盐硅酸盐水泥 低热水泥等 3 1通用硅酸盐水泥通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量石膏 及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料 按混合材料的品种和掺量 通用硅酸盐水泥分为硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥 3 1 1硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料 0 5 石灰石或粒化高炉矿渣 适量石膏磨细制成的
3、水硬性胶凝材料为硅酸盐水泥 硅酸盐水泥分两种类型 不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥 代号P I 在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过质量5 石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称 型硅酸盐水泥 代号P II 用红色 一 硅酸盐水泥的生产及矿物组成 一 硅酸盐水泥生产1 原料1 石灰质原料 主要提供CaO 主要是石灰石 也可用白垩 石灰质凝灰岩2 粘土质原料 主要提供SiO2 Al2O3以及Fe2O3 主要是黏土和黄土 3 校正原料 铁质校正原料 硅质校正原料 铁质校正原料主要补充Fe2O3 可采用铁矿粉 黄铁矿渣等 硅质校正原料主要补充SiO2 可采用砂岩 粉砂岩等 4 石膏 2 生产工艺 两磨一烧3
4、方法湿法 英国 一般用于软的材料如白垩 粘土 将水加入生料中 生料由破碎的白垩 粘贴按比例混合 最后流入窑中 特点 能耗高 质量好 干法 我国 将原料在球磨机中磨成生料粉 再煅烧 优点 减少煅烧中的热量消耗 同时使窑内容纳较多生料 4 窑型回转窑 产量大 质量稳定 投资大 利润高 立窑 产量低 质量差 劳动强度高 劳动条件差 二 水泥熟料的矿物组成1 C3S37 60 3 25g cm32 C2S15 37 3 28g cm33 C3A7 15 3 04g cm34 C4AF10 18 3 77g cm35 少量游离氧化钙 游离氧化镁和硫酸盐 折合SO3计算 碱和氯离子 总量不超过水泥量的10
5、 由于水泥熟料中硅酸三钙和硅酸二钙 硅酸盐 总含量在70 以上 铝酸三钙和铁铝酸四钙在25 左右 故称为硅酸盐水泥 二 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 一 水泥熟料矿物的水化特征1 性能比较 反应速度 C3A最快 C3S较快 C4AF也较快 C2S最慢 放热量C3A最大 C3S较大 C4AF居中 C2S最小 强度C3S最高 C2S早期低 但后期增长率较大 C3S和C2S为水泥强度主要来源 C3A强度不高 C4AF含量对抗折强度有利 耐化学侵蚀性C4AF最优 其次为C2S C3S C3A最差 干缩性C4AF最小 C3S和C2S居中 C3A最大 2 矿物组成对性能的影响改变熟料矿物成分间的比例 水泥的
6、性质即发生相应的变化 例如提高硅酸三钙的含量 可以制得高强水泥 又如降低铝酸三钙和硅酸三钙含量 提高硅酸二钙含量 可制得水化热低的水泥 如大坝用水泥 提高铁铝酸四钙含量 可获得抗折强度较高的水泥 如道路水泥 二 水化反应式及产物水化硅酸钙以胶体微粒析出并逐渐凝聚成凝胶 构成具有很高强度的空间网状结构 是水泥强度的主要来源 氢氧化钙呈六方晶体 易溶于水 使溶液的石灰浓度很快得到饱和 因此各矿物的水化主要在石灰饱和溶液中进行的 硅酸二钙的水化速率最慢 但后期增长大 放热量小 生成的水化硅酸钙与硅酸三钙的水化产物无大的区别 而氢氧化钙的生成少 且结晶比较粗大 硅酸二钙早期强度低 后期强度高 可接近甚
7、至超过硅酸三钙的强度 是保证水泥后期强度增长的主要因素 水化铝酸三钙为立方晶体 在氢氧化钙饱和溶液中与氢氧化钙进一步反应 生成的水化铝酸四钙为六方晶体 室温下能稳定存在于水泥浆体的碱性介质中 其数量增长很快 是水泥浆产生瞬凝的一个原因 当有石膏存在时 生成钙矾石 AFt 石膏消耗完后 部分钙矾石转化为单硫型水化硫铝酸钙 AFm 钙矾石是难溶于水的稳定的针状结晶体 它在生成结晶体时体积大大膨胀 因此 水泥中加入石膏数量不可过多 防止水泥凝结硬化过程中硫铝酸钙超过限制 产生体积变化不均匀 尤其是形成水泥构件后 还继续水化 其危害更大 铁铝酸四钙水化速率较快 水化热不高 凝结正常 其抗压强度值较低
8、但抗折强度相对较高 提高铁铝酸四钙的含量 可降低水泥的脆性 有利于道路等有振动交变荷载作用的情形 产物 水化硅酸钙 水化铁酸钙 凝胶 占70 氢氧化钙 20 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙 晶体 占7 C S H对水泥石的强度和其他主要性质起着决定性作用 三 凝结 硬化凝结 水泥加水拌和后 最初形成具有可塑性又有流动性的浆体 经过一段时间失去可塑性但不具备强度的过程 硬化 随时间继续增长 水泥产生强度且逐渐提高 变成坚硬水泥石的过程 1 凝结 硬化过程水泥 水形成水化物膜层形成凝聚结构 开始失去可塑性初凝凝胶和晶体水化物网状结构不断加强 结构逐渐致密完全失去塑性 开始产生强度终凝 第 阶段为初始反应
9、期 诱导前期 初始溶解 水化 5 10min 第 阶段为潜伏期 诱导期 凝胶膜层围绕水泥颗粒生长 1h 第 阶段为凝结期 凝结期 膜层破裂水化 6h 第 阶段为硬化期 硬化期 凝胶体填充毛细孔 6h 2 水泥石结构 硬化后水泥浆的结构 1 水化铝酸钙 氢氧化钙 水化硫铝酸钙等晶体相互连生形成的结晶体连生体 2 水化硅酸钙 水化铁酸钙凝胶 3 未水化完的颗粒 4 孔隙 毛细孔 水泥与水体系没有被水填充的原来充水的空间 即水泥石中 水泥熟料颗粒间未被水化产物占据的微小空间 和凝胶孔 凝胶内部含有的孔隙 5 水 自由水和吸附水 硅酸盐水泥强度发展规律 在保证有适宜的温度 湿度情况下 水泥的强度发展为
10、早期增长快 主要集中在28天以内 特别是3天或7天 而后期增长慢 在几年甚至十几年或几十年后 强度仍有缓慢的增长 3 影响水泥凝结 硬化的因素 1 熟料矿物组成由于各矿物的组成比例不同 性质不同 对水泥性质的影响也不同 如硅酸钙占熟料的比例最大 是水泥的主要矿物 其多少决定了水泥的基本性质 铝酸三钙的水化和凝结硬化速率最快 是影响水泥凝结时间的主要因素 加入石膏可延缓水泥凝结 但石膏掺量不能过多 否则会引起安定性不良 当硅酸三钙和铝酸三钙含量较高时 水泥凝结硬化快 早期强度高 水化放热量大 熟料矿物对水泥性质的影响是各矿物的综合作用 不是简单叠加 其组成比例是影响水泥性质的根本因素 调整比例结
11、构可以改善水泥性质和产品结构 2 细度不会改变水泥根本性质 但直接影响水泥的水化速率 凝胶硬化 强度 干缩和水化放热等性质 因为水泥的水化是从表面开始 逐步向内发展的 颗粒越细小 其表面积越大 与水的接触面积就越大 水化作用就越迅速越充分 凝结硬化速率加快 早期强度越高 但过细 在磨细时消耗的能量和成本显著提高且水泥容易与空气中的二氧化碳和水分反应 不易久存 另外过细的水泥达到相同稠度时用水量增加 硬化时体积收缩大 使水泥发生裂缝的可能性增加 同时水分的蒸发产生较多的孔隙 使水泥石强度下降 但是如果过粗 不利于水泥活性发挥 凝结缓慢 3 拌和用水量理论需水量为水泥质量的23 左右 但为了使水泥
12、浆体具有一定的流动性和可塑性 实际加水量远高于理论需水量 水化比一般为0 4 0 7 多余水分会延缓水泥浆的凝结时间 并在硬化的水泥石中蒸发形成毛细孔 拌和用水越多 水泥石中的毛细孔越多 孔隙率就越高 水泥的强度越低 硬化收缩越大 抗渗性 抗侵蚀性越差 4 养护时间 龄期 水泥的水化硬化是一个长期不断进行的过程 开始水化速度较快 水泥强度增长也快 特别是3d 14d内增长较快 28d以后显著减慢 但只要维持适宜的温度 湿度情况下 水泥的水化将不断进行 其强度在几个月几年甚至十几年甚至几十年后 强度还会继续 缓慢的增长 5 温度与湿度温度越高 凝结硬化速度越快 早期强度高 但后期强度可能会有所下
13、降 若采用较高养护温度 反而还会因水化产物生长过快 损坏其早期结构网络 造成强度下降 因此硅酸盐水泥不宜采用蒸汽养护等湿热养护方法 温度较低时 低于5 凝结硬化速度非常缓慢 当温度低于0 时 凝结硬化将完全停止 并可能遭受冰冻破坏 因此冬季施工时 需采取保温措施 一般水泥石结构的硬化温度不得低于 5 水泥的强度必须在较高的湿度环境下才能得到充分发展 若处在干燥环境或水分不足 浆体中水分蒸发完后 则水泥无法继续水化 就不再凝结硬化和增长强度 因此水泥制品在制作后一定时间内需洒水养护 6 石膏掺量水泥中掺入适量石膏 可调节水泥的凝结硬化速度 若不掺或不足 起不到缓凝作用 发生瞬凝 若过量 过量的硫
14、酸钙所电离的Ca2 产生强烈的凝聚作用使水泥凝结加快 还会在后期引起水泥石的膨胀而开裂破坏 7 贮存条件应储存在干燥的环境里 如果水泥受潮 其部分颗粒因水化而结块 失去胶结能力 强度严重降低 三 硅酸盐水泥的技术要求 一 化学指标为了保证水泥的使用质量 水泥的化学指标主要是控制水泥中有害的化学成分含量 若其超过最大允许限量 即意味着对水泥性能和质量可能产生有害或潜在的影响 1 氧化镁含量 5 压蒸安定性合格 6 2 三氧化硫含量 3 5 过量会与铝酸钙矿物生成较多的钙矾石 产生较大的体积膨胀3 烧失量 型水泥的烧失量 3 0 型水泥的烧失量 3 5 4 不溶物 指经盐酸处理后的不溶残渣 再以氢
15、氧化钠溶液处理 经盐酸中和 过滤后所得的残渣 再经过高温灼烧所剩的物质 对水泥质量有影响 型水泥的 0 75 型水泥的烧失量 1 50 5 氯离子 0 06 二 碱含量 按计算值表示 用户要求提供低碱水泥时 含量不大于0 6 或双方商定 三 物理指标1 细度 细度是指水泥颗粒粗细的程度 一般小于40微米时 才具有较高活性 大于100微米后活性就很小了 对水泥细度必须予以合理控制 测量方法 1 筛析法 孔径为80微米方孔筛对水泥试样进行筛析 2 比表面积法 根据一定量的空气通过一定空隙率和厚度的水泥层时 所受阻力不同而引起流速的变化来测定比表面积 硅酸盐水泥的细度用比表面积法检验 应大于300m
16、2 kg 2 水泥净浆标准稠度 为使水泥凝结时间和安定性的测定结果具有可比性 在此两项测定时必须采用标准稠度的水泥净浆 我国国标规定 水泥净浆稠度是采用标准维卡仪测定的 以试杆沉入净浆距底板6 1mm时的稠度为 标准稠度 此时的用水量为标准稠度用水量 3 凝结时间 凝结时间是水泥从加水开始 到水泥浆失去可塑性所需的时间 凝结时间分为初凝时间和终凝时间 初凝时间是从水泥加水到水泥浆开始失去塑性的时间 终凝时间是水泥加水到水泥浆完全失去塑性并开始产生强度的时间 水泥的凝结时间对水泥混凝土的施工有重要意义 如果凝结过快 混凝土会很快失去流动性 以致无法浇筑 所以初凝时间不宜过短 以便有足够的时间在初凝之前完成混凝土各工序的施工操作 但终凝时间又不宜太迟 以便混凝土在浇捣完毕后 尽早完成凝结硬化 硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于390min 4 体积安定 水泥硬化后体积变化的均匀性称为水泥体积安定性 水泥与水拌制成的水泥浆体 在凝结硬化过程中 一般都会发生体积变化 如果这种变化是发生在凝结硬化过程中 则对建筑物的质量并没有什么影响 但是 在水泥硬化后若产生不均匀的体积变化
