第四章_水泥及其绿色化

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1、绿色建筑材料讲义第四章 水泥及其绿色化张占辉绿色建筑材料Green Building Materials 绿色建筑材料讲义教学目标掌握水泥的分类；熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，及矿物组成对水泥性能的影响；熟练掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点及选用原则；了解特性水泥和专用水泥的主要性能及使用特点；理解掌握水泥的绿色化途径以及绿色度评价内容和方法。绿色建筑材料讲义本章内容4.1 水泥基础知识 4.1.1 硅酸盐水泥 4.1.2 水泥混合材料 4.1.3 其他通用水泥 4.1.4 专用水泥和特性水泥 4.2 水泥生产工艺 4.3 水泥工业发展现状及存在的问题 4.4 水泥工业绿色化的途径 4.5

2、水泥绿色度评价绿色建筑材料讲义一般土木建筑工程通常采用的如：硅酸盐水泥； 矿渣硅酸盐水泥通用水泥适应专门用途的水泥专用水泥如：中、低热水泥 ；道路水泥；砌筑 水泥具有某种性能比较突出的水泥特性水泥如：快硬硅酸盐水 泥；抗硫酸盐水泥l 定义：水泥是能与水发生物理化学作用，使其由可塑性浆体 硬化成坚硬的人造石材的一种粉末状水硬性胶凝材料。 l 水泥按其用途和性能分为：4.1 水泥基础知识绿色建筑材料讲义l 通用水泥按成分不同可分为： 硅酸盐水泥 P和P 普通硅酸盐水泥 PO 矿渣硅酸盐水泥 PS 火山灰质硅酸盐水泥 PP 粉煤灰硅酸盐盐水泥 PF 复合硅酸盐水泥PC 石灰石硅酸盐水泥 PL 绿色建

3、筑材料讲义r定义：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所 得以硅酸钙为主的水泥熟料，掺入适量石膏、0 5的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成的水硬 性胶凝材料，也称波特兰水泥。r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.。4.1.1 硅酸盐水泥绿色建筑材料讲义q 硅酸三钙(简称C3S) 其矿物组成为3CaOSiO2，含量约 50%左右。q 硅酸二钙(简称C2S) 其矿物组成为2CaOSiO2，含量约 20%左右。q 铝酸三钙(简称C3A) 其矿物组成为3CaOAl2O3，含量 7%15%。q 铁铝酸四钙(简称C4AF)

4、 其矿物组成为 4CaOAl2O3Fe2O3，含量10%18%。q 其它矿物组成还含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁 及少量的碱(氧化钠和氧化钾)。它们可能对水泥的质量及 应用带来不利影响。 硅酸盐水泥熟料组成绿色建筑材料讲义 熟料矿物组成对水泥性能的影响矿物简称矿物特性 强度发展水化 热耐化学腐 蚀能力干 缩凝结 快慢早 期 后期 C3S大大中中中快C2S小大小稍大小慢C3A大小大小大快C4AF小中小大小中 水化热：在水泥硬化过程中，水泥与水作用不断放出的热量称为水化热。 绿色建筑材料讲义熟料矿物组成对早期强度及水化热的影响： 以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分 比含量，请分析A、B两

5、种硅酸盐水泥的早期强 度及水化热的差别。案例分析分析答案矿物组 成C3S/C2S/C3A/C4AF/A水泥6015169 B水泥47281015绿色建筑材料讲义分 析 硅酸盐水泥熟料矿物各具特性。C3S在最初四个星期内强度发展迅速，它实际上决定着硅酸盐水泥四 个星期以内的强度；C3S的水化热较多，其含量也最多，故它放出的热量 最多；但其耐腐蚀性较差。 C2S的硬化速度慢，在大约4个星期后才发挥其强度作用，约一年左右 达到C3S四个星期的发挥程度；而其水化热少；耐腐蚀性好。C3A硬化速度最快，但强度低，其对硅酸盐水泥在13d或稍长的时 间内的强度起到一定作用；C3A的水化热多；耐腐蚀性最差。C4

6、AF的硬化速度也较快，但强度低，其对硅酸盐水泥的强度贡献小；其水化热和耐腐蚀性均属中等。A水泥的C3S及C3A含量高，而C3S及C3A的早期强度及水化热都较高 ，故A硅酸盐水泥的早期强度与水化热高于B水泥。 绿色建筑材料讲义某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发 现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝，试分析其原 因和防治措施。该工程使用某立窑水泥厂生产 的42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：C3S 61 C2S 14 C3A 14 C4AF 11 分析答案案例分析绿色建筑材料讲义原因：由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高 ，以后

7、混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成 混凝土贯穿型的纵向裂缝。防治措施：首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热 ，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。 分 析绿色建筑材料讲义国家标准GB 175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。 不溶物型硅酸盐水泥中不溶物不得超过0.75%；型硅酸盐水泥中不溶物不得超过1.50%。不溶物是指经盐酸处理后的残渣，再以氢氧化钠溶液处理，经盐酸中和过滤后所得的残渣经高温灼烧所剩的物质。不溶物含量高对水泥质量有不良影响。 烧失量型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.0%，型硅酸盐水泥中烧失量不得超过3.5%。烧失量是用来限制

8、石膏和混合材中杂质的，以保证水泥质量。 氧化镁水泥中氧化镁的含量不宜超过5.0%。如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。因氧化镁水化生成氢氧化镁，体积膨胀，而其水化速度慢，须以压蒸的方法加快其水化，方可判断其安定性。硅酸盐水泥的技术要求绿色建筑材料讲义 三氧化硫水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。水泥中过量的三氧化硫会与铝酸三钙形成较多的钙矾石，体积膨胀，危害安定性。 细度硅酸盐水泥比表面积大于300m2/kg。水泥颗粒过粗既不利于水泥活性的发挥，又影响了其保水成浆的性能。 凝结时间硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h30min。初凝为水

9、泥加水拌合时起至标准稠度净浆开始失去可塑性所需的时间；终凝为水泥加水拌和时起至标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。为使水泥混凝土和砂浆有充分的时间进行搅拌、运输、浇捣和砌筑，水泥初凝时间不能过短。当施工完成，则要求尽快硬化，具有强度，故终凝时间不能太长。绿色建筑材料讲义 安定性用沸煮法检验必须合格。安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。当水泥浆体硬化过程发生了不 均匀的体积变化，会导致水泥石膨胀开裂、翘曲，即安定性不良。安定性不良的水泥会降 低建筑物质量，甚至引起严重事故。引起水泥安定性不良的原因有三个：熟料中游离氧化镁过多。水泥中的氧化镁（MgO）在水泥凝结硬化后，

10、会与水生 成Mg(OH)2。该反应比过烧的氧化钙与水的反应更加缓慢，且体积膨胀，会在水泥硬化几 个月后导致水泥石开裂。石膏掺量过多。当石膏掺量过多时，水泥硬化后，在有水存在的情况下，它还会继 续与固态的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙（俗称钙矾石，简写成AFt），体积 约增大1.5倍，引起水泥石开裂。熟料中游离氧化钙过多。水泥熟料中含有游离氧化钙，其中部分过烧的氧化钙CaO 在水泥凝结硬化后，会缓慢与水生成Ca(OH)2。该反应体积膨胀，使水泥石发生不均匀体 积变化。因为氧化镁和三氧化硫已作定量限制，而游离氧化钙对安定性的影响不仅与其含 量有关，还与水泥的煅烧温度有关，故难以定量。沸煮可加

11、速氧化钙的熟化，故需用沸煮 法检验水泥的体积安定性，测试方法可以用试饼法也可用雷氏法。 绿色建筑材料讲义 强度水泥等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，按水泥胶砂强度检验 方法（ISO法）测定其强度，各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表中数值 。强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa） 3d 28d3d 28d 42.5 42.5R 52.5 52.5R 62.5 62.5R17.0 22.0 23.0 27.0 28.0 32.042.5 42.5 52.5 52.5 62.5 62.53.5 4.0 4.0 5.0 5.0 5.56.5 6.5 7.0 7.0 8.0 8.0F带R

12、的为早强型。硅酸盐水泥各龄期的强度要求绿色建筑材料讲义 碱 水泥中碱含量按Na2O0.653K2O计算值来表示。若使用活性骨料，用 户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60%或由供需双方商 定。国家标准GB 175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥还规定： 凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中任一项不符合本标准规定时 ，均为废品。 凡细度、终凝时间中的任一项不符合本标准规定或混合材料掺加量超过 最大限量和强度低于商品强度等级的指标时为不合格品。 水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也 属于不合格品。 绿色建筑材料讲义某工地使用某厂生产的硅酸盐水泥，加水拌和

13、 后，水泥浆体在短时间内迅速凝结。后经剧烈 搅拌，水泥浆体又恢复塑性，随后过三小时才 凝结。请讨论形成这种现象的原因。 分析答案案例分析绿色建筑材料讲义此为水泥假凝现象。假凝是指水泥的一种不正常的早期固 化或过早变硬现象。假凝与快凝不同，前者放热量甚微，且 经剧烈搅拌后浆体可恢复塑性，并达到正常凝结，对强度无 不利影响。 假凝现象与很多因素有关，一般认为主要是由于水泥粉 磨时磨内温度较高，使二水石膏脱水成半水石膏的缘故。当 水泥拌水后，半水石膏迅速水化为二水石膏，形成针状结晶 网状结构，从而引起浆体固化。另外，某些含碱较高的水泥 ，硫酸钾与二水石膏生成钾石膏迅速长大，也会造成假凝。分 析绿色建

14、筑材料讲义某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙 含量较高，加水拌和后初凝时间仅40 min ，本属于废品。但后放置1个月，凝结时 间又恢复正常，而强度下降，请分析原因 。 分析答案案例分析绿色建筑材料讲义该立窑水泥厂的普通硅酸盐水泥中游离氧化钙含量较高，该氧化钙相当部分的煅烧温度较低。加水拌和后，水与氧化钙迅速反应生成氢氧 化钙，并放出水化热，使浆体的温度升高，加速了其它熟料矿物的水化 速度。从而产生了较多的水化产物，形成了凝聚结晶网结构，所以短 时间凝结。水泥放置一段时间后，吸收了空气中的水汽，大部分氧化钙生成氢氧化钙，或进一步与空气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙。故此时加 入拌和水后，不会再

15、出现原来的水泥浆体温度升高、水化速度过快、凝 结时间过短的现象。但其它水泥熟料矿物也会和空气中的水汽反应，部 分产生结团、结块，使强度下降。 分 析绿色建筑材料讲义4.1.2 水泥混合材料r 在生产水泥时，为改善水泥性能，调节 水泥强度等级而加到水泥中去的人工的和 天然的矿物材料，称为水泥混合材料。 活性混合材料 非活性混合材料 窑灰绿色建筑材料讲义r 活性混合材料：具有火山灰性或潜在水硬性，以及兼有火 山灰性和水硬性的矿物质材料。 含有大量活性氧化硅（SiO2）与活性氧化铝（Al2O3）。与水调和 后，它们本身不会硬化或硬化极为缓慢，强度很低。但在氢氧化钙 溶液中，就会发生显著的水化，特别是

16、在饱和的氢氧化钙溶液中及 有石膏存在的条件下水化更快。 粒化高炉矿渣：凡在高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为 主要成分的熔融物，经淬冷成粒后，即为粒化高炉矿渣，简称矿渣 。 粉煤灰：从煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰。 火山灰质混合材料：凡天然的或人工的以氧化硅、氧化铝为主要成 分的矿物质材料，本身磨细加水拌和并不硬化，但与气硬性的石灰 混合后，再加水拌和，则不单能在空气中硬化，而且能在水中继续 硬化的，称为火山灰混合材料。绿色建筑材料讲义r非活性混合材料：活性指标低于GB 1596、GB 2847 和GB 203标准要求的粉煤灰、火山灰质混合材料和 粒化高炉矿渣以及石灰石和砂岩。石灰石中的三氧 化二铝含量不得超过2.5%。 它们与水