汕头大学土木工程系

《汕头大学土木工程系》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汕头大学土木工程系（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、李庚英 E-mail: 电话：8367533 汕头大学土木工程系,土 木 工 程 材 料 学,第三章 硅酸盐水泥,水泥，指加水拌和成塑性浆体后，能胶结砂、石等适当材料并能在空气和水中硬化的粉状水硬性胶凝材料。 土木建筑工程通常采用的水泥主要有：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、粉煤灰硅酸盐水泥等品种。,水泥,第一节 硅酸盐水泥,凡由硅酸盐水泥熟料、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。 硅酸盐水泥在国际上分为两种类型：不掺混合材的称I型硅酸盐水泥，其代号为P. I；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿

2、渣混合材料的称II型硅酸盐水泥，其代号为II。,一. 硅酸盐水泥的生产 生产硅酸盐水泥的原料，主要是石灰质和粘土质两类原料。为了补充铁质及改善煅烧条件，还可加入适量铁粉、萤石等。 生产水泥的基本工序可以概括为：“两磨一烧”：先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以适量的石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。,二.硅酸盐水泥熟料的矿物组成 硅酸盐水泥熟料的主要矿物组成为: （）硅酸三钙 硅酸三钙的化学成分为ai2，其简写为3S。它是硅酸盐水泥熟料中最主要的矿物成分，约占水泥熟料总量的。硅酸三钙遇水

3、后能够很快与水产生水化反应，并产生较多的水化热。它对促进水泥的凝结硬化，特别是对水泥天内的早期强度以及后期强度都起主要作用。,（）硅酸二钙 硅酸二钙的化学成分为2ai2，其简写为C2S，约占水泥熟料总量的1537。硅酸二钙遇水后反应较慢，水化热也较低。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。,（）铝酸三钙 铝酸三钙的化学成分是CaOAl2O3，其简写为C3，约占水泥熟料总量的7 15。铝酸三钙遇水后反应极快，产生的热量大而且很集中。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低，主要对水泥的早期强度有所贡献。,（）铁铝酸四钙 铁铝酸四钙的化学成分为:CaOAl2O3Fe2O3，其

4、简写为4AF，约占水泥熟料总量的1018。铁铝酸四钙遇水时水化反应也很快，水化热较低，水化产物的强度不高，对水泥石的抗压强度贡献不大，主要对抗折强度贡献较大。,硅酸三钙,矿物型貌（1）,硅酸二钙,矿物型貌（2）,铝酸三钙,矿物型貌（3）,铁铝酸四钙,3.硅酸盐水泥的水化 硅酸盐水泥遇水后，水泥中的各种矿物成分会很快发生水化反应，生成各种水化物。 硅酸三钙水化 硅酸三钙在常温下水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙。 3CaOSiO2+nH2O=xCaOSiO2yH2O+(3-x)Ca(OH)2 硅酸二钙的水化 -C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢而已。 2CaOSiO2+n

5、H2O=xCaOSiO2yH2O+(2-x)Ca(OH)2 所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别，故也称为C-S-H凝胶。但CH生成量比C3S的少，结晶却粗大些。,铝酸三钙的水化 铝酸三钙与水反应迅速，放热快，其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大。在常温，其水化反应依下式进行： 2(3CaOAl2O3)+27H2O=4CaOAl2O319H2O+2CaOAl2O38H2O 简写为 2C3A+27H=C4AH19+C2AH8 在有石膏的情况下，C3A水化的最终产物与起石膏掺入量有关。最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用AFt表示。若石膏在C3

6、A完全水化前耗尽，则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。 铁相固溶体的水化 水泥熟料中铁相固溶体可用C4AF作为代表。它的水化速率比C3A略慢，水化热较低，即使单独水化也不会引起快凝。其水化反应及其产物与C3A很相似。,44. 硅酸盐水泥的凝结和硬化 水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。,由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很

7、快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。,当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。,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，加之水化产物中的氢氧化

8、钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。,随着水泥水化的不断进行，水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。 实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。,随着水泥水化的不断进行，水泥浆结构内部孔隙不断被新生水化物填充和加固的过程，称为水泥的“凝结”。随后产生明显的

9、强度并逐渐变成坚硬的人造石水泥石，这一过程称为水泥的“硬化”。 实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。,5.影响水泥凝结硬化的主要因素 （）矿物组成 不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素.,（）水泥浆的水灰比 水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。当水泥浆中加水较

10、多时，水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢。 水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多, 造成水泥石的强度较低，因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥石的强度。,（3）石膏掺量 石膏起缓凝作用的机理可解释为：水泥水化时，石膏能很快与铝酸三钙作用生成水化硫铝酸钙（钙矾石），钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。,（4）水泥的细度 在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径小

11、，比表面积大，水化时与水的接触面大，水化速度快，相应地水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。,（5）环境温度和湿度 在适当温度条件下，水泥的水化、凝结和硬化速度较快。反应产物增长较快，凝结硬化加速，水化热较多。相反，温度降低，则水化反应减慢，强度增长变缓。但高温养护往往导致水泥后期强度增长缓慢，甚至下降。 水的存在是水泥水化反应的必要条件。当环境湿度十分干燥时，水泥中的水分将很快蒸发，以致水泥不能充分水化，硬化也将停止；反之，水泥的水化将得以充分进行，强度正常增长。,（6）龄期（时间） 水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，只要温度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干年。,6. 硅酸盐水泥的技

12、术要求 （）细度 水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响。水泥颗粒粒径一般在7200 m范围内。 国家标准GB175-1999规定，水泥的细度可用比表面积或0.08 mm方孔筛的筛余量（未通过部分占试样总量的百分率）来表示。其筛余量不得超过规定的限值。比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和（cm2/g 或 m2/kg）。一般常为317350m2/kg。,（）标准稠度用水量 稠度是水泥浆达到一定流动度时的需水量。国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定性时需用“标准稠度”的水泥净浆。“标准稠度”是人为规定的稠度，其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在之

13、间。,（3）凝结时间 水泥从加水开始到失去其流动性，即从液体状态发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程。这个过程所需要的时间称为凝结时间。 凝结时间分初凝时间和终凝时间。初凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性所需的时间。终凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。 国家标准规定，水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆，在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定。硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h 30min。,（）体积安定性 水泥浆体硬化后体积变化的均匀性称为水泥的体积安定性。即水泥硬化浆体能保持一定形状，

14、不开裂，不变形，不溃散的性质。体积安定性不良的水泥应作废品处理，不得应用于工程中，否则将导致严重后果。,导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料中的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入石膏过多等原因造成的，其中游离氧化钙是一种最为常见，影响也是最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其它成分所包裹，使得其在水泥已经硬化后才进行熟化，生成六方板状的 Ca（OH）2晶体，这时体积膨胀以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。 当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，从而导致水泥石开裂。 国家标准规定水泥的

15、体积安定性用雷氏法或试饼沸煮法检验。,5）强度 强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标。水泥的强度是按照GB/T17961-1999水泥胶砂强度检验方法（ISO）法的标准方法制作的水泥胶砂试件，在201C温度的水中，养护到规定龄期时检测的强度值。其中标准试件尺寸为4cm4cm16cm，胶砂中水泥与标准砂之比为 1：3 （W/C=0.5），标准试验龄期分别为 d和28d分别检验其抗压强度和抗折强度。按照测定结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。各等级硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求见表3-1。,硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求 (GB175-1999),注：表中表示早强型，其它为普通型。,(6) 碱含量 水泥中含有较多的强碱物Na2O或 K2O时， 容易发生不良反应对结构造成危害。因而国家标准规定，水泥中的含碱量不得大于0.6%。,硅酸三钙的水化（1d、7d、28d）,硅酸二钙的水化（1d、7d、28d）,铝酸三钙的水化（2分钟、1小时、12小时）,铁铝酸四钙的水化（2分钟、1小时、12小时）,水化速度对比,7. 水泥石的腐蚀 7.1 水泥石腐蚀的方式 （）软水侵蚀 水泥石长期接触软水时，会使水泥石中的氢氧化钙不断被溶出，当水泥石中游离的氢氧化钙减少到一定程度时，水泥石中的其它含钙矿物也