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1、第三章 水泥,北京科技大学 刘娟红,3 水泥,3 水泥,3.1 硅酸盐水泥,硅酸盐水泥熟料,05石灰石或粒化高炉矿渣,适量石膏,硅酸盐水泥,磨细,硅酸盐水泥,不掺加混合材料的I型硅酸盐水泥,掺加不超过水泥质量5石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的型硅酸盐水泥,生产水泥时，需加人水泥质量3左右的石膏，其目的是延缓水泥的凝结,3.1.1 硅酸盐水泥的生产与熟料的矿物组成,石灰质原料,黏土质原料,铁矿或硅质校正原料,按比例混合 磨细,生料,硅酸盐水泥熟料,PI型硅酸盐水泥,硅酸盐水泥的生产,石膏,混合材料,煅烧,1450,磨细,两磨一烧,石灰石,粘 土,铁矿石,生料磨,熟料磨,烧成设备,水泥产品,水泥煅烧
2、设备,生料进口,熟料出口,生料进口,熟料出口,立 窑 模 型,回转窑模型,2019/5/25,7,2019/5/25,8,2019/5/25,9,2019/5/25,10,2019/5/25,11,2019/5/25,12,2019/5/25,13,3.1.1 硅酸盐水泥的生产与熟料的矿物组成,硅酸三钙,水泥熟料的矿物 组成及特性,硅酸二钙,铝酸三钙,铁铝酸四钙,C3S,C2S,C3A,C4AF,3.1.1 硅酸盐水泥的生产与熟料的矿物组成,水泥熟料的矿物 组成及特性,各种熟料矿物单独水化的特性,硅酸盐水泥中还有少量的游离氧化钙、游离氧化镁、含碱矿物以及玻璃体等，但其总量一般不超过10,3.1
3、.2 硅酸盐水泥的水化、凝结、硬化,水泥加水拌和 成为具有可塑性的水泥浆，水泥颗粒开始水化，水泥浆逐渐变稠失去可塑性，但尚未具有强度,凝结,随后产生明显的强度并逐渐发展而成为坚硬的水泥石,硬化,2(3CaOSiO2)6H2O3CaO2SiO23H2O3Ca(OH)2 2(2CaOSiO2)4H2O3CaO2SiO23H2OCa(OH)2 3CaOAl2O36H2O3CaOAl2O36H2O 4CaOAl2O3Fe2O37H2O3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,2019/5/25,17,2019/5/25,18,2019/5/25,19,3.1.2 硅酸盐水泥的水化、凝结、硬化,
4、硅酸盐水泥的水化,钙矾石,作为晶体结晶沉积在水泥颗粒表面，构成覆盖水泥颗粒的保护膜，阻止水泥的过快反应，且不会引起众多水泥颗粒之间的过早接触，从而避免了闪凝，这以后随着水泥水化的进行，水泥浆仍会发生正常的凝结，从而实现了石膏的缓凝作用。,铁铝酸四钙与水作用时，反应也较快，水化放热量相对较少,硅酸三钙与水作用时，反应较快，水化放热量大,硅酸二钙则反应较慢，水化放热量小,铝酸三钙与水的反应速度极快，水化放热量很大,2019/5/25,21,图3-35 硅酸盐水泥在一定温度下水化时的放热曲线,3.1.2 硅酸盐水泥的水化、凝结、硬化,硬化后的水泥石,硅酸盐水泥的凝结、硬化,水泥水化产物,未水化完的水
5、泥颗粒,孔隙,水,毛细孔,气孔,凝胶孔,2019/5/25,23,水泥凝结硬化过程示意图,(a) (b),(c) (d),1水泥颗粒； 2水分； 3凝胶； 4晶体； 5水泥颗粒的未水化内核； 6毛细孔 (a)分散在水中未水化的水泥颗粒； (b)在水泥颗粒表面形成水化物膜层； (c)膜层长大并互相连接（凝结）； (d)水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）,2019/5/25,24,2019/5/25,25,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,熟料矿物中C3A需水性最大，C2S需水性最小。水泥越细，比表面积越大，需水量越大。抗裂性差。,一般认为，水泥颗粒小于40m时
6、，才具有较高的活性，大于100m的活性就很小了,硅酸盐水泥的比表面积不小于300m2/kg,“标准稠度”是人为规定的稠度,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,颗粒大小与全水化时间的关系,有研究指出水泥水化深度d与水化天数t的关系为: 不同粒径的水泥颗粒完全水化时间如下: 颗粒粒径 ，m 2 3 5 10 20 30 45 80 全水化时间，天 0.06 0.31 2.44 39 625 3164 16018 60000,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,体积安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含的游离氧化钙（f-CaO）过多，也可能是由于熟料中所含的游离氧化镁过多或水泥中掺入的石膏过多所致。,硅
7、酸盐水泥的初凝不小于45min，终凝不大于390min。,体积安定性,水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性,初凝,终凝,时间,水泥全部加入水,浆体开始失去可塑性,浆体完全失去可塑性,2019/5/25,30,水泥浆体屈服值与凝结时间的关系,初凝时间取决于C3A、C4AF及C3S的水化； 终凝时间主要受C3S水化控制。,Ca2+、OH- Al(OH)4- SO42-,C-S-H,Aft CSH2,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,2019/5/25,31,凝结时间的测定维卡仪,试针支架,试杆,圆模,试杆沉至底板3-5mm时，即为初凝状态；当下沉0.5mm，没有压痕时即为终凝状态。 影响凝结时间的
8、因素： C3A含量； 水泥的细度； 水灰比； 混合材掺量。,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,2019/5/25,32,水泥标准稠度用水量测定,凝结时间需要在标准稠度用水量下测定。 试锥下降深度为282mm时的加水量即为标准稠度用水量。,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,2019/5/25,33,安定性的检验方法,f-CaO：沸煮法(饼法)或雷氏法检验； MgO：216，20atm3h，试体膨胀率不超过0.5%。因其检测烦琐，故规定f-MgO5.0%。 SO3：冷饼试验：将试饼置于潮湿环境或浸入水中经过28d或更长时间观察有无明显变形。其检测烦琐，规定SO33.5%。,3.1.3 硅酸盐水泥的
9、技术性质,2019/5/25,34,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,硅酸盐水泥各龄期的强度要求（GB 1752007）,水泥的强度主要决定于水泥的矿物组成和细度,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,水泥在水化过程中放出的热,水泥矿物进行水化时，铝酸三钙放热量最大，速度也快，硅酸三钙放热量稍低，硅酸二钙放热量最低，速度也慢。,水化热对大体积混凝土是有害因素，不宜采用水化热较高或放热较快的水泥。,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,技术性质,碱,不溶物,水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值来表示。,烧失量是用来限制石膏和混合材料中杂质的，以保证水泥质量。,指经盐酸处理后的残渣，再以氢氧化钠
10、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。,IP0.75IIP1.50,IP3.0IIP3.5,水泥中氯离子含量高，会破坏混凝土中钢筋表面的钝化膜，加速钢筋锈蚀。,烧失量,氯离子,0.06,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,硅酸盐水泥的密度一般在3.05g/cm33.15g/cm3，平均可取3.1g/cm3,堆积的紧密程度一般在1 000kg/m31 600kg/m3之间，通常取1 300 kg/m3。,国家标准通用硅酸盐水泥（GB 175-2007）规定：凝结时间、安定性、强度、不溶物、烧矢量、三氧化硫、氧化镁、氯离子不符合标准要求的为不合格品。,3.1.3 硅酸盐水泥的技术
11、性质,【案例3-1】 水泥成分和性质引起的混凝土坍落度损失大。 概述 ：四川某公路大桥试验室配制C50 混凝土，要求坍落度（20020）mm，1h坍落度损失小于5%。该试验室使用当地某厂生产的普通水泥选择多种外加剂进行混凝土试配，始终无法满足设计要求。最后用特种熟料掺矿渣生产P.O52.5 水泥试配成功。,案例,水泥熟料矿物组成、石膏调凝剂的含量及形态、水泥碱含量是影响混凝土坍落度经时损失的主要因素。,3.1.3 硅酸盐水泥的技术性质,【案例3-2】 水泥凝结时间前后变化。 概述： 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40min，本属于不合格品。但放置1个月后，凝
12、结时间又恢复正常，而强度下降，请分析原因。,案例,水与氧化钙迅速反应生成氢氧化钙，放出热量，初凝时间偏短。 放置一段时间后，氧化钙与空气中水反应。水泥熟料矿物也会和空气中的水反应，结团、结块，强度下降。,3.1.4 硅酸盐水泥的侵蚀与防止,3.1.4 硅酸盐水泥的侵蚀与防止,Ca(OH)2+Ca(HCO3)22CaCO3+2H2O,软水是不含或仅含少量钙、镁可溶性盐的水,软水能使水化产物中的Ca(OH)2溶解，并促使水泥石中其他水化产物发生分解,在大量水或流动水中，Ca(OH)2会不断溶出，特别是当水泥石渗透性较大而又受压力水作用时，水不仅能渗入内部，而且还能产生渗流作用，将Ca(OH)2溶解
13、并渗滤出来，因此不仅减小了水泥石的密实度，影响其强度，而且由于液相中Ca(OH)2的浓度降低，还会使一些高碱性水化产物向低碱性转变或溶解。,软水腐蚀,3.1.4 硅酸盐水泥的侵蚀与防止,盐类腐蚀,硫酸盐的腐蚀,镁盐的腐蚀,3CaO A12O3 6H2O+3(CaSO42H2O)+19H2OCaOA12O33CaSO4 31H2O,MgSO4+Ca(OH)2+2H2OCaSO42H2O+Mg(OH)2 MgCl2+Ca(OH)2CaCl2+Mg(OH)2,生成的高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水，固相体积增加到2.22倍，由于是在已经硬化的水泥石中发生上述反应，因此对水泥石的破坏作用很大。,生成的
14、氢氧化镁松软而无胶凝能力，氯化钙易溶于水，二水石膏则引起硫酸盐的破坏作用。因此，硫酸镁对水泥石起着镁盐和硫酸盐双重腐蚀的作用。,3.1.4 硅酸盐水泥的侵蚀与防止,碳酸腐蚀,一般腐蚀,酸类腐蚀,水泥石中的氢氧化钙，通过转变为易溶的重碳酸钙而溶失。氢氧化钙浓度的降低还会导致水泥石中其他水化产物的分解，使腐蚀作用进一步加剧。,各种酸类对水泥石有不同程度的腐蚀作用，它们与水泥石中的碱(氢氧化钙)起中和反应，生成的化合物或者易溶于水，或者体积膨胀，在水泥石中形成孔洞或膨胀压力。,3.1.4 硅酸盐水泥的侵蚀与防止,3CaOA12O3+6Na(OH) =3Na2OA12O3+3Ca(OH)2,碱类溶液如
15、浓度不大时一般是无害的。但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱(如氢氧化钠)作用后也会产生破坏。,强碱腐蚀,3.1.4 硅酸盐水泥的侵蚀与防止,防止措施,3.1.5 硅酸盐水泥的特性与应用,耐热性差,凝结硬化快，强度高,抗冻性好,耐腐蚀性差,耐磨性好,碱度高抗碳化能力强,水化热大,适用于早期强度要求较高的工程及冬季施工的工程,适用于严寒地区遭受反复冻融的混凝土工程,不适用于经常与流动的淡水接触及有水压作用的工程,不适用于有耐热、高温要求的混凝土工程,适用于道路、地面等对耐磨性要求高的工程,硅酸盐水泥由于密实度高且碱度高，故碳化能力强,不适用于大体积混凝土工程,3 水泥,3.2.1 水泥混合材料,为了改善水泥性能，调节水泥强度等级而加入到水泥中去的人工的和天然的矿物材料,水泥混合材料,活性混合材料,非活性混合材料,与水调和后，本身不会硬化或硬化极为缓慢,在Ca(OH)2或石膏等“激发剂”作用下，具有水硬性,玻璃态物质，主要成分为活性SiO2、Al2O3。,与水泥成分不起化学作用,为结晶态物质，如磨细的石英砂、石灰石、粘土、白云石、砂岩、慢冷矿渣,3.2.1 水泥混合材料,活性混合材料,粒化高炉矿渣,火山灰质混合材料,粉煤灰,3.2.1 水泥
