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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,
2、4.1 概述,按主要水硬性物质分,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
3、加不超过5%的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成,4.2.1 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:100150),生料的脱水(预热带,500800,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( 8001000
4、 ):生成CaO,4.2.1 硅酸盐水泥生产及其矿物组成,3.固相反应( 8001000 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2CaOSiO2(C2S)、3CaOAl2O3(C3A)和4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF)。同时有部分CaO剩余 4.烧成阶段( 13001450 1300):C3A与C4AF烧至熔融,将C2S与剩余的CaO反应生成3CaOSiO2(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
5、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,SO3,2CaOSiO2,C2S,4CaOAl2O3Fe2O3,C4AF,fCaO和fMgO,3CaOAl2O3,C3A,3CaOSiO2,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
6、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。,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(3CaOSiO2)6H2O = 3CaO2SiO23H2O3Ca(OH)2 硅酸二钙 2(2CaOSiO2)4H2O = 3CaO2SiO23H2OCa(OH)2 铝酸三钙 3CaOAl2O3H2O = 3CaOAl2O36H2O 3CaOAl2O36H2O3(CaSO42H2O)19H2O = 3CaOAl2O33CaSO431H2O 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O37H2O = 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3
7、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(CSH)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(CSH凝胶,水化
8、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、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
9、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http:/ 硅酸盐水泥的主要技术性质,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GB1751999规定:硅酸盐水泥初凝不得早于45min,终凝不得迟于6.5h。,4.2
10、.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,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。http:/ 水泥安定性不良的原因: 熟料中含有过量的游离氧化钙(fCaO),或含有过量的游离氧化镁(fMgO); 生产水泥时掺入的石膏过量。 国家标准GB1751999规定,硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格。 体积安定性不良的水泥严禁用于工程中。,4.2.3 硅酸盐水泥的主要技术性质,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40mm4
11、0mm160mm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。http:/ 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
12、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
13、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
14、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PO),定义 硅酸盐水泥熟料620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:80m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PO),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。,4.3.2 普通硅酸盐水泥(代号PO),主要特性 (1)早期强度略
15、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 (PS),粉煤灰水泥 (PF),火山灰水泥 (PP),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28003000kg/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