第四章水泥 4 1通用硅酸盐水泥4 2特性水泥和专业水泥 水泥概论1 定义 1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明 通过煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料 它制成砖块很像由波特兰半岛采下来的波特兰石 由此将这种胶凝材料命名 波特兰水泥 我国称为硅酸盐水泥 自1824年波特兰水泥问世以来 水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料 中国在1889年于唐山建立了第一座水泥厂 从1985年起我国水泥产量已连续21年居世界第一位 2005年 产量已达10 60亿吨 占世界总产量的48 左右 水泥是一种水硬性的胶凝材料 呈粉末状 加水拌和后成浆体后 能胶结砂 石等散粒材料 并能在空气和水中硬化并保持 发展其强度 发展趋势 在水泥品种方面 将加速发展快硬 高强 低热等特种和多用途的水泥 大力发展水泥外加剂 大力发展高等级水泥 2 分类 1 按主要水硬性物质分 2 按性能和用途分 水泥 通用水泥 专用水泥 特性水泥 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 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 硅酸盐水泥 六大通用水泥 硅酸盐水泥 型硅酸盐水泥 代号P 型硅酸盐水泥 代号P 普通硅酸盐水泥 简称普通水泥 代号P O 矿渣硅酸盐水泥 简称矿渣水泥 代号P S A和P S B 火山灰质硅酸盐水泥 简称火山灰水泥 代号P P 粉煤灰硅酸盐水泥 简称粉煤灰水泥 代号P F 复合硅酸盐水泥 复合水泥 代号P C 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 复合硅酸盐水泥统称掺混合材料的硅酸盐水泥 4 1通用硅酸盐水泥 一 定义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 复合硅酸盐水泥 4 1 1硅酸盐水泥 硅酸盐水泥定义 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水硬性胶凝材料 称为硅酸盐水泥 即国外通称的波特兰水泥 硅酸盐水泥分两种类型 不掺加混合材料的称 型硅酸盐水泥 代号P 在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5 的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 1 硅酸盐水泥的生产 1 生料的配制石灰质原料 如石灰石 贝壳等 提供CaO 石灰石需要量大 建水泥厂时一般建在石灰石产地旁 如峨眉水泥厂 粘土质原料 如粘土 页岩等 主要提供SiO2 Al2O3 Fe2O3 校正原料 如铁矿粉 砂岩 前者是补充原料中不足的氧化铁 后者是补充原料中不足的SiO2 原料在球磨机内研磨到规定的细度并均匀混合 生料配制有干法和湿法 干法 是把原料烘干磨成生料粉 湿法 是把生料加水磨成生料浆 生产工艺流程 简称为 两磨一烧 2 孰料的煅烧 窑型回转窑新型干法煅烧过程 来自官方统计数字显示 2006年 全国水泥产量达到12 4亿吨 然而按新型干法生产的水泥只有6 24亿吨 根据发改委2007年1月发布的 关于做好淘汰落后水泥生产能力有关工作的通知 下称 通知 除新型干法外的6亿多吨水泥产能 都将以每年5000万吨的速度逐步淘汰 2020年完成对所有落后产能的淘汰 1 熟料的矿物组成 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 碱类及杂质 2CaO SiO2 C2S 15 30 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF 10 18 f CaO和f MgO 3CaO Al2O3 C3A 7 15 3CaO SiO2 C3S 45 65 2 硅酸盐水泥的矿物组成及特性 2 水泥熟料单矿物的水化特性熟料矿物磨细加水 均能单独与水发生化学反应 其特点见下表 四种矿物的比例对水泥性质的影响 1 提高C3S的含量 可得到高强硅酸盐水泥 2 提高C3S和C3A的含量 可制得快硬硅酸盐水泥 3 降低C3S和C3A的含量 提高C2S的含量 可的低热或中热硅酸盐水泥 3 硅酸盐水泥的水化 1 硅酸三钙2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2特点 速度快 水化热大 强度高 收缩一般 2 硅酸二钙 2 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2特点 速度特别慢 水化热小 强度早期低 后期高 收缩较大 水化产物中氢氧化钙比较少 C S H结构 薄片或纤维颗粒的胶体 胶凝性好 强度高 不溶于水 CH结构 板状晶体 强度低 易溶于水 3 铝酸三钙3CaO Al2O3 H2O 3CaO Al2O3 6H2O特点 反应迅速 水化放热大 强度低 收缩大在有石膏存在时 铝酸三钙开始水化生成高硫型水化硫铝酸钙 AFt 3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O当石膏耗尽时 铝酸三钙还会与钙矾石反应生成单硫型水化硫铝酸钙 AFm 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 2 3CaO Al2O3 5H2O 3 3CaO Al2O3 CaSO4 12H2O 低硫型水化硫铝酸钙 水化硫铝酸钙为针状晶体 难溶于水 主要为延缓水化铝酸钙的凝结时间 4 铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O特点 反应速度一般 水化热较低 强度较低 收缩小 水泥熟料矿物成份四种 C3S C2S C3A C4AF水化产物 水化硅酸钙 约70 CH 约20 AFt 水化铝酸钙 水化铁酸钙等 约7 C S H凝胶体形貌 氢氧化钙形貌 钙矾石形貌 C S H凝胶体与骨料界面 4 硅酸盐水泥的凝结和硬化 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 硅酸盐水泥的凝结和硬化 硬化后的水泥石是由胶体粒子 晶体粒子 凝胶孔 毛细孔及未水化的水泥颗粒所组成 其结构如图所示 水泥石的结构 A 未水化水泥颗粒B 胶体粒子C 晶体粒子D 毛细孔 毛细孔水 E 凝胶孔 凝结硬化的特点 水泥的强度是随着硬化龄期的增加而逐渐增大的 水泥强度的发展与环境湿度和温度条件有关 在掺入适量石膏可以调节水泥的凝结速度 2 影响硅酸盐水泥凝结硬化的因素 水泥矿物组成的影响 水泥细度的影响 水灰比 W C 拌和加水量 的影响 水灰比越大 凝结硬化后水泥石中的毛细孔越多 强度 抗冻性 抗渗性下降 养护温度和湿度温度低于5 时 水化速度大大减慢 当低于0 时 水化反应 凝结硬化基本停止 也不会产生强度 同时水泥颗粒表面的水分结冰 破坏水泥石的结构 养护龄期水泥加水拌和后起至性能实测时止的养护时间称为龄期 水泥水化 硬化过程中 水泥石的强度随龄期的增加而增长 一般3 7天强度增长较快 28天后的强度增长极为缓慢 外加剂减水剂可延缓水泥的凝结硬化而影响早期强度 早强剂可促进水泥的凝结硬化而提高早期强度 石膏掺量石膏在水泥硬化中起缓凝剂的作用 纯水泥熟料磨细后 与水拌和 凝结时间很短 因此不便使用 为调节水泥的凝结时间 掺入适量 3 左右 的石膏 石膏与铝酸三钙的水化产物水化铝酸三钙作用 生成了难溶的水化硫酸铝钙 覆盖在铝酸三钙的周围 阻止其继续快速水化 因而延缓了水泥的凝结时间 石膏的掺量主要取决于铝酸三钙和SO3的含量 石膏过量安定性不良石膏的掺量一定要适量 如果掺量过多 在水泥硬化后还会继续生成水化硫铝酸钙 因水化硫铝酸钙自身含有大量的结晶水 生成时体积膨胀约2 5倍 会导致硬化后的水泥石开裂而破坏 5 硅酸盐水泥的技术性质1 细度 定义 细度 指水泥颗粒的粗细程度 通常水泥颗粒的粒径为7 200um 同时规定凡细度不符合规定者为不合格品 讨论与分析 缺点 水泥越细 优点 水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定 硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2 kg GB规定 与水发生水化反应的速度越快 水泥石的早期强度越高 总表面积越大 硬化收缩越大 易受潮而降低活性 成本越高 返回 2 硅酸盐水泥的标准稠度用水量 讨论与分析 定义 试验方法 讨论与分析 为什么在测定水泥的凝结时间 体积安定性时 要将水泥净浆拌到标准稠度 也就是一个规定的稠度呢 为了使试验结果具有可比性 2 硅酸盐水泥的标准稠度用水量 定义 不同的水泥品种 标准稠度用水量各不相同 一般在24 33 之间 2 硅酸盐水泥的标准稠度用水量 标准稠度用水量指水泥浆达到规定的标准稠度时 所需要的用水量 是对水泥性质检验的准备性指标 由于用水量的多少 能直接影响凝结时间和体积安定性等性质的测定 因此 必须在规定的稠度下进行试验 按国家标准GB T1346 2001的规定试验 3 硅酸盐水泥的凝结时间 定义 讨论与分析 GB规定 测定方法 定义 水泥全部加入水中 开始失去可塑性 完全失去可塑性 初凝 终凝 3 硅酸盐水泥的凝结时间 凝结时间 是指水泥从加水开始到失去流动性所用的时间 即从可塑状态到固体状态所需要的时间 初凝时间 是指水泥从加水到水泥浆开始失去流动性所用的时间 终凝时间 是指水泥从加水到水泥浆完全失去流动性所用的时间 水泥的初凝和终凝时间对工程有重要意义 例如 混凝土的施工 讨论与分析 结论1 水泥的初凝时间不能过短 否则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工 结论2 水泥的终凝时间不能过长 否则将延长施工进度和模板周转期 3 硅酸盐水泥的凝结时间 初凝时间不得早于45min 终凝时间不得迟于6 5h 同时规定 凝结时间不符合规定者为不合格品 GB规定 3 硅酸盐水泥的凝结时间 试验方法水泥的凝结时间的测定 是以标准稠度用水量拌制的水泥净浆 在规定的温度和湿度条件下 用凝结时间测定仪来测定 3 硅酸盐水泥的凝结时间 4 硅酸盐水泥的体积安定性 定义 讨论与分析 GB规定 试验方法 定义 水泥的体积安定性 指水泥硬化后体积变化是否均匀的性质 水泥硬化后体积发生不均匀膨胀 导致水泥石开裂 翘曲等现象 否则 为良好 不良 良好 注意 安定性不良的水泥为废品水泥 严禁在工程中使用 4 硅酸盐水泥的体积安定性 讨论与分析 引起安定性不良的原因有哪些 熟料中含有过多的游离MgO 熟料中含有过多的游离CaO 石膏掺量过多 GB规定 用沸煮法检验必须合格 熟料中MgO含量 5 熟料中SO3含量 3 5 4 硅酸盐水泥的体积安定性 试验方法 沸煮法 试饼法 雷氏夹法 5 硅酸盐水泥的体积安定性 GB规定 5 硅酸盐水泥的强度等级 GB规定 强度是水泥力学性质的一项重要指标 是确定水泥强度等级的依据 5 硅酸盐水泥的强度等级 6 硅酸盐水泥的水化热 定义 水泥与水发生水化反应所放出的热量称为水化热 对工程的影响 高水化热的水泥在大体积混凝土工程中是非常不利的 在大体积混凝土中应选择低热水泥 在混凝土冬期施工时 水化热有利于水泥的凝结 硬化和防止混凝土受冻 7 碱含量 是指水泥中碱性氧化物 Na2O和K2O 的含量 用碱含量占水泥质量的百分数表示 当水泥中的碱含量较高时 骨料中又含有活性二氧化硅 就会发生碱骨料反应 生成复杂的碱 硅酸凝胶具有无限膨胀性 此物质在潮湿环境或水中会不断的吸水 不断的肿胀 导致水泥石胀裂 按国家标准的规定 水泥中的 Na2O 0 658K2O 的含量不超过0 6 则不会发生碱骨料反应 但水泥用量较大时仍要注意碱骨料反应 8 氯离子含量 含一定量的氯离子会腐蚀钢筋 故需加以限制 GB175 2007中规定各类硅酸盐水泥中氯离子含量不得超过水泥质量的0 06 氯离子含量不满足要求的为不合格品 9 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 水泥石在正常使用条件下 具有较好的耐久性 但。