第三章、水泥

第三章水泥 Cement 第一節(jié)硅酸鹽水泥 第二節(jié)摻混合材的硅酸鹽水泥 第三節(jié)其他品種水泥 思考題 概述 概述 Introduction 第三章水泥 水泥是水硬性無機膠凝材料 是目前建筑工程中用量最大 最重要的建筑材料之一 1824年英國人約瑟夫 阿斯普丁 JosephAspdin 取得了波特蘭水泥 即硅酸鹽水泥 的發(fā)明專利 硅酸鹽水泥的首批大規(guī)模使用是在1825 1843年修建泰晤士河隧道 我國第一個水泥廠是清政府在 洋務(wù)運動 中于1889年于開平礦務(wù)局創(chuàng)辦的唐山細棉土廠 水泥的英文是cement 但cement這個詞在波特蘭水泥發(fā)明之前就已存在 源于羅馬語caementum 原指一種能在水中硬化的 消石灰與火山灰的混合物 文獻中稱為羅馬水泥 Romancement 概述 introduction 第三章水泥 水泥生產(chǎn)可概括為 兩磨一燒 將鈣質(zhì)原料 石灰石 白堊 泥灰?guī)r 貝殼等 和硅質(zhì)原料 粘土 頁巖等 按比例配合 在磨機中磨成生料 rawmeal 生料制備方法分為濕法 干法 濕法是將原料加水在磨機中磨成生料漿 干法是將原料先烘干 再入磨機磨成生料粉 生料入窯 煅燒窯分為立窯 回轉(zhuǎn)窯 煅燒 煅燒溫度1450 成熟料 clinker 熟料配以適量石膏 混合材 blendedmaterial 磨細成為水泥成品 第三章水泥 概述 introduction 第三章水泥 按組成 水泥分為 硅酸鹽 又稱波特蘭水泥 鋁酸鹽 又稱高鋁水泥 礬土水泥 硫鋁酸鹽三大系列水泥 其中硅酸鹽系列水泥應(yīng)用最廣 按性能和用途 水泥分為 通用水泥 應(yīng)用最多 產(chǎn)量最大 屬硅酸鹽系列水泥 專用水泥 專門用于某些工程的水泥 如砌筑水泥 masonrycement 道路水泥 油井水泥 防射線水泥等 特種水泥 specialcement 某種性能較突出的水泥 如白色及彩色水泥 低熱水泥 膨脹水泥 快硬水泥 抗硫酸鹽水泥等 概述 introduction 第三章水泥 我國常用的六大水泥 硅酸鹽水泥 P P portlandcement 普通硅酸鹽水泥 P O ordinaryportlandcement 礦渣硅酸鹽水泥 P S A P S B slagportlandcement 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥 P P pozzolanicportlandcement 粉煤灰硅酸鹽水泥 P F flyashportlandcement 復(fù)合硅酸鹽水泥 P C compositeportlandcement 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 凡以適當(dāng)成分的生料 燒至部分熔融 所得以硅酸鈣 calciumsilicate 為主要成分的硅酸鹽水泥熟料 并摻入0 5 的石灰石或粒化高爐礦渣 適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為硅酸鹽水泥 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 一 硅酸鹽水泥的基本組成 Theessentialcomponentsofportlandcement 硅酸鹽水泥熟料的主要礦物組成 mineralcomponent 硅酸三鈣 C3S tricalciumsilicate 36 60 硅酸二鈣 C2S dicalciumsilicate 15 37 鋁酸三鈣 C3A tricalciumaluminate 7 15 鐵鋁酸四鈣 C4AF tetracalciumaluminoferrite 10 18 水泥中摻入石膏主要起調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的作用 同時能提高早期強度 減少干縮 改善耐久性 對混合材起激發(fā)劑作用 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 二 硅酸鹽水泥的水化硬化 Thehydrationandhardeningofportlandcement 水泥加水后 石膏迅速溶解于水 C3A極快速 1 3天 水化生成水化鋁酸三鈣 C3AH6 C4AF快速水化生成水化鋁酸三鈣和水化鐵酸一鈣 C3S快速 4周 水化生成水化硅酸鈣 C S H 和氫氧化鈣 C2S緩慢 1年 水化生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣 部分水化鋁酸鈣與石膏反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣 AFt 稱為鈣礬石 ettringite 石膏消耗完后 部分高硫型水化硫鋁酸鈣與C3A C4AF反應(yīng)生成低硫型水化硫鋁酸鈣 AFm 在充分水化的水泥石中 C S H凝膠約占70 氫氧化鈣約占20 AFt和Afm約占7 第三章水泥 水泥的水化硬化會延續(xù)數(shù)年 但前3個月即完成約70 水泥石結(jié)構(gòu) structureofhardenedcementpaste 是由未水化的水泥顆粒 水化產(chǎn)物 水 孔隙組成 示意如下 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 1 凝結(jié)時間 settingtime 混凝土應(yīng)在初凝 initialsetting 前完成澆搗入模 終凝 finalsetting 前完成抹面 為便利施工 初凝時間不宜過短 終凝時間不宜過長 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 硅酸鹽水泥的初凝時間不得早于45分鐘 終凝時間不得遲于6小時30分鐘 凝結(jié)時間的影響因素 摻混合材的水泥凝結(jié)時間較長 水灰比增大 凝結(jié)時間延長 溫度升高 凝結(jié)時間縮短 緩凝劑 速凝劑可調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 1 凝結(jié)時間 Settingtime 水泥的凝結(jié)時間采用維卡儀 Vicatapparatus 測定 分為初凝 終凝 初凝時間為水泥加水拌和始至標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿開始失去可塑性所經(jīng)歷的時間 終凝時間為水泥加水拌和始至標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強度所經(jīng)歷的時間 檢驗水泥的凝結(jié)時間 體積安定性時 規(guī)定用標(biāo)準(zhǔn)稠度的水泥凈漿 cementpastewithstandardconsistence 水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量采用水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度測定儀測定 硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量一般為21 28 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 2 強度 Strength 強度是評價水泥質(zhì)量的重要指標(biāo) 水泥的強度依據(jù) 水泥膠砂強度檢驗方法 ISO法 GB T17671 1999 檢測 稱量水泥450g 標(biāo)準(zhǔn)砂1350g 水225ml 用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水泥膠砂攪拌機攪拌 按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的成型 養(yǎng)護方法制作水泥膠砂強度試件 specimen 40 40 160mm 每組3條 分別在3d 28d齡期 age 測定強度 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 引起體積安定性不良的原因 f CaO過量 f MgO過量 石膏摻量過多 國標(biāo)規(guī)定 用沸煮法檢驗水泥體積安定性 沸煮法適用于檢測游離氧化鈣所引起的水泥安定性不良 檢測游離氧化鎂用壓蒸法 檢測石膏用溫水長期浸泡法 3 體積安定性 Soundness 水泥在凝結(jié)硬化過程中體積變化的均勻程度 簡稱安定性 安定性是水泥最重要的性質(zhì) 安定性不良的水泥不得使用 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 4 細度 Fineness 水泥粒徑小于40 m才具有較高的活性 大于90 m幾乎接近惰性 水泥的細度對水泥安定性 需水量 凝結(jié)時間 強度有較大影響 國標(biāo)規(guī)定 硅酸鹽水泥的細度采用透氣式比表面積儀檢驗 要求其比表面積 300m2 kg 新標(biāo)準(zhǔn) 通用硅酸鹽水泥 GB175 2007取消了細度指標(biāo)要求 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 5 水化熱 Hydrationheat 水泥的水化反應(yīng)是放熱反應(yīng) 水化熱對于大體積混凝土 massconcrete 是有害因素 會造成開裂 水泥水化熱的影響因素 水泥熟料的礦物組成 水泥細度 水泥中混合材的種類及摻量 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 6 化學(xué)品質(zhì)指標(biāo) Chemicalqualityrequirements 不溶物 insolubles 燒失量 lossonignition MgO SO3 sulfuroxide 堿含量 alkalicontent 氯離子 chlorideiron 含量 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 7 抗蝕性 Corrosionresistance 1 淡水 freshwater 淡水能使水泥水化物Ca OH 2溶解 并促使其它水化物分解 從而造成水泥石結(jié)構(gòu)的破壞 2 酸 acid PH值小于6就可能造成水泥石腐蝕 碳酸與水泥石中的Ca OH 2起反應(yīng)生成碳酸鈣 進一步反應(yīng)生成易溶于水的碳酸氫鈣 無機酸 鹽酸 氫氟酸 硝酸 硫酸 有機酸 醋酸 蟻酸 乳酸 能與水泥石中的Ca OH 2起反應(yīng) 產(chǎn)物或易溶于水 或具有膨脹性 且消耗大量Ca OH 2造成水泥石水化產(chǎn)物分解 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 7 抗蝕性 Corrosionresistance 3 鹽 salt 硫酸鹽 sulphate 鉀 鈉 銨等 與水泥石中的Ca OH 2起置換反應(yīng)生成硫酸鈣 進而與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石 造成水泥石膨脹開裂 鎂 magnesium 鹽 硫酸鎂 氯化鎂 與水泥石中的Ca OH 2起復(fù)分解反應(yīng) 生成的氫氧化鎂松軟無膠凝能力 氯化鈣極易溶于水 硫酸鈣造成雙重腐蝕 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 7 抗蝕性 Corrosionresistance 4 堿 alkali 水泥混凝土具有一定的耐堿腐蝕能力 但鋁酸鹽含量較高的硅酸鹽水泥遇強堿 NaOH KOH 生成的鋁酸鈉易溶于水 而滲入水泥石中的NaOH在干燥時與CO2反應(yīng)生成碳酸鈉結(jié)晶 造成脹裂 5 其他 others 糖 氨鹽 動物脂肪 含環(huán)烷酸的石油產(chǎn)品的腐蝕 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 7 抗蝕性 Corrosionresistance 水泥石受腐蝕的基本原因 水泥石中存在易被腐蝕的成分 氫氧化鈣 水化鋁酸鈣等 水泥石不密實 使腐蝕性介質(zhì)易進入 環(huán)境條件 高溫 高壓 沖刷 干濕交替等 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 三 硅酸鹽水泥的性能 Thepropertiesofportlandcement 7 抗蝕性 Corrosionresistance 水泥石防腐措施 根據(jù)環(huán)境特點 選擇適宜的水泥品種或摻入活性混合材 以減少氫氧化鈣含量 通過降低水灰比 摻外加劑 采用優(yōu)質(zhì)骨料 改善施工操作等 提高密實度 采用耐腐蝕的材料 花崗巖板材 耐酸陶瓷板 塑料 瀝青 環(huán)氧樹脂 涂料等 做表面保護層或隔離層 第一節(jié)硅酸鹽水泥 portlandcement 第三章水泥 四 硅酸鹽水泥的應(yīng)用 Theusesofportlandcement 根據(jù)所處環(huán)境 exposurecondition 溫度 濕度 侵蝕性介質(zhì) 工程特點 高強 快硬 抗?jié)B 耐磨 大體積 水泥特性等 合理選用水泥 硅酸鹽水泥凝結(jié)硬化快 強度高 抗凍性 抗碳化性 耐磨性好 但水化熱高 耐腐蝕性差 不耐高溫 因此 硅酸鹽水泥適用于高強混凝土 預(yù)應(yīng)力混凝土 冬季施工 不適用于大體積混凝土 水利及海港工程 溫度高于250 的工程 第二節(jié)摻混合材的硅酸鹽水泥 blendedportlandcement 第三章水泥 在生產(chǎn)水泥時 為改善水泥性能 調(diào)節(jié)水泥等級 而加入到水泥中的礦物材料 稱為水泥混合材 blendedmaterial 水泥中摻入混合材主要起降低成本 減少水化熱等作用 水泥混合材分為活性 active 混合材 非活性混合材 inertadditions 活性混合材磨細后與石灰 石膏拌合 加水后既能在空氣中又能在水中硬化 常用的活性混合材有 ?；郀t礦渣 blast furnaceslag 火山灰質(zhì)材料 粉煤灰等 常用的非活性混合材有 石英砂 quartzsand 石灰石 慢冷礦渣等 常用的摻混合材的硅酸鹽水泥包括 普通水泥 礦渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥 復(fù)合水泥 第二節(jié)摻混合材的硅酸鹽水泥 blendedportlandcement 第三章水泥 摻混合材的硅酸鹽水泥的水化硬化摻混合材的硅酸鹽水泥加水后 首先是熟料礦物的水化 與純硅酸鹽水泥的水化相同 隨后發(fā)生二次水化 混合材的水化 熟料水化生成的氫氧化鈣成為混合材的堿性激發(fā)劑 與混合材中的活性SiO2 Al2O3反應(yīng)生成水化硅酸鈣 水化鋁酸鈣 水泥中的石膏成為混合材的硫酸鹽激發(fā)劑 與混合材反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣 水泥石的主要組成是水化硅酸鈣和鈣礬石 與硅酸鹽水泥相比 摻混合材的硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物堿度較低 氫氧化鈣含量較少 水化產(chǎn)物較致密 第二節(jié)摻混合材的硅酸鹽水泥 blendedportlandcement 第三章水泥 摻混合材水泥的共同特點 凝結(jié)硬化速度慢 早期強度低 但后期強度增長較多 甚至可超過同標(biāo)號的硅酸鹽水泥 硬化時對濕熱敏感性強 宜采用蒸汽養(yǎng)護 水化放熱速度慢 放熱量低 宜用于大體積混凝土工程 氫氧化鈣 水化鋁酸鈣含量少 因此抗軟水和抗硫酸鹽腐蝕能力較強 宜于水利工程 海港工程 地下工程 由于早期強度低 因此抗凍性差 由于氫氧化鈣含量少 堿度低 因此抗碳化能力差 水泥石表面易 起粉 普通水泥與硅酸鹽水泥的性能 應(yīng)用范圍基本相同 復(fù)合水泥的早期強度與普通水泥相同 其他性能與礦渣水泥 火山灰水泥 粉煤灰水泥相似 第三節(jié)其他品種水泥 othercements 第三章水泥 1 鋁酸鹽水泥 aluminatecement 1908年在法國發(fā)表了鋁酸鹽水泥的專利 鋁酸鹽系水泥具有早強 耐高溫等特性 現(xiàn)主要用于耐高溫澆注材料 但在建筑上 由于其后期強度倒縮而很少使用 鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥不能良好粘結(jié) 更不能混用 高鋁水泥 aluminouscement 原名礬土水泥 是鋁酸鹽水泥的主要品種 呈黃褐色 是一種快硬 高強 耐熱 耐腐蝕的水硬性膠凝材料 其熟料主要礦物為鋁酸一鈣 CA 二鋁酸一鈣 CA2 以3天強度分為425 525 625 725四個標(biāo)號 性能應(yīng)符合 高鋁水泥 GB201 2000 的要求 第三節(jié)其他品種水泥 othercements 第三章水泥 1 鋁酸鹽水泥 aluminatecement 高鋁水泥是早強型水泥 1天強度可達最高強度的80 3天強度可達最高強度的90 以上 但后期強度會明顯下降 5年后強度比初期最高強度降低40 60 達到最低穩(wěn)定值后就不再下降 故宜用于搶修工程 冬季施工 不宜用于預(yù)應(yīng)力混凝土 長期承載結(jié)構(gòu) 濕熱環(huán)境 水化熱與硅酸鹽水泥相近 但放熱速度很快 1天放出總水化熱的70 80 故不宜用于大體積混凝土 硬化溫度宜為15 不得超過25 故不宜用于高溫施工 蒸汽養(yǎng)護 干燥條件下耐高溫性好 700 以上發(fā)生固相燒結(jié)反應(yīng) 即瓷性膠結(jié)代替了水硬膠結(jié) 可配制耐熱混凝土 用作高溫窯爐爐襯 耐酸 硫酸鹽腐蝕性能好 但耐堿性很差 高鋁水泥不得與硅酸鹽水泥 石灰等能析出氫氧化鈣的膠凝材料混用 以免產(chǎn)生閃凝現(xiàn)象 高鋁水泥與石膏等可配制成不同類型的膨脹水泥 自應(yīng)力水泥 膨脹水泥 無收縮水泥 第三節(jié)其他品種水泥 othercements 第三章水泥 2 硫鋁酸鹽水泥 sulfo aluminatecement 20世紀(jì)70年代我國發(fā)明了硫鋁酸鹽水泥 80年代又首創(chuàng)鐵鋁酸鹽水泥 其熟料主要礦物均為無水硫鋁酸鈣 C4A3S 硅酸二鈣 C2S 第三節(jié)其他品種水泥 othercements 第三章水泥 2 硫鋁酸鹽水泥 sulfo aluminatecement 硫鋁酸鹽水泥的特性 高早強 1天達70 3天達100 且后期強度不斷增長 微膨脹 低干縮 干縮率為普通水泥的1 4 抗凍性 抗腐蝕性 抗?jié)B性很好 水化熱大 耐熱性差 不宜長期處于100 以上環(huán)境溫度 硫鋁酸鹽水泥水化液相堿度較低 PH值9 8 10 2 最適于生產(chǎn)玻璃纖維增強水泥 GRC 制品 硫鋁酸鹽水泥 鐵鋁酸鹽水泥主要應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的現(xiàn)澆和預(yù)制構(gòu)件 高強混凝土 負溫施工 抗?jié)B防水工程 海港工程 噴射混凝土 自應(yīng)力輸水管道 橋梁道路等 第三節(jié)其他品種水泥 othercements 第三章水泥 3 氟鋁酸鹽水泥 fluoroaluminatecement 快凝快硬硅酸鹽水泥 根據(jù)JC314 82的規(guī)定 分雙快 150 雙快 200兩個標(biāo)號 按4小時強度 特性 幾分鐘凝結(jié) 具有小時強度 適用于搶修 堵漏 水中 冬季施工等 第三節(jié)其他品種水泥 othercements 第三章水泥 膨脹水泥主要用于收縮補償混凝土 構(gòu)件 修補工程 機器基座 地下建筑防水層等 自應(yīng)力混凝土 低預(yù)應(yīng)力值的構(gòu)件 4 膨脹水泥 expansivecement 膨脹水泥由強度組分 膨脹組分組成 兩者要有合理的匹配 強度組分有三種類型 硅酸鹽水泥熟料 高鋁水泥熟料 硫鋁酸鹽水泥熟料 膨脹組分多用能形成鈣礬石的組分 第三節(jié)其他品種水泥 othercements 第三章水泥 5 白色硅酸鹽水泥 whiteportlandcement 凡以適當(dāng)成分的生料