水泥的性能特點(diǎn)及其可能的改性方法

1、水泥的性能特點(diǎn)及其可能的改性方法1133001 1113300107 劉曉玲摘要：水泥作為廣泛應(yīng)用的建筑材料，滿足不同的使用要求有不同的組成與結(jié)構(gòu)，還要滿足規(guī)定的技術(shù)性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水泥混凝土是土木工程中應(yīng)用最多的混凝土，水泥對(duì)混凝土的使用以及各種性能都有很大的影響。通過在水泥中加入纖維，聚合物，或采用納米混合材料會(huì)極大地改善水泥的性能，而滿足不同混凝土工程的要求。關(guān)鍵詞：水泥組成與結(jié)構(gòu) 水泥技術(shù)性質(zhì) 混凝土工程 新性能水泥一 水泥概述水泥是粉狀水硬性無機(jī)膠凝材料，加適量水?dāng)嚢?，?jīng)一系列物理化學(xué)反應(yīng)能由可塑性漿體變堅(jiān)硬的石狀體，并能將砂、石等散粒材料膠結(jié)成砂漿或混凝土。水泥廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑工

2、程，還廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水利、公路、鐵路、海港和國防等工程。1.水泥的組成水泥的品種很多，按水泥的礦物組成，可以分為硅酸鹽類水泥、鋁酸鹽類水泥、硫鋁酸鹽類水泥、鐵鋁酸鹽類水泥，氟鋁酸鹽類水泥等。但其中最基本，應(yīng)用最廣泛的是硅酸鹽水泥。 硅酸鹽水泥：以硅酸鹽為主要礦物組成的稱為硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥主要有以下幾種類型： 硅酸鹽水泥：據(jù)GB 1752007，由硅酸鹽水泥熟料、0 5%的石灰石或?；郀t礦渣、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為硅酸鹽水泥，即國外通稱的波特蘭水泥。不摻混合材料的稱為型硅酸鹽水泥，代號(hào)P·，在水泥熟料粉磨時(shí)摻入不超過水泥質(zhì)量5%的石灰石或?；郀t礦渣混合材料的

3、稱型硅酸鹽水泥，代號(hào)P·。 普通硅酸鹽水泥：據(jù)GB 1752007，由硅酸鹽水泥熟料、5% 20%的活性混合材料，適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為普通硅酸鹽水泥（簡稱普通水泥），代號(hào)：P·O。 礦渣硅酸鹽水泥：據(jù)GB 1752007，由硅酸鹽水泥熟料、?；郀t礦渣和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為礦渣硅酸鹽水泥，代號(hào)：P·S。水泥中?；郀t礦渣的摻入量按百分比記為20% 70%（20% 50%為P·S·A型，50% 70%為P·S·B型）。 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥：據(jù)GB 1752007，由硅酸鹽水泥熟料、20% 4

4、0%的火山灰質(zhì)混合材料和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥（簡稱火山灰水泥），代號(hào)：P·P。 粉煤灰硅酸鹽水泥：據(jù)GB 1752007，由硅酸鹽水泥熟料、20% 40%的粉煤灰和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為粉煤灰硅酸鹽水泥，代號(hào)：P·F。 復(fù)合硅酸鹽水泥：據(jù)GB 1752007，由硅酸鹽水泥熟料、兩種或兩種以上規(guī)定的混合材料和適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，稱為復(fù)合硅酸鹽水泥（簡稱復(fù)合水泥），代號(hào)P·C。2. 水泥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)水泥加水拌合，水泥顆粒分散在水中，成為水泥漿體。與水接觸的水泥顆粒表面很快發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物的生成速度遠(yuǎn)

5、大于水化產(chǎn)物向周圍溶液擴(kuò)散的速度，并迅速形成水化產(chǎn)物的過飽和溶液，于是水化產(chǎn)物在水泥顆粒表面沉淀析出，形成水化物膜層，包裹在水泥顆粒的表面。隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水化產(chǎn)物不斷增多，包在水泥顆粒表面的水化物膜層增厚，自由水分不斷減少，顆粒間空隙逐漸減少，包有凝膠的水泥顆粒逐漸接近，以致相互接觸，在接觸點(diǎn)借助范德華力，形成凝聚結(jié)構(gòu)，使水泥漿體開始失去可塑性，表現(xiàn)為初凝。隨后，顆粒間的接觸點(diǎn)數(shù)目逐漸增多，凝膠和晶體互相貫穿形成的凝聚結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng)，固體顆粒之間的空隙不斷減小，結(jié)構(gòu)逐漸緊密，漿體完全失去失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度，表現(xiàn)為終凝。水泥進(jìn)入硬化階段后，水化產(chǎn)物不斷增多、長大，并填充到毛

6、細(xì)孔當(dāng)中，使結(jié)構(gòu)更緊密，硬化程度和強(qiáng)度相應(yīng)提高。最后發(fā)展成堅(jiān)硬的石狀體水泥石（由水泥水化生成的晶體和凝膠，未水化的水泥顆粒內(nèi)核，毛細(xì)孔，水等組成）。對(duì)于摻混合材料的硅酸鹽水泥，水化反應(yīng)分兩步進(jìn)行，熟料礦物先水化，隨后，熟料礦物水化析出的氫氧化鈣和滲入水泥中的石膏與混合材料中的活性氧化硅與活性氧化鋁發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，填充空隙使得水泥后期強(qiáng)度發(fā)展快。3. 水泥的技術(shù)性質(zhì)下面主要以硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)為例作闡述：硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)細(xì)度 水泥顆粒粒徑一般在7 200的范圍內(nèi)，一般認(rèn)為水泥顆粒小于40時(shí)才具有較高活性，大于100活性就很小了。凝結(jié)時(shí)間 GB1752

7、007規(guī)定，硅酸鹽水泥的初凝不得早于45min，終凝不得遲于390min（為使混凝土和砂漿有充分的時(shí)間進(jìn)行攪拌、運(yùn)輸、澆搗、砌筑水泥的初凝時(shí)間不能過短。當(dāng)施工完畢，則要求盡快硬化，具有強(qiáng)度，故終凝時(shí)間不能過長）。初凝時(shí)間不滿足時(shí)為廢品，終凝時(shí)間不滿足時(shí)為不合格品。體積安定性 體積安定性是指水泥硬化過程中，產(chǎn)生體積變化的均勻程度。GB1752007和GB/T 13462001規(guī)定，用沸煮法檢驗(yàn)體積安定性，如用餅法，則試餅無裂紋、無翹曲則水泥體積安定性合格，否則為不合格；如用雷氏法，則雷氏夾膨脹值大于5.0mm則體積安定性不合格。體積安定性不良的水泥應(yīng)按做廢品處理，不得用于工程中。強(qiáng)度 水泥的強(qiáng)度

8、時(shí)水泥性能的重要指標(biāo)，也是劃分水泥強(qiáng)度等級(jí)的依據(jù)。GB/T 176711999規(guī)定，將水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂和水按照1：3.0：0.5的比例，并按規(guī)定的方法制成40mm40mm160mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，分別按照規(guī)定的方法測定其3d和28d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，按測定結(jié)果把硅酸鹽水泥分為42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R六個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。水化熱 水化熱指水泥在水化過程中放出的熱。水化放熱量和放熱速度不僅取決于水泥的礦物組成，而且還與水泥細(xì)度、水泥中摻混合材料及外加劑的品種、數(shù)量以及熟料的煅燒和冷卻條件等有關(guān)。鋁酸三鈣，硅酸三鈣含量多時(shí)放熱量增大，放熱速

9、度增快，鋁酸二鈣含量多時(shí)，熱量減少，速度減慢。水泥細(xì)度越細(xì)，水化反應(yīng)比較容易進(jìn)行，水化放熱量越大，放熱速度越快。大體積混凝土工程中不應(yīng)用硅酸鹽水泥。國家對(duì)普通硅酸鹽水泥的技術(shù)要求有：凝結(jié)時(shí)間 初凝不得早于45min，終凝不得遲于600min。強(qiáng)度等級(jí) 根據(jù)3d和28d齡期的抗折抗壓強(qiáng)度，分為42.5、42.5R、52.5、52.5R四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。細(xì)度，體積安定性，氧化鎂含量，三氧化硫含量與硅酸鹽水泥的要求相同。對(duì)礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥的技術(shù)要求：細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、體積安定性 三種水泥的凝結(jié)時(shí)間、體積安定性要求與普通硅酸鹽水泥相同；細(xì)度要求為80微米方孔篩篩余不大于1

10、0%或45微米方孔篩篩余不大于30%。強(qiáng)度等級(jí) 根據(jù)3d和28d齡期的抗折抗壓強(qiáng)度，分為32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。氧化鎂、三氧化硫 水泥中氧化鎂的含量不得超過6%，如水泥經(jīng)壓蒸體積安定性合格，則可大于6%。礦渣水泥中的三氧化硫含量不得超過4%；火山灰水泥和粉煤灰水泥中的三氧化硫不得超過3.5%。二 水泥的性能特點(diǎn)對(duì)混凝土工程的影響 高性能混凝土是當(dāng)代混凝土的發(fā)展方向，其特征是合理的強(qiáng)度、高耐久性、高體積穩(wěn)定性、高工作性；其組成特點(diǎn)是廣泛使用減水劑和高效減水劑、水灰比大幅度降低（多為0.30.45 之間）、大量使用磨細(xì)摻和料。而其中水泥對(duì)混凝土

11、性能的影響不可忽視。1. 水泥品種及膠凝材料用量對(duì)混凝土使用性能的影響 眾所周知，硅酸鹽水泥主要的組成礦物有四種，它們的水化性質(zhì)不同，在水泥中所占比例不同時(shí)將影響對(duì)水泥整體的性質(zhì)。（表1所示為水泥中四種主要礦物的水化熱和這四種主要礦物的收縮率。） 表1 C3A、C3S、C2S、C4AF四種礦物收縮率和水化熱指標(biāo)比較 礦物種類收縮率()水 化 熱 水化反應(yīng)過程 (Jg) C3A2.340±0.100C3AC4AH13+C2AH8單硫型鋁酸鹽1340C3S0.790±0.036C3SCSH+CH490C2S0.770±0.036C2SCSH+CH225C4AF 0.4

12、90±0.114C4AFC3(A·F)H+單硫型鋁酸鹽460C3A的水化熱是其他礦物水化熱的數(shù)倍，尤其在混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)揮時(shí)期。C3S的水化熱雖然比C3A的小很多，但在3天卻是C2S水化熱的幾乎5倍，因其含量在熟料中約占一半，故影響也很大；C3A的收縮率是C2S收縮率的3倍，是C4AF的45倍。因此用C3A含量較大的早強(qiáng)水泥澆筑的混凝土容易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。 配制高耐久性混凝土?xí)r，一般不宜選用早強(qiáng)水泥，單方混凝土的最大和最小膠凝材料用量應(yīng)嚴(yán)格控制。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南( 討論意見稿) 規(guī)定了相應(yīng)的限值( 表) 對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C60的泵送混凝土

13、，單位體積混凝土的最大膠凝材料用量可增大至30kg/m3?；炷林兴嘤昧吭酱?，混凝土的水化放熱量越大，早期收縮和開裂的危險(xiǎn)性越大，混凝土抵抗有害離子侵蝕的能力越差，減少膠凝材料用量有利于降低混凝土的滲透性并能減少混凝土的收縮量，降低漿骨比，也是提高混凝土抗?jié)B性和抗氯離子擴(kuò)散性的重要手段。2. 水泥性能對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響 水泥向高 C3S和高C3A 、高比表面積發(fā)展，再加上混凝土的低水灰比、高水泥用量、超細(xì)礦物摻合料的使用，造成混凝土的溫度收縮、自收縮和干燥收縮增加期彈性模量提高，在受約束時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力；另一方面，混凝土早期的徐變減小，無法緩解這種應(yīng)力，而產(chǎn)生早期裂縫；內(nèi)部不可見的微

14、裂縫在混凝土長期使用過程中繼續(xù)發(fā)展，造成混凝土提早劣化。實(shí)際上，要提高混凝土的早期強(qiáng)度，并不一定需要提高水泥的 含量和細(xì)度，而可以依靠混凝土方面的措施來達(dá)到這一目的，例如摻高效減水劑減少水灰比。1944年，美國公共道路管理局對(duì)使用了330年的約 200座橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果證實(shí)了上述觀點(diǎn)。結(jié)果表明， 1930年以前建造的橋梁有 67%檢查時(shí)完好，而1930 年后建造的僅27% 尚完好。由于施工技術(shù)仍然保持一樣，水泥的細(xì)度發(fā)生了變化很可能是主要原因。3.水泥性能對(duì)混凝土耐久性的影響 在水泥的細(xì)度和C3S 含量相同時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度取決于水灰比；但是當(dāng)細(xì)度和C3S含量不同時(shí)，情況就不一樣了。

15、當(dāng)用了較細(xì)、C3S 較多的水泥時(shí)，可能會(huì)在較大的水灰比條件下得到較高的 28d強(qiáng)度。同樣是配制 28d強(qiáng)度為 31MPa的混凝土，用1945 年生產(chǎn)的水泥時(shí)需要0.47 的水灰比；而用 1980年的I型水泥，雖然水泥用量可以減少，但水灰比大幅度提高到0.72 。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員而言，上述兩種混凝土是一樣的。然而，如果混凝土暴露于嚴(yán)酷環(huán)境中，決定其耐久性的關(guān)鍵因素就是水灰比和用水量，而非其抗壓強(qiáng)度。從微結(jié)構(gòu)的角度看，兩種混凝土的孔隙率和滲透性大不相同，水灰比大的滲透性將增大、耐久性將下降；水灰比為0.6 的混凝土碳化比水灰比 0.45的混凝土快，抗海水、凍融與化冰鹽的耐久性也不如后者。與這種變化

16、相對(duì)應(yīng)的是，1974年以后美國的混凝土橋面板加速出現(xiàn)耐久性問題。水泥細(xì)度與混凝土孔徑分布密切相關(guān)，而孔徑分布又是決定混凝土在毛細(xì)作用下常壓滲透性的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥中細(xì)顆粒較多的混凝土，比水泥中細(xì)顆粒較少的混凝土常壓滲透性更大。具體表現(xiàn)有兩種情況：一是將混凝土試件局部浸入水中，水泥中細(xì)顆粒較多的混凝土在常壓下的滲透高度更大；二是在一定條件下將混凝土試件浸入水中，水泥細(xì)度相對(duì)較細(xì)的混凝土開口孔隙體積的吸水速率更大。這兩種現(xiàn)象直接證實(shí)了細(xì)度相對(duì)較細(xì)的水泥對(duì)混凝土常壓滲透性的不利影響。4. 常用水泥在混凝土工程中的應(yīng)用硅酸鹽水泥常用于早期強(qiáng)度要求高的混凝土，有耐磨要求的混凝土，嚴(yán)寒地區(qū)反復(fù)

17、遭受凍融循環(huán)作用的混凝土，抗碳化要求高的混凝土，高強(qiáng)度的混凝土。但不適用于大體積混凝土及耐腐蝕性要求高的混凝土。普通硅酸鹽水泥常用于早期強(qiáng)度要求高的混凝土，有耐磨要求的混凝土，嚴(yán)寒地區(qū)反復(fù)遭受凍融循環(huán)作用的混凝土，抗碳化要求高的混凝土，普通氣候及干燥氣候的混凝土，有抗?jié)B要求的混凝土，受干濕交替作用的混凝土。但不適用于大體積混凝土及耐腐蝕性要求高的混凝土。摻混合材料的混凝土適用于水下混凝土，海港混凝土，大體積混凝土耐腐蝕性要求高的混凝土，高溫養(yǎng)護(hù)下的混凝土，不適用于有早強(qiáng)要求的混凝土，低溫與冬季施工的混凝土，抗凍性，抗碳化要求高的混凝土。由于摻入混合材料的不同三種摻混合材料的硅酸鹽水泥的性能還有

18、一點(diǎn)差異。其中，礦渣硅酸鹽水泥也適用于有耐熱要求的混凝土，不適用于抗?jié)B性要求高的混凝土中；火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥也適用于有抗?jié)B要求的混凝土，不適用于干燥環(huán)境中的混凝土，有耐磨要求的混凝土；粉煤灰硅酸鹽水泥也適用于受載較晚的混凝土，但不適用于干燥環(huán)境中的混凝土，有耐磨要求的混凝土。三 新性能水泥混凝土可以在水泥中均勻的摻入纖維質(zhì)材料，高彈性模量纖維（如鋼纖維、玻璃纖維、石棉、碳纖維等）在混凝土中可以起到提高混凝土抗拉、抗折強(qiáng)度，剛度以及承擔(dān)動(dòng)載荷的作用低彈性模量；低彈性模量纖維（如尼龍纖維、聚苯乙烯纖維以及其他合成纖維或植物纖維）在混凝土硬化過程中能起到限制混凝土早期塑性開裂的作用。在水泥中加入聚合物，比如聚醋酸乙烯乳液、橡膠乳液、聚丙烯酸脂乳液等。聚合物能使水泥石與集料界面的粘結(jié)得到大大的改善，并增加了混凝土的密實(shí)度，因而聚合物混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性、抗沖擊性、耐磨性、耐侵蝕性等較普通混凝土均有明顯的改善?？梢杂糜谀途眯砸筝^高的路面、機(jī)場跑道以及混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)等。在生產(chǎn)摻混合材料的硅酸鹽水泥時(shí)，如果將礦渣、粉煤灰等混合材料磨到極細(xì)，到納米尺度，可以使混合材料的活性得到極大發(fā)揮，小顆粒填充在空隙當(dāng)中，而使孔隙率降低，使得混凝土的強(qiáng)度，