水泥在建筑工程中的應(yīng)用

水泥在建筑工程中的應(yīng)用摘要大約2000年前，希臘和古羅馬人在建筑工程中使用了一種石灰和火山灰的混合物，它們在水中緩慢反應(yīng)生成堅硬的固體，這是最早應(yīng)用的水泥。19世紀(jì)初，英、法等國將粘士化的石灰（或泥灰?guī)r）經(jīng)燒結(jié)成為水硬性材料，當(dāng)其中氧化鋁和氧化硅含量之和達到20％～35％時，稱為天然水泥。這種水泥的燒成溫度低，不控制成分。1824年英國人J.阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物燒成一種水硬性的膠凝材料，它在凝結(jié)硬固后的顏色、外觀和當(dāng)時英國用于建筑的優(yōu)質(zhì)波特蘭石頭相似，故稱之為波特蘭水泥。他為此取得了專利，1825年，在英國建廠生產(chǎn)。但阿斯普丁所得產(chǎn)物。因燒成溫度低而質(zhì)量不夠好。真正類似于現(xiàn)在的波特蘭水泥是1850年英國人I.C.約翰孫制造的。從此開始了波特蘭水泥工業(yè)。一百多年來，硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝和性能不斷得到改進，同時又研制了為數(shù)眾多的新品種,迄今已發(fā)展到100多種水泥。關(guān)鍵字：水泥發(fā)展應(yīng)用目錄HYPERLINK\l"_Toc169639778"前言2HYPERLINK\l"_Toc169639779"1.水泥的種類、品種3HYPERLINK\l"_Toc169639780"1.1根據(jù)生產(chǎn)的原料性質(zhì)分:3HYPERLINK\l"_Toc169639782"1.2根據(jù)水泥的性能分:3HYPERLINK\l"_Toc169639784"1.3根據(jù)用途:3HYPERLINK\l"_Toc169639786"1.4根據(jù)水泥中主要化學(xué)成分:3HYPERLINK\l"_Toc169639788"2.水泥的作用及發(fā)展3HYPERLINK\l"_Toc169639789"2.1水泥的作用3HYPERLINK\l"_Toc169639792"2.2水泥的發(fā)展4HYPERLINK\l"_Toc169639794"3.水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層應(yīng)用技術(shù)4HYPERLINK\l"_Toc169639795"3.1原理分析4HYPERLINK\l"_Toc169639796"3.2初定技術(shù)規(guī)范5HYPERLINK\l"_Toc169639798"原材料質(zhì)量要求5HYPERLINK\l"_Toc169639801"其他質(zhì)量要求5HYPERLINK\l"_Toc169639805"3.3配合比設(shè)計試驗5HYPERLINK\l"_Toc169639806"3.4開裂機理分析6HYPERLINK\l"_Toc169639807"干縮系數(shù)試驗6HYPERLINK\l"_Toc169639808"3.4.2試驗數(shù)據(jù)分析6HYPERLINK\l"_Toc169639809"集料級配的調(diào)整7HYPERLINK\l"_Toc169639810"4.新型水泥的發(fā)展7HYPERLINK\l"_Toc169639811"結(jié)論8HYPERLINK\l"_Toc169639812"參考文獻8HYPERLINK\l"_Toc169639813"致謝1前言水泥是一種細磨材料，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地粘結(jié)在一起，形成堅固的石狀體的水硬性膠凝材料。水泥是無機非金屬材料中使用量最大的一種建筑材料和工程材料，廣泛用于建筑、水利、道路、石油、化工以及軍事工程中。近年來，工業(yè)發(fā)達國家的水泥產(chǎn)量因需要量基本達到飽和，水泥年產(chǎn)量已趨于平穩(wěn)或下降，而中國等發(fā)展中國家的水泥產(chǎn)量則增長較快,例如:1983年世界水泥產(chǎn)量為900Mt，中國的水泥產(chǎn)量則為100Mt。1.水泥的種類、品種1.1根據(jù)生產(chǎn)的原料性質(zhì)分:天然水泥、有熟料水泥（用石灰石和粘土按所需成分配合，在較高溫度下煅燒得到的產(chǎn)物稱為熟料）和無熟料水泥（利用粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢料或天然火山灰與石灰、水玻璃等堿性激發(fā)劑以及石膏按比例磨細,不經(jīng)煅燒而制得的水泥）。1.2根據(jù)水泥的性能分:為快硬水泥(早強水泥)、低熱水泥、膨脹水泥、耐酸水泥、耐火水泥等。1.3根據(jù)用途:可分為油井水泥、大壩水泥、噴射水泥、海工水泥等。1.4根據(jù)水泥中主要化學(xué)成分:分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥(高鋁水泥)、磷酸鹽水泥等，后者應(yīng)用較少。雖然水泥的品種繁多，但95％以上屬硅酸鹽水泥類，只是根據(jù)工程的要求改變其中化學(xué)組成，或在使用時加入某些調(diào)節(jié)性能的物質(zhì)而已。2.水泥的作用及發(fā)展2.1水泥的作用水泥對混凝土性能的影響主要在于多含礦物成分的種類和數(shù)量以及水泥的細度。水泥中的硅酸三鈣是水泥熟料的主要礦物，含量在50%上下，是水泥膠凝性的主要來源。硅酸三鈣與水反應(yīng)，稱為水化，產(chǎn)生水化硅酸鈣，呈凝膠狀。水化硅酸鈣凝膠對混凝土中砂石集料等起膠結(jié)作用，并填充其間孔隙，經(jīng)過硬化，成為人造石。水泥是一種細磨材料，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地粘結(jié)在一起，形成堅固的石狀體的水硬性膠凝材料。水泥是無機非金屬材料中使用量最大的一種建筑材料和工程材料，廣泛用于建筑、水利、道路、石油、化工以及軍事工程中。2.2水泥的發(fā)展大約2000年前，希臘和古羅馬人在建筑工程中使用了一種石灰和火山灰的混合物，它們在水中緩慢反應(yīng)生成堅硬的固體，這是最早應(yīng)用的水泥。19世紀(jì)初英、法等國將粘士化的石灰（或泥灰?guī)r）經(jīng)燒結(jié)成為水硬性材料，當(dāng)其中氧化鋁和氧化硅含量之和達到20％～35％時，稱為天然水泥。這種水泥的燒成溫度低不控制成分。1824年英國人J.阿斯普丁用石灰石和粘土的人工混合物燒成一種水硬性的膠凝料，它在凝結(jié)硬固后的顏色、外觀和當(dāng)時英國用于建筑的優(yōu)質(zhì)波特蘭石頭相似，故稱之為波特蘭水泥。他為此取得了專利，1825年，在英國建廠生產(chǎn)。但阿斯普丁所得產(chǎn)物。因燒成溫度低而質(zhì)量不夠好。真正類似于現(xiàn)在的波特蘭水泥是1850年英國人I.C.約翰孫制造的。從此開始了波特蘭水泥工業(yè)。一百多年來，硅酸鹽水泥的生產(chǎn)工藝和性能不斷得到改進，同時又研制了為數(shù)眾多的新品種,迄今已發(fā)展到100多種水泥。中國在1889年于唐山建立了第一座水泥廠，1906年在唐山成立***洋灰股份有限公司（見啟新水泥廠），開創(chuàng)了中國的水泥工業(yè)。1949年的水泥產(chǎn)量為660kt,到1984年已達120Mt，水泥品種也從單一的硅酸鹽水泥發(fā)展至60多個品種。3.水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層應(yīng)用技術(shù)3.1原理分析粉煤灰中含有大量sio2、al2o3等能反應(yīng)產(chǎn)生凝膠的活性物質(zhì)，它們在粉煤灰中以球形玻璃體的形式存在，這種球形玻璃體比較穩(wěn)定，表面又相當(dāng)致密，不易水化，水泥粉煤灰早期反應(yīng)主要是水泥遇水后產(chǎn)生水解與水化反應(yīng)，水泥水化生成硅酸鈣晶體，這些晶體產(chǎn)生部分強度，同時水泥水化生成氫氧化鈣通過液相擴散到粉煤灰球形玻璃體表面，發(fā)生化學(xué)吸附和侵蝕，生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，大部分水化產(chǎn)物開始以凝膠體出現(xiàn)，隨著凝期的增長，逐步轉(zhuǎn)化為纖維狀晶體，并隨著數(shù)量的不斷增加，晶體相互交叉，形成連鎖結(jié)構(gòu)，填充混合物的孔隙，形成較高的強度，隨著粉煤灰活性的不斷調(diào)動，使水泥粉煤灰不僅有較高的早期強度，而且其后期強度也有較大提高。3.2初定技術(shù)規(guī)范眾所周知，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)目前尚無相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，但從上述原理分析上看，水泥與粉煤灰和石灰與粉煤灰的反應(yīng)機理很相似，都實際上是氫氧化鈣與粉煤灰玻璃體的反應(yīng)，只不過水泥能夠形成較高的早期強度，因此在工程初期我們綜合參考石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石及水泥穩(wěn)定碎石的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，決定暫時按下述要求進行配合比設(shè)計及試驗段施工。原材料質(zhì)量要求3.2.1.1水泥：采用水泥穩(wěn)定土基層技術(shù)規(guī)范中關(guān)于水泥的質(zhì)量要求3.2.1.2粉煤灰：采用石灰粉煤灰穩(wěn)定土基層技術(shù)規(guī)范中關(guān)于粉煤灰的質(zhì)量要求。3.2.2其他質(zhì)量要求3.2.2.1根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定梨溫高速公路設(shè)計累計標(biāo)準(zhǔn)軸次超過12×106次,同時考慮工程進度的要求決定下基層7天無側(cè)限抗壓值≥3mpa，上基層7天無側(cè)限抗壓值應(yīng)≥4mpa。3.2.2.2水泥粉煤灰與集料的比初步采用20:80～15:85。3.2.2.3集料級配采用規(guī)范級配的中值。3.3配合比設(shè)計試驗按照上述要求，進行了配合比組成設(shè)計試驗，測定不同的水泥、粉煤灰劑量的七天無側(cè)限抗壓強度。采用水泥+粉煤灰占總量的15%、20%，水泥劑量為3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%分別進行試驗。具體試驗可見碎石的用量對混合料的強度影響很大，在水泥劑量不變的情況下碎石用量從85%減少到80%,其七天強度下降28.8%。如果碎石用量為80%，水泥用量即使達5.5%，其七天強度也不能達到規(guī)范對上基層的強度要求。當(dāng)然從經(jīng)濟效益上分析，碎石用量從85%減少80%，材料成本將減少2.3%，其原因是一來粉煤灰比碎石單價便宜，二來是混合料中粉煤灰含量越多，混合料的最大干密度就越小，每立方米混合料所需材料越少。所以綜合考慮將配合比暫定為下基層水泥:粉煤灰:碎石=4:16:80，上基層水泥:粉煤灰:碎石=5:10:85。參考水泥穩(wěn)定碎石中心站集中廠拌法施工規(guī)范進行施工，在采用上述配比施工的上、下基層都不同程度的出現(xiàn)了較多的開裂現(xiàn)象，特別是上基層平均每5～10m一道橫向貫穿裂縫。針對這個問題，我們對水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的開裂機理及防治辦法進行了專項研究。3.4開裂機理分析水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料產(chǎn)生開裂的原因是因為受到溫縮和干縮的綜合作用，但施工期間氣溫逐漸升高，因此主要是干縮造成了開裂。水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料經(jīng)拌和壓實后，由于蒸發(fā)和混合料內(nèi)部發(fā)生水化作用，混合料的水份會不斷減少。由于水的減少而發(fā)生的毛細管作用、吸附作用、分子間力的作用，材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化收縮作用等都會引起水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石材料產(chǎn)生體積收縮，其干縮性的大小與水泥、粉煤灰劑量，碎石粒料的含量，混合料中小于0.075mm的細顆粒的含量相關(guān)，針對上述原因我們進行了大量的試驗分析。干縮系數(shù)試驗3.4.1.1不同水泥劑量對干縮系數(shù)的影響3.4.1.2粒料含量與干縮溫縮系數(shù)的關(guān)系3.4.1.3集料級配及含量與干縮系數(shù)關(guān)系對于水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石,采用5%的水泥劑量，當(dāng)級配采用規(guī)范級配的上、中、下限時其干縮系數(shù)，分別為60×10－6、40×10－6、30×10－6。二灰:碎石=15:85與二灰:碎石=20:80時，7天齡期的最大干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)為233×10－6、273×10－6、65×10－6、55×10－6。試驗數(shù)據(jù)分析3.4.2.1水泥劑量從5%增加到6%和7%，干縮系數(shù)增加20%和30%。所以在保證設(shè)計強度的情況應(yīng)盡量控制水泥劑量，實際最大水泥劑量不能超過5.5%。3.4.2.2在水泥劑量不變的情況下，粉煤灰劑量增大5%，干縮應(yīng)變增加17%，干縮系數(shù)增加18%。所以粉煤灰應(yīng)盡量少用，綜合經(jīng)濟效應(yīng)及強度要求，粉煤灰用量在8%-10%之間比較合適。3.4.2.3粒料含量增加則干縮+溫縮系數(shù)減小，集料級配越粗，則干縮系數(shù)越小。通過上述室內(nèi)試驗分析及現(xiàn)場施工的實際調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)上、下基層開裂的主要原因在于粉煤灰用量過大，以及集料級配偏細。3.4.3集料級配的調(diào)整對照水泥穩(wěn)定集料的顆粒組成范圍與石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石顆粒組成范圍,通過上述對比我們發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定碎石的顆粒組成級配明顯比石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石的顆粒組成級配要更粗一些。所以我們通過室內(nèi)配合比對照及試驗段的施工，最后采用下述級配用于水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層的施工。4.新型水泥的發(fā)展受多種因素制約，我國水泥工業(yè)與發(fā)達國家不同，走了一條以立窯水泥為主的獨特發(fā)展道路，形成了目前的多種工藝技術(shù)并存的格局。發(fā)達國家水泥生產(chǎn)全部采用新型干法生產(chǎn)工藝，我國水泥75％還是采用落后工藝生產(chǎn)。低品級的32．5水泥約占總產(chǎn)量的85％。目前我國混凝土