2012-4-4第四章水泥.ppt

第四章 水泥,土木工程学院 材料工程教研室 主讲教师： 梁晓颖,一、概念 1、水泥即能在水中凝结，又能在空气 中凝结硬化的胶凝材料。 2、硅酸盐水泥（波特兰水泥）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。,第一节 概 述,二、分类,硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥,2、按性能和用途分类,通用水泥 专用水泥 特性水泥,1、按化学成分,第二节 硅酸盐水泥,一、 硅酸盐水泥的生产工艺 二、 硅酸盐水泥的组成材料 三、 硅酸盐水泥的水化和硬化 四、 硅酸盐水泥的技术性质 五、 硅酸盐水泥的技术标准 六、 硅酸盐水泥石的腐蚀与防止,一、硅酸盐水泥的生产工艺 1、生产工艺 两磨一烧生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨 等三个过程。,石灰质原料,粘土质原料,铁质原料,水泥成品,熟 料,石 膏,生 料,2、生产原料 石灰石质原料石灰石、白垩等 粘土质原料粘土、页岩等 校正原料（少量）铁粉,CaO,SiO2、Al2O3、Fe2O3,Fe2O3,二、 硅酸盐水泥的组成材料,1、硅酸盐水泥熟料 2、石膏 3、混合材料,1、硅酸盐水泥熟料（简称为熟料）,（1）硅酸盐水泥熟料的矿物组成,硅酸三钙,主要矿物组成,分子式,分子简式,3CaO·SiO2,C3S C2S C3A C4AF,2CaO·SiO2,3CaO·Al2O3,4CaO·Al2O3·Fe2O3,硅酸二钙,铝酸三钙,铁铝酸四钙,名 称,纯的C3S和C2S，18个月的强度基本相同。,注 意,水泥中的其它成分：,原因：,煅烧水泥中反应：,危害：影响水泥体积安定性,石灰石质原料富含CaCO3和MgCO3,潜在危害非常严重,游离CaO和MgO,（2）硅酸盐水泥熟料矿物组成的反应特性,各 种 熟 料 矿 物 的 强 度 增 长,实 例 快硬水泥：3d抗压强度高，熟料中C3A、C3S含量高。 适用于紧急抢修工程、军事工程、冬季施工工程。 道路水泥：抗折强度高，耐磨、抗冲击、抗冻和抗硫酸性好、 干缩性小。 C4AF、C2S含量高。 适用于道路路面、机场道面、城市广场等工程。,大坝水泥：简称中热水泥 低热矿渣水泥：加入矿渣,适用于大坝工程、大型构筑物、大型房屋的基础等大体积工程。,水化放热较低， C2S含量高， C3A含量低,2、石 膏,作用：缓凝剂 水泥熟料磨成细粉与水相遇会很快凝结，无法施工。 加入适量的石膏会延缓凝结时间，同时还有利于提高水泥早期强度、降低干缩变形等性能。 石膏品种：主要采用天然石膏、工业副产石膏。,（1）活性混合材料 （2）非活性混合材料,3、混合材料,（1）活性混合材料,系指具有火山灰性或潜在水硬性的混合料。,炼钢厂冶炼生铁时的副产品。 主要成分：CaO、Al2O3、SiO2。 具有较高的化学潜能，但稳定性差。,粒化高炉矿渣 火山灰质 粉煤灰,火力发电厂煤粉燃料排出的细颗粒废渣。 主要成分：较多的SiO2、Al2O3和少量的CaO 具有较高的活性。,天然的、人工的,主要成分：Al2O3、SiO2。 本身不硬化，+石灰+水起胶凝作用。,（2）非活性混合材料,定义：在水泥中主要起填充作用，本身不具有 （或具有微弱的）潜在的水硬性或火山灰性。 目的：调节水泥强度，增加水泥产量，降低水化热。 常用种类：磨细的石灰石、石英岩、粘土、慢冷矿渣、高硅质炉灰等。,五大品种硅酸盐水泥,硅酸盐水泥熟料 + 适量石膏,三、硅酸盐水泥的水化硬化 1、水泥的水化,水化速度快,长纤维状,短纤维状,六方板结晶,缓凝机理：,同上,针状结晶,立方板状结晶,六面立方椎体的水化硅酸钙,各种熟料矿物在不同龄期的水化程度,第一阶段：水泥浆呈塑性状态。 第二阶段：水化产物大量生成，水泥凝结。 第三阶段：指24h以后直到水化结束。所有水化产物生成，数量不断增加，结构更加致密，强度不断提高。,2、水泥的硬化,水泥硬化研究理论,硬化后的水泥石包含有凝胶、晶体、未水化的水泥内核、水和孔隙。 硅酸盐水泥凝结硬化的特点： （1）是由表及里进行的。 （2）水分和温度是硅酸盐水泥的凝结硬化的必要条件。 注意： （1）水化过程在不同的情况下会有不同的水化机理； （2）不同的矿物在不同的阶段，水化机理也会不完全相同。,硬化水泥浆体中各组分的体积随龄期变化示意,四、硅酸盐水泥的技术性质,1、化学性质 不溶物主要指煅烧过程中存留的残渣，不溶物的含量会影响水泥的粘结质量。 烧失量水泥煅烧不理想或者受潮后，会导致烧失量增加，故烧失量是检验水泥质量的一项指标。 氧化镁 三氧化硫 碱限制发生碱-集料反应，按（Na2O+0.658 K2O）值计,水化慢、体积膨胀, 影响安定性,2、物理力学性质 细度,0.08mm方孔筛筛余量: % 负压筛法（适用于其它水泥）,比表面积：m2/kg，cm2/g 勃氏法（适用于硅酸盐水泥）,a.指标,b.试验方法,1.筛析试验前：调节负压至 40006000Pa范围内。 2.称取试样25g，置于负压筛， 筛析2min。 3.筛毕，称量筛余物ms。 4.结果计算 (1)水泥试样筛余百分数：,筛余结果的修正:,C修正系数，0.801.20, 凝结时间 a.定义：水泥加水拌和起至水泥浆失去可塑性所需的时间, 称为凝结时间。,初凝状态：水泥加水起至水泥浆刚刚失去可塑性 所需的时间初凝时间。 终凝状态：水泥加水起至水泥浆完全失去可塑性 所需的时间终凝时间。,c.凝结时间的测定：,b.两种状态,（1）采用凝结时间测定仪（维卡仪） （2）采用水泥标准稠度净浆。,d.水泥标准稠度净浆,1.目的：试验结果具有可比性， 用于测定凝结时间和安定性。 2.测定： 试验仪器：维卡仪 试验方法：标准法/调整水量法,3.标准稠度净浆标准： 试杆距底板距离为 6mm±1mm。 4.标准稠度用水量（%）： 达到标准稠度净浆时的用水量。,初凝时间： 试针距底板距离为4mm±1mm。 终凝时间： 当试针沉入试体0.5mm时，即 环形附件开始不能在试体上 留下痕迹时。,e.凝结时间测定, 安定性 a.定义：指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。 b.安全性不良的因素：,（1）MgO过量； （2）石膏掺量过多； （3）水泥中游离过多CaO。,c.试验方法：,试饼法,雷氏法,发生争议以雷氏法为主,d.雷氏法,（1）雷氏夹试件的成型： 标准稠度水泥净浆。 （2）测量 A 取下试件，测量雷氏夹指针尖端间的距离A。 （3）沸煮 （4）测量 C 沸煮后，冷却，取出试件测量雷氏夹指针尖端的距离C。 （5）结果判定 当两个试件煮后增加距离C-A平均值 5.0mm时，安定性合格； 当两个试件C-A值相差超过4.0mm时，应重做一次试验。再如此，则认为该水泥安定性不合格。,雷氏夹, 强度 a.检验方法（ISO法） 水泥:标准砂:水=1:3:0.5，制成40mm×40mm×160mm棱柱体试件, 标准养护3d、28d，分别测定抗折强度、抗压强度。,b.强度等级fce,k (1)以水泥28d抗压强度确定 (2)为强度范围的下限 (3)水泥实际强度 fce=c·fce,k c水泥富裕系数，1.01.5,c.分类：普通型、早强型,五、 硅酸盐水泥的技术标准,1、技术标准,2、废品水泥和不合格水泥 GB175-1999硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥规定： （1）凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中任一项不符合本标准规定时，均为废品。 （2）凡细度、终凝时间中任一项不符合本标准规定或混合材料掺加量超过最大限量和强度低于商品强度等级指标时为不合格品。 （3）水泥包装标志中水泥品种、强度等级、生产者名称和出厂编号不全的也属于不合格品。,六、硅酸盐水泥石的腐蚀与防止 1、腐蚀 1）软水侵蚀 溶出Ca(OH)2降低碱度 2）硫酸盐腐蚀,3）镁盐腐蚀,4）一般的腐蚀 中和反应 5）碳酸腐蚀,6）强碱腐蚀,2、防止 （1）根据腐蚀环境特点合理选用水泥品种 （2）提高水泥石的密实度 （3）敷设耐蚀保护层 当腐蚀作用较强时，可在混凝土表面敷设一层耐腐蚀不透水的保护层。 通常采用耐酸石料、耐酸陶瓷、玻璃、塑料或沥青等。,第三节 其他通用水泥,一、概念 1、普通水泥：凡是由硅酸盐水泥熟料、6%15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为普通硅酸盐水泥，代号P·O。 2、矿渣水泥：凡是由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥，代号P·S。水泥中粒化高炉矿渣掺加量按质量百分比计为20%70%。,、火山灰水泥：凡是由硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥，代号P·P。水泥中火山灰质混合材料掺加量按质量百分比计为20%50%。 、粉煤灰水泥：凡是由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号 P·F。水泥中粉煤灰掺加量按质量百分比计为20%40%。 、复合水泥：凡是由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥），代号P·C。掺量按水泥质量百分比计为20%50%。,混合材水泥的水化特点二次反应,水泥熟料+水,水化硅酸钙 水化铝酸钙 水化铁酸钙 氢氧化钙 钙矾石,第一次反应,混合材 SiO2/Al2O3+Ca(OH)2+H2O,水化硅酸钙 水化铝酸钙,第二次反应,二次水化：水泥孰料水化生成的氢氧化钙又与活性二氧化硅、二氧化铝反应，生成新的水化产物的过程。,二、技术性质,物理力学性质同硅酸盐水泥,技术指标基本相同。 但细度试验方法不同，采用负压筛析法。,三、技术标准,1、普通水泥的技术标准,2、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥的技术标准,四、通用水泥的特性,1、P·S、P·P、P·F水泥的共同性质 （1）强度发展：凝结硬化速度较慢，早期强度发展慢，后期发展较快。 （2）耐腐蚀性较强 （3）水化热低 （4）适于蒸汽养护 （5）抗冻性差 （6）抗碳化能力差,2、P·S、P·P、P·F、P·C水泥的特性,（1）矿渣水泥（ P·S ）耐热性好；但保水性差、抗冻性差、抗渗性差、泌水通道较多、干缩较大。应控制用水量加强养护。 （2）火山灰水泥（ P·P ）水化硅酸钙凝胶多水泥石密实抗渗性强；抗冻耐磨性差、干缩大易起粉。 （3）粉煤灰水泥（ P·F ）的球形颗粒致密吸水性小和易性好收缩性小，抗裂性好。 （4）复合水泥（ P·C ）的综合性质好，耐腐蚀性好，水化热小，抗渗性好，早期强度比同强度等级的P.S、P.P、P.F高。应用广泛。,第四节 特性水泥和专用水泥,特性水泥： 铝酸盐水泥 快硬硫铝酸盐水泥 道路硅酸盐水泥 白色和彩色水泥 抗硫酸盐硅酸盐水泥,专用水泥： 砌筑水泥 膨胀和自应力水泥 中热水泥和低热矿渣水泥,一、铝酸盐水泥,1、定义： 由铝矾土和石灰石为原料,经高温煅烧所得的以铝酸钙为主的铝酸盐熟料,经磨细制成的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥,代号为CA 2、分类：按氧化铝含量分为四类，CA50、CA60、CA70、CA70 3、技术指标： 细度：不小于300，0.045mm不大于20 凝结时间：初凝30min，60min（CA-60） 终凝6h,18h（CA-60）,4、水化及硬化： （1）30C 3CA+12H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+2(Al2O3·3H2O),5、举例（CA-50） （1）矿物成分：CA，CA2，C2AS，C12A7。 （2）性质与应用： 强度发展迅速，24小时内可达到3天强度的80%左右。适合紧急抢修工程或有早强要求工程。 低温下（5-10C）能很好硬化。 抗硫酸盐腐蚀性好。 耐碱性能不好 水化热大且集中在早期。一天放热7080。 耐高温好（小于1400 ）。 长期强度及其他性能有下降的趋势。,表4-1 铝酸盐水泥的强度,6、使用应注意的问题： （1）最合适的硬化温度15C，一般不超过20C。 （2）强度下降有一个稳定值。一般不用于长期承载工程。 （3）不得与其他硅酸盐水泥、石灰等能析出Ca(OH)2的胶凝材料混合使用。,二、快硬硅酸盐水泥,1、定义：凡是以硅酸盐水泥熟料、适量的石膏磨细制成的以3天抗压强度表示的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥。 2、生产：调节矿物组成 3、应用：要求早期强度高、紧急抢修、冬季等工程。,三、白水泥与彩色水泥,1、定义：凡是以白色硅酸盐水泥熟料加适量石膏磨细制成的水硬性的胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥。 白色硅酸盐水泥熟料是指以适当成分的生料烧到部分熔融，得到的以硅酸钙为主要成分氧化铁含量少的熟料。 2、彩色水泥：是由白色硅酸盐水泥熟料、石膏加耐碱颜料制得的。,四、膨胀水泥与自应力水泥,1、膨胀水泥：能大致抵消干缩所引起的拉应力，防止混凝土的干缩裂缝。 2、自应力水泥：有较高的膨胀率，在膨胀过程中，钢筋的约束力使之受压，产生大于2Mp自应力。当外界因素使混凝土结构产生较大的拉应力时，可被预先具有的压应力所抵消或降低克服抗拉强度不足的缺陷。,1、道路硅酸盐水泥（含较多铁铝酸四钙） 2、水工硅酸盐水泥：低热矿渣硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥；低热微膨胀水泥。 3、砌筑水泥 4、活化水泥：超塑化剂与熟料混磨 5、超细水泥：比表面积大于10000 cm2g,五、其他水泥,6、球状化水泥：水泥熟料通过高速气流粉碎及特殊处理的。处理后的水泥，粒子呈圆形，粉尘减小，粒度分布合理，没有凝聚状态的微粉，分散状态好。 使用球状化水泥时砼达到高流动性、高强度与高耐久性的重要手段。 7、调粒（级配）水泥：调整粒度分布增大最大粒径；同时掺入超细粉以获得最密实的填充。 流动性好，具有适当的早期强度，水化热低放热速度慢。,THANKS!,THIS IS END OF THIS PART!,测验 班级 学号 姓名,一、名词解释：（12分） 1、二次水化 2、石灰土 3、初凝时间 二、填充题：（10分） 1、（ ）胶凝材料只能在空气中（ ），也只能在空气中保持或继续发展其（ ）。 2、石灰浆体的硬化是由（ ）和（ ）两个同时进行的过程完成的。 3、水泥石是由（ ）、（ ）、（ ）、（ ）组成的。 4、水化热大、强度高的是（ ）。（1）硅酸三钙 （2）硅酸二钙 （3）铝酸三钙（4）铁铝酸四钙 5、下列那种属活性混合材料（ ）。 （1）粉煤灰（2）慢冷矿渣（3）磨细石英砂,三、判断并改正（6分） 1、沸煮法只能检验水泥中游离氧化钙引起的体积安定性不良。（ ） 2、材料的连通孔增多，则材料的吸水率提高。（ ） 3、陈伏是为了消除欠火石灰的影响。（ ） 4、采用蒸气养护的预制构件不得使用高铝水泥。（ ） 四、简答题（14分） 1、为何说硫酸镁具有镁盐和硫酸盐双重腐蚀作用？ 2、为何火山灰水泥抗软水侵蚀性强，抗渗性好？ 五、计算（8分） 含水率为6%的湿砂100克，其中所含水量是多少？,