土木工程材料,第三章水泥的介紹

1、第三章 水泥 3.1硅酸鹽水泥 3.2其它品種水泥3.1 硅酸鹽水泥一、硅酸鹽水泥的概念及其礦物組成 1、 定義：(GB175-1999)凡由硅酸鹽水泥熟料、05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（波蘭特水泥）。不摻混合料的稱型硅酸鹽水泥，代號為P.。在硅酸鹽水泥熟料粉磨時摻加不超過水泥質(zhì)量5的石灰石或?；郀t礦渣混合材料的稱為型水泥，代號P.。 2、硅酸鹽水泥生產(chǎn)： 硅酸鹽水泥的原料 主要是石灰質(zhì)原料和粘土質(zhì)原料。石灰質(zhì)原料提供CaO，一般采用石灰石。粘土質(zhì)原料提供SiO2、Al2O3及少量的Fe2O3，多采用粘土、黃土等。如果選用的材料按一定比例配合后不

2、能滿足化學(xué)組成時，則要摻加相應(yīng)的校正原料，鐵質(zhì)校正原料補充Fe2O3，有鐵粉、鐵礦石，硅質(zhì)校正原料補充SiO2,常采用砂巖、石英砂等。為改善煅燒條件，常常加入少量的礦化劑。將以上原料按一定比例混合后在磨機中磨成生料，將生料入窰煅燒即得熟料，熟料中加入適量的石膏（和混合料）在磨機中磨成細(xì)粉，即得水泥。3.1 硅酸鹽水泥 硅酸鹽水泥生產(chǎn)的主要工藝流程石灰石粘土校正原料燃料石膏生料水泥混合材按比例混合磨細(xì)熟料煅燒1400-1450磨細(xì)3.1 硅酸鹽水泥3、硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及其特性礦物名稱硅酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣礦物組成3CaO.SiO22CaO.SiO23CaO.Al2O34CaO

3、.Al2O3Fe2O3簡寫式C3SC2SC3AC4AF礦物含量37%60%15%37%7%15%10%18%礦物特性硬化速度快慢最快快早期強度高低低中后期強度高高低低水化熱大小最大中耐腐蝕性差好最差中 改變水泥熟料中礦物成份間的比例，可以制得不同性質(zhì)的水泥品種，如提高硅酸三鈣含量，可以制得高強水泥和早強水泥，提高硅酸二鈣含量并降低硅酸三鈣與鋁酸三鈣的含量，可制得低熱水泥或大壩水泥。3.1 硅酸鹽水泥二、硅酸鹽水泥的水化、凝結(jié)與硬化1、水化：、硅酸三鈣 水泥熟料礦物中，硅酸三鈣的含量最高。硅酸三鈣與水作用時，反應(yīng)較快，水化放熱量大，生成水化硅酸鈣及氫氧化鈣。 2（3CaOSiO2）6H2O 3C

4、aO2SiO2 . 3H2O 3Ca（OH)2 硅酸三鈣 （ C3S） 水化硅酸鈣凝膠(C3S2H3) 氫氧化鈣晶體 水化硅酸鈣幾乎不溶于水，立即以膠體微粒析出，并逐步凝聚稱為凝膠。氫氧化鈣呈六方晶體，易溶于水。、硅酸二鈣 硅酸二鈣與水作用時，反應(yīng)較慢，水化放熱較小，生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣。 2（2CaOSiO2）4H2O 3CaO2SiO2 . 3H2O Ca（OH)2 硅酸二鈣（ C2S) 水化硅酸鈣凝膠(C3S2H3) 氫氧化鈣晶體 3.1 硅酸鹽水泥、鋁酸三鈣 鋁酸三鈣與水作用時，反應(yīng)極快，水化放熱最大，生成水化鋁酸三鈣，水化鋁酸三鈣為立方晶體，易溶于水。 3CaOAl2O3 6H2

5、O 3CaOAl2O3 . 6H2O 鋁酸三鈣 (C3A) 水化鋁酸三鈣晶體(C3AH6) 、鐵鋁酸四鈣 鐵鋁酸四鈣與水作用時，反應(yīng)也較快，水化放熱中等，生成水化鋁酸三鈣和水化鐵酸鈣，水化鐵酸鈣為凝膠。 4CaOAl2O3Fe2O3 7H2O 鐵鋁酸鈣 (C4AF) 3CaOAl2O3 . 6H2O CaO. Fe2O3 . H2O 水化鋁酸三鈣 (C3AH6) 水化鐵酸鈣 (CFH) 在氫氧化鈣飽和溶液中，水化鋁酸三鈣和水化鐵酸鈣還會與氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)，分別生成水化鋁酸鈣和水化鐵酸四鈣。3.1 硅酸鹽水泥、石膏 水泥熟料在不加入石膏的情況下與水拌和后會立即產(chǎn)生凝結(jié)，為調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，加入的

6、石膏量太少，緩凝作用不明顯，加入過多，會引起水泥安定性不良，適宜的加入量為水泥質(zhì)量的35。 加入的石膏與水化鋁酸三鈣反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣，水化硫鋁酸鈣呈針狀晶體，難溶于水。 3(CaSO42H2O) 3CaOAl2O3 25H2O 二水石膏 鋁酸三鈣（ C3S） 3CaOAl2O3 . 3CaSO4 .31H2O 高硫型水化硫鋁酸鈣(C3AS3H31) 忽略次要的和少量的成份，水泥完全水化后，水化硅酸鈣占70，氫氧化鈣占20，其余占10。3.1 硅酸鹽水泥 硅酸鹽水泥的各種熟料礦物強度增長曲線抗壓強度/MPa齡期/d07 289018036027020406080C C3 3S SC C

7、2 2S SC C3 3A AC C4 4AFAF3.1 硅酸鹽水泥 硅酸鹽水泥的各種熟料礦物水化熱曲線水化熱/J.g-1齡期/d07 28901803602702505007501000C C3 3A AC C3 3S SC C2 2S SC C4 4AFAF3 3.1 硅酸鹽水泥 2、凝結(jié)硬化分散在水中未水化的水泥顆粒在水泥表面形成的水合物膜層 水化開始時，水合物不多，水泥顆粒之間未相互粘連，水泥漿具有良好的塑性。隨著水泥顆粒的不斷水化，凝膠體膜層厚度不斷增厚，水泥顆粒之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水泥漿體逐漸失去塑性，開始凝結(jié)。隨著水化反應(yīng)不斷進行，水化產(chǎn)物不斷生產(chǎn)并填充顆粒間的空隙，使結(jié)構(gòu)更加緊密

8、，水泥漿體逐漸產(chǎn)生強度。水泥水化反應(yīng)是由顆粒表面逐步深入到顆粒內(nèi)部，當(dāng)水合物增多時，阻止了水分的進一步深入，水化反應(yīng)愈來愈困難，經(jīng)過長時間的水化后，仍有部分水泥顆粒未完全水化。膜層長大并相互連接（凝結(jié)）水合物進一步發(fā)展，填充毛細(xì)孔（硬化）3.1 硅酸鹽水泥 硅酸鹽水泥的強度發(fā)展曲線抗壓強度（）齡期/d0714286020601001803 40801201603.1 硅酸鹽水泥 三、影響水泥凝結(jié)硬化的因素 1、細(xì)度 水泥顆粒越細(xì)，總表面積越大，與水接觸的面積也越大，水化速度快，凝結(jié)硬化速度快。反之則慢。 2、石膏摻入量 一般由生產(chǎn)廠家根據(jù)水泥中鋁酸三鈣的含量和石膏中三氧化硫的含量，通過試驗調(diào)整

9、。 3、養(yǎng)護時間 水泥中所有顆粒全部水化反應(yīng)所需時間較長，一般在28天內(nèi)強度發(fā)展較快，以后強度增長緩慢。但只要保持一定的溫度、濕度環(huán)境，水泥強度的增長可以延續(xù)幾十年。 4、溫度、濕度 溫度對水泥的凝結(jié)硬化有顯著影響，提高溫度可加速水化反應(yīng)，使早期強度較快發(fā)展，但后期強度可能有所降低。當(dāng)溫度降至負(fù)溫時，水化反應(yīng)停止，由于水分凍結(jié)，導(dǎo)致水泥石凍裂，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。 水泥的水化反應(yīng)及凝結(jié)硬化均應(yīng)在水分充足的條件下進行。環(huán)境濕度大，水分不易蒸發(fā)，如果環(huán)境干燥，水分蒸發(fā)過快，當(dāng)水分蒸發(fā)完后，水化反應(yīng)無法進行，凝結(jié)硬化停止，還會在構(gòu)件表面產(chǎn)生干縮裂紋。 3.1 硅酸鹽水泥 四、硅酸鹽水泥的技術(shù)性質(zhì)（GB17

10、5-1999) 1、細(xì)度（水泥顆粒的粗細(xì)程度。細(xì)度大，凝結(jié)硬化速度快，強度增長快。但生產(chǎn)過程消耗的能量高，成本大，且在空氣中硬化時收縮大。 ）2、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量（ 水泥凈漿達到標(biāo)準(zhǔn)稠度時的用水量。）3、凝結(jié)時間（水泥凈漿從加水至失去流動性所需的時間。初凝時間：水泥漿開始失去塑性所需的時間，45min；終凝時間：水泥漿完全失去塑性所需的時間，6.5h。） 4、體積安定性 （水泥凝結(jié)硬化過程中，體積變化的均勻程度。產(chǎn)生安定性不良的因素是水泥中含有過多的游離氧化鈣和游離氧化鎂以及石膏摻入量過高。安定性測定方法可以用雷氏法或試餅法。）3.1 硅酸鹽水泥 五、強度與標(biāo)號 硅酸鹽水泥的強度取決于水泥熟料的

11、礦物成份和細(xì)度。水泥強度測定按水泥膠砂強度檢驗方法（GB177/T17671 1999)測定，將水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、水，按1：3：0.5，用規(guī)定方法制成規(guī)格為4040160mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護，測定其3d、28d，根據(jù)3d，28d抗折強度和抗壓強度將水泥分為42.5、52.5、62.5三個強度等級。3.1 硅酸鹽水泥 六、堿含量 指水泥中Na2O。K2O的含量。1940年，美國首先發(fā)現(xiàn)并提出堿集料反應(yīng)（AlkaliAggregateReaction，簡稱AAR）。 當(dāng)水泥中的堿含量超過0.6%后，與混凝土中的活性集料砂石發(fā)生反應(yīng)，生成物體積膨脹，造成混凝土開裂破壞。 堿含量（%）= Na

12、2O（%）+0.658K2O（%）七、水化熱 水泥在水化過程中放出的熱量。大部分水化熱是在水化初期（7d內(nèi)）放出的，以后逐漸減少。水泥水化熱的大小和放熱速度取決于水泥熟料的礦物組成和水泥細(xì)度。冬季施工時，水化熱有利于水泥的凝結(jié)硬化。對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，水化熱大是不利的，由于混凝土內(nèi)部的水化熱不易散出，造成內(nèi)外溫差較大，引起溫度應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生裂縫。大體積混凝土應(yīng)采用水化熱較低的水泥。八、密度和堆積密度 硅酸鹽水泥的密度為3.03.15g/cm3，通常采用3.1g/cm3。堆積密度通常采用1300kg/m3。 3.1 硅酸鹽水泥 八、硅酸鹽水泥的腐蝕與防止1、水泥石腐蝕的原因 （1）、軟水腐

13、蝕（溶出性腐蝕） 水泥石長期在流水環(huán)境下（江河水、雨水），氫氧化鈣不斷地被溶出并由流水帶走，水泥石中氫氧化鈣的濃度逐步降低，引起其他水化物的進一步分解，水泥石的強度不斷降低。經(jīng)研究，氫氧化鈣溶出5時，強度下降7，溶出24時，強度下降29。 （2）、鹽類腐蝕 海水、地下水及某些工業(yè)廢水中，含有鎂鹽、硫酸鹽、氯鹽、鉀鹽、鈉鹽，對水泥石有不同程度的腐蝕，尤其以硫酸鹽、鎂鹽較為嚴(yán)重，其反應(yīng)如下： Na2SO4 Ca（OH)2 2H2O CaSO4O 2H2O Na(OH) MgSO4 Ca（OH)2 2H2O CaSO4O 2H2O Mg(OH) MgCl2 Ca（OH)2 H2O CaCl2 Mg(

14、OH)2 2H2O 生成的硫酸鈣與水泥石中固態(tài)的水化鋁酸鈣作用，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，體積比原體積增加1。5倍以上，產(chǎn)生膨脹破壞，通常稱為水泥桿菌。氫氧化鈉、氫氧化鎂松軟而無膠結(jié)力，氯化鈣易溶于水。3.1 硅酸鹽水泥 （3）、碳酸性腐蝕 水中溶解的二氧化碳與水泥石中的氫氧化鈣作用生成碳酸鈣： Ca（OH)2 CO2 H2O CaCO3 生成的碳酸鈣再與含碳酸的水作用轉(zhuǎn)變成為重碳酸鈣，此反應(yīng)為可逆反應(yīng)；重碳酸鈣溶于水而消失。氫氧化鈣濃度降低，導(dǎo)致水泥石中其他水化產(chǎn)物的分解，使腐蝕進一步加劇。 CaCO3 CO2 H2O Ca（HCO3) （4）、一般酸類的腐蝕 地下水及某些工業(yè)廢水中，含有無機

15、酸和有機酸，它們與氫氧化鈣作用后的生產(chǎn)物，或易溶于水，或者體積膨脹，在水泥石中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致破壞。如鹽酸、硫酸分別與水泥石中的氫氧化鈣作用，其反應(yīng)如下： 2HCl Ca（OH)2 CaCl4+ H2O H2SO4 Ca（OH)2 CaSO4.2H2O 生成的氯化鈣易溶于水，硫酸鈣與水泥石中固態(tài)的水化鋁酸鈣作用，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，產(chǎn)生膨脹破壞。3.1 硅酸鹽水泥 水泥腐蝕破壞的三種形態(tài)： （1)、溶失破壞 將水泥石中的礦物溶解并被水流帶走。 (2)、離子交換 侵蝕性介質(zhì)與水泥石中的礦物發(fā)生離子交換，生成易溶于水或是沒有膠結(jié)能力的產(chǎn)物，破壞了原有的結(jié)構(gòu)。 (3)、形成膨脹產(chǎn)物 在侵蝕性介質(zhì)

16、作用下，所形成的鹽類結(jié)晶體積增大產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致膨脹性破壞。 水泥石的破壞的內(nèi)部原因： （1）、水泥石中存在易被腐蝕的礦物成份，主要是氫氧化鈣和水化鋁酸鈣。 （2）、水泥石本身不密實，存在很多毛細(xì)通道，侵蝕性介質(zhì)容易進入水泥石內(nèi)部。 2、防止水泥石腐蝕的方法 （1）、合理選擇水泥品種； （2）、提高水泥石的密實度； （3）、為水泥結(jié)構(gòu)增加保護層。3.1 硅酸鹽水泥九、通用水泥通用水泥是用于一般土木建筑工程的水泥，除了前面介紹的硅酸鹽水泥、還包括摻入混合材料后制成的普通硅酸鹽水泥、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、復(fù)合硅酸鹽水泥等。1、非活性混合材料 定義：常溫下，不能與氫氧

17、化鈣或水泥發(fā)生水化反應(yīng)的混合料。 作用：提高水泥產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本，調(diào)整水泥標(biāo)號，減少水化熱，改善水泥的耐腐蝕性及和易性。 品種：磨細(xì)的石灰石、石英砂、粘土慢冷礦渣及各種廢渣。2、活性混合材料 定義：在常溫下，能與氫氧化鈣或水泥發(fā)生水化反應(yīng)并生成相應(yīng)的具有水硬性水化產(chǎn)物的材料。材料中含有活性氧化硅或活性氧化鋁。 作用：具有非活性混合材的作用外，可以產(chǎn)生一定強度，明顯改善水泥的性質(zhì)。 品種：?；郀t礦渣、火山灰質(zhì)混合材（浮石、火山灰、燒粘土、粉煤灰、煤渣、硅藻土等）。3.1 硅酸鹽水泥3、三種水泥的特性 、礦渣水泥：由于硬化后氫氧化鈣含量少，礦渣本身是高溫耐火材料，礦渣水泥的耐熱性好，可以用于2

18、00以下的混凝土工程中。礦渣對水的吸附能力差，所以礦渣水泥的保水性差，易產(chǎn)生泌水而造成連通孔隙，因此礦渣水泥抗?jié)B性差，干燥收縮較大，不宜用于有抗?jié)B要求的混凝土工程。 、火山灰水泥：火山灰混合材含有大量的微細(xì)孔隙，故保水性好，水化過程中產(chǎn)生大量水化硅酸鈣凝膠，使火山灰水泥的水泥石結(jié)構(gòu)比較致密，其抗?jié)B性能較好?；鹕交宜嘣谟不^程中的干燥收縮現(xiàn)象比礦渣水泥更為顯著，形成的水化硅酸鈣凝膠會逐漸干燥，產(chǎn)生干縮裂縫。因此火山灰水泥不宜用于干燥環(huán)境中的混凝土工程。 、粉煤灰水泥：早期強度比礦渣水泥和火山灰水泥更低，但后期強度可以明顯超過硅酸鹽水泥。粉煤灰表面呈致密球形，吸水能力弱，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量小，干縮性

19、小，抗裂性能好，但保水性差，易使混凝土產(chǎn)生失水裂縫。粉煤灰水泥適用于大體積混凝土工程及地下、海港工程，承受荷載較晚的混凝土工程。3.1 硅酸鹽水泥 4、復(fù)合硅酸鹽水泥 1、定義：根據(jù)（GB129581999），凡由硅酸鹽水泥熟料、兩種或兩種以上的混合材、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P.C。水泥中混合材料的總摻入量按質(zhì)量百分比計為1550。允許用不超過8的窯灰、代替部分混合材料；摻礦渣時，混合材料的摻入量不得與礦渣水泥重復(fù)。 復(fù)合硅酸鹽水泥中摻入了兩種以上的混合材，克服了單一混合材的不足，其早期強度接近于普通水泥，其他性能優(yōu)于礦渣水泥、火山灰水泥和粉

20、煤灰水泥。應(yīng)用范圍較廣泛。 3.1 硅酸鹽水泥 十、特種水泥 與通用水泥相比較，特性水泥是指某種性能比較突出的一類水泥。特性水泥品種繁多，這里僅對硅酸鹽系特性水泥中的快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、白色硅酸鹽水泥和彩色硅酸鹽水泥作簡要介紹。3.2 其它品種水泥 一、鋁酸鹽水泥 凡以鋁酸鈣為主的鋁酸鹽水泥熟料，磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料稱為鋁酸鹽水泥，代號CA。根據(jù)需要也可在磨制Al2O3含量大于68%的水泥時摻加適量的-Al2O3粉。它是一種快硬、高強、耐腐蝕、耐熱的水泥。 但同時鋁酸鹽水泥硬化后由于晶體轉(zhuǎn)化，長期強度下降幅度大(比早期最高強度下降約40)。因此，不宜用于長期承重的結(jié)構(gòu)。未經(jīng)試驗，鋁酸鹽水泥不得與硅酸鹽水泥、石灰等能析出Ca(OH)2的材料混合使用，鋁酸鹽水泥水化過程遇到Ca(OH)2將出現(xiàn)“閃凝”無法施工，而且硬化后強度很低。3.2 其它品種水泥 二、硫鋁酸鹽水泥 將鋁質(zhì)原料（如礬土）、石灰質(zhì)原料（如石灰石）