土木工程材料第三章水泥

第三章

水泥3.水泥水泥是一種良好的礦物膠凝資料，它與石灰、石膏、水玻璃等氣硬性膠凝資料不同，不僅能在空氣中硬化，而且在水中能更好地硬化，并堅持和開展其強度，因此，水泥是一種水硬性膠凝資料。水泥是制造各種方式的混凝土、鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土構筑物的最根本的組成資料，廣泛用于建筑、道路、水利和國防工程中，素有“建筑業(yè)的糧食〞之稱。水泥的種類很多，按化學成分可分為硅酸鹽、鋁酸鹽、硫鋁酸鹽等多種系列水泥，本章主要引見運用最廣的硅酸鹽系列水泥。硅酸鹽系列水泥按其性能和用途.硅酸鹽水泥普通水泥礦渣水泥常用水泥火山灰水泥粉煤灰水泥硅酸鹽系列水泥復合水泥特種水泥3.1常用水泥3.1.1常用水泥的消費3.1.1.1水泥熟料的燒成燒制硅酸鹽水泥熟料的原資料主要是提供CaO的石灰質原料，如石灰石、白堊等，及提供Si02、Al2O3和少量Fe2O3的粘土質原料，如粘土、頁巖等。此外，有時還配入鐵礦粉等輔助原料。將上述幾種原資料按適當比例混合后在磨機中磨細，制成生料，再將生料入窯進展煅燒，便燒制成黑色球狀的水泥熟料。硅酸鹽水泥熟料主要由四種礦物組成，其稱號、含量范圍如下：硅酸三鈣(3CaO·Si02，簡寫為C3S)，含量36％～60％；硅酸二鈣(2CaO·Si02，簡寫為C2S)，含量15％～37％；鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3，簡寫為C3A)，含量7％～15％；鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3，簡寫為C4AF)，含量10％～18％。前兩種礦物稱硅酸鹽礦物，普通占總量的75％～82％。3.1.1.2磨制水泥廢品磨制水泥廢品時的原資料包括水泥熟料、石膏和混合資料。用于水泥中的石膏普通是二水石膏或無水石膏。用于水泥中的混合資料分為活性混合資料和非活性混合資料兩大類。活性混合資料是指那些與石灰、石膏一同，加水拌和后能構成水硬性膠凝資料的混合資料。活性混合資料中的主要活性成分是活性氧化硅和活性氧化鋁。水泥消費中常用的活性混合資料有粒化高爐礦渣、火山灰質混合資料和粉煤灰等。非活性混合資料是指不具活性或活性甚低的人工或天然的礦物質，如石英砂、石灰石、粘土及不符合質量規(guī)范的活性混合資料等。它們摻入水泥中僅起調理水泥性質，降低水化熱，降低強度等級和添加產量的作用。把水泥熟料、適量石膏，分別和不同種類、數(shù)量的混合資料，混合在一同磨細，即可制成如下六大種常用水泥：(1)硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料，0～5％石灰石或?；郀t礦渣及適量石膏組成。分成兩種類型，不摻混合資料的為I型(P·I)，摻不超越水泥質量5％石灰石或?；郀t礦渣混合資料的為Ⅱ型(P·Ⅱ)。(2)普通硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料，6％～15％混合資料(活性混合資料的最大摻量不得超越159／5，其中允許用不超越水泥質量5％的窯灰或不超越水泥質量10％的非活性混合資料；摻非活性混合資料時，最大摻量不超越水泥質量的10％)，及適量石膏組成。(3)礦渣硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料，20％～70％的?；郀t礦渣和適量石膏組成。(4)火山灰質硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料，20％～50％火山灰質混合資料和適量石膏組成。(5)粉煤灰硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料，20％～40％粉煤灰和適量石膏組成。(6)復合硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料，15％～50％的兩種或兩種以上混合資料和適量石膏組成。3.1.2常用水泥的特性3.1.2.1硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥中即使有混合資料，摻量也很少，因此硅酸鹽水泥的特性根本上為水泥熟料所確定。(1)水化凝結硬化快，強度高，尤其早期強度高硅酸鹽水泥熟料中各礦物單獨與水作用，將發(fā)生如下水化反響： 水化硅酸鈣氫氧化鈣

水化鋁酸三鈣 水化鐵酸鈣水泥加水拌和后，分散在水中的水泥顆粒開場與水發(fā)生水化反響，在水泥顆粒外表逐漸構成水化物膜層，此階段的水泥漿既有可塑性又有流動性。隨著水化反響的開展，膜層長厚并相互銜接，漿體逐漸失去流動性，產生“初凝〞，繼而完全失去可塑性，并開場產生構造強度，即為“終凝〞。水化反響的進一步開展，水化產物不斷填充毛細孔，水泥漿體逐漸轉變?yōu)榫哂幸欢◤姸鹊乃嗍腆w，即為“硬化〞。硅酸鹽水泥熟料四種主要礦物中，C3A的水化、凝結和硬化很快。為了控制C3A的水化和凝結硬化速度，就必需在水泥中摻入適量石膏。C3A水化后的產物將與石膏反響，在水泥顆粒外表生成難溶于水的鈣礬石(3CaO·SiO2·3CAS04·31H2O)，妨礙C3A水化，從而起到延緩水泥凝結的作用。不過，石膏摻量不能過多，否那么會使水泥漿在硬化后繼續(xù)生成過氧鈣礬石而呵斥的水泥的體積安定性不良。硅酸鹽水泥中C3S的含量高，有利于28d內的強度快速增長，同時較多的C3A也有益于水泥石1～3d或稍長時間內的強度增長。C2S的強度發(fā)揚有益于硅酸鹽水泥后期強度的增長。因此，硅酸鹽水泥適宜配制高強混凝土及適用于要求早期強度高的混凝土。(2)水化熱大水泥的水化反響為放熱反響，水化過程放出的熱量稱為水泥的水化熱。硅酸鹽水泥的C3S和C3A含量高，水化熱大，放熱周期長，普通水化3d的放熱量約為總水化熱的50％，7d為75％，3個月達90％。硅酸鹽水泥不宜在大體積工程中運用。(3)耐腐蝕性差硅酸鹽水泥硬化后，在普通運用條件下有較高的耐久性?？墒?，在淡水、酸與酸性水和硫酸鹽溶液等有害的環(huán)境介質中，那么會發(fā)生各種物理化學作用，導致性能改動，強度降低，甚至破壞。引起整個工程構造的破壞。假設水泥石長期處于流水或壓力流水作用下，水泥石中的氫氧化鈣就會不斷溶出流失，氫氧化鈣減少到一定程度，會促使水泥石堿度不斷降低，其他水化產物將分解或被溶解，從而膠結才干降低，強度不斷下降，最終使水泥石發(fā)生破壞。水泥石處于含有大量鎂鹽的海水或地下水中，鎂鹽會與水泥石中的氫氧化鈣反響，生成松軟無膠凝力的氫氧化鎂，而且氫氧化鎂溶液堿度低，導致水化產物不穩(wěn)定而離解，嚴重時Mg2+還將置換水泥石水化硅酸鈣中的Ca2+，使之膠凝性能極大地降低。又如，工業(yè)廢水或地下水中的各類無機酸或有機酸，會與水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生反響，生成物溶于水使鈣離子流失，水化產物穩(wěn)定性下降。水泥石受侵蝕破壞的另一種典型景象，是水泥石中的氫氧化鈣與環(huán)境介質中的硫酸鹽發(fā)生反響，生成硫酸鈣，硫酸鈣將和水泥石中的水化鋁酸鈣反響生成鈣礬石，鈣礬石比原體積添加1.5倍以上，因此會對水泥石呵斥極大的膨脹破壞作用。產生水泥石腐蝕的根本緣由：外部是存在侵蝕介質；內部是由于水泥石中存在易被腐蝕的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣，以及水泥石本身不密實，存在很多侵蝕性介質易于進入內部的毛細孔道。從而使Ca2+流失，水泥石受損，膠結力降低；或者有膨脹性產物構成，引起脹裂破壞景象。因此抗侵蝕性差，不宜在有腐蝕性介質的環(huán)境中運用。(4)抗凍性好，干減少硅酸鹽水泥中混合資料的含量或為零或極少，同樣強度下所需水灰比較小，所以硅酸鹽水泥硬化水泥石較致密，抗凍性優(yōu)于其它常用水泥，干縮也較小。(5)耐熱性差硅酸鹽水泥硬化水泥石的主要水化產物在高溫下會發(fā)生脫水和分解，使構造遭到破壞。所以，其耐高溫性較其它幾種水泥差。3.1.2.2普通水泥普通水泥中混合資料的摻加量較少，其礦物組成的比例仍與硅酸鹽水泥類似，所以普通水泥的性能、運用范圍與同強度等級的硅酸鹽水泥相近。與硅酸鹽水泥相比，普通水泥的早期凝結硬化速度略微慢些，3d強度稍低，其它如抗凍性及耐磨性等也稍差些。3.1.2.2礦渣水泥(1)礦渣水泥加水后的水化分兩步進展：首先是水泥熟料顆粒水化，接著礦渣受熟料水化時析出的Ca(OH)2及外摻石膏的激發(fā)，其玻璃體中的活性氧化硅和活性氧化鋁進入溶液，與Ca(OH)2反響生成新的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，由于石膏存在，還生成水化硫鋁酸鈣。由于礦渣水泥中熟料的含量相對減少，而且水化分兩步進展，因此凝結硬化慢，早期(3d，7d)強度低。但二次反響后生成的水化硅酸鈣凝膠逐漸增多，所以其后期(28d后)強度開展較快，將趕上甚至超越硅酸鹽水泥。該水泥不宜用于早期強度要求較高的工程。(2)水化熱小礦渣水泥中熟料的減少，使水化時發(fā)熱量高的C3S和C3A含量相對減少，故水化熱較低，可在大體積混凝土工程中優(yōu)先選用。(3)抗碳化才干較差由于二次水化反響的發(fā)生，使水泥石中氫氧化物含量少，堿度低，抗碳化才干較差。普通不用于熱處置車間的建筑。(4)抗?jié)B性差干縮性較大礦渣顆粒親水性較小，故礦渣水泥保水性較差，泌水性較大，容易在水泥石內部構成毛細通道，添加水分蒸發(fā)。因此，礦渣水泥干縮性較大，抗?jié)B性、抗凍性和抗干濕交替作用的性能均較差，不宜用于有抗?jié)B要求的混凝土工程中。不宜用于嚴寒地域，尤其是嚴寒地域水位經常變動的部位。(5)耐熱性好礦渣水泥的水化產物中氫氧化鈣含量低，而且礦渣本身是水泥的耐火摻料，因此其耐熱性較好；可用于高溫環(huán)境及耐熱混凝土工程中。(6)對環(huán)境的溫度、濕度條件較為敏感礦渣水泥水化硬化過程中，對環(huán)境的溫度、濕度條件較為敏感。故適于蒸汽養(yǎng)護的混凝土預制構件。3.1.2.4火山灰水泥由于火山灰水泥在硬化過程中的干縮較礦渣水泥更為顯著，在干熱環(huán)境中易產生干縮裂痕。因此，運用時須加強養(yǎng)護，使其在較長時間內堅持潮濕形狀。不宜用于長期處于枯燥環(huán)境和水位變化區(qū)的混凝土工程?；鹕交宜囝w粒較細，泌水性小，故具有較高抗?jié)B性，宜用于有抗?jié)B要求的混凝土工程中。3.1.2.5粉煤灰水泥粉煤灰水泥的主要特點是干縮性較小，甚至比硅酸鹽水泥和普通水泥還小，因此抗裂性較好。尤其適用于大體積水工混凝土以及地下和海港工程。另外，粉煤灰顆粒較致密，故吸水少，且呈球形，所以粉媒灰水泥的需水量小，配制成的混凝土和易性較好。3.1.2.6復合水泥復合水泥中含有兩種或兩種以上規(guī)定的混合資料，因此復合水泥的特性與其所摻混合資料的種類、摻量及相對比例有親密關系。總體上其特性與礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥有不同程度的類似之處。3.1.3影響常用水泥性能的要素(1)水泥組成成分的影響水泥的組成成分及各組分的比例是影響六大常用水泥性能的最主要要素。例如，水泥中添加混合資料含量，減少熟料含量，將使水泥的抗侵蝕性提高，水化熱降低，早期強度降低；水泥中提高C3S、C3A的含量，將使水泥的凝結硬化加快，早期強度高，同時水化熱也大。(2)水泥細度的影響水泥顆粒越細，總外表積越大，與水的接觸面積也大，因此水化迅速，凝結硬化也相應增快，早期強度也高。但水泥顆粒過細，會添加磨細的能耗和提高本錢，且不宜久存，過細水泥硬化時還會產生較大收縮。(3)養(yǎng)護條件(溫度、濕度)的影響水泥是水硬性膠凝資料，所以其水化、凝結硬化過程中必需有足夠的水分，養(yǎng)護期間留意堅持潮濕形狀，有利其早期強度的開展。養(yǎng)護時溫度升高，水泥的水化加快，早期強度開展也快。當環(huán)境溫度接近或低于O℃，水結成冰后，會導致水泥石凍裂，水泥的水化停頓。(4)齡期的影響水泥的強度是隨齡期增長而添加的，實際證明，普通28d內強度開展較快，28d后顯著減慢。(5)拌和用水量的影響水泥用量不變的情況下，添加拌和用水量，會添加硬化水泥石中的毛細孔，使之強度下降。另外，添加拌和用水量，會添加水泥的凝結時間。(6)儲存條件的影響儲存不當，會使水泥受潮，顆粒外表發(fā)生水化而結塊，嚴重降低強度。即使良好的儲存，在空氣中的水分和CO2的作用下，也會發(fā)生緩慢水化和碳化。所以水泥的有效儲存期為3個月，不宜久存。3.1.4常用水泥的選用根據上述六大常用水泥的特性，針對各類建筑工程的工程性質、構造部位、施工要求和運用環(huán)境條件等，可按照表3．3進展水泥的選用。3.1.5常用水泥的技術要求根據國家規(guī)范GBl75—1999，GBl344—1999和GBl2958—1999，對六大常用水泥的主要技術性質要求如下:3.1.5.1細度細度是指水泥顆粒的粗細程度，它對水泥的性質有較大影響。國家規(guī)范規(guī)定：硅酸鹽水泥的細度用透氣式比外表積儀測定，要求其比外表積大于300m2／kg；其它五類水泥的細度用篩析法，要求在O．080mm方孔篩上的篩余不得超越10％。3.1.5.2凝結時間國家規(guī)范規(guī)定：六大常用水泥的初凝時間均不得早于45min；硅酸鹽水泥的終凝時間不得遲于6.5h；其它五類水泥的終凝時間不得遲于10h。由于拌和水泥漿時的用水量多少，對凝結時間有影響，測試水泥凝結時間時必需采用規(guī)范稠度用水量，即水泥拌制成特定的塑性形狀(規(guī)范稠度)時所需的水量。3.1.5.3體積安定性水泥的體積安定性是指水泥在凝結硬化過程中，體積變化的均勻性。假設水泥硬化后產生不均勻的體積變化，會使水泥混凝土構筑物產生膨脹性裂痕，降低建筑工程質量，甚至引起嚴重事故，即體積安定性不良。引起水泥體積安定性不良的緣由，是由于水泥熟料礦物組成中含有過多游離氧化鈣(f-CaO)、游離氧化鎂(f-MgO)，或者水泥粉磨時石膏摻量過多。f-CaO和f-MgO是在高溫下生成的，處于過燒形狀，水化很慢，它們在水泥凝結硬化后還在漸漸水化并產生體積膨脹，從而導致硬化水泥石開裂，而過量的石膏會與已固化的水化鋁酸鈣作用，生成水化硫鋁酸鈣晶體，產生體積膨脹，呵斥硬化水泥石開裂。國家規(guī)范規(guī)定：由游離氧化鈣引起的水泥體積安定性不良可采用沸煮法檢驗。所謂沸煮法包括試餅法和雷氏法兩種。當試餅法和雷氏法兩者結論有矛盾時，以雷氏法為準。由于氧化鎂和石膏所導致的體積安定性不良不便于快速檢驗，水泥出廠時，通常在水泥消費中要嚴厲控制。國家規(guī)范規(guī)定：水泥中游離氧化鎂含量不得超越5.0％，三氧化硫含量礦渣水泥不得超越4.0％，其它水泥不得超越3.5％。3.1.5.4強度及強度等級國家規(guī)范規(guī)定，采用軟練膠砂法測定水泥強度。該法是將水泥和規(guī)范砂按1:3混合，用水灰比為0.5，按規(guī)定方法制成．40mm×40mm×160mm的試件，帶模在濕氣中養(yǎng)護24h后，再脫模放在規(guī)范溫度(20℃±1℃)的水中養(yǎng)護，分別測定3d和28d抗壓強度和抗折強度。根據測定結果可確定該水泥的強度等級。國家規(guī)范規(guī)定：硅酸鹽水泥分為42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個強度等級；其它五種水泥分為32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個強度等級。其中有代號R者為早強型水泥。各強度等級的六大常用水泥的3d、28d強度均不得低于表3.4中的規(guī)定值。3.1.5.5堿含量堿含量是指水泥中Na2O和K2O的含量。假設水泥中堿含量過高，遇到有活性的骨料，易產生有害的堿一骨料反響，呵斥工程危害。國家規(guī)范規(guī)定：水泥中堿含量按Na2O+0.685K2O計算值來表示。假設運用活性骨料，用戶要求提供低堿水泥時，水泥中堿含量不得大于O.60％或由供需雙方商定。3.2其它種類水泥3.2.1高鋁水泥高鋁水泥又稱礬土水泥，是以鋁礬土和石灰石為原料，經高溫煅燒得到以鋁酸鈣為主要成分的熟料，經磨細而成的水硬性膠凝資料，屬于鋁酸鹽系列的水泥。高鋁水泥的主要礦物成分為鋁酸一鈣(CaO·Al203，簡寫為CA)和二鋁酸一鈣(CaO·2Al203，簡寫為CA2)，此外尚有少量硅酸二鈣和其它鋁酸鹽。高鋁水泥拌水水化后獲得的主要水化產物為：CAH10，C2AH8和鋁膠(AH3)，能構成較為密實的水泥石。國家規(guī)范GB201-8l規(guī)定，高鋁水泥的細度要求為0.080mm方孔篩篩余不得超越lO％，其初凝不得早于40min，終凝不得遲于10h。高鋁水泥的強度要求見表3.5。高鋁水泥的主要特性如下：(1)快凝早強，1d強度可達最高強度的80％以上，后期強度增長不顯著。(2)水化熱大，且放熱量集中，ld內即可放出水化熱總量的70％～80％。(3)抗硫酸鹽性能很強，但抗堿性極差。(4)耐熱性好，高鋁水泥混凝土在1300℃還能堅持約53％的強度。(5)長期強度略有降低的趨勢。高鋁水泥主要用于緊急軍事工程、搶修工程等；也可用于配制耐熱混凝土，如高溫窯爐爐襯等和用于冰冷地域冬季施工的混凝土工程。高鋁水泥不宜用于大體積混凝土工程，也不能用于長期承重構造及高溫高濕環(huán)境中的工程。高鋁水泥制品不能用蒸汽養(yǎng)護。此外，不經過實驗，高鋁水泥不得與硅酸鹽水泥或石灰相混，以免引起閃凝和強度下降。3.2.2膨脹水泥通常，硅酸鹽水泥在空氣中硬化時會產生不同程度的收縮，從而導致水泥混凝土構件內部產生微裂痕，有損混凝土的整體性，同時使混凝土的一系列性能變壞。然而，膨脹水泥在硬化過程中不僅不收縮反而有一定數(shù)量的膨脹，可以抑制或改善普通水泥混凝土的上述缺陷。根據膨脹水泥的根本組成，