土木工程材料第二讲水泥.ppt

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1、1,硅酸盐水泥,定义：凡由硅酸盐水泥熟料，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，称为硅酸盐水泥（国外通称波特兰水泥）。分类：,不掺混合材,型硅酸盐水泥（）,掺5%混合材料,型硅酸盐水泥（）,影响水泥水化和凝结硬化的主要因素,1.熟料矿物组成:是影响水泥凝结硬化的主要内因，C3A凝结硬化速度最快，C2S凝结硬化速度最慢。2.用水量：为了保证水泥浆体的塑性和流动性，加入的水量要大于水化所需要的理论用水量。多余的水分蒸发后，在硬化的水泥石内形成毛细孔。W/C越大，水泥浆越稀，硬化后水泥石中毛细孔越多，水泥石的强度下降；同时由于毛细孔的增多，水泥石的抗渗性和抗冻性也急剧下降。3.细度

2、:水泥颗粒越细，与水接触越充分，水化反应速度越快，水化热越大，早期强度高；但需水量大，毛细孔多，干缩增大，反而会影响后期强度。同时水泥太细，易与空气中的水分和二氧化碳反应，使水泥不易久存，而且磨制过细的水泥能耗大，成本高。,4.养护的温度和湿度：提高温度可使水泥反应加快，强度增长加快；当温度低于5时，水化硬化大大减慢；当温度低于0时，水化反应基本停止，当水结冰时，还会破坏水泥石结构，因此冬季施工时要采取一定的保温措施；温度太高，反应速度太快所形成的结构不致密，会导致后期强度下降（当温度达到70 以上时，28d的强度下降10%20%);通常水泥的养护温度在520时，有利于水泥强度的增长。湿度是保

3、证水泥水化的一个必备条件。,5.养护龄期：随着龄期的增加，毛细孔隙减少，密实度和强度增加，水泥在314d内的强度增加较快，28d后强度增长趋于缓慢。6.水泥外加剂：添加5%的少量外加剂，可明显改善水泥的某些性能。如速凝剂、缓凝剂等。,二、常用水泥的技术要求,1.细度,水泥颗粒不能太粗，也不宜太细。测定水泥的细度可以用筛析法和比表面积法。筛析法：用80m方孔筛的筛余百分数表示。比表面积法:测单位质量粉末的总表面积，以m2/kg表示。,2.凝结时间,初凝：标准稠度净浆开始失去可塑性；终凝：标准稠度净浆完全失去可塑性并开始产生强度；初凝时间不能过短，终凝时间不能过长；测定水泥凝结时间采用标准稠度的水

4、泥净浆。,初凝时间太短，没有足够的时间进行搅拌、运输、浇筑、振捣、成型或砌筑；终凝时间太长，会拖延整个工程的施工工期。初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者为不合格品。,3.体积安定性,体积安定性不良,与水化铝酸钙反应生成钙矾石,沸煮法（饼法/雷氏法）,控制f-MgO含量,控制SO3含量,氧化镁、三氧化硫及安定性不良的水泥应作废品处理。,定义：水泥凝结硬化时，体积变化的均匀性。原因：f-CaO、f-MgO和石膏过量解释：游离CaO和MgO属过烧，水化速度很慢，在已硬化的水泥石中继续与水反应，体积膨胀，引起不均匀的体积变化造成水泥石龟裂、弯曲、甚至崩溃等现象。若水泥生产中石膏过量，水泥

5、硬化后，石膏还会继续与水化铝酸钙起反应，生成水化硫铝酸钙（钙矾石），体积增大1.5倍，同样引起水泥石开裂。,体积安定性,雷氏夹,水泥沸煮箱,水泥安定性压蒸釜,4.强度及强度等级,按抗压强度和抗折强度分为六个强度等级。,硅酸盐水泥各龄期的强度要求,水泥：标准砂：水1：3：0.5,注意与旧标准的标号对比！,5.碱含量:按Na2O+0.658K2O计算。,常用水泥的技术要求,国家标准（GB/T17671-1999）规定：水泥的强度用胶砂试件检验。条件：1、材 料：水泥:ISO标准砂=1:3，W/C=0.5；2、试件尺寸：40mm40mm160mm；3、养护条件：20士1水中；4、龄 期：3d和28d

6、；5、强度种类：抗折强度和抗压强度。6、强度等级：6个强度等级，其中带R的为 早强型水泥。,水泥强度检测仪器,水泥净浆搅拌机,水泥强度检测仪器,水泥养生箱水泥振动台,水泥试模,水泥强度检测仪器,水泥抗压试验机,水泥抗折强度试验机,水泥发生水化作用时放出的热量，主要在硬化初期放出。水化热大的水泥，能加速凝结硬化过程，但对大体积混凝土来说，由于水化热在其内部积聚热量，使其内部温度升高，由于内外温差使混凝土产生内应力而开裂破坏。我国JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规程上，定义大体积混凝土为：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土

7、。日本建筑学会标准(JASS5)规定：“结构断面最小厚度在80cm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25的混凝土，称为大体积混凝土”。,5.水化热,水泥矿物的水化热及放热速率比较 C3AC3SC4AFC2S 水泥水化放热量和放热速率还与水泥细度、混合材种类和数量有关.,？某大体积的混凝土工程，浇筑2周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某水泥厂生产的42.5R型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：,思考,分析续下页,【原因分析】由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高。在浇注混凝土后，混凝土的内外温差高，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。

8、【防治措施】首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。再次，大体积混凝土工程施工时应采取相应的措施，如外部保温、内部降温等。,23,6.水泥化学品质指标（1）不溶物 熟料中未参与矿物形成反应得粘土和结晶SiO2，国标规定：P0.75%P1.50%（2）烧失量 P3.0%P3.5%PO5.0%（3）氧化镁（4）SO3（5）碱含量 Na2O+0.658K2O，碱集料反应（6）氯离子含量 各类硅酸盐水泥0.06%,24,6.产品质量评定 凝结时间、安定性、强度不合格品：终凝时间不合格；细度不合格；强度低于商品等级规定的指标。废品：

9、初凝时间不合格；安定性试验不合格（即f-CaO）；SO3含量超标；MgO含量超标。,7.水泥石的抗蚀性,（1）淡水的腐蚀（溶出性腐蚀）,原因：水的流动、压力作用使CH流失。若静水：CH饱和则不再溶解。流动水：CH不断溶解、流失。淡水:雨水、雪水、蒸馏水及含重碳酸盐甚少的河水与湖水。如果水泥石长期处于流水或压力流水作用下，Ca(OH)2 将不断流失而使水泥石破坏。硬水中不腐蚀：,（2）盐类腐蚀,硫酸盐腐蚀,水化铝酸钙,钙矾石,体积增加1.5倍以上，膨胀破坏,硫酸盐浓度较高：结晶破坏,镁盐腐蚀。,硫酸镁对水泥石有镁盐和硫酸盐双重腐蚀的作用。,Na2SO4在混凝土孔隙中的结晶,（3）酸类腐蚀,碳酸腐

10、蚀,“碳化”,一般酸腐蚀,因为水泥的水化产物呈碱性。,，CaCl2溶于水。,（4）强碱腐蚀,32,小结：,水泥石易腐蚀的基本原因：（1）硅酸盐水泥石中含有较多易受腐蚀的成分，氢氧化钙、水化铝酸钙等；（2）本身不密实，含有大量的毛细孔隙。防止腐蚀的措施：（1）根据工程所处的环境特点，选择合适 的水泥品种；（2）提高水泥石的密实程度；（3）表面防护处理。,33,硅酸盐水泥的应用特性,凝结硬化快、强度高,配制高强砼、预应力砼、要求早期强度高的砼，冬季施工,抗冻性好，干缩较小,严寒地区遭受反复冻融的砼工程,抗碳化能力强,CO2浓度高的区域,耐磨性好,道路、地面工程,耐蚀性差,有腐蚀介质的环境,水化热大

11、,大体积砼工程,长期受高温的环境（如工业窑炉）,耐热性差,第二节 掺混合材的硅酸盐水泥,定义：是指由硅酸盐熟料，掺入适量的混合材料和石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料。品种：主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。,（1）水泥混合材料,在生产水泥时，为改善水泥性能，调节水泥强度等级，而加到水泥中去的人工的和天然的矿物材料。,混合材料在水泥中的作用,活性混合材料的作用,粒化高炉矿渣,炼铁高炉的熔融矿渣，经急速冷却而成的松软颗粒；直径一般为0.55mm，需磨细使用；急冷一般用水淬方法进行，故又称水淬高炉矿渣；成粒在于阻止结晶，形成玻璃体，具有较高

12、的潜在活性；活性成分，一般认为是活性氧化铝和活性氧化硅，在常温下可与氢氧化钙起作用而产生强度。,火山灰质混合材料,火山灰质混合材料：泛指火山灰一类的物质。火山灰：火山喷发的熔岩急冷形成。含有玻璃体，成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝，使火山灰具有活性。,粉煤灰,火力发电厂煤粉燃烧的烟气中收集的灰渣，又称飞灰。颗粒直径0.0010.05mm，玻璃态的实心或空心球状。活性来自玻璃体，成分主要是活性氧化硅和活性氧化铝。,（3）矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥的水化反应,分两步进行,水泥熟料颗粒水化；矿渣（火山灰或粉煤灰）受熟料水化时析出的Ca(OH)2和外掺石膏的激发，生成新的水化硅酸钙、水化铝酸钙和

13、水化硫铝酸钙。,水泥熟料矿物水化后的产物又与活性氧化物进行反应，生成新的水化物。,二次（水化）反应,（4）激发剂,Ca(OH)2和石膏起着激发水化（使活性混合材料的潜在活性得以发挥），促进凝结硬化的作用，故称为激发剂。,常用的激发剂有碱性激发剂和硫酸盐激发剂两类。,碱性激发剂：石灰，硅酸盐水泥熟料。硫酸盐激发剂：二水石膏、半水石膏和各种化学石膏。硫酸盐激发剂的激发作用必须在有碱性激发剂的条件下，才能充分发挥。,普通硅酸盐水泥,定义：凡由硅酸盐水泥熟料，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（简称普通水泥PO）。组成：85%熟料+石膏94%6%活性混合材15%

14、强度等级及其他品质要求：表3-8,41,矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥,1.组成 2070%粒化高炉矿渣-矿渣水泥熟料+石膏+2050%火山灰质混合材-火山灰水泥 2040%粉煤灰-粉煤灰水泥2.强度等级及其他品质要求见表3-9、3-8。,42,43,三种水泥的特点（1）三种水泥的共性 早期强度低、后期强度发展高。对温度敏感，适合高温养护。耐腐蚀性好。水化热小。抗冻性较差。抗碳化性较差,44,（2）三种水泥的特性矿渣硅酸盐水泥：保水性差，且干缩较大；抗渗性差；耐热性较好（300400）。,矿渣在3.0K下的SEM照片,应用：可用于耐热工程；不宜用于抗渗工程。,45,火山灰质硅酸盐水泥：保水性

15、好；抗渗性较好；干缩大，易干缩开裂。,应用：宜用于有抗渗性要求的混凝土工程；不宜用于干燥地区和受冻部位。,46,粉煤灰硅酸盐水泥：水化更慢，早强低；需水量小，可增加混凝土流动性；干缩较小，抗裂性好；抗渗性较差；耐磨性差。,粉煤灰在3.0K下的SEM照片,应用：适合用于承载较晚的混凝土工程；不宜用于有抗渗性要求的以及有耐磨性要求的混凝土工程。,复合硅酸盐水泥,定义：是由硅酸盐水泥、两种或两种以上混合材料和适量石膏组成。特性：取决于其所掺混合材料的种类、掺量及相对比例。适用范围：可根据其掺入的混合材料种类，参照其他混合材水泥适用范围选用。,47,48,第三节 其它品种水泥,一、铝酸盐水泥定义：以矾

16、土和石灰石作原料，按适当的比例配合进行烧结或熔融，再经粉磨而制成，称为铝酸盐水泥（CA）。分类：按Al2O3含量分为,耐高温工程,CA-80 77%Al2O3,CA-50 50%Al2O360%,抢修、早强要求高的工程,CA-60 60%Al2O368%,早强要求高的及耐热工程,CA-70 68%Al2O377%,耐热工程,50,铝酸盐水泥的主要特性及相应的应用,（1）快硬早强。1d强度高，适用于紧急抢修工程。（2）水化热大。放热量主要集中在早期，不宜用于大体积混凝土工程；但适用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程。（3）抗硫酸盐侵蚀性好。适用于抗硫酸盐及海水侵蚀的工程。（4）耐热性好。可作为耐热砂

17、浆或耐热混凝土的胶结材料，能耐13001400高温。（5）30以上潮湿环境导致转晶反应，强度显著降低。不宜蒸汽养护、高温季节施工，不宜用于温湿环境；适宜的硬化温度为15，因此也不宜用于长期承载结构。（6）与硅酸盐水泥或石灰相混会闪凝，且产生膨胀开裂，施工时应避免。（7）抗碱性极差。,应用过程需要注意的问题,（1）不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出氢氧化钙的物质混合，否则将产生闪凝，且强度降低。（2）铝酸盐水泥混凝土后期强度下降较大，应以最低稳定强度设计。最低稳定强度值以试体脱模后放入502水中养护，取龄期为7d和14d强度值的低着来确定。（3）若采用蒸汽养护，养护温度不高于50。（4）不能与未硬化

18、的硅酸盐水泥混凝土接触使用。（5）铝酸盐水泥最适宜的硬化温度为15左右，一般不得超过25。,52,二、硫铝酸盐水泥,定义：将铝质原料（如矾土）、石灰质原料（如石灰石）和石膏适当配合，煅烧成以无水硫酸钙矿物为熟料，该熟料掺适量石膏共同磨细，即可制得硫铝酸盐水泥。,3.硫铝酸盐水泥特性及应用（1）凝结速度较快；早期强度高，后期强度发展缓慢，但不倒缩。因此可用于抢修工程、冬季施工工程、地下工程、配制膨胀水泥和自应力水泥。（2）空气中收缩小，抗冻和抗渗性能良好，抗硫酸盐性能很强。（3）水泥液相碱度低，可用于配制玻璃纤维砂浆。,53,54,三、氟铝酸盐水泥,定义：以铝质原料、石灰质原料、萤石（或再加石膏

19、）适当配合，煅烧成以氟铝酸钙（C11A7CaF2）起主导作用的熟料，再与石膏共同磨细，即可制得氟铝酸盐水泥。矿物组成：C3S、早强矿物C11A7CaF2，C2S、C4AF、游离石灰和游离石膏。,2.氟铝酸盐水泥的特性及应用技术特性：凝结快具有小时强度良好的抗化学侵蚀性能应用：适用于煤矿井下的锚喷支护，抢修和快速施工，雨天快速施工、堵漏和水中工程，也可用于制作钢筋混凝土预制件等。,55,加水硬化后，体积膨胀而不是收缩。,四、膨胀水泥,硅酸盐膨胀水泥。硅酸盐水泥为主，外加高铝水泥和石膏配制而成。铝酸盐膨胀水泥。高铝水泥水泥为主，外加石膏配制而成。硫铝酸盐膨胀水泥。无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分

20、，外加石膏配制而成。铁铝酸钙膨胀水泥。铁相、无水硫铝酸钙和硅酸二钙为为主要成分，外加石膏配制而成。,膨胀原理：生成钙矾石。调整组分比例，可得不同的膨胀值。若膨胀受限，则产生自应力。自应力2MPa，称为自应力水泥；自应力2MPa，称为膨胀水泥；应用：补偿收缩混凝土、自应力混凝土。产品标准：膨胀硫铝酸盐水泥（ZB Q 11007-87）、自应力硫铝酸盐水泥（JC 715-1996）：,五、白色硅酸盐水泥,定义：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分、氧化铁含量很少的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥（简称白水泥）。性能：与硅酸盐水泥基本相

21、同，所不同的是严格控制水泥原料的铁含量，并严防在生产过程中混入铁质。Fe2O3含量一般小于0.5%，尽可能除掉其他着色氧化物（MnO、TiO2等）。,58,六、彩色硅酸盐水泥,定义：凡由硅酸盐水泥熟料及适量石膏（或白色硅酸盐水泥）、混合材及着色剂磨细或混合制成的带有色彩的水硬性胶凝材料称为彩色硅酸盐水泥。行业标准彩色硅酸盐水泥（JC/T870-2000）规定：强度等级为27.5、32.5、42.5；基本色有红、黄、蓝、绿、棕、黑等。应用：建筑物的内外装饰工程。,59,水泥工业之遗憾,1.消耗资源,我国已初步探明的石灰石储量为542亿吨，可开采利用的约为250亿吨。如以2004年我国水泥总产量9

22、.7亿吨、需消耗石灰质原料10亿吨记计，加上相关行业所用石灰石，则不需30年，即会出现石灰石资源枯竭的严重问题。一方面是水泥石灰石资源枯竭的严重问题，另一方面是消耗石灰石令人惊讶的高速度。（中国建材报2005年8月15日）,2.消耗能源,资料表明，2004年国产9.7亿吨水泥的能源消耗是燃煤1.6亿吨（标准煤）。专家预测，2010年我国水泥需求将达到13.5亿吨，原燃料消耗相应也会提高近40%。,3.破坏环境,2004年我国水泥工业CO2排放量达8亿多吨，SO3排放量超过100万吨，NOx排放量达262万吨，粉尘800万吨。,温室效应,酸雨,矽肺病等、土地碱化、破坏环境,4.我国目前的生产工艺

23、落后,发达国家新型干法技术多在80%以上，甚至95%。我国1995年新型干法水泥2853万吨，仅占总产量的6%；2004年上升到3.2亿吨，占总产量的33%；2005年底，新型干法水泥产量达到4.73亿吨，新型干法水泥的比重已达到45%。,近年进展迅速,本章结束！,三、常用水泥的特性,【案例分析】,1.湖南某厂综合楼，五层砖混结构1573m2，施工至屋面天沟时突然倒塌。材料为火山灰硅酸盐水泥，平均气温6，其中雨雪天36天，5气候34天。原因：温度对火山灰硅酸盐水泥影响很大，导致混凝土强度很低。,2.某水泥厂生产的PO水泥f-CaO含量较高，加水拌和后初凝时间仅为40min，本属于废品。但放置1

24、个月后，凝结时间又恢复正常，但强度有所下降，请分析原因。分析 该厂的PO水泥f-CaO含量较高，部分f-CaO的煅烧温度较低，加水拌和后，水与氧化钙迅速反应生成了氢氧化钙，并放出水化热，时浆体温度升高，加速了其他熟料矿物的水化速率，从而使初凝时间偏短。水泥放置一段时间后，吸收了空气中的水分，大部分CaO生成Ca(OH)2或进一步与空气中的CO2反应生成CaCO3。故此时加水拌和后，不会再出现原来的凝结时间过短的现象。但其他水泥熟料矿物也会和空气中的水反应，部分产生结团、结块，使强度下降（即损失掉了部分强度）。,64,3.不同品种水泥的混用概况 某单位先用强度等级为32.5矿渣水泥施工正常，因某

25、种原因，与后购进的42.5R普通水泥混合拌制混凝土使用，结果在现浇顶板时混凝土发生开裂。分析 不同品种等级的水泥，性能相差很大。如果将它们混合使用，将会由于水化热的不同在混凝土内部不同部位造成局部高温和低温的现象。这种温差会使混凝土产生不均匀的变形，导致裂缝产生、强度下降。,65,4.镶贴瓷砖空鼓脱落与水泥质量概况 某水泥厂在一段时间内由于煤的质量较差导致熟料烧成率降低，轻烧料较多，且熟料中Al2O3含量较高。为了保证生产42.5PO水泥的强度，所用13%混合材料由烧页岩改为活性较高的粒化高炉矿渣。经检验，各项指标均符合普通水泥的国家标准要求，其中水泥细度不变。但客户反映，在施工较规范的情况下

26、使用该段时间生产的水泥镶贴瓷砖却出现较多的空鼓脱落现象。请分析原因。分析 矿渣的保水性差，泌水严重，干缩较大；熟料中Al2O3含量较高，及C3A含量相对较高，C3A的干缩相对较大。,66,5.某大体积的混凝土工程，浇筑2周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某水泥厂生产的42.5R型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：,分析 该工程所用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥水化热高，且在浇筑时混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成贯穿型的纵向裂缝。,68,复习思考题：,1.硅酸盐水泥熟料主要矿物组分是什么？各矿物有 何特性？2.简述硅酸盐水泥水化过程与

27、主要水化产物。3.试述我国常用的六大品种水泥的基本材料组成及范围，各自的特性及应用。4.侵蚀水泥石的环境因素有哪些？造成这些侵蚀的根本原因及水泥石防护的措施有哪些？5.铝酸盐水泥有哪些特性？如何正确使用？,1.非活性混合材料定义：常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。常用：磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等作用：主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥强度等级、增加产量、降低水化热等作用。,2.活性混合材料,定义：常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。常用的活性混合材：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等。活性来源：可反应的SiO2、Al2O3,