第05章水泥.ppt

第五章水泥水泥 指加水拌和成塑性漿后 能膠結(jié)砂 石等適當(dāng)材料并能在空氣和水中硬化的粉狀水硬性膠凝材料 土木建筑工程通常采用的水泥主要有 硅酸鹽水泥 普通硅酸鹽水泥 礦渣硅酸鹽水泥 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥 粉煤灰硅酸鹽水泥等品種 第一節(jié)硅酸鹽水泥凡由硅酸鹽水泥熟料 石灰石或粒化高爐礦渣 適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料 稱為硅酸鹽水泥 硅酸鹽水泥在國際上分為兩種類型 不摻混合材的稱I型硅酸鹽水泥 其代號為P I 在硅酸鹽水泥熟料粉磨時摻入不超過水泥質(zhì)量5 的石灰石或?；郀t礦渣混合材料的稱II型硅酸鹽水泥 其代號為 II 一 硅酸鹽水泥的生產(chǎn)生產(chǎn)硅酸鹽水泥的原料 主要是石灰質(zhì)和粘土質(zhì)兩類原料 為了補充鐵質(zhì)及改善煅燒條件 還可加入適量鐵粉 螢石等 生產(chǎn)水泥的基本工序可以概括為 兩磨一燒 先將原材料破碎并按其化學(xué)成分配料后 在球磨機中研磨為生料 然后入窯鍛燒至部分熔融 所得以硅酸鈣為主要成分的水泥熟料 配以適量的石膏及混合材料在球磨機中研磨至一定細度 即得到硅酸鹽水泥 二 硅酸鹽水泥熟料的礦物組成硅酸鹽水泥熟料的主要礦物組成為 硅酸三鈣硅酸三鈣的化學(xué)成分為 a i 2 其簡寫為 3S 它是硅酸鹽水泥熟料中最主要的礦物成分 約占水泥熟料總量的 硅酸三鈣遇水后能夠很快與水產(chǎn)生水化反應(yīng) 并產(chǎn)生較多的水化熱 它對促進水泥的凝結(jié)硬化 特別是對水泥 天內(nèi)的早期強度以及后期強度都起主要作用 硅酸二鈣硅酸二鈣的化學(xué)成分為2 a i 2 其簡寫為C2S 約占水泥熟料總量的15 37 硅酸二鈣遇水后反應(yīng)較慢 水化熱也較低 它不影響水泥的凝結(jié) 對水泥的后期強度起主要作用 鋁酸三鈣鋁酸三鈣的化學(xué)成分是 CaO Al2O3 其簡寫為C3 約占水泥熟料總量的7 15 鋁酸三鈣遇水后反應(yīng)極快 產(chǎn)生的熱量大而且很集中 鋁酸三鈣對水泥的凝結(jié)起主導(dǎo)作用 但其水化產(chǎn)物強度較低 主要對水泥的早期強度有所貢獻 鐵鋁酸四鈣鐵鋁酸四鈣的化學(xué)成分為 CaO Al2O3 Fe2O3 其簡寫為 4AF 約占水泥熟料總量的10 18 鐵鋁酸四鈣遇水時水化反應(yīng)也很快 水化熱較低 水化產(chǎn)物的強度不高 對水泥石的抗壓強度貢獻不大 主要對抗折強度貢獻較大 3 硅酸鹽水泥的水化硅酸鹽水泥遇水后 水泥中的各種礦物成分會很快發(fā)生水化反應(yīng) 生成各種水化物 硅酸三鈣水水化硅酸鈣氫氧化鈣 硅酸二鈣水水化硅酸鈣氫氧化鈣鋁酸三鈣水水化鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣水水化鋁酸三鈣水化鐵酸鈣 水泥中的石膏也很快與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成難溶的水化硫鋁酸鈣針狀結(jié)晶體 也稱為鈣礬石晶體 水化硫鋁酸鈣 鈣礬石 經(jīng)過上述水化反應(yīng)后 水泥漿中不斷增加的水化產(chǎn)物主要有 水化硅酸鈣 50 氫氧化鈣 25 水化鋁酸鈣 水化鐵酸鈣及水化硫鋁酸鈣等新生礦物 4 硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化水泥加水拌合后的劇烈水化反應(yīng) 一方面使水泥漿中起潤滑作用的自由水分逐漸減少 另一方面 水化產(chǎn)物在溶液中很快達飽和或過飽和狀態(tài)而不斷析出 水泥顆粒表面的新生物厚度逐漸增大 使水泥漿中固體顆粒間的間距逐漸減小 越來越多的顆粒相互連接形成了骨架結(jié)構(gòu) 此時 水泥漿便開始慢慢失去可塑性 表現(xiàn)為水泥的初凝 由于鋁酸三鈣水化極快 會使水泥很快凝結(jié) 為使工程使用時有足夠的操作時間 水泥中加入了適量的石膏 水泥加入石膏后 一旦鋁酸三鈣開始水化 石膏會與水化鋁酸三鈣反應(yīng)生成針狀的鈣礬石 鈣礬石很難溶解于水 可以形成一層保護膜覆蓋在水泥顆粒的表面 從而阻礙了鋁酸三鈣的水化 阻止了水泥顆粒表面水化產(chǎn)物的向外擴散 降低了水泥的水化速度 使水泥的初凝時間得以延緩 當(dāng)摻入水泥的石膏消耗殆盡時 水泥顆粒表面的鈣礬石覆蓋層一旦被水泥水化物的積聚物所脹破 鋁酸三鈣等礦物的再次快速水化得以繼續(xù)進行 水泥顆粒間逐漸相互靠近 直至連接形成骨架 水泥漿的塑性逐漸消失 直到終凝 隨著水化產(chǎn)物的不斷增加 水泥顆粒之間的毛細孔不斷被填實 加之水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣晶體 水化鋁酸鈣晶體不斷貫穿于水化硅酸鈣等凝膠體之中 逐漸形成了具有一定強度的水泥石 從而進入了硬化階段 水化產(chǎn)物的進一步增加 水分的不斷喪失 使水泥石的強度不斷發(fā)展 隨著水泥水化的不斷進行 水泥漿結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙不斷被新生水化物填充和加固的過程 稱為水泥的 凝結(jié) 隨后產(chǎn)生明顯的強度并逐漸變成堅硬的人造石 水泥石 這一過程稱為水泥的 硬化 實際上 水泥的水化過程很慢 較粗水泥顆粒的內(nèi)部很難完全水化 因此 硬化后的水泥石是由晶體 膠體 未完全水化顆粒 游離水及氣孔等組成的不均質(zhì)體 5 影響水泥凝結(jié)硬化的主要因素 礦物組成不同礦物成分和水起反應(yīng)時所表現(xiàn)出來的特點是不同的 如C3A水化速率最快 放熱量最大而強度不高 C2S水化速率最慢 放熱量最少 早期強度低 后期強度增長迅速等 因此 改變水泥的礦物組成 其凝結(jié)硬化情況將產(chǎn)生明顯變化 水泥的礦物組成是影響水泥凝結(jié)硬化的最重要的因素 水泥漿的水灰比水泥漿的水灰比是指水泥漿中水與水泥的質(zhì)量之比 當(dāng)水泥漿中加水較多時 水灰比較大 此時水泥的初期水化反應(yīng)得以充分進行 但是水泥顆粒間原來被水隔開的距離較遠 顆粒間相互連接形成骨架結(jié)構(gòu)所需的凝結(jié)時間長 所以水泥漿凝結(jié)較慢 水泥漿的水灰比較大時 多余的水分蒸發(fā)后形成的孔隙較多 造成水泥石的強度較低 因此水泥漿的水灰比過大時 會明顯降低水泥石的強度 3 石膏摻量石膏起緩凝作用的機理可解釋為 水泥水化時 石膏能很快與鋁酸三鈣作用生成水化硫鋁酸鈣 鈣礬石 鈣礬石很難溶解于水 它沉淀在水泥顆粒表面上形成保護膜 從而阻礙了鋁酸三鈣的水化反應(yīng) 控制了水泥的水化反應(yīng)速度 延緩了凝結(jié)時間 4 水泥的細度在礦物組成相同的條件下 水泥磨得愈細 水泥顆粒平均粒徑小 比表面積大 水化時與水的接觸面大 水化速度快 相應(yīng)地水泥凝結(jié)硬化速度就快 早期強度就高 5 環(huán)境溫度和濕度在適當(dāng)溫度條件下 水泥的水化 凝結(jié)和硬化速度較快 反應(yīng)產(chǎn)物增長較快 凝結(jié)硬化加速 水化熱較多 相反 溫度降低 則水化反應(yīng)減慢 強度增長變緩 但高溫養(yǎng)護往往導(dǎo)致水泥后期強度增長緩慢 甚至下降 水的存在是水泥水化反應(yīng)的必要條件 當(dāng)環(huán)境濕度十分干燥時 水泥中的水分將很快蒸發(fā) 以致水泥不能充分水化 硬化也將停止 反之 水泥的水化將得以充分進行 強度正常增長 6 齡期 時間 水泥的凝結(jié)硬化是隨時間延長而漸進的過程 只要溫度 濕度適宜 水泥強度的增長可持續(xù)若干年 6 硅酸鹽水泥的技術(shù)要求 細度水泥顆粒的粗細程度對水泥的使用有重要影響 水泥顆粒粒徑一般在7 200 m范圍內(nèi) 國家標準GB175 1999規(guī)定 水泥的細度可用比表面積或0 08mm方孔篩的篩余量 未通過部分占試樣總量的百分率 來表示 其篩余量不得超過規(guī)定的限值 比表面積是指單位質(zhì)量的水泥粉末所具有的表面積的總和 cm2 g或m2 kg 一般常為317 350m2 kg 標準稠度用水量稠度是水泥漿達到一定流動度時的需水量 國家標準規(guī)定檢驗水泥的凝結(jié)時間和體積安定性時需用 標準稠度 的水泥凈漿 標準稠度 是人為規(guī)定的稠度 其用水量采用水泥標準稠度測定儀測定 硅酸鹽水泥的標準稠度用水量一般在 之間 3 凝結(jié)時間水泥從加水開始到失去其流動性 即從液體狀態(tài)發(fā)展到較致密的固體狀態(tài)的過程稱為水泥的凝結(jié)過程 這個過程所需要的時間稱為凝結(jié)時間 凝結(jié)時間分初凝時間和終凝時間 初凝時間為水泥加水拌和至標準稠度的凈漿完全失去可塑性所需的時間 終凝時間為水泥加水拌和至標準稠度的凈漿完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強度所需的時間 國家標準規(guī)定 水泥的凝結(jié)時間是以標準稠度的水泥凈漿 在規(guī)定溫度及濕度環(huán)境下用水泥凈漿凝結(jié)時間測定儀測定 硅酸鹽水泥的初凝時間不得早于45min 終凝時間不得遲于6h30min 體積安定性水泥漿體硬化后體積變化的均勻性稱為水泥的體積安定性 即水泥硬化漿體能保持一定形狀 不開裂 不變形 不潰散的性質(zhì) 體積安定性不良的水泥應(yīng)作廢品處理 不得應(yīng)用于工程中 否則將導(dǎo)致嚴重后果 導(dǎo)致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料中的游離氧化鈣 游離氧化鎂或摻入石膏過多等原因造成的 其中游離氧化鈣是一種最為常見 影響也是最嚴重的因素 熟料中所含游離氧化鈣或氧化鎂都是過燒的 結(jié)構(gòu)致密 水化很慢 加之被熟料中其它成分所包裹 使得其在水泥已經(jīng)硬化后才進行熟化 生成六方板狀的Ca OH 2晶體 這時體積膨脹 以上 從而導(dǎo)致不均勻體積膨脹 使水泥石開裂 當(dāng)石膏摻量過多時 在水泥硬化后 殘余石膏與水化鋁酸鈣繼續(xù)反應(yīng)生成鈣礬石 體積增大約1 5倍 從而導(dǎo)致水泥石開裂 國家標準規(guī)定 水泥的體積安定性用雷氏法或試餅沸煮法檢驗 5 強度強度是評價硅酸鹽水泥質(zhì)量的又一個重要指標 水泥的強度是按照GB T17961 1999 水泥膠砂強度檢驗方法 ISO 法 的標準方法制作的水泥膠砂試件 在20 1 C溫度的水中 養(yǎng)護到規(guī)定齡期時檢測的強度值 其中標準試件尺寸為4cm 4cm 16cm 膠砂中水泥與標準砂之比為1 3 W C 0 5 標準試驗齡期分別為 d和28d 分別檢驗其抗壓強度和抗折強度 按照測定結(jié)果 將硅酸鹽水泥分為42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5R六個強度等級 各等級硅酸鹽水泥在不同齡期的強度要求見表5 3 6 堿含量水泥中含有較多的強堿物Na2O或K2O時 容易發(fā)生不良反應(yīng)對結(jié)構(gòu)造成危害 因而國家標準規(guī)定 水泥中的含堿量不得大于0 6 7 水泥石的腐蝕7 1水泥石腐蝕的方式 軟水侵蝕水泥石長期接觸軟水時 會使水泥石中的氫氧化鈣不斷被溶出 當(dāng)水泥石中游離的氫氧化鈣減少到一定程度時 水泥石中的其它含鈣礦物也可能分解和溶出 從而導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)的強度降低 甚至破壞 當(dāng)水泥石處于軟水環(huán)境時 特別是處于流動的軟水環(huán)境中時 水泥被軟水侵蝕的速度更快 一般酸的腐蝕工程結(jié)構(gòu)處于各種酸性介質(zhì)中時 酸性介質(zhì)易與水泥石中的氫氧化鈣反應(yīng) 其反應(yīng)產(chǎn)物可能溶于水中而流失 或發(fā)生體積膨脹造成結(jié)構(gòu)物的局部被脹裂 破壞了水泥石的結(jié)構(gòu) 其基本化學(xué)反應(yīng)式為 碳酸的腐蝕雨水及地下水中常溶有較多的二氧化碳 形成了碳酸 碳酸水先與水泥石中的氫氧化鈣反應(yīng) 中和后使水泥石碳化 形成了碳酸鈣 碳酸鈣再與碳酸反應(yīng)生成可溶性的碳酸氫鈣 并隨水流失 從而破壞了水泥石的結(jié)構(gòu) 其腐蝕反應(yīng)過程為 硫酸鹽的腐蝕當(dāng)環(huán)境中含有硫酸鹽的水滲入到水泥石結(jié)構(gòu)中時 會與水泥石中的氫氧化鈣反應(yīng)生成石膏 石膏再與水泥石中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石 產(chǎn)生1 5倍的體積膨脹 這種膨脹必然導(dǎo)致脆性水泥石結(jié)構(gòu)的開裂 甚至崩潰 由于鈣礬石為微觀針狀晶體 人們常稱其為水泥桿菌 此外 有些其它物質(zhì)也能腐蝕水泥石 如鎂鹽 強堿 糖類 脂肪等 7 2防止水泥石腐蝕的方法 根據(jù)工程的環(huán)境特點 合理選擇水泥品種 或適當(dāng)摻加混合材料 減少可腐蝕物質(zhì)的濃度 防止或延緩水泥的腐蝕 如處于軟水環(huán)境的工程 常選用摻混合材料的礦渣水泥 火山灰水泥或粉煤灰水泥 因為這些水泥的水泥石中氫氧化鈣含量低 對軟水侵蝕的抵抗能力強 提高混凝土的密實度 采取措施減少水泥石結(jié)構(gòu)的孔隙率 特別是提高表面的密實度 阻塞腐蝕介質(zhì)滲入水泥石的通道 在水泥石結(jié)構(gòu)的表面設(shè)置保護層 隔絕腐蝕介質(zhì)與水泥石的聯(lián)系 如采用涂料 貼面等致密的耐腐蝕層覆蓋水泥石 能夠有效地保護水泥石不被腐蝕 8 硅酸鹽水泥的性能特點與應(yīng)用 凝結(jié)硬化快 早期及后期強度均高 適用于有早強要求的工程 如冬季施工