混凝土的原材料之水泥

混凝土的原材料之水泥第1頁/共63頁

水泥之所以對混凝土如此重要是因為它有優(yōu)良的膠凝性能。四大類型礦物，可以在短時間內(nèi)水化形成堅強的石狀結(jié)構(gòu)，且在大氣、水中穩(wěn)定存在。是一種高能量的人造材料。經(jīng)過近兩百年的研究、生產(chǎn)與實踐，水泥技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，是人類改造自然，從事建設(shè)的有力武器。第2頁/共63頁水泥的生產(chǎn)硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過程可以概括為“兩磨一燒”。石灰石粘土鐵礦石生料磨熟料磨燒成設(shè)備水泥產(chǎn)品第3頁/共63頁第4頁/共63頁第5頁/共63頁第6頁/共63頁CementProductioninChinaIncreaseofcementoutputinChina:2002: 700milliontons.2003: 825milliontons.2004: 960milliontons.2005:1024milliontons.2006:1240milliontons.2007:1360milliontons.2008:1400milliontons.2009：1600milliontons.≥

halfofthecementoutputoftheworld.

第7頁/共63頁硅酸鹽水泥熟料

化學(xué)成分:

CaO、Al2O3、Fe2O3、SiO2

礦物組成：Alite C3S 3CaOSiO236~60%Belite C2S2CaOSiO215~37%，此二者75-82%；

C3A 3CaOAl2O3 7~15%C4AF4CaOAl2O3Fe2O310-18%此二者﹤25%；

f-CaO、MgO<10%1450℃煅燒第8頁/共63頁四大礦物的特點C3S是熟料主要的強度礦物，水化速度快水化熱較高，水化產(chǎn)物的收縮率較大，水化會釋放出大量的Ca(OH)2。隨著C3S增加，水泥的抗壓強度比抗折強度更快地增長，水泥的脆性系數(shù)（壓折比）增大，抗裂性變差。第9頁/共63頁四大礦物的特點C2S的水化速度很慢，水化熱低，收縮率比C3S小，抗侵蝕性能好，強度發(fā)展慢，早期強度很低，約一年后與C3S持平。第10頁/共63頁四大礦物的特點C3A水化、凝結(jié)速度最快，，是水泥石產(chǎn)生早強的主要礦物，但C3A強度絕對值不高，而且后期產(chǎn)生強度倒縮現(xiàn)象。水化熱大且集中，水化后因為層間水的蒸發(fā)以及形成的水化產(chǎn)物在轉(zhuǎn)型過程中體積縮小而產(chǎn)生較大的收縮，此外C3A需水量較大，對水泥拌合物的流動性不利，含量高對對高效減水劑的相容性變差，水泥石的抗硫酸鹽侵蝕性變差。第11頁/共63頁四大礦物的特點與C3A相比，C4AF不僅有較高的早期強度，而且后期強度還能有所增長，C4AF對抗折強度的貢獻遠大于抗壓強度，即脆性系數(shù)低，抗裂性好。C4AF的另一個重要作用是生成凝膠狀鐵酸，使水泥石具有較大的變形能力。根據(jù)南京化工大學(xué)的試驗數(shù)據(jù)，水泥中每增加1%的C4AF，磨損系數(shù)減少0.014-0.033%是C3S的7-17倍。在水泥石耐磨上所起的作用遠較C3S顯著。第12頁/共63頁第13頁/共63頁硅酸鹽水泥熟料礦物的水化①2(3CaOSiO2)+6H2O=3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2

C-S-H②2(2CaOSiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2

C-S-H③3CaOAl2O3+6H2O=3CaOAl2O36H2O

立方晶體

④

4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O=3CaOAl2O36H2O+CaOFe2O3H2O

第14頁/共63頁第15頁/共63頁第16頁/共63頁C3A在水泥中的實際水化情況3CaOAl2O3+Ca(OH)2+12H2O=4CaOAl2O313H2O

水化極快，無強度，瞬時凝結(jié)。有石膏存在時：4CaOAl2O313H2O+3(CaSO42H2O)+14H2O=3CaOAl2O33CaSO432H2O+Ca(OH)2生成高硫型水化硫鋁酸鈣（Aft)，即鈣礬石，為針狀晶體，包圍熟料顆粒，形成“保護膜”，延緩水化。當(dāng)石膏耗盡，而且3CaOAl2O3量較多時：3CaOAl2O33CaSO432H2O+2（3CaOAl2O3）+4H2O=3（3CaOAl2O3CaSO412H2O）

單硫型水化硫鋁酸鈣(Afm)第17頁/共63頁第18頁/共63頁C4AF在水泥中的實際水化情況4CaOAl2O3Fe2O3+Ca(OH)2+22H2O=2[4CaO(Al2O3,Fe2O3)13H2O]有石膏存在時，生成高硫型水化硫鋁酸鈣(Aft)：4CaOAl2O3Fe2O3+2Ca(OH)2+6(CaSO42H2O)+50H2O=2[3CaO(Al2O3,Fe2O3)3CaSO432H2O]當(dāng)石膏耗盡，而且尚有4CaO(Al2O3,Fe2O3)13H2O時，生成單硫型水化硫鋁酸鈣(Afm)：2[4CaO(Al2O3,Fe2O3)13H2O]+3CaOAl2O33CaSO432H2O=3[3CaO(Al2O3,Fe2O3)CaSO412H2O]+2Ca(OH)2+20H2O

第19頁/共63頁水泥水化產(chǎn)物C3S的水化產(chǎn)物：C-S-H+Ca(OH)2C2S的水化產(chǎn)物：C-S-H+Ca(OH)2C3A和C4AF的水化產(chǎn)物：Aft+Afm在充分水化的水泥石中：

C-S-H約占70%；

Ca(OH)2約占20%；

Aft+Afm約7%。

第20頁/共63頁第21頁/共63頁硅酸鹽水泥的凝結(jié)硬化

水泥加水拌和后，成為可塑的水泥漿，水泥漿逐漸變稠失去塑性，但尚不具有強度的過程，稱為水泥的“凝結(jié)”。隨后產(chǎn)生明顯的強度并逐漸發(fā)展而成為堅強的人造石——水泥石，這一過程稱為水泥的“硬化”。

第22頁/共63頁圖3-35硅酸鹽水泥在一定溫度下水化時的放熱曲線第23頁/共63頁第24頁/共63頁硅酸鹽水泥的性能

細度凝結(jié)時間；強度；安定性；化學(xué)減縮；水化熱。

第25頁/共63頁⑴細度當(dāng)水泥顆粒＞90μm時幾乎沒有活性≤40μm時活性好磨的過細①電耗大，產(chǎn)量低，成本高②收縮大，易開裂③水化速度過大，凝結(jié)硬化快國標(biāo)要求硅酸鹽水泥細度用比表面積表示≥300m2/kg；其它通用水泥用0.08mm篩余，要求不大于10%，0.045mm篩余不大于30%第26頁/共63頁比表面積高效減水劑相容性

當(dāng)水泥比表面積小于400m2/kg，隨比表面積增加，水泥凈漿初始流動度及30min、60min經(jīng)時流動度逐漸降低；當(dāng)水泥比表面積大于400m2/kg，隨比表面積增加，水泥凈漿初始流動度及30min、60min經(jīng)時流動度逐漸降低；第27頁/共63頁體積收縮、抗裂性近年來混凝土早期裂縫增加，原因是多方面的，但是水泥比表面積增加，肯定是其中的原因之一。第28頁/共63頁

近幾年來，混凝土的普遍開裂應(yīng)該說與水泥顆粒越來越細有直接關(guān)系。還有一個水泥中的粗顆粒問題，水泥界許多專家認為，水泥中>45μm的熟料顆粒對28d強度基本沒有作用，所以這種顆?？捎锌蔁o或可以盡量降低；而混凝土界許多專家研究后認為：增加水泥中未水化的熟料顆粒可以大大減少混凝土的收縮。而現(xiàn)在水泥細度的增加，使水泥中的粗顆粒大大減少。混凝土的收縮量的增大，產(chǎn)生裂縫的可能性變大。第29頁/共63頁高鐵混凝土限制水泥細度高速鐵路高性能混凝土開始對水泥細度進行限制，要求≤350m2/kg。第30頁/共63頁（2）凝結(jié)時間

加水拌和可塑漿體具有流動性初凝稠硬漿體流動性消失終凝硬化漿體強度增長誘導(dǎo)期凝結(jié)硬化初凝時間終凝時間GB175-2007規(guī)定，硅酸鹽水泥初凝不早于45min，終凝時間不晚于6h30min。第31頁/共63頁水泥漿體屈服值與凝結(jié)時間的關(guān)系

屈服值鈣礬石形成（或二水石膏形成）初凝終凝C-S-H形成水化時間初凝時間取決于C3A、C4AF及C3S的水化；終凝時間主要受C3S水化控制。Ca2+、OH-Al(OH)4-SO42-C-S-HAftCSH2第32頁/共63頁凝結(jié)時間的測定——維卡儀試針支架試桿圓模

試桿沉至底板3-5mm時，即為初凝狀態(tài)；當(dāng)下沉0.5mm，沒有壓痕時即為終凝狀態(tài)。影響凝結(jié)時間的因素：①C3A含量；②水泥的細度；③水灰比；④混合材摻量。

第33頁/共63頁水泥標(biāo)準稠度用水量測定Φ10Φ550755Φ60試針支架試錐試模

凝結(jié)時間需要在標(biāo)準稠度用水量下測定。試錐下降深度為28±2mm時的加水量即為標(biāo)準稠度用水量。第34頁/共63頁（3）強度GB177-85（舊標(biāo)準）GB/T17671-1999灰砂比1:2.51:3水灰比0.44-0.46*0.5標(biāo)準砂粒徑/mm0.25-0.65，其中0.25-0.40%占60%，0.40-0.65占40%0.08-2.0，其中0.08-0.5，0.5-1.0，1.0-2.0各占1/3試件受壓面積/mm40×62.540×40水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）（GB/T17671-1999）

40×40×160試體連模一起在濕氣中（溫度20℃±1℃，相對濕度不低于90%）養(yǎng)護24h，然后脫模在水中（20℃±1℃）養(yǎng)護，測定3d和28d強度。

試件尺寸第35頁/共63頁硅酸鹽水泥各齡期的強度要求(GB175-2007)

強度等級抗壓強度（MPa）抗折強度（MPa）3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0三個強度等級、兩種類型。R——早強型第36頁/共63頁第37頁/共63頁第38頁/共63頁第39頁/共63頁（4）安定性

水泥在調(diào)水和凝結(jié)以后，必須不產(chǎn)生任何顯著的體積變化。體積安定性不良的水泥，有凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生不均勻的膨脹，從而導(dǎo)致硬化漿體的開裂。

f-CaO、f-MgO水化引起及石膏摻量過多時，石膏與硬化體中的水化鋁酸鈣作用生成鈣礬石，體積膨脹1.5倍造成破壞。第40頁/共63頁安定性的檢驗方法

f-CaO：沸煮法(餅法)或雷氏法檢驗；

MgO：216℃，20atm×3h，試體膨脹率不超過0.5%。因其檢測煩瑣，故規(guī)定f-MgO<5.0%。

SO3：冷餅試驗：將試餅置于潮濕環(huán)境或浸入水中經(jīng)過28d或更長時間觀察有無明顯變形。其檢測煩瑣，規(guī)定SO3<3.5%。第41頁/共63頁第42頁/共63頁（5）化學(xué)減縮

2C3S+6H2O=C3S2H3+3CH

密度3.141.002.442.23

分子量228.2318.02342.4874.10 Mol體積72.7118.02140.4033.23體系所占體積145.42108.12140.4099.69253.54cm3240.09cm3=13.45cm3C3A＞C4AF＞C3S＞C2S一般硅酸鹽水泥，每100g減縮約7～9%。第43頁/共63頁（6）水化熱

硅酸鹽水泥1-3d齡期水化放熱量為總放熱量的50%，7d為75%，6個月為83-97%。因此水泥放熱大部分在早期3-7d放出。水泥礦物水化熱，J/g

單礦物C3SC2SC3AC4AF水化熱3d2405088029028d3771051378494第44頁/共63頁第45頁/共63頁（7）堿含量水泥中堿含量含找Na2O+K2O計算值表示，標(biāo)準規(guī)定不應(yīng)大于0.06%或由買賣雙方協(xié)商確定。第46頁/共63頁水泥中堿含量較高時會在三方面對水泥造成不利影響：發(fā)生堿-集料反應(yīng)；導(dǎo)致水泥與高效減水劑相容性變差；使水泥抗裂性變差；第47頁/共63頁混凝土構(gòu)件中心溫度與厚度的關(guān)系

絕熱的6m3m2m1m水泥量300kg/m3溫升(℃)混凝土齡期(d)504030201002468101214

對冬季施工而言，水化放熱有利于水泥的正常凝結(jié)，可不因環(huán)境溫度過低而使水化太慢。但如構(gòu)筑物尺寸較大，熱量不易散失，溫度升高，與其表面的溫差過大，就會產(chǎn)生較大應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫。

第48頁/共63頁在大體積混凝土工程不宜采用硅酸鹽水泥

大型基礎(chǔ)、水壩、橋墩等大體積混凝土構(gòu)筑物，由于水化熱積聚在內(nèi)部不易散熱，內(nèi)部溫度常上升到50-60℃以上，內(nèi)外溫度差所引起的應(yīng)力，可使混凝土產(chǎn)生裂縫，因此水化熱對大體積混凝土是有害因素。在大體積混凝土工程中，不宜采用硅酸鹽水泥。第49頁/共63頁水泥的三高問題“高細度、高C3S含量、高強度等級”所謂的“三高”水泥對混凝土產(chǎn)生裂縫的不利影響應(yīng)該說越來越大了。例如機場跑道工程，在20世紀50-70年代修建的許多軍事和民用機場，路面混凝土至今保持完好，而20世紀80年代后修建的混凝土路面三五年內(nèi)出現(xiàn)破壞的有很多。第50頁/共63頁陜西省有一條渭惠水渠，是20世紀30年代我國著名水利專家李儀址主持修建的，至今80多年過去了，那些橋涵跌水設(shè)施大部分保持完好，而20世紀80年代后修建的一些水利設(shè)施，出現(xiàn)嚴重破壞的很多。第51頁/共63頁我們也曾用過一些高強度等級的所謂“好水泥”做的房屋散水，經(jīng)一個冬天，出現(xiàn)掉皮裂縫問題，而用低強度等級的所謂“差水泥”做的散水，卻一直保持完好。第52頁/共63頁美國從20世紀30年代開始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把細度由允許大于75ηm的顆粒含量為22%，改為基本為零。70年后的今天，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1930年前修建的橋梁有67%保持完好，而1930年后修建的橋梁只有27%保持完好。第53頁/共63頁R型水泥除了可以使混凝土早強、早拆模外，對混凝土的其他性能不會有明顯好處。相反，由于它3d強度高，水化熱和收縮集中，可能會對混凝土裂縫的產(chǎn)生帶來不利的影響。所以，如果工程中對混凝土早強沒有特別的要求，就