硅酸鹽水泥的性能

§7硅酸鹽水泥的性能

§7.1凝結(jié)一、凝結(jié)過程水泥加水拌和成水泥漿體，逐漸失去流動性、可塑性，形成具有一定強(qiáng)度的硬化漿體的過程。⑴初凝時間：從加水拌和起，到水泥漿體開始失去可塑性所需時間。⑵終凝時間：從加水拌和起，到水泥漿體完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所需時間。二、凝結(jié)時間的重要意義若初凝時間太短，往往來不及進(jìn)行施工，水泥漿體就已變硬。若終凝時間太長，未產(chǎn)生足夠大的強(qiáng)度，則影響施工的速度。三、影響凝結(jié)時間的因素1.熟料礦物組成C3A含量高，易導(dǎo)致水泥的快凝（閃凝）2.熟料礦物結(jié)構(gòu)慢冷熟料易導(dǎo)致水泥的快凝（慢冷時，C3A形成晶體）3.水泥細(xì)度細(xì)度細(xì)，水泥水化快，凝結(jié)時間短4.水化溫度溫度高，水泥水化快，凝結(jié)時間短5.水灰比（水泥漿體稠度）水灰比越大，水化速度就越快，但加水量過多，顆粒間距會增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較難形成，所以凝結(jié)速度反而變慢。6.調(diào)凝外加劑促凝劑：如氯化鈉、硫酸鈉、三乙醇胺等緩凝劑：如糖鈣、木鈣、檸檬酸、鋅鹽、磷酸鹽、石膏等四、石膏的作用及其適宜摻量的確定1.石膏的作用可以控制水泥的水化速度、調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間。改善水泥的性能。如提高早期強(qiáng)度，降低干縮變形，改善耐久性等。主要作用是調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間2.石膏的緩凝機(jī)理①一般認(rèn)為，在水泥顆粒表面形成AFt保護(hù)膜，阻礙水分等移動的結(jié)果。

C3A水化生成AFt，在水泥顆粒表面形成一層薄膜，阻滯水分子及離子的擴(kuò)散，延緩C3A的繼續(xù)水化。隨著擴(kuò)散作用的進(jìn)展，在C3A表面又形成AFt，由固相體積增加所產(chǎn)生的結(jié)晶壓力達(dá)到一定數(shù)值時，AFt薄膜局部脹裂，水化繼續(xù)進(jìn)行。接著新生成的AFt又將破裂處重新封閉，再使水化延緩。如此反復(fù)進(jìn)行，直至SO42-消耗不足以形成AFt。②洛赫爾認(rèn)為：溶液中有效的硫酸鹽和鋁酸鹽的比例，也就是相互之間的動態(tài)平衡,是決定水泥凝結(jié)時間的關(guān)鍵。水泥的凝結(jié)取決于漿體內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。正常凝結(jié)只生成AFt。如SO42-不足，除AFt，還有C4AH13及AFm，這些六方板狀晶體很快使水泥粒子相互接觸，迅速搭接成網(wǎng)，快速凝結(jié)。如SO42-過多，則生成次生二水石膏，也促使快凝。3.石膏的最佳摻量石膏對水泥凝結(jié)時間的影響，并不與摻量成正比，并帶有突變性。石膏摻量<1.3%：不足以阻止快凝；石膏摻量>2.5%：對凝結(jié)時間影響不大。SO3摻入量：一般為1.5％～2.5％。經(jīng)驗(yàn)公式：①理論上a.適宜的石膏摻量應(yīng)能使AFtAFm的轉(zhuǎn)變峰不至于出現(xiàn)。否則，表示石膏摻量不足。b.水泥中石膏的適宜摻量，應(yīng)是加水后24小時左右能耗盡的數(shù)量；同時，也與水泥細(xì)度、熟料中SO3含量以及混合材的種類和含量等因素有關(guān)。②實(shí)際上用同一熟料摻不同百分比的石膏，根據(jù)所得“強(qiáng)度-SO3含量”關(guān)系曲線，選擇凝結(jié)正常時能達(dá)到最高強(qiáng)度的SO3摻加量。石膏摻量一般在SO3=1.5~2.5%之間。陰影部分五、水泥的急凝與假凝1.急凝在C3A含量較高，或石膏等緩凝劑摻量過少時，硅酸鹽水泥加水拌和后，C3A迅速反應(yīng)，很快生成大量片狀的水化鋁酸鈣（C4AH13），并相互連接形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)不可逆的固化現(xiàn)象，又稱為“速凝”或“閃凝”。2.假凝假凝是指水泥加水拌和后，在幾分鐘內(nèi)即迅速凝結(jié)變硬，經(jīng)劇烈攪拌后，又重新恢復(fù)塑性的現(xiàn)象。造成假凝的主要原因是水泥在粉磨時受到高溫，其中二水石膏脫水形成半水石膏甚至可溶性無水石膏。§7.2強(qiáng)度一、強(qiáng)度的產(chǎn)生和發(fā)展水化形成大量C-S-H凝膠、Ca(OH)2、鈣釩石(AFt)晶體；C-S-H、鈣釩石(AFt)生長成纖維狀，相互交織聯(lián)結(jié)，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生強(qiáng)度；隨著水化進(jìn)行，水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增加，晶體尺寸不斷長大，從而使硬化漿體結(jié)構(gòu)更為致密，強(qiáng)度逐漸提高。

二、熟料礦物組成的作用單礦物凈漿抗壓強(qiáng)度MPa礦物7d28d180d365dC3S31.6045.7050.2057.30β-C2S2.354.1218.9031.90C3A11.6012.2000C4AF29.4037.7048.3058.30堿的作用：促進(jìn)熟料的早期水化，水泥早期強(qiáng)度提高，但后期強(qiáng)度降低。微量氧化物：適量微量氧化物促進(jìn)水泥早期水化，強(qiáng)度提高。熟料形成氣氛：還原氣氛降低熟料活性，強(qiáng)度降低。三、養(yǎng)護(hù)溫度、濕度和壓力養(yǎng)護(hù)溫度升高（常壓）：早期強(qiáng)度快速增長；

損害后期強(qiáng)度，尤其是抗折強(qiáng)度原因分析：C-S-H纖維長徑比；C-S-H分布不均；熱膨脹產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。措施：升溫養(yǎng)護(hù)前，在常溫下“靜?！币欢〞r間。濕度不夠：水泥水化緩慢，降低水泥強(qiáng)度（早期濕養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要）蒸壓養(yǎng)護(hù)（高溫高壓）：早期強(qiáng)度有較大提高，但后期強(qiáng)度損害嚴(yán)重（水化產(chǎn)物性質(zhì)變化；孔隙率增大）。措施：蒸壓時漿體內(nèi)摻適量硅質(zhì)材料（形成托勃莫來石）四、水灰比（w/c）

水灰比增大，強(qiáng)度降低：水泥水化所需的結(jié)合水一般占水泥質(zhì)量的23％左右，水灰比大，多余的水蒸發(fā)形成氣孔或通道，強(qiáng)度下降；水灰比過小，流動性差：拌合物干稠，施工振搗中不易密實(shí)，出現(xiàn)蜂窩、孔洞，強(qiáng)度下降。強(qiáng)度與水泥石密實(shí)程度密切相關(guān)：孔隙率、孔結(jié)構(gòu)。五、水泥細(xì)度比較公認(rèn)的水泥最佳性能的顆粒級配：<1um：攪拌中就完全水化，對強(qiáng)度無益；增加需水量，降低澆筑性能。1～3um：可提高3d強(qiáng)度，但增加需水量。3～32um：決定28d強(qiáng)度，含量越高越好；強(qiáng)度富余大，可增加混合材摻量。32～65um：對強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，但貢獻(xiàn)率低。>65um：只起骨架作用；含量增加，泌水性增大。注意：針對P·I水泥

最佳性能評價指標(biāo)：水泥的水化速率和水化程度對水泥細(xì)度的再認(rèn)識2003年6月，美國墾務(wù)局Richard?W?burrows在ASTM委員會上指出：我們肯定誤入了歧途。50年來，我們一絲不茍地遵照不斷細(xì)化和改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)制備混凝土，但是混凝土的開裂情況反而比50年前更加嚴(yán)重。原因不外乎兩種：一是使用的水泥過量，二是波特蘭水泥變得更易開裂。KumarMehta總結(jié)了近百年美國混凝土發(fā)展道路，提出與混凝土耐久性有關(guān)的水泥方面的問題包括：(1)水泥用量增加了；(2)水泥強(qiáng)度特別是早期強(qiáng)度高了；(3)水泥C3S多了；(4)水泥比表面積增加了。半個世紀(jì)以來我國水泥強(qiáng)度、細(xì)度變化相反觀點(diǎn)：水泥生產(chǎn)是能耗大戶……熟料中硅酸鹽礦物等的潛在水硬性，就應(yīng)該加以充分利用。也就是將水泥磨得細(xì)一點(diǎn)，充分發(fā)揮其強(qiáng)度，才對得起所耗的能源及排放CO2產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。目前，混合粉磨：選擇性粉磨對于強(qiáng)度認(rèn)識的誤區(qū):(1)首先是水泥、混凝土的唯強(qiáng)度論:強(qiáng)度第一，甚至強(qiáng)度唯一。這一錯誤的觀念從混凝土行業(yè)傳遞到水泥行業(yè)，多年來已深入人心，許多人認(rèn)為不容置疑。(2)其次是水泥強(qiáng)度的唯化學(xué)論:把活性(化學(xué)反應(yīng)能力)與強(qiáng)度等同，認(rèn)為強(qiáng)度的唯一來源是水泥(或摻合料)的化學(xué)反應(yīng)能力。(3)將按照標(biāo)準(zhǔn)方法檢驗(yàn)(固定水灰比)的只具有相對意義的強(qiáng)度數(shù)值絕對化。事實(shí)上，強(qiáng)度是水灰比、齡期的函數(shù)。水泥配合比/%抗壓強(qiáng)度/MPa水化熱/(kJ/kg)P·I高細(xì)石灰石礦粉粉煤灰3d7d28d3d7dP·I100---30.442.459.22833021#水泥70620433.647.564.02#水泥60630435.449.766.82742873#水泥50640429.148.964.84#水泥40650425.343.559.9影響水泥早期強(qiáng)度的因素包含化學(xué)作用和物理作用兩個方面。長期以來，我們幾乎認(rèn)為提高水泥活性是提高水泥強(qiáng)度的唯一途徑，而忽視了水泥強(qiáng)度的物理作用，忽視了通過優(yōu)化水泥的粒度分布，提高水泥水化前的堆積密度，可以在顯著提高水泥強(qiáng)度的同時降低水化速率這一重要事實(shí)。與水泥物理性能相關(guān)的是水泥粒度分布，篩余或比表面積只能作為水泥廠粉磨工藝的一個控制指標(biāo)。對于混凝土耐久性而言，粗水泥也只是混凝土耐久性的充分條件而非必要條件?；炷烈笏嗖荒苓^細(xì)實(shí)際上想要表達(dá)的是:水泥過細(xì)會加快早期水化速率、提高早期水化熱、增加早期收縮、提高減水劑摻量、增加坍落度損失。造成上述現(xiàn)象的主要是過細(xì)的熟料顆粒，水泥混合材料(于混凝土則為摻合料)過細(xì)則不會導(dǎo)致上述問題。分別確定熟料粒度分布、混合材料粒度分布和水泥粒度分布的要求。水泥中熟料的粒度分布要求是在保證較低細(xì)顆粒含量的前提下，盡量提高水化程度，熟料粒度分布應(yīng)符合最佳性能RRSB方程?；旌喜牧狭６确植家笫牵c熟料配合后提高水泥顆粒的堆積密度，使得熟料+混合材料組成的水泥的粒度分布符合Fuller曲線。§7.3體積變化與水化熱一、體積變化1.體積安定性2.化學(xué)減縮水泥在水化硬化過程中，無水的熟料礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)物，固相體積增加，而水泥漿體的總體積卻在不斷縮小。由于這種體積減縮是化學(xué)反應(yīng)所致，故稱為化學(xué)減縮。C3S的水化反應(yīng)體系：反應(yīng)前體系總體積:253.54cm3反應(yīng)后體系總體積:240.09cm3體積減縮：5.3％化學(xué)減縮作用：C3A>C4AF>C3S>C2S混凝土成型后40d內(nèi)化學(xué)收縮增長較快，是不可恢復(fù)收縮。3.濕脹干縮硬化水泥漿體的體積隨其含水量而變化。漿體結(jié)構(gòu)含水量增加時，其中凝膠粒子由于分子吸附作用而分開，導(dǎo)致體積膨脹；如果含水量減少，則會使體積收縮。濕脹變形量小，對混凝土性能基本上無影響。干縮原因：毛細(xì)孔水分蒸發(fā)，使毛細(xì)孔中形成負(fù)壓，產(chǎn)生收縮力，導(dǎo)致混凝土收縮；當(dāng)毛細(xì)孔中的水蒸發(fā)完后，如繼續(xù)干燥，則凝膠體顆粒間吸附水也發(fā)生部分蒸發(fā)，縮小凝膠體顆粒間的距離，甚至產(chǎn)生新的化學(xué)結(jié)合而收縮。水泥漿體的干縮：由C3A含量決定；石膏的影響；混合材類型（礦渣干縮大）；水泥細(xì)度。干縮變形一部分是可恢復(fù)的，也有一部分（約30％～60％）不能恢復(fù)。干縮值大于0.04％時，混凝土開裂的可能性很大。措施：延長濕養(yǎng)護(hù)時間。4.碳化收縮

在一定的相對濕度下，硬化水泥漿體中的水化產(chǎn)物如Ca(OH)2、C-S-H等會與空氣中的CO2作用，生成CaCO3和H2O，造成硬化漿體的體積減少，出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，稱為碳化收縮。表面碳化：強(qiáng)度影響不大；堿度降低

二、水化熱產(chǎn)生：熟料礦物與水反應(yīng)放熱影響因素：C3A；熟料冷卻速率；水泥細(xì)度；混合材摻量利：冬季施工中，水化放熱能提高水泥漿體的溫度，有利于水泥正常凝結(jié)弊：在大體積混凝土工程中，水化放出的熱量聚集在混凝土內(nèi)部不易散失，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生應(yīng)力，致使混凝土不均勻膨脹而產(chǎn)生裂縫，給工程帶來嚴(yán)重的危害。

C3A的檢測方法：巖相分析法，x射線衍射法、化學(xué)分析法區(qū)分：熟料中的C3A、水泥中的C3A混合材的影響：含鋁量高的（粉煤灰）使檢測結(jié)果偏高，

含鐵量高的（鐵尾礦）使檢測結(jié)果偏低。用化學(xué)分析法計(jì)算普通硅酸鹽水泥C3A的正確步驟是：a確定水泥中熟料的百分含量；b確定熟料的化學(xué)成分組成；c計(jì)算熟料中C3A含量；d用熟料C3A計(jì)算值乘以水泥中熟料的百分含量，得到水泥C3A的測定值。我的水泥怎么生產(chǎn)？在市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，生產(chǎn)企業(yè)必須圍繞市場需求，面臨的問題：1.用戶的多樣化需求楊文科：提倡多品種，少批量，……滿足現(xiàn)場要求的水泥。廉慧珍：產(chǎn)品為用戶服務(wù)，但‘服務(wù)’并不是簡單的‘你要什么我賣什么’……對于用戶來說，由于認(rèn)識水平的差異