土木工程材料-第三章-無機(jī)膠凝材料-水泥

1、第三章 無機(jī)膠凝材料-水泥,第四節(jié) 通用硅酸鹽水泥,通用硅酸鹽水泥定義,硅酸鹽水泥熟料 適量石膏 或/和混合材料,磨細(xì),通用硅酸鹽水泥,通用硅酸鹽水泥的組分：,生產(chǎn)工藝流程,一 通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)及礦物組成,(“兩磨一燒”),如石灰石，提供CaO。,校正原料，補(bǔ)充Fe2O3不足。,如粘土，提供SiO2和Al2O3。,硅酸三鈣(3CaOSiO2，簡寫C3S) 硅酸二鈣(2CaOSiO2 ，簡寫C2S) 鋁酸三鈣(3CaOAl2O3 ，簡寫C3A) 鐵鋁酸四鈣(4CaOAl2O3Fe2O3，簡寫C4AF),主要礦物組成,一.通用硅酸鹽水泥的生產(chǎn)及礦物組成,1. C3S+ C2S70%, C3A+

2、 C4AF25%， 故稱硅酸鹽水泥。 2. 水泥中還含有少量游離CaO,游離MgO及 少量堿(K2O、Na2O)。,通用硅酸鹽水泥熟料各組分特性,C3S,快,大,高,C2S,慢,小,高,低,C3A,最大,最快,低,低,中,快,C4AF,備注,1.提高 含量可制得早強(qiáng)高強(qiáng)水泥。,C3S,C3S,C3A,C2S,2.降低 和 含量，提高 含量，可制得低水化熱的水泥(如大壩水泥),適用于大體積砼工程。但此類水泥早期強(qiáng)度較低。,二 通用硅酸鹽水泥的水化與凝結(jié)硬化,1.通用硅酸鹽水泥水化,水泥遇水后，水泥中的礦物組分立即與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，稱水化反應(yīng)。,(1) C3S的水化,水化硅酸鈣凝膠,(2) C2S

3、的水化,(3) C3A的水化,水化鋁酸鈣晶體,(4) C4AF的水化,水化鐵酸鈣凝膠,(5) 石膏,高硫型水化硫鋁酸鈣晶體，又稱“鈣礬石”,綜上：水泥水化的產(chǎn)物主要有：,C3AH6晶體、,C-S-H凝膠(70%)、,Ca(OH)2晶體(20%)、,C-F-H凝膠、,AFt晶體。,2.通用硅酸鹽水泥的凝結(jié)與硬化,水泥遇水后立即劇烈反應(yīng)，自由水不斷減少，水化產(chǎn)物不斷析出，并凝聚在一起，形成骨架結(jié)構(gòu)，水泥漿逐漸失去塑性，表現(xiàn)出“ ”現(xiàn)象。,隨著水化產(chǎn)物的不斷增加，水泥顆粒之間的毛細(xì)孔不斷被填實(shí)，加之水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2晶體、水化鋁酸鈣晶體和水化硅酸鈣凝膠相互貫穿，逐漸形成具有一定強(qiáng)度的水泥石，

4、且強(qiáng)度不斷增長，進(jìn)入“ ”階段。,凝結(jié),硬化,硬化后的水泥石組成包括：,水化產(chǎn)物（膠體顆粒、晶體顆粒），,孔隙（凝膠孔、毛細(xì)孔），,未水化的水泥顆粒。,3. 石膏的作用,由于水泥熟料中鋁酸三鈣的水化速度極快，會(huì)使水泥很快凝結(jié)，為保證有足夠的施工操作時(shí)間，加入石膏以,調(diào)節(jié)(延緩)水泥的凝結(jié)時(shí)間。,4. 影響水泥水化和凝結(jié)硬化的因素,(1) 礦物組成,礦物組成是影響水泥水化硬化的最主要因素。如C3A含量多，則水化速度快；C2S含量多，則水化速度慢。,水泥愈細(xì)，水化速度愈快，早期強(qiáng)度愈高。,(2) 細(xì)度,水灰比愈大，水化凝結(jié)速度愈慢，強(qiáng)度愈低。,(3) 水灰比,水灰比：水與水泥的質(zhì)量之比。,(4)

5、石膏的摻量,摻量過少，緩凝作用??；摻量過多，會(huì)在水泥漿硬化后繼續(xù)生成鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹而導(dǎo)致已經(jīng)硬化的水泥石脹裂破壞。石膏摻量一般為水泥質(zhì)量的3%5%。,4. 影響水泥水化和凝結(jié)硬化的因素,必要的濕度能保證水泥充分水化。過度干燥的環(huán)境，不利于水泥的水化硬化。,(5) 溫度和濕度,溫度升高，水化速度加快，負(fù)溫下水化停止，且能引起凍脹破壞。,為保證水泥充分水化硬化，促使水泥強(qiáng)度不斷增長，需對水泥漿進(jìn)行 養(yǎng)護(hù)。,保溫保濕,4. 影響水泥水化和凝結(jié)硬化的因素,細(xì) 度,凝 結(jié) 時(shí) 間,體 積 安 定 性,標(biāo) 準(zhǔn) 稠 度 用 水 量,強(qiáng) 度,化學(xué)指標(biāo),（一）細(xì)度,定義,細(xì)度指水泥顆粒的粗細(xì)程度。,討論與

6、分析,缺點(diǎn):,水泥越細(xì),優(yōu)點(diǎn)：,水化反應(yīng)速度越快， 水泥石的早期強(qiáng)度越高。,總表面積越大，,硬化收縮越大；易受潮而降低活性；成本越高。,P.I、P.II和P.O細(xì)度以比表面積表示，不小于300m2/kg；P.S、P.P、P.F和P.C細(xì)度以方孔篩篩余表示，80m方孔篩篩余不大于10%或45m方孔篩篩余不大于30%。,定義,不同的水泥品種，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量各不相同，一般在24%33%之間。,例：A水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%，B水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為30%。,（二）標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量,討論與分析,在測定水泥的凝結(jié)時(shí)間、體積安定性時(shí)，要將水泥凈漿拌到標(biāo)準(zhǔn)稠度？,?,為了使試驗(yàn)結(jié)果 具有可比性,（二）標(biāo)準(zhǔn)

7、稠度用水量,定義,水泥的凝結(jié)時(shí)間分初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。,水泥全部加入水中,開始失去可塑性,完全失去可塑性,初凝時(shí)間,終凝時(shí)間,（三）凝結(jié)時(shí)間,水泥的初凝和終凝時(shí)間對工程有重要意義。 例如：混凝土的施工。,討論與分析,否則在施工前即已失去流動(dòng)性和可塑性而無法施工。,否則將延長施工進(jìn)度和模板周轉(zhuǎn)期。,（三）凝結(jié)時(shí)間,水泥的初凝時(shí)間不能過短，,水泥的終凝時(shí)間不應(yīng)過長，,通用硅酸鹽水泥初凝時(shí)間不得早于45min,硅酸鹽水泥終凝 不大于390min；,GB規(guī)定,（三）凝結(jié)時(shí)間,其它水泥終凝 不大于600min。,定義,體積安定性指水泥漿體在凝結(jié)硬化過程 中體積變化的均勻性。,水泥硬化后體積發(fā)生不均勻膨脹

8、，導(dǎo)致水泥石開裂、翹曲等現(xiàn)象。,安定性不良：,注意：安定性不良的 水泥嚴(yán)禁在工程中使用。,(四)體積安定性,討論與分析,引起安定性不良的原因有哪些,熟料中的游離MgO過多;,熟料中的游離CaO過多;,石膏摻量過多。,GB規(guī)定,用沸煮法檢驗(yàn)合格；,熟料中MgO含量： P.I、P.II、P.O5%； 其它水泥6%,熟料中SO3含量： 礦渣水泥4%； 其它水泥3.5%,(四)體積安定性,試驗(yàn)方法,沸煮法,試餅法,雷氏夾法,(四)體積安定性,（五）化學(xué)指標(biāo),(六)強(qiáng)度與強(qiáng)度等級(jí),各強(qiáng)度等級(jí)水泥的各個(gè)齡期強(qiáng)度均不得低于GB175-2007的規(guī)定。,注意：,（一）凡化學(xué)指標(biāo)、凝結(jié)時(shí)間、安定性及強(qiáng)度指標(biāo)中有

9、任一項(xiàng)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的，該水泥視為不合格品，細(xì)度為選擇性指標(biāo)，不作為判定依據(jù)。,（二)水泥包裝袋上應(yīng)標(biāo)明：執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、水泥品種、代號(hào)、強(qiáng)度等級(jí)、生產(chǎn)者名稱、生產(chǎn)許可證標(biāo)志（QS）及編號(hào)、出廠編號(hào)、包裝日期、凈含量。散裝發(fā)運(yùn)時(shí)應(yīng)提交與袋裝標(biāo)志相同內(nèi)容的卡片。,（三）包裝袋兩側(cè)應(yīng)根據(jù)水泥的品種采用不同的顏色印刷水泥名稱和強(qiáng)度等級(jí)，硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥采用紅色，礦渣硅酸鹽水泥采用綠色；火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥采用黑色或藍(lán)色。,水泥石在正常使用條件下，具有較好的耐久性，但在某些腐蝕性介質(zhì)作用下，水泥石的強(qiáng)度逐漸下降，水泥石被破壞,甚至潰裂的現(xiàn)象叫水泥石的腐蝕。 主要有以

10、下幾種腐蝕：,四 水泥石的腐蝕和預(yù)防,軟水：溶有少量或不含Ca2+ 、Mg2+的水。在軟水中，尤其在流動(dòng)水中或有水壓作用下，Ca(OH)2會(huì)不斷地溶解流失，水泥石孔隙率增大，強(qiáng)度降低。此類軟水介質(zhì)有：蒸餾水、工業(yè)冷凝水、雨水、雪水等。,1.軟水的腐蝕,2.鹽類腐蝕,MgCl2腐蝕反應(yīng)： MgCl2+Ca(OH)2=CaCl2+Mg(OH)2,(2) 鎂鹽腐蝕,MgSO4腐蝕反應(yīng)： MgSO4+Ca(OH)2+2H2O=Mg(OH)2+CaSO4.2H2O,產(chǎn)物中：Mg(OH)2無膠凝能力；CaCl2易溶解流失；CaSO4.2H2O(體積增大)，也易生成水泥桿菌。地下水及海水中含有大量的鎂鹽。,

11、3. 酸腐蝕(1)一般酸的腐蝕,如：HCl+Ca(OH)2=CaCl2(可溶)+2H2O H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4.2H2O(體積膨脹)CaSO4還可生成“水泥桿菌” 。,酸與Ca(OH)2反應(yīng)，生成物或溶于水流失，或體積膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。,工業(yè)廢水、地下水或沼澤水常含有引起此類腐蝕的無機(jī)酸(HCl、H2SO4、HNO3、HF等)和有機(jī)酸(HAc、HCOOH等)。,(2) 碳酸的腐蝕碳酸的腐蝕包含兩個(gè)過程：,Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2(可溶),H2CO3,上述兩個(gè)反應(yīng)的最終結(jié)果使得水泥石中的Ca(OH)2

12、轉(zhuǎn) 變?yōu)榭扇苄訡a(HCO3)2流失。 工業(yè)污水、地下水中溶解有較多的CO2。,4.強(qiáng)堿腐蝕對于鋁酸三鈣含量較高的水泥，容易引起強(qiáng)堿腐蝕。 主要包含兩種腐蝕：,化學(xué)腐蝕：3CaO.Al2O3(未水化)+6NaOH=3Na2O.Al2O3+3Ca(OH)2 結(jié)晶腐蝕： 2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O 生成的Na2CO3在水泥石毛細(xì)孔內(nèi)結(jié)晶沉積，使水泥石膨脹破壞。,水泥腐蝕的主要原因：,(1)水泥石中存在易被腐蝕的組分Ca(OH)2和鋁酸鈣。,(2)水泥石不致密，有許多毛細(xì)孔通道， 腐蝕介質(zhì)容易滲入。,(3)水泥石處在有腐 蝕介質(zhì)的環(huán)境。,防止腐蝕措施：,(1)根據(jù)工程所處環(huán) 境，選用合

13、適品種 的水泥；,(2)提高水泥石的密 實(shí)度，減少侵蝕 介質(zhì)的滲透；,(3)加做保護(hù)層，防 止與腐蝕介質(zhì)接觸。,五. 通用硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,2.抗凍性好，可用于嚴(yán)寒地區(qū)砼工程。,5.耐腐蝕性差，不宜用于經(jīng)常接觸淡水及 有水壓作用的工程，也不宜用于海水和礦 物水作用的工程。,1.快硬早強(qiáng)高強(qiáng)，可用于高強(qiáng)砼或有早強(qiáng) 要求砼。,3.抗碳化性能好(堿度高)，可用于高CO2含 量地區(qū)。,4.水化熱高，不宜用于厚大體積的砼工程。,（一）硅酸鹽水泥的性能應(yīng)用,凡在硅酸鹽水泥熟料中，摻入一定量的混合材料和適量石膏共同磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，均屬摻混合材料的硅酸鹽水泥。,五. 通用硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用

14、,（二）摻混合材料的硅酸鹽水泥的性能應(yīng)用,混合材料,生產(chǎn)水泥時(shí)，為改善水泥的性能，調(diào)節(jié)水泥的強(qiáng)度等級(jí)，提高水泥的產(chǎn)量，常在水泥中摻入一些人工的或天然的礦物材料，稱之為水泥混合材料。主要有：,活性混合材料,分類,同時(shí)，水泥熟料中還有少量石膏，可與上述生成的水化鋁酸鈣再次反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣(體積微膨脹)，增加了水泥石的密實(shí)性。,具有活性的原因：,活性混合材料的主要化學(xué)成分為活性SiO2和活性Al2O3，摻入水泥后，可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2“二次反應(yīng)”，生產(chǎn)具有膠凝性的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，主要提高了水泥的后期強(qiáng)度。,Ca(OH)2為堿性激發(fā)劑，石膏為硫酸鹽激發(fā)劑。,不與水泥成分起化學(xué)作

15、用(無活性)或化學(xué)作用很小(活性很低)的混合材料。,非活性混合材料,非活性混合材料摻入水泥后，主要起填充作用，可調(diào)節(jié)水泥強(qiáng)度等級(jí)，降低水化熱，提高水泥產(chǎn)量等。,與硅酸鹽水泥相比，混合材料的摻量略有增加，所以早期強(qiáng)度、水化熱、抗凍性稍有降低，耐熱性和耐腐蝕性略增。,可以使用硅酸鹽水泥的工程，也可以使用普通水泥； 不能使用硅酸鹽水泥的工程，也不宜使用普通水泥。,總體性能相近，應(yīng)用范圍大致相同：,1.普通硅酸鹽水泥性能與應(yīng)用,（二）摻混合材料的硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,五. 通用硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,(1)三種水泥的共同性質(zhì),2.礦渣、粉煤灰、火山灰水泥、復(fù)合水泥的性能,凝結(jié)硬化慢，早期強(qiáng)度低，后期

16、強(qiáng)度 發(fā)展較快；,水化熱低、放熱速度慢；,抗腐蝕能力強(qiáng)；,抗碳化能力差；,抗凍性差；,濕熱敏感性強(qiáng)，適合蒸汽養(yǎng)護(hù)；,（二）摻混合材料的硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,五. 通用硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,(2)三種水泥各自的特性,礦渣水泥耐熱性強(qiáng)、保水性差、抗?jié)B性差； 火山灰水泥抗?jié)B性好、但干縮大； 粉煤灰水泥干縮性小、抗裂性好,（二）摻混合材料的硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,五. 通用硅酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,2.礦渣、粉煤灰、火山灰水泥的性能,第五節(jié) 其它品種水泥,一.鋁酸鹽水泥,以石灰石和礬土為主要原料，燒制而得的以鋁酸鈣為主要礦物成分的水泥。代號(hào)： 。,1.定義與代號(hào),CA,其主要化學(xué)成分為Al2O3和C

17、aO，Al2O3含量較高(50%)。按Al2O3含量分為四類：,其中CA是鋁酸鹽水泥的主要強(qiáng)度來源。,2.鋁酸鹽水泥的礦物組成,鋁酸一鈣(CaOAl2O3 ，簡寫CA) 二鋁酸一鈣(CaO2Al2O3，簡寫CA2) 硅鋁酸二鈣(2CaOAl2O3SiO2 ，簡寫C2AS) 七鋁酸十二鈣(12CaO7Al2O3，簡寫C12A7),4. 技術(shù)要求 應(yīng)符合GB201-2000規(guī)定。,3.鋁酸鹽水泥的水化與硬化 水化產(chǎn)物與溫度有關(guān)。,耐堿性極差。,5.鋁酸鹽水泥的性能與應(yīng)用,快硬早強(qiáng)，適用于緊急搶險(xiǎn)工程。,耐熱性強(qiáng)，可用于配制900以上的耐 熱砼或耐熱砂漿。,水化熱高，放熱快，適用于低溫季節(jié) 施工，不

18、適用于大體積砼。,耐酸和耐硫酸鹽腐蝕強(qiáng)。,(2)正是由于存在上述晶型的轉(zhuǎn)變，鋁酸鹽水泥的長期強(qiáng)度會(huì)降低。因此鋁酸鹽水泥不能用于長期承重結(jié)構(gòu)。,6.鋁酸鹽水泥在使用時(shí)的注意事項(xiàng),(1)鋁酸鹽水泥配制的混凝土不能蒸汽養(yǎng)護(hù)， 也不宜在高溫季節(jié)施工。,這是因?yàn)殇X酸鹽水泥最適宜的硬化溫度在15左右，一般不得超過25。如果溫度過高，水化產(chǎn)物水化鋁酸一鈣和水化鋁酸二鈣轉(zhuǎn)變?yōu)樗X酸三鈣，水泥石內(nèi)析出游離水，孔隙率大大增加，強(qiáng)度顯著降低。,(3)鋁酸鹽水泥不得與硅酸鹽水泥、石灰等 能析出Ca(OH)2的膠凝材料混合使用。,否則會(huì)引起“閃凝”，無法施工，強(qiáng)度也大大降低；也不得與未硬化的硅酸鹽水泥水泥混凝土接觸使用。,二.膨脹水泥和自應(yīng)力水泥,前面所述的各種水泥在硬化過程中，均產(chǎn)生一定程度的收縮，造成裂縫，抗?jié)B性和抗侵蝕性下降。而膨脹水泥和自應(yīng)力水泥在硬化過程中,1.特點(diǎn),都能產(chǎn)生體積膨脹，均具有補(bǔ)償收縮性能，可防止和減少收縮裂縫。,膨脹水泥和自應(yīng)力水泥共同點(diǎn)：,限制膨脹時(shí)產(chǎn)生的自應(yīng)力較小(2.0MPa，一般0.5MPa左右)。,膨脹水泥和自應(yīng)力水泥不同點(diǎn)：,膨脹水泥的膨脹值較小，,自應(yīng)力水泥水泥膨脹值較大，,限制膨脹時(shí)產(chǎn)生的自應(yīng)力較大(2.0MPa)，因而