建筑材料4(史长莹)

黑龙江大学水利电力学院史长莹第4章水泥Cement4.1概述水泥的特点水泥是一种粉末状材料，加水拌合均匀后形成的浆体不仅能够在干燥的环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或继续提高其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。4.1概述按性能和用途分水泥通用水泥专用水泥特性水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥复合硅酸盐水泥石灰石硅酸盐水泥如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等4.1概述按主要水硬性物质分水泥种类主要水硬性物质主要品种硅酸盐水泥硅酸钙绝大多数通用水泥、专用水泥和特性水泥铝酸盐水泥铝酸钙高铝水泥、自应力铝酸盐水泥、快硬高强铝酸盐水泥等。硫铝酸盐水泥无水硫铝酸钙硅酸二钙有自应力硫铝酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥等铁铝酸盐水泥铁相、无水硫铝酸钙、硅酸二钙有自应力铁铝酸盐水泥、膨胀铁铝酸盐水泥、快硬铁铝酸盐水泥等氟铝酸盐水泥氟铝酸钙、硅酸二钙氟铝酸盐水泥等以火山灰或潜在水硬性材料以及其他活性材料为主要组分的水泥活性二氧化硅活性氧化铝石灰火山灰水泥、石膏矿渣水泥、低热钢渣矿渣水泥等4.2硅酸盐水泥4.2.1硅酸盐水泥生产及其矿物组成硅酸盐水泥的原材料生产硅酸盐水泥熟料的原材料•石灰质原料：如石灰石等。•粘土质原料：主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。•铁矿粉：采用赤铁矿，化学成分为Fe2O3。石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等。混合材料：包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。硅酸盐水泥的生产工艺——“两磨一烧”工艺生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种；硅酸盐水泥：凡由硅酸盐水泥熟料加适量石膏、或者再加不超过5%的石灰石或粒化高炉矿渣磨细制成4.2.1硅酸盐水泥生产及其矿物组成石灰石粘土铁矿粉生料石膏硅酸盐水泥混合材料熟料按比例混合磨细1450℃煅烧磨细的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥分为：Ⅰ型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和Ⅱ型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。煅烧步骤：1.生料的干燥与脱水；2.碳酸钙分解；3.固相反应；4.烧成阶段；5.熟料的冷却。1.生料的干燥与脱水：干燥阶段（水分的蒸发：100~150℃），生料的脱水（预热带，500~800℃，高岭石、蒙脱石及伊利石脱水，生成无定形的SiO2和Al2O3）2.碳酸钙分解（800~1000℃）：生成CaO4.2.1硅酸盐水泥生产及其矿物组成3.固相反应（800~1000~1300℃）：CaO与SiO2、Fe2O3和Al2O3发生固相反应，随着温度的升高固相反应加速，逐步生成2CaO•SiO2（C2S）、3CaO•Al2O3（C3A）和4CaO•Al2O3•Fe2O3（C4AF）。同时有部分CaO剩余4.烧成阶段（1300~1450~1300℃）：C3A与C4AF烧至熔融，将C2S与剩余的CaO反应生成3CaO•SiO2（C3S）煅烧水泥的关键！5.熟料的冷却：煅烧完成后，迅速冷却，得到熟料。4.2.1硅酸盐水泥生产及其矿物组成4.2.1硅酸盐水泥生产及其矿物组成熟料的矿物组成水泥熟料矿物硅酸二钙铁铝酸四钙游离氧化钙和氧化镁铝酸三钙硅酸三钙SO32CaO•SiO2，C2S4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AFf－CaO和f－MgO3CaO•Al2O3，C3A3CaO•SiO2，C3S4.2.1硅酸盐水泥生产及其矿物组成水泥熟料矿物的主要特性熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙含量范围（质量％）37～6715～307～1510～18水化反应速度快慢最快快强度高早期低，后期高低低（含量多时对抗折强度有利）水化热较高低最高中4.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化凝结硬化的概念凝结：水泥加水拌合而成的浆体，经过一系列物理化学变化，浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程；硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂，一般几个小时即可完成；硬化过程是一个长期的过程，在一定温度和湿度下可持续几十年。4.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化熟料矿物的水化反应硅酸三钙2（3CaO·SiO2）＋6H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2硅酸二钙2（2CaO·SiO2）＋4H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2铝酸三钙3CaO·Al2O3＋H2O==3CaO·Al2O3·6H2O3CaO·Al2O3·6H2O＋3（CaSO4·2H2O）＋19H2O==3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O==3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O4.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化熟料矿物的水化反应过程水化初期•熟料矿物与水反应的速度较快，使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面，形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜，大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。水化中期•以水化硅酸钙（C－S－H）和氢氧化钙的快速形成为特征。水化后期•由于新生成的水化产物的压力，水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂，使水进入未水化水泥颗粒的表面，水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生，不断密实，固体之间的空隙不断减小，网状结构不断加强，结构逐渐紧密。4.2.2硅酸盐水泥的水化与凝结硬化A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化硅酸钙凝胶）；B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D——未水化的水泥颗粒水泥石的结构水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。DABC4.2.3硅酸盐水泥的主要技术性质1.密度、堆积密度和各成分含量技术性质质量标准密度，kg/m33100～3200堆积密度，kg/m31300～1600不溶物Ⅰ型：不溶物不得超过0.75％；Ⅱ型：不溶物不得超过1.50％烧失量Ⅰ型：烧失量不得大于3.0％；Ⅱ型：烧失量不得大于3.5％氧化镁水泥中氧化镁含量不宜超过5.0％。如果水泥经压蒸法检验安定性合格，则水泥中氧化镁含量可放宽至6.0％三氧化硫3.5％碱含量水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。若使用活性集料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60％或由供需双方商定注：表中百分数均为质量百分数。4.2.3硅酸盐水泥的主要技术性质2.细度细度是指水泥颗粒的粗细程度。水泥颗粒的粗细，直接影响其水化反应速度、活性和强度。国家标准中规定，水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定。硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2/kg。筛析法硅酸盐水泥的主要技术性质3.标准稠度用水量水泥净浆达到标准稠度时，所需的拌和水量，称为标准稠度用水量。水泥磨得越细，标准稠度用水量越大。当其他条件相同时，水泥的标准稠度用水量越小越好。4.2.3硅酸盐水泥的主要技术性质4.凝结时间凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。水泥初凝时间不宜过早，终凝时间不宜过迟。国家标准GB175－1999规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h。4.2.3硅酸盐水泥的主要技术性质5.体积安定性体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的均匀性。水泥在硬化过程中体积变化不均匀，即为体积安定性不良。水泥安定性不良的原因：•熟料中含有过量的游离氧化钙（f－CaO），或含有过量的游离氧化镁（f－MgO）；•生产水泥时掺入的石膏过量。国家标准GB175－1999规定，硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格。体积安定性不良的水泥严禁用于工程中。4.2.3硅酸盐水泥的主要技术性质6.强度及强度等级（1）胶砂强度按照国家标准规定，水泥和标准砂按1：3质量比混合，加入规定量的水（水灰比为0.50），经标准试验方法搅拌成型。制成40mm×40mm×160mm的标准试件，在标准条件下养护。根据水泥品种不同，分别测定3d、28d的抗折强度和抗压强度，即为水泥的胶砂强度。硅酸盐水泥的主要技术性质（2）强度等级根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级。硅酸盐水泥的强度等级划分为42.5，42.5R，52.5，52.5R，62.5，62.5R如下表所示共六个等级。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d42.542.5R52.552.5R62.562.5R17.022.023.027.028.032.042.542.552.552.562.562.53.54.04.05.05.05.56.56.57.07.08.08.0注：R型为早强型，主要是3d强度较高。4.2.3硅酸盐水泥的主要技术性质7.水化热水泥的水化热是指在水化过程中的放热量，单位为kJ/kg。水化热的高低与熟料矿物的相对含量有关。铝酸三钙、硅酸三钙的水化热高，而铁铝酸四钙、硅酸二钙的水化热较低。因此要降低水化热，可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量。水化热主要对大体积混凝土工程有影响。对于大体积混凝土工程，应选择水化热较低的水泥，或者采取特殊措施降低水化热的危害。4.2.4环境水对水泥石的侵蚀水泥石腐蚀的方式（1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）（2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀）•一般酸的腐蚀•碳酸性腐蚀（3）硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀）（4）镁盐腐蚀防止水泥石腐蚀的措施（1）根据工程的环境特点，合理选择水泥品种。（2）提高混凝土的密实度。（3）在水泥石结构的表面设置保护层。硅酸盐水泥的特性及应用凝结硬化快，早期及后期强度均高，适用于有早强要求的工程。抗冻性好，适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程。耐腐蚀性差，因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多。水化热高，不宜用于大体积混凝土工程。但有利于低温季节蓄热法施工。抗碳化性好。因水化后氢氧化钙含量较多，故水泥石的碱度不易降低，对钢筋的保护作用强。适用于空气中二氧化碳浓度高的环境。耐热性差。因水化后氢氧化钙含量高。不适用于承受高温作用的混凝土工程。耐磨性好，适用于高速公路、道路和地面工程。4.3混合材料及掺有混合材料的硅酸盐水泥4.3.1混合材料混合材料：为了改善水泥性能、提高水泥的产量，在生产时掺入的天然或人工矿物质材料。活性混合材料（水硬性混合材料）•粒化高炉矿渣；•粉煤灰；•火山灰质混合材料非活性混合材料（填充性混合材料）：如磨细石灰石粉、磨细石英砂等。4.3.2普通硅酸盐水泥（代号P·O）定义硅酸盐水泥熟料＋6％～20％的混合材料＋适量石膏技术性质要求（与硅酸盐水泥相比）相同点•MgO含量、SO3含量、初凝时间、安定性的技术要求相同。不同点•细度：80μm方孔筛筛余量不超过10.0%；•终凝时间：不迟于10h；•烧失量：不得大于5.0%；4.3.2普通硅酸盐水泥（代号P·O）•强度等级：普通硅酸盐水泥分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。各龄期的强度不低于下表的规定。强度等级抗压强度，MPa抗折强度，MPa3d28d3d28d32.532.5R42.