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CivilEngineeringMaterials第三章水泥CivilEngineeringMaterials自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料。至2005年，我国水泥总需求量达到了7亿吨左右，占世界水泥用量的1/3,水泥混凝土的总需求量也达到了50亿吨。课外知识：波特兰水泥的发明1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明,通过煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料,它制成砖块很像由波特兰半岛采下来的波特兰石,由此将这种胶凝材料命名波特兰水泥PortlandCement.2CivilEngineeringMaterials砂浆、混凝土钢筋混凝土（1850年）石棉水泥（1900年）预应力混凝土（1929年）外加剂混凝土（1935年）高强混凝土（20世纪70年代）波特兰水泥(1824年)高性能混凝土（20世纪90年代）聚合物水泥混凝土（20世纪50年代）课外知识：水泥基材料的发展历程：3CivilEngineeringMaterials目录基本要求简介3.1硅酸盐水泥3.2掺混合材的硅酸盐水泥3.3其他品种水泥4CivilEngineeringMaterials基本要求内容主要介绍水泥的分类、优点及生产。主要介绍硅酸盐水泥及掺加混合料的硅酸盐水泥，包括：定义、组成、水化、凝结与硬化、实验和技术性质、腐蚀与防护、特性和应用。简单介绍常用的其他品种水泥。重点6种硅酸盐水泥的定义硅酸盐水泥的矿物组成水泥水化、凝结与硬化机理技术性质及测试方法5CivilEngineeringMaterials基本要求•重点水泥的腐蚀及防护特性应用•难点水泥水化、凝结和硬化机理各种水泥的异同点•注意事项本章是整个课程的重点联系各种水泥进行学习着重分析它们之间的差异及造成这些差异的原因6CivilEngineeringMaterials水泥的定义：水泥是一种水硬性的胶凝材料，呈粉末状，加水拌和后成浆体后，能胶结砂、石等散粒材料，并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。发展趋势：1）在水泥品种方面，将加速发展快硬、高强、低热等特种和多用途的水泥；2）大力发展水泥外加剂；3）大力发展高标号水泥；7CivilEngineeringMaterials水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。多样性低成本可塑性工艺简单耐久性与钢筋粘结性好水硬性水泥的优点8CivilEngineeringMaterials水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。通用水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥复合水泥专用水泥砌筑水泥油井水泥特性水泥快硬水泥膨胀水泥抗硫酸盐水泥中热水泥9CivilEngineeringMaterials水泥按化学成分可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。硅酸盐水泥一般工程铝酸盐水泥硫酸盐水泥快硬、早强。主要用于紧急抢修工程、早强工程、冬季施工、抗蚀、抗冻等工程。早强、膨胀。适用于抢修工程、锚固和地下工程等。10CivilEngineeringMaterials尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。11CivilEngineeringMaterials一、水泥混合材料•定义：在水泥生产过程中，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。•作用：在水泥生产过程中节约能源，利用废料，降低成本，改善水泥的性能，减少污染。•分类：活性混合材料、非活性混合材料12CivilEngineeringMaterials1.非活性混合材料•定义：常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。•常用：磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等•作用：主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥强度等级、增加产量、降低水化热等作用。13CivilEngineeringMaterials2.活性混合材料•定义：常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。•常用的活性混合材：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等。•活性来源：可反应的SiO2、Al2O314CivilEngineeringMaterials熟料磨细硅酸盐水泥P.ⅠP.Ⅱ15CivilEngineeringMaterials熟料磨细普通硅酸盐水泥P.O16CivilEngineeringMaterials熟料磨细矿渣硅酸盐水泥P.S17CivilEngineeringMaterials熟料磨细火山灰质硅酸盐水泥P.P18CivilEngineeringMaterials熟料磨细粉煤灰硅酸盐水泥P.F19CivilEngineeringMaterials熟料磨细复合硅酸盐水泥P.C20CivilEngineeringMaterials•两磨一烧，其中最关键是烧通用硅酸盐水泥的生产流程21CivilEngineeringMaterials硅酸盐水泥生料的配制•原料–石灰质原料（如石灰石、贝壳等，提供CaO）–粘土质原料（如粘土、页岩等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3）–校正原料（如铁矿粉、砂岩，前者是补充原料中不足的氧化铁，后者是补充原料中不足的SiO2）–矿化剂(如萤石、石膏等）•工艺–干法–湿法22CivilEngineeringMaterials硅酸盐水泥的煅烧•窑型–立窑–回转窑•煅烧过程水分蒸发生料预热生料分解煅烧冷却23CivilEngineeringMaterials邢台中联水泥24CivilEngineeringMaterials25新型干法CivilEngineeringMaterials窑外分解干法工艺流程物料流气流燃料26CivilEngineeringMaterials水泥煅烧过程排气原料入口气体温度进料温度50oC450oC600oC800oC1000oC1200oC1350oC1350oC1450oC1550oC1234561.失去自由水4.初化合物形成6.C3S初形成2.粘土分解5.C2S初形成3.石灰岩分解27CivilEngineeringMaterials生料磨系统28CivilEngineeringMaterials29窑尾悬浮预热器及分解炉系统CivilEngineeringMaterials30回转窑CivilEngineeringMaterials31窑头CivilEngineeringMaterials32水泥磨CivilEngineeringMaterials•两磨一烧，其中最关键是烧通用硅酸盐水泥的生产流程33CivilEngineeringMaterials第一节硅酸盐水泥一、硅酸盐水泥生产工艺•定义：凡由硅酸盐水泥熟料，０～５％石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（国外通称波特兰水泥）。•分类：不掺混合材Ⅰ型硅酸盐水泥（Ｐ·Ⅰ）掺≤5%混合材料Ⅱ型硅酸盐水泥（Ｐ·Ⅱ）CivilEngineeringMaterials35二、硅酸盐水泥基本组成1.熟料——矿物组成、岩相结构•水泥厂常用各种元素的氧化物来表示。•熟料主要矿物：硅酸三钙3CaO·SiO2，可简写为C3S；硅酸二钙2CaO·SiO2，可简写为C2S；铝酸三钙3Ca0·AI2O3,可简写为C3A;铁相固溶体通常以铁铝酸四钙4CaO·AI2O3·Fe2O3作为代表式，可简写成C4AF。CivilEngineeringMaterials矿物含量/%强度水化热耐化学侵蚀性干缩C3S50早高后高中中中C2S20早低后高小良小C3A7~15早低后低大差大C4AF10~18早低后低小优小熟料矿物的基本特性CivilEngineeringMaterials372.石膏•作用：调节凝结时间，提高早强，降低干缩，改善耐久性、抗渗性等；对掺混合材的水泥，石膏还起激发剂的作用。•种类：二水石膏或无水石膏•掺量：与C3A含量及混合材种类有关CivilEngineeringMaterials水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体。•凝结——水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；•硬化——随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。CivilEngineeringMaterials硅酸盐水泥的凝结和硬化•水泥的水化过程可分为五个阶段CivilEngineeringMaterials40各熟料矿物的水化过程：☞硅酸盐水泥生成的主要水化产物有:水化硅酸钙C-H-S凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。CivilEngineeringMaterials41水化硅酸钙形貌CivilEngineeringMaterials42氢氧化钙CH形貌CivilEngineeringMaterials钙矾石显微形貌43CivilEngineeringMaterials水泥水化过程1.初拌水泥浆2.7天3.28天4.90天未水化颗粒充满水的毛细孔C-S-H胶体氢氧化钙日期44CivilEngineeringMaterials影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素：☞熟料矿物组成☞水泥细度的影响☞拌合用水量的影响☞养护湿度、温度的影响☞养护龄期的影响☞储存条件的影响45CivilEngineeringMaterials46四、硅酸盐水泥品质要求1.凝结时间☞初凝：开始失去塑性≥45分（1~3小时）☞终凝：完全失去塑性，并开始产生强度硅酸盐水泥≤6小时30min，普通水泥≤10小时(一般5~7小时)CivilEngineeringMaterials472.强度•国家标准（GB/T17671-1999）规定：水泥的胶砂强度。•将水泥和中国ISO标准砂按1:3，水灰比为0.5的比例，以规定的方法搅拌制成标准试件（尺寸为40mm×40mm×160mm），在标准条件下（20℃士1℃水中）养护至3d和28d，测定个龄期的抗折强度和抗压强度。•强度等级：将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、625、62.5R等6个强度等级，其中带R的为早强型水泥。CivilEngineeringMaterials48水泥净浆搅拌机水泥砂浆搅拌机CivilEngineeringMaterials49水泥胶砂模具水泥净浆模具振实台水泥净浆模具振实台水泥净浆模具振实台CivilEngineeringMaterials50标准养护箱电动抗折试验机CivilEngineeringMaterials51SANS万能试验机CivilEngineeringMaterials523.安定性定义：水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。安定性不良原因：①f-CaO过量②f-MgO过量③石膏过量沸煮法：试饼法、雷氏夹法压蒸安定性试验沸煮箱CivilEngineeringMaterials534.细度定义：指粉体材料的粗细程度。国标规定：①硅酸盐水泥：比表面积＞300m2/Kg。（比表面积仪）②其他五类水泥：筛析法（水筛、干筛、负压筛）在80μm标准筛的筛余量不得超过10%。CivilEngineeringMaterials545.水化热水泥矿物的水化热及放热速率比较C3AC3SC4AFC2S水泥水化放热量和放热速率还与水泥细度、混合材种类和数量有关.CivilEngineeringMaterials556.水泥化学品质指标（1）不溶物熟料中未参与矿物形成反应得粘土和结晶SiO2，国标规定：P·Ⅰ≤0.75%P·Ⅱ≤1.50%（2）烧失量P·Ⅰ≤3.0%P·Ⅱ≤3.5%P·O≤5.0%（3）氧化镁（4）SO3（5）碱