《土木工程材料》教案第三章

《土木工程材料》教案第三章黑龙江工程学院土木工程系孙凌第三章水泥•3.1常用水泥•3.2其它品种水泥主要内容：常用（硅酸盐）水泥的生产工艺常用（硅酸盐）水泥的特性影响常用水泥性能的因素重点内容：硅酸盐水泥矿物成分特点硅酸盐水泥的凝结和硬化难点：硅酸盐水泥的凝结和硬化要求：掌握硅酸盐水泥的矿物成分特点掌握硅酸盐水泥凝结和硬化参考资料：《土木工程材料》陈志源《道路建筑材料》严家伋《道路建筑材料》孙凌《公路工程水泥和水泥混凝土试验规程》《道路建筑材料》集中训练试验补充教材《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》技术标准GB175-19993.水泥•水泥是一种水硬性胶凝材料，也是建筑工程中用量最大的建筑材料之一。•在道路与桥梁工程中通常应用的水泥有：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和粉煤灰硅酸盐水泥等五大品种水泥。•3.1常用水泥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（即国外通称的波特兰水泥）。•硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称Ⅰ型硅酸盐水泥，代号Ｐ·Ⅰ；在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过质量５％石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称Ⅱ型硅酸盐水泥，代号Ｐ·Ⅱ。•普通硅酸盐水泥Ｐ·Ｏ•矿渣硅酸盐水泥Ｐ·Ｓ•火山灰质硅酸盐水泥Ｐ·Ｐ•粉煤灰硅酸盐水泥Ｐ·Ｆ•复合硅酸盐水泥Ｐ·Ｃ•3.1.1常用水泥的生产１.硅酸盐水泥生产原料原料：１）石灰质原料主要提供ＣａＯ，２）粘土质原料主要提供Ａｌ２Ｏ３以及Ｆｅ２Ｏ３。3）校正原料补充两种原料中所缺少的铁。•２.硅酸盐水泥生产工艺概述1)把几种原材料按适当比例配合在磨机中磨成生料；2)将制备好的生料入窑进行煅烧，至１４５０℃左右生成以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥“熟料”；3)为调节水泥的凝结速度，在烧成的熟料中加入质量３％左右的石膏共同磨细，即为硅酸盐水泥。因此，硅酸盐水泥生产工艺概括起来为“两磨一烧”。3.1.2常用水泥的特性１．硅酸盐水泥的主要矿物组成硅酸盐水泥的主要矿物组成是：•硅酸三钙３ＣａＯ·ＳｉＯ２，简式为Ｃ３Ｓ，•硅酸二钙２ＣａＯ·ＳｉＯ２，简式为Ｃ２Ｓ，•铝酸三钙３ＣａＯ·Ａ１２Ｏ３，简式为Ｃ３Ａ，•铁铝酸四钙４ＣａＯ·Ａｌ２Ｏ３，·Ｆｅ２Ｏ３，•简式为Ｃ４ＡＦ，2．硅酸盐水泥各矿物组成性能比较硅酸盐水泥熟料中这四种矿物组成的特性是：１）反应速度Ｃ３Ａ最快，Ｃ３Ｓ较快，Ｃ４ＡＦ也较快，Ｃ２Ｓ最慢；２）释热量Ｃ３Ａ最大，Ｃ３Ｓ较大，Ｃ４ＡＦ居中，Ｃ２Ｓ最小；３）强度Ｃ３Ｓ最高，Ｃ２Ｓ早期低，但后期增长率较大。故Ｃ３Ｓ和Ｃ２Ｓ为水泥强度主要来源。Ｃ３Ａ强度不高，Ｃ４ＡＦ含量对抗折强度有利；４）耐化学侵蚀性Ｃ４ＡＦ最优，其次为Ｃ２Ｓ、Ｃ３Ｓ，Ｃ３Ａ最差；５）干缩性Ｃ４ＡＦ和Ｃ２Ｓ最小，Ｃ３Ｓ居中，Ｃ３Ａ最大。硅酸盐水泥主要矿物组成与特性矿物组成硅酸三钙C3S硅酸二钙C2S铝酸三钙C3A铁铝酸四钙C4AF与水反应速度中慢快中水化热中低高中对强度的作用早期良差良良后期良优中中耐化学侵蚀中良差优干缩性中小大小３．矿物组成对水泥性能的影响以上是单个矿物组成的性能，水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比例，水泥的性质即发生相应的变化。例如提高硅酸三钙的含量，可以制得高强水泥；又如降低铝酸三钙和硅酸三钙含量，提高硅酸二钙含量，可制得水化热低的水泥，如大坝用水泥；提高铁铝酸四钙含量，可获得抗折强度较高的水泥，如道路水泥。4．硅酸盐水泥的凝结和硬化（１）硅酸盐水泥的水化水泥颗粒与水接触，水泥熟料矿物即与水发生水化反应，生成水化产物并放出一定热量水泥的水化主要是四种矿物成分的水化：１）硅酸三钙２）硅酸二钙３）铝酸三钙４）铁铝酸四钙氢氧化钙）(22（水化硅酸钙水22（硅酸三钙硅2x)Ca(OH)(3OHySiOxCaOOnHSiOCaO3氢氧化钙）(22（水化硅酸钙水22（硅酸三钙硅2x)Ca(OH)(2OHySiOxCaOOmHSiOCaO2２）硅酸二钙1）硅酸三钙O31H3CaSOOAl3CaOO19H)O2HCaSO(3O6HOAl3CaO2）（4322（二水石膏）242（水化铝水化铝32三硫型水化硫铝酸钙OHOFeCaOO6HOAl3CaOO7HOFeOAl4CaO2（水化铁水化铁322（水化铝水化铝32232（铁铁铝酸四钙32４）铁铝酸四钙３）铝酸三钙•为了调节水泥的凝结硬化速度，在磨细水泥时，掺人适量石膏，水化铝酸钙与石膏反应生成三硫型水化硫铝酸钙，亦称钙矾石。当石育消耗完毕后，水泥中尚未水化的铝酸三钙与钙矾石反应生成单硫型的水化硫铝酸钙。反应式如下：•三硫型水化硫铝酸钙（即钙矾石）是难溶于水的稳定的针状结晶体，它在生成结晶体时体积大大膨胀。因此，水泥中加入石膏数量不可过多，防止水泥凝结硬化过程中硫铝酸钙超过限制，产生体积变化不均匀。尤其是形成水泥构件后，还继续水化，其危害更大。O12HCaSOOAl3CaOOAl3CaO3CaOO31H3CaSOOAl3CaO2（432（水化铝水化铝酸32）（2432单硫型水化硫铝酸钙）三硫型水化硫铝酸钙（２）硅酸盐水泥的凝结和硬化硅酸盐水泥的凝结硬化大致可划分为以下四个阶段：第Ⅰ阶段为初始反应期（诱导前期）第Ⅱ阶段为潜伏期（诱导期）第Ⅲ阶段为凝结期（凝结期）第Ⅳ阶段为硬化期（硬化期）水泥水化放热曲线3.1.3影响常用水泥性能的主要因素１）水泥组成成分的影响２）水泥细度的影响３）温度与湿度的影响４）水泥强度与龄期的关系5）拌和用水量的影响6）贮存条件的影响此外，水泥矿物成分的含量、水泥颗粒细度等，对水泥的凝结硬化以及强度，都有一定的影啊。思考题：•１.水泥磨细过程中加入石膏的目的是什么？•２.水泥四种矿物成分的特性是什么？•３.影响水泥凝结硬化的因素有哪些？主要内容：硅酸盐水泥的技术性质硅酸盐水泥的技术标准常用水泥的选用其它品种水泥重点内容：硅酸盐水泥的技术性质硅酸盐水泥的技术标准难点：硅酸盐水泥的强度检验方法及评定要求：掌握硅酸盐水泥的技术性质掌握硅酸盐水泥的技术标准参考资料：《土木工程材料》陈志源《道路建筑材料》严家伋《道路建筑材料》孙凌《公路工程水泥和水泥混凝土试验规程》《道路建筑材料》集中训练试验补充教材《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》技术标准GB175-19993.1.4常用水泥的选用各类建筑工程，针对其工程性质、结构部位、施工要求和使用环境条件等，进行选用。3.1.5常用水泥的技术性质和技术标准１.技术性质按照我国现行国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（ＧＢ１７５一１９９９）规定，硅酸盐水泥的技术性质包括下列项目：１）化学性质为了保证水泥的使用质量，水泥的化学指标主要是控制水泥中有害的化学成分含量，若其超过最大允许限量，即意味着对水泥性能和质量可能产生有害或潜在的影响。（１）氧化镁含量（２）三氧化硫含量（３）烧失量（４）不溶物２）物理力学性质（１）细度细度是指水泥颗粒粗细的程度。细度愈细，水泥与水起反应的面积愈大，水化速度愈快并较完全。实践表明，细度提高，可使水泥混凝土的强度提高，工作性得到改善。但是，水泥细度提高，在空气中的硬化收缩也较大，使水泥发生裂缝的可能性增加。因此，对水泥细度必须予以合理控制。（２）水泥净浆标准稠度为使水泥凝结时间和安定性的测定结果具有可比性，在此两项测定时必须采用标准稠度的水泥净浆。我国国标规定，水泥净浆稠度是采用标准维卡仪测定的，以试杆沉入净浆距底板６ｍｍ±１ｍｍ时的稠度为“标准稠度”，此时的用水量为标准稠度用水量。水泥标准稠度与凝结时间测定（３）凝结时间凝结时间是水泥从加水开始，到水泥浆失去可塑性所需的时间。凝结时间分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从水泥加水到水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是水泥加水到水泥浆完全失去塑性并开始产生强度的时间。水泥的凝结时间对水泥混凝土的施工有重要意义。如果凝结过快，混凝土会很快失去流动性，以致无法浇筑，所以初凝时间不宜过短，以便有足够的时间在初凝之前完成混凝土各工序的施工操作；但终凝时间又不宜太迟，以便混凝土在浇捣完毕后，尽早完成凝结硬化。我国现行国标（ＧＢ１７５－１９９９）规定，硅酸盐水泥初凝时间不得早于４５ｍｉｎ；终凝时间不得迟于３９０ｍｉｎ。普通硅酸盐水泥初凝时间不得早于４５ｍｉｎ，终凝时间不得迟于１０ｈ。（４）体积安定性水泥硬化后体积变化的均匀性称为水泥体积安定性。水泥与水拌制成的水泥浆体，在凝结硬化过程中，一般都会发生体积变化，如果这种变化是发生在凝结硬化过程中，则对建筑物的质量并没有什么影响。但是，在水泥硬化后若产生不均匀的体积变化，将使混凝土产生膨胀裂缝，降低使用质量，甚至引起严重事故。这既是水泥体积安定性不良。体积安定性不良的原因，一般是由于熟料中所含的游离氧化钙过多；也可能是熟料中所含的游离氧化镁过多或掺入的石膏过多，致使水泥已经凝结硬化后，甚至已经应用于结构物中，这些成分继续水化，体积膨胀，引起不均匀的体积膨胀，造成水泥石开裂。雷氏夹雷氏夹测定仪（５）强度强度是水泥技术要求中最基本的指标，也是水泥的重要技术性质之一。水泥的强度除了与水泥本身的性质（如熟料的矿物组成、细度等）有关外，并与水灰比、试件制作方法、养护条件和时间等有关。多年来，我国水泥强度的检验一直按国家标准《水泥胶砂强度检验方法》（ＧＢ１７７一８５）简称软练法进行，该标准规定，以ｌ∶２．５的水泥和标准砂，按规定的水灰比（０．４４或０．４６），用标准制作方法制成４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ的标准试件，在标准养护条件下，达规定龄期（３ｄ，７ｄ，２８ｄ）时，按国家标准（ＧＢ１７５一９２）规定的最低强度值来评定其所属标号。水泥胶砂试模集振动台我国现行国家标准《水泥胶砂强度检验方法》（ＧＢ／Ｔ１７６７１－１９９９）简称ＩＳＯ法规定，以１∶３的水泥和标准砂（标准砂满足级配要求），采用０.５的水灰比，用标准制作方法制成４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍ的标准试件，在标准养护条件下，达到规定龄期（３ｄ，７ｄ，２８ｄ）时，按国家标准（ＧＢ１７５－１９９９）规定的最低强度值来确定其强度等级。我国现行国家标准（ＧＢ１７５一９２）规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任一项不符合标准规定，均为废品。凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任一项不符合标准规定或混合材料掺加量超过最大限量，或强度低于商品标号规定的指标时，称为不合格品，废品水泥在工程中严禁使用。２．技术标准硅酸盐水泥石的腐蚀和防止１.水泥石的腐蚀１）淡水侵浊２）硫酸盐的侵蚀３）镁盐侵蚀４）碳酸侵蚀水泥石腐蚀的防止针对以上分析产生腐蚀的原因，在选用水泥及施工中，可考虑以下措施来防止腐蚀。１）根据建筑物环境特点，合理选用水泥品种２）提高水泥石的密实度３）加做保护层R3.2其它品种水泥3.2.1高铝水泥凡以铝酸钙为主，氧化铝含量约５０％的熟料，经磨细而得的水硬性胶凝材料称为高铝水泥。又名矾土水泥。工程应用高铝水泥的特点是早期强度增长快，强度高，主要用于紧急抢修和早期强度要求高的工程。高铝水泥的缺点是后期强度倒缩，在使用３～５年后高铝水泥混凝土的强度只有早期强度的一半左右。高铝水泥不宜作结构工程。它的使用温度不宜超过３０℃，如有蒸汽养护不宜超过５０℃，不得与其它品种水泥混合使用。3.2.2膨胀水泥膨胀水泥是硬化过程中不产生收缩，而具有一定膨胀性能的水泥。工程应用在道桥工程中，膨胀水泥常用于水泥混凝土路面、机场道面或桥梁修补混凝土。此外用于防止渗漏、修补裂缝及管道接头等工程。3.2.3白色和彩色硅酸盐水泥白色水泥的主要矿物组成仍是硅酸盐，只是水泥中着色物质（氧化铁、氧化锰、氧化钛、氧化铬等）的含量极少。生产彩色硅酸盐水泥有三种方法：（1）在水泥生料中混入着色物质，烧成彩色熟料再粉磨成彩色水泥；（2）将白水泥熟料或硅酸盐水泥熟料、适量石膏和碱性着色物质共同磨细制成彩色水泥；（3）将干燥状态的着色物质掺入白色水泥或硅酸盐水泥中。白色和彩色水泥在装饰工程中，常用于配制各类彩色水泥