土木工程材料第5章水泥

第5章水泥5.1通用硅酸盐水泥1、硅酸盐水泥的组成、水化过程、凝结硬化过程、技术性质特点及应用；2、掺加混合料的硅酸盐水泥5.2特种水泥和专用水泥主要内容主要内容学习目标学习目标熟悉硅酸盐水泥的组成；了解其水化过程、凝结硬化过程；掌握硅酸盐水泥的性能与特点及在施工中正确选用水泥。水泥的定义和分类水泥是一种细磨成粉末状，加入适量水后成为可塑性的浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结成具有一定强度的整体的水硬性胶凝材料。水泥通用水泥专用水泥特种水泥用于一般土木建筑工程中的水泥，如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等；具有专门用途水泥，如道路水泥等、砌筑水泥、大坝水泥等；某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、中、低热水泥，白色硅酸盐水泥、膨胀水泥、抗硫酸盐水泥等。按用途和性能分类按其化学成分类虽然水泥品种繁多，分类方法各异，但我国水泥产量的90%左右属以硅酸盐为主要水硬性硅酸盐水泥。5.1通用硅酸盐水泥5.1.1通用硅酸盐水泥的生产与组成1.通用硅酸盐水泥的定义：是以硅酸盐水泥熟料、适量的石膏以及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。2.分类及代号：P、P、PO、PP、PSA、PSB、PF、PC。品种代号组分熟料+石膏矿渣火山灰粉煤灰石灰石硅酸盐水泥PI100————PⅡ≥95≤5———≥95———≤5普通水泥PO≥80且955且≤20a—矿渣硅酸盐水泥PSA≥50且8020且≤50b———PSB≥30且5050且≤70b———火山灰水泥PP≥60且80—20且≤40c——粉煤灰水泥PF≥60且80——20且≤40d—复合水泥PC≥50且8020且≤50e表5-1通用硅酸盐水泥的品种、代号和组成（P50）3.硅酸盐水泥的生产生产原料主要是石灰质原料和粘土质原料两类。石灰质原料：如石灰石、白垩等，主要提供CaO，粘土质原料：如粘土、粘土质页岩等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3。有时两种原料化学组成不能满足要求，还要加入少量校正原料(如铁矿粉等)调整。生产工艺概述：硅酸盐水泥的生产工艺可概括为三个阶段：生料配制、磨细：以石灰石、粘土和铁矿粉为主要原料，将其按一定比例配制、磨细，制得具有适当化学成分、质量均匀的生料。熟料煅烧：将生料在水泥窑内经1450℃高温煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料。水泥制成：将熟料加适量石膏和0～5％的石灰石或粒化高炉矿渣共同磨细得到硅酸盐水泥。硅酸盐水泥生产工艺可概括为“两磨一烧”。石灰质原料粘土质原料铁矿石熟料生料水泥石膏和混合材料磨细按比例配合1450℃煅烧磨细图5-1水泥生产流程图加入石膏是为了延缓水泥的凝结时间，满足使用要求；加入混合材料是为了改善其品种和性能，扩大使用范围。石膏作用加入石膏是为了延缓水泥的凝结时间，满足使用要求；加入混合材料是为了改善其品种和性能，扩大使用范围。生料SiO2CaO化合反应800～1450℃800℃左右分解反应Al2O3Fe2O32CaO·SiO23CaO·SiO23CaO·Al2O34CaO·Al2O3·Fe2O34.硅酸盐水泥熟料组成：是以硅酸盐为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。其组成：硅酸盐水泥熟料的矿物组成矿物名称化学成分缩写符号含量硅酸三钙3CaO·SiO2C3S50％～60％硅酸二钙2CaO·SiO2C2S15％～37％铝酸三钙3CaO·Al2O3C3A7％～15％铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10％～18％5.1.2硅酸盐水泥的水化与硬化1、硅酸盐水泥熟料矿物的水化（1）硅酸三钙水化硅酸三钙水化硅酸钙氢氧化钙（2）硅酸二钙水化硅酸二钙水化硅酸钙氢氧化钙22222)(33236)3(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO22222)(33234)2(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO（3）铝酸三钙水化铝酸三钙水化铝酸钙（4）铁铝酸四钙水化OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374铁铝酸四钙水化铝酸钙水化铁酸钙OHOAlCaOOHOAlCaO2322326363各种熟料矿物的特性性能指标熟料矿物C3SC2SC3AC4AF水化速率快慢最快快，仅次于C3A凝结硬化速率快慢快快放热量多少最多中强度高早期低后期高低较低干缩中中大小表中所列各种矿物的放热量和强度，是指全部放热量和最终强度。2、硅酸盐水泥的凝结硬化水泥的凝结是指水泥加水拌合后从流动状态到固体状态的变化，即水泥浆失去流动性而具有一定的强度。水泥的硬化是指凝结的水泥浆体固化后所建立的网状结构具有一定的机械强度，并不断发展的过程。水泥的凝结硬化大致可划分为以下四个阶段：P54图5-2为硅酸盐水泥凝结硬化过程示意图。图5-2水泥的硬化期可以延续至很长时间，但28天基本表现出大部分强度。只要温度、湿度适合且无外界腐蚀，水泥强度在几年、甚至几十年后还能继续增长。实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。水泥凝结硬化过程的各个阶段不是彼此截然分开，而是交错进行的。4、影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素（１）矿物组成不同矿物成分和水起反应时所表现出来的特点是不同的，如C3A水化速率最快，放热量最大而强度不高；C2S水化速率最慢，放热量最少，早期强度低，后期强度增长迅速等。因此，改变水泥的矿物组成，其凝结硬化情况将产生明显变化。水泥的矿物组成是影响水泥凝结硬化的最重要的因素。（2）水泥的细度在矿物组成相同的条件下，水泥磨得愈细，水泥颗粒平均粒径小，比表面积大，水化时与水的接触面大，水化速度快，相应地水泥凝结硬化速度就快，早期强度就高。（3）拌和用水量水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。当水泥浆中加水较多时，水灰比较大，此时水泥的初期水化反应得以充分进行；但是水泥颗粒间原来被水隔开的距离较远，颗粒间相互连接形成骨架结构所需的凝结时间长，所以水泥浆凝结较慢。水泥浆的水灰比较大时，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多,造成水泥石的强度较低，因此水泥浆的水灰比过大时，会明显降低水泥石的强度。（4）环境温度和湿度水泥水化反应速度随温度的升高而加快。当温度低于00C时，水结冰，水泥石结构会破坏。水的存在是水泥水化反应的必要条件。当环境湿度十分干燥时，水泥中的水分将很快蒸发，以致水泥不能充分水化，硬化也将停止；反之，水泥的水化将得以充分进行，强度正常增长。保持环境足够的温度和湿度，使水泥石强度不断增长的措施，称为水泥的养护。（5）龄期（养护时间）水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，随着养护龄期增长，水化产物不断积累，水泥石结构趋于致密，强度不断增长。所以水泥石养护时间越长，强度越高。一般在28天内强度发展最快，28天后显著减慢。（6）石膏掺量水泥中掺入石膏，可调节水泥凝结硬化的速度。掺量约占水泥重量的3～5%，具体掺量通过试验确定。挡墙开裂与水泥的选用现象：某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5Ⅱ型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：C3S：61％；C2S：14％C3A：14％；C4AF：11％原因分析：由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。防治措施：首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。5.1.3硅酸盐水泥的技术性质1、化学指标（教材P56表5-4）⑴不溶物：是指经酸、碱处理后所得的残渣，经高温灼烧所剩余的物质。不溶物对水泥质量有不良影响。Ⅰ型硅酸盐水泥不得超过0.75%，Ⅱ型不得超过1.5%。⑵烧失量：是指水泥在950-10000C温度下15-20min的质量减少率。Ⅰ型硅酸盐水泥不得超过3%，Ⅱ型不得超过3.5%；⑶三氧化硫含量：三氧化硫是添加石膏时带入的成分，水泥中过量的三氧化硫会与铝酸三钙形成较多的钙矾石，造成体积膨胀，危害安定性。是不得超过3.5%；⑷氧化镁含量：氧化镁水化速度慢，水化产物是氢氧化镁，体积膨胀，如果过多，会造成水泥石的开裂。不宜超过5%；⑸氯离子含量：氯离子会加速钢筋腐蚀，不宜超过0.06%。5.1.3硅酸盐水泥的技术性质1、物理指标⑴凝结时间：⑵体积安定性：⑶强度及强度等级⑷细度（选择性指标）水泥全部加入水中开始失去可塑性完全失去可塑性初凝时间终凝时间⑴凝结时间水泥从加水时至水泥浆失去可塑性所需的时间。凝结时间分初凝时间和终凝时间。•初凝时间：从水泥加水至水泥浆开始失去可塑性所经历的时间；•终凝时间：从水泥加水至水泥浆完全失去可塑性所经历的时间。标准规定：硅酸盐水泥初凝时间≥45min，终凝时间≤390min。⑵水泥的体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性，即水泥硬化浆体能保持一定的形状，具有不开裂、不变形、不溃散的性质。如果这种体积变化是轻微的均匀的，则对建筑物的质量没什么影响，但是如果混凝土硬化后，由于水泥中某些有害成分的作用，在水泥石内部产生了剧烈的、不均匀的体积变化，则会在建筑物内部产生破坏应力，导致建筑物的强度降低。若破坏应力发展到超过建筑物的强度，则会引起建筑物开裂、崩塌等严重质量事故，这种现象称为水泥的体积安定性不良。•引起水泥体积安定性不良的原因是：①水泥中含有过多的游离CaO和MgO。熟料中所含游离CaO或MgO都是过烧的，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其它成分所包裹，使得其在水泥已经硬化后才进行熟化，生成六方板状的Ca(OH)2晶体，这时体积膨胀97%以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。②石膏掺量过多。当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，从而导致水泥石开裂。国标规定：通用硅酸盐水泥的体积安定性用“沸煮法”检验必须合格。⑶、强度与强度等级强度是水泥技术要求中最基本的指标，它直接反映了水泥的质量水平和使用价值。水泥的强度越高，其胶结能力也越大。硅酸盐水泥的强度主要取决于熟料的矿物组成和水泥的细度，此外还与水灰比、试验方法、试验条件、养护龄期等因素有关。水泥强度等级：按规定龄期抗压强度和抗折强度来划分，分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。硅酸盐水泥各龄期强度不低于下表。为提高水泥早期强度，我国现行标准将水泥分为普通型和早强型（或称R型）两个型号。早强型水泥3d的抗压强度较同强度等级的普通型强度提高10%～24%；早强型水泥的3d抗压强度可达28d抗压强度的50%。硅酸盐水泥强度标准（GB175－2007）（P58表5-5）品种强度等级抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)3d28d3d28d硅酸盐水泥42.542.5R17.022.042.542.53.54.06.56.552.552.5R23.027.052.552.54.05.07.07.062.562.5R28.032.062.562.55.05.58.08.0水泥混凝土路面用水泥，在供应条件允许时，应尽量优先选用早强型水泥，以缩短混凝土养护时间，提早通车。细度指水泥颗粒的粗细程度。一般情况下，水泥颗粒越细，其总表面积越大，与水反应时接触的面积也越大，水化反应速度就越快，所以相同矿物组成的水泥，细度越大，凝结硬化速度越快，早期强度越高。但是水泥颗粒太细，在空气中硬化收缩较大，会使混凝土发生裂缝的可能性增加，此外，水泥颗粒磨细成本提高会导致生产成本提高。一般认为，水泥颗粒粒径小于40μm时才具有较大的活性。国标规定，水泥细度用筛析法和比表面积法来衡量，现行国标规定：硅酸盐水泥的细度比表面积大于300㎡/㎏，其余品种水泥在80μm方孔筛上筛余量不大于10%。⑷、细