水利工程建筑材料4水泥

4.1通用硅酸盐水泥4.2特性水泥和专业水泥水泥概论1、定义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”，我国称为硅酸盐水泥。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。中国在1889年于唐山建立了第一座水泥厂，从1985年起我国水泥产量已连续21年居世界第一位，2005年，产量已达10.60亿吨，占世界总产量的48％左右。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)大力发展高等级水泥；2.分类（1）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（2）按性能和用途分水泥通用水泥专用水泥特性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硅酸盐水泥六大通用水泥硅酸盐水泥：Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅰ。Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.Ⅱ。普通硅酸盐水泥：简称普通水泥，代号P.O。矿渣硅酸盐水泥：简称矿渣水泥，代号P.S.A和P.S.B。火山灰质硅酸盐水泥：简称火山灰水泥，代号P.P。粉煤灰硅酸盐水泥：简称粉煤灰水泥，代号P.F。复合硅酸盐水泥：复合水泥，代号P.C。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、复合硅酸盐水泥统称掺混合材料的硅酸盐水泥。4.1通用硅酸盐水泥一、定义通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量石膏及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。按混合材料的品种和掺量，通用硅酸盐水泥分为硅酸盐水泥、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、复合硅酸盐水泥。4.1.1硅酸盐水泥硅酸盐水泥定义：“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（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。在硅酸盐水泥粉磨时掺加不超过水泥质量5％的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。”（1）硅酸盐水泥的生产1）生料的配制–石灰质原料（如石灰石、贝壳等，提供CaO）。石灰石需要量大，建水泥厂时一般建在石灰石产地旁，如峨眉水泥厂。–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）原料在球磨机内研磨到规定的细度并均匀混合。生料配制有干法和湿法。–干法：是把原料烘干磨成生料粉。–湿法：是把生料加水磨成生料浆。生产工艺流程(简称为“两磨一烧”)2）孰料的煅烧窑型–回转窑–新型干法煅烧过程水分蒸发生料预热生料分解熟料煅烧熟料冷却来自官方统计数字显示，2006年，全国水泥产量达到12.4亿吨，然而按新型干法生产的水泥只有6.24亿吨。根据发改委2007年1月发布的《关于做好淘汰落后水泥生产能力有关工作的通知》（下称《通知》），除新型干法外的6亿多吨水泥产能，都将以每年5000万吨的速度逐步淘汰，2020年完成对所有落后产能的淘汰。1）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碱类及杂质2CaO•SiO2，C2S：15~30%4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF：10~18%f－CaO和f－MgO3CaO•Al2O3，C3A：7~15%3CaO•SiO2，C3S：45~65%（2）硅酸盐水泥的矿物组成及特性2）水泥熟料单矿物的水化特性熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见下表。四种矿物的比例对水泥性质的影响:(1)提高C3S的含量，可得到高强硅酸盐水泥;(2)提高C3S和C3A的含量，可制得快硬硅酸盐水泥;(3)降低C3S和C3A的含量、提高C2S的含量，可的低热或中热硅酸盐水泥。矿物组成硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙反应速度快慢最快中28d水化放热量多少最多中早期强度高低低低后期强度较高高低低耐腐蚀性中良差优干缩性中小大小(3)硅酸盐水泥的水化1、硅酸三钙2（3CaO·SiO2）＋6H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca（OH）2特点：速度快，水化热大，强度高，收缩一般。2、硅酸二钙2（2CaO·SiO2）＋4H2O==3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca（OH）2特点：速度特别慢，水化热小，强度早期低、后期高，收缩较大，水化产物中氢氧化钙比较少。C-S-H结构：薄片或纤维颗粒的胶体，胶凝性好、强度高、不溶于水；CH结构：板状晶体，强度低，易溶于水。3、铝酸三钙3CaO·Al2O3＋H2O==3CaO·Al2O3·6H2O特点：反应迅速，水化放热大，强度低，收缩大在有石膏存在时，铝酸三钙开始水化生成高硫型水化硫铝酸钙(AFt)，3CaO·Al2O3·6H2O＋3（CaSO4·2H2O）＋19H2O==3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O当石膏耗尽时，铝酸三钙还会与钙矾石反应生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm）：3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+2(3CaO·Al2O3)+5H2O=3(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)（低硫型水化硫铝酸钙）水化硫铝酸钙为针状晶体，难溶于水，主要为延缓水化铝酸钙的凝结时间。4、铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3＋7H2O==3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O特点：反应速度一般，水化热较低，强度较低，收缩小。水泥熟料矿物成份四种：C3S、C2S、C3A、C4AF水化产物：水化硅酸钙（约70%）、CH（约20%），AFt、水化铝酸钙、水化铁酸钙等（约7%）。C-S-H凝胶体形貌氢氧化钙形貌钙矾石形貌C-S-H凝胶体与骨料界面ElkemMaterialsC-S-H水化硅酸钙凝胶CHCrystal氢氧化钙晶体HYDRATIONPRODUCTSWITHOUTMICROSILICA无微硅粉混凝土的水化产物（4）硅酸盐水泥的凝结和硬化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。硅酸盐水泥的凝结和硬化硬化后的水泥石是由胶体粒子、晶体粒子、凝胶孔、毛细孔及未水化的水泥颗粒所组成。其结构如图所示。水泥石的结构A－－未水化水泥颗粒B－－胶体粒子C－－晶体粒子D－－毛细孔（毛细孔水）E－－凝胶孔凝结硬化的特点①水泥的强度是随着硬化龄期的增加而逐渐增大的。②水泥强度的发展与环境湿度和温度条件有关。③在掺入适量石膏可以调节水泥的凝结速度。2）影响硅酸盐水泥凝结硬化的因素①水泥矿物组成的影响②水泥细度的影响③水灰比(W／C)（拌和加水量）的影响：水灰比越大，凝结硬化后水泥石中的毛细孔越多，强度、抗冻性、抗渗性下降。④养护温度和湿度温度低于5℃时，水化速度大大减慢。当低于0℃时，水化反应、凝结硬化基本停止，也不会产生强度，同时水泥颗粒表面的水分结冰，破坏水泥石的结构。⑤养护龄期水泥加水拌和后起至性能实测时止的养护时间称为龄期。水泥水化、硬化过程中，水泥石的强度随龄期的增加而增长。一般3~7天强度增长较快，28天后的强度增长极为缓慢。⑥外加剂减水剂可延缓水泥的凝结硬化而影响早期强度；早强剂可促进水泥的凝结硬化而提高早期强度。⑦石膏掺量石膏在水泥硬化中起缓凝剂的作用。纯水泥熟料磨细后，与水拌和，凝结时间很短，因此不便使用，为调节水泥的凝结时间，掺入适量（3%左右）的石膏，石膏与铝酸三钙的水化产物水化铝酸三钙作用，生成了难溶的水化硫酸铝钙，覆盖在铝酸三钙的周围，阻止其继续快速水化，因而延缓了水泥的凝结时间。石膏的掺量主要取决于铝酸三钙和SO3的含量。石膏过量安定性不良石膏的掺量一定要适量，如果掺量过多，在水泥硬化后还会继续生成水化硫铝酸钙，因水化硫铝酸钙自身含有大量的结晶水，生成时体积膨胀约2.5倍，会导致硬化后的水泥石开裂而破坏。（5）硅酸盐水泥的技术性质1）细度定义细度－－指水泥颗粒的粗细程度。通常水泥颗粒的粒径为7~200um。同时规定凡细度不符合规定者为不合格品。讨论与分析缺点:水泥越细优点：水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定。硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。GB规定与水发生水化反应的速度越快，水泥石的早期强度越高。总表面积越大，硬化收缩越大；易受潮而降低活性；成本越高。返回2）硅酸盐水泥的标准稠度用水量讨论与分析定义试验方法讨论与分析为什么在测定水泥的凝结时间、体积安定性时，要将水泥净浆拌到标准稠度，也就是一个规定的稠度呢？为了使试验结果具有可比性2）硅酸盐水泥的标准稠度用水量%100水泥用量用水量水泥的标准稠度用水量定义不同的水泥品种，标准稠度用水量各不相同，一般在24%～33%之间。2）硅酸盐水泥的标准稠度用水量标准稠度用水量指水泥浆达到规定的标准稠度时，所需要的用水量，是对水泥性质检验的准备性指标。由于用水量的多少，能直接影响凝结时间和体积安定性等性质的测定，因此，必须在规定的稠度下进行试验。按国家标准GB/T1346-2001的规定试验。3）硅酸盐水泥的凝结时间定义讨论与分析GB规定测定方法定义水泥全部加入水中开始失去可塑性完全失去可塑性初凝终凝3）硅酸盐水泥的凝结时间凝结时间：是指水泥从加水开始到失去流动性所用的时间，即从可塑状态到固体状态所需要的时间：初凝时间：是指水泥从加水到水泥浆开始失去流动性所用的时间；终凝时间；是指水泥从加水到水泥浆完全失去流动性所用的时间；水泥的初凝和终凝时间对工程有重要意义。例如：混凝土的施工。讨论与分析结论1：水泥的初凝时间不能过短，否则在施工前即已失去流动性和可塑性而无法施工。结论2：水泥的终凝时间不能过长，否则将延长施工进度和模板周转期。3）硅酸盐水泥的凝结时间初凝时间不得早于45min终凝时间不得迟于6.5h。同时规定:凝结时间不符合规定者为不合格品。GB规定3）硅酸盐水泥的凝结时间试验方法水泥的凝结时间的测定，是以标准稠度用水量拌制的水泥净浆，在规定的温度和湿度条件下，用凝结时间测定仪来测定。3）硅酸盐水泥的凝结时间4)硅酸盐水泥的体积安定性定义讨论与分析GB规定试验方法定义水泥的体积安定性－－指水泥硬化后体积变化是否均匀的性质。水泥硬化后体积发生不均匀膨胀，导致水泥石开裂、翘曲等现象。否则，为良好。不良：良好：注意：安定性不良的水泥为废品水泥，严禁在工程中使用。4)硅酸盐水泥的体积安定性讨论与分析引起安定性不良的原因有哪些熟料中含有过多的游离MgO;熟料中含有过多的游离CaO;石膏掺量过多。GB规定用沸煮法检验必须合格；熟料中MgO含量≯5%；熟料中SO3含量≯3.5%；4)硅酸盐水泥的体积安定性试验方法沸煮法试饼法雷氏夹法5)硅酸盐水泥的体积安定性GB规定5)硅酸盐水泥的强度等级GB规定强度是水泥力学性质的一项重要指标，是确定水泥强