第二章水泥.

2.水泥水泥——水硬性胶凝材料不仅能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度主要内容水泥的矿物组成及其技术特性水泥的技术性质2.1水泥的矿物组成及其特性2.1.1硅酸盐水泥熟料硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料、0～5％石灰石或粒化高炉矿渣，石膏硅酸盐水泥类型：Ⅰ型硅酸盐水泥，代号P.I，不掺混合材料Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P.II，掺加不超过水泥质量5％的混合材料2.1.1.1硅酸盐水泥的原料与熟料1)原料—生料(主要化学成分)：CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3生产工艺——二磨一烧石灰石┐磨细1450℃粘土┼───生料───熟料┐铁矿粉┘石膏┘2）熟料（主要矿物）：硅酸三钙（3CaO·SiO2）——简写C3S硅酸二钙（2CaO·SiO2）——简写C2S铝酸三钙（3CaO·Al2O3）——简写C3A铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）——简写C4AF磨细————水泥成品2.1.1.2硅酸盐水泥熟料中主要矿物组成的技术特性水化程度：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S图2-1几种矿物的水化程度释热量：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S图2-2几种矿物的水化释热量强度早期强度：C3S＞C3A＞C4AF＞C2S后期强度：C3S~C2S＞C3A～C4AF图2-3几种矿物强度发展特征图2-1几种矿物的水化速率C3A＞C3S＞C4AF＞C2S24h：大约有65%的C3A水化，C3S水化50%左右；90d：四种矿物的水化程度已经接近图2-2几种矿物的水化释热量C3A＞C3S＞C4AF＞C2S图2-3几种矿物强度发展特征2.1.2水泥混合材料及其特性混合材料：改善水泥性质（降低水化热，提高防腐性能）调节水泥标号提高水泥产量（节约水泥原料）如：天然砂砾火山灰或工业废渣（矿渣、炉渣、粉煤灰）等2.1.2.1活性混合材料活性：能与碱水溶液和硫酸盐溶液反应，生成水硬性化合物•粒化高炉矿渣：CaO，SiO2，Al2O3，Fe2O3（含量＞90％）•火山灰质混合材料：活性SiO2和活性Al2O3•粉煤灰：SiO2和Al2O3（含量＞60％）2.1.2.2非活性混合材料•品种：磨细石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣等•掺加目的：调节水泥标号、提高产量、降低水化热2.1.3石膏（CaSO4·2H2O）掺量：3～5％作用：缓凝、调节凝结速度2.1.4水泥中的有害物质•游离氧化钙f-CaO、氧化镁f-MgO•三氧化硫SO3•碱含量→“碱－集料反应”2.1.5常用硅酸盐水泥品种1)硅酸盐水泥PI、PII：硅酸盐水泥熟料＋0~5%混合材＋石膏2)普通硅酸盐水泥PO：硅酸盐水泥熟料＋6~15%混合材＋石膏3)矿渣硅酸盐水泥PS：水泥熟料＋20~70%粒化高炉矿渣＋石膏4)火山灰质硅酸盐水泥PP：水泥熟料＋20~50%火山灰质材料＋石膏5)粉煤灰硅酸盐水泥PF：水泥熟料＋20%~40%粉煤灰＋石膏道路硅酸盐水泥：道路硅酸盐水泥熟料＋0~10%活性混合材＋石膏★2.2水泥的技术性质2.2.1新拌水泥浆体的凝结硬化过程2.2.1.1硅酸盐水泥的凝结硬化过程1）初始反应期：水泥熟料颗粒初始水解和水化（约5~10min，放热7J/g.h)水泥水化过程2）潜伏期：水化物薄膜围绕水泥颗粒成长变厚（约1~2h，放热4J/g.h)3）凝结期：膜层破裂，水泥颗粒进一步水化（约6h，放热20J/g.h）4）硬化期：水化物进一步发展，填充毛细孔（约6h～若干年）图2-4水泥的凝结硬化过程示意图★凝结硬化机理小结水泥熟料水化生成紧密、相互交结的水化物体系而凝聚产生强度硬化水泥石由水化物、未水化水泥熟料颗粒、水及孔隙所组成水泥熟料颗粒初始水解和水化⑴硅酸三钙：C3S＋H2O→3CaO·2SiO2·3H2O＋Ca(OH)2水化硅酸钙⑵硅酸二钙：C2S＋H2O→水化硅酸钙＋Ca(OH)2⑶铝酸三钙:在纯水中：C3A＋H2O→(C4AH13、C4AH19、C3AH6…)（水泥瞬凝的原因)水化铝酸钙在石膏溶液中：C3A＋Ca(OH)2＋H2O→C4AH13C4AH13＋CaSO4·2H2O＋H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O三硫型水化铝酸钙(钙矾石)当石膏耗尽后：C4AH13＋钙矾石→3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O单硫型水化硫铝酸钙水泥熟料颗粒初始水解和水化⑷铁铝酸四钙:在纯水中：C4AF＋H2O→C4AH13＋C4FH13水化铝酸四钙水化铁酸四钙→缩写C4(A、F)H13在石膏溶液中：C4AF＋Ca(OH)2＋H2O→C4(A、F)H13C4(A、F)H13＋CaSO4·2H2O＋H2O→3CaO·(Al2O3·Fe2O3)3CaSO4·32H2O三硫型水化铁铝酸钙当石膏耗尽后：同铝酸三钙，生成单硫型水化硫铁铝酸钙★水泥水化小结生料熟料水泥石主要化学成分主要矿物成分主要水化产物（比例）CaOSiO2Al2O3Fe2O3C3SC2SC3AC4AFCaSO4·2H2O水化硅酸钙（～70％）Ca(OH)2（～20％)三硫型水化铝酸钙（钙矾石～7%)硫型水化铝酸钙三硫型水化铁铝酸钙单硫型水化铁铝酸钙图2-4水泥的凝结硬化过程示意图2.2.1.2掺混合材料水泥的凝结硬化过程1）反应条件⑴具有活性物质：活性SiO2和活性Al2O⑵具有活性激发剂：激发活性材料潜在活性的物质Ca(OH)2溶液（碱性激发剂）CaSO4·2H2O溶液（硫酸盐激发剂）2）反应机理（二次反应，又称火山灰反应）SiO2＋Ca(OH)2＋H2O→CaOSiO2·mH2O不定型水化硅酸钙（凝胶）Al2O3＋Ca(OH)2＋H2O→CaOAl2O3·nH2O不定型水化铝酸钙（凝胶）Al2O3＋CaSO4·2H2O→水化硫铝酸钙（钙矾石）2.2.1.2掺混合材料水泥的凝结硬化过程3）对水泥性质的影响⑴水化速度慢：早期强度低，后期强度发展⑵化学稳定性较高：抗腐蚀（淡水、硫酸盐）⑶水化热低：适应大体积工程2.2.2硬化水泥石的腐蚀★腐蚀原因①水泥石中存在着引起腐蚀的成分Ca(OH)2（约20％)水化铝酸钙②有侵蚀性介质存在：各种盐类、硫酸盐类及酸类物质③水泥石本身不密实2.2.2.1水化物Ca(OH)2的溶失与置换1）溶析性侵蚀（淡水腐蚀）Ca(OH)2在动水或有压力水中直接溶失2）盐类腐蚀MgCl2＋Ca(OH)2→CaCl2（易溶）＋Mg(OH)23）酸类腐蚀碳酸腐蚀：CO2＋H2O＋Ca(OH)2→CaCO3＋H2OCO2＋H2O＋CaCO3→Ca(HCO3)2盐酸腐蚀：HCl＋Ca(OH)2→CaCl2（易溶）＋H2O2.2.2.2硫酸盐腐蚀（在Ca(OH)2存在的情况下）水化铝酸钙C4A·H13→钙矾石（体积比水化铝酸钙增加1.5倍）Ca(OH)2＋Na2SO4→CaSO4·2H2O＋NaOH＋H2O水中Ca(OH)2＋MgSO4→CaSO4·2H2O＋Mg(OH)2水中Ca(OH)2＋H2SO4→CaSO4·2H2O＋H2O水中CaSO4·2H2O＋C4A·H13→Ca(OH)2＋3C3A·3CaSO432H2O水泥石中钙矾石★腐蚀的危害①水泥石密度下降、强度降低②混凝土开裂与崩解2.2.2.3水泥石腐蚀的防止1）合理选择水泥品种（根据侵蚀环境特点选择）2）提高水泥石的密实程度合理降低水灰比使用减水剂3）加作保护层2.2.3水泥的技术指标主要指标：细、凝、安、强，以强为主2.2.3.1细度意义：细度愈大，早期强度愈高、凝结速度愈块、析水量减少过细：生产成本高、在空气中硬化收缩大、不宜保存图2-5水泥细度与干缩率指标：比表面积法（m2/kg）筛析法（80μm方孔筛上的筛余量百分率）2.2.3.2凝结时间定义：初凝：水泥加水拌和起至水泥浆开始失去塑性所需时间终凝：水泥加水拌和时起至水泥浆完全失去塑性所需时间测定方法：图2-6水泥凝结时间测试示意图2.2.3.3体积安定性意义：水泥浆在硬化后因体积膨胀不均匀而变形的情况测定方法：沸煮法压蒸法图2-7压蒸法测试示意图图2-5水泥细度与干缩率的关系图2-6水泥凝结时间测试示意图图2-7压蒸法模具示意图2.2.3.4强度等级和标号意义：强度是水泥的重要技术性质之一也是划分水泥强度等级的主要依据强度等级※强度试验条件：水泥:标准砂＝1:3、水灰比＝0.5，试件4×4×16㎝，标准养护、测定3d与28d抗压强度与抗折强度※型号：早强型R和普通型（根据3d强度）※强度等级：硅酸盐水泥—42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R普通水泥—32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.6R表1硅酸盐水泥各龄期强度值影响强度等级因素：熟料矿物C3S、C2S↑，强度↑细度大，水化反应快并充分，强度高硅酸盐水泥各龄期强度值（GB175-1999）强度等级抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.02.2.3.5干缩率和磨损量1）干缩性（抗裂、抗渗、抗冻、抗腐蚀）①矿物组成：C3A↑干缩性↑C4AF↑收缩量↓（抗裂性最好）②细度↑干缩性↑2)耐磨性①熟料矿物：C4AF↑C3S↑C3A↓,耐磨性↑（抗冲击性及各类强度）↑②抗压强度↑、耐磨性↑2.3常用硅酸盐水泥2.3.1和2.3.2五大品种水泥☆硅酸盐水泥☆普通硅酸盐水泥☆矿渣硅酸盐水泥☆火山灰硅酸盐水泥☆粉煤灰硅酸盐水泥2.3.3道路硅酸盐水泥1）作用和使用要求◇用途：供道路面层和机场道面结构专用◇主要技术要求：抗折强度高干缩性小耐磨性好2.3.3道路硅酸盐水泥2）矿物组成对技术性能的影响①抗折强度高：C3S↑、C4AF↑、C3A↓、f-CaO↓。②干缩性小（抗渗、抗冻）：C3A↓，C4AF↑③耐磨性好：C4AF↑，C3S↑，C3A↓，强度高2.3.3道路硅酸盐水泥3）化学品质要求（高铁低铝）①C3S：51～60%，以提高早期强度，尽早放开交通；②C2S：不宜过多，其早期强度过低③C3A≤5%，考虑到其水化生成物耐腐蚀性较差④C4AF≥16%，提高水泥的抗折强度⑤控制碱含量2.4其它水泥2.4.1高铝水泥以石灰石和矾土为主要原料，配制成适当成分的生料，经煅烧所得的以铝酸一钙为主要矿物的熟料，再经磨细而成的水硬性胶凝材料。2.4.1.1高铝水的主要成分及特性铝酸一钙（CaO·Al2O3,简写CA）特点：凝结不快，硬化迅速，为高铝水泥强度的主要来源；二铝酸一钙（CaO·2Al2O3,简写CA2）特点：水化硬化速度较慢，后期强度较高；铝方柱石（2CaO·Al2O3·SiO2,简写C2AS）特点：水化反应速度极为微弱，凝结性较差，可视为惰性矿物；七铝酸十钙（10CaO·7Al2O3,简写C10A7）特点：凝结速度快，强度较低。2.4.1.2高铝水泥的水化硬化高铝水泥的水化主要是铝酸一钙的水化过程，这个反应过程受外界温度影响较大。高铝水泥的硬化迅速，5~7d后水化物的数量很少增加，强度趋向稳定，释放的水化热较集中。2.4.1.3高铝水泥的性能要求与应用高铝水泥以3d抗压强度确定其标号，分为425,525,625和725四个标号。对细度的要求是80μm方孔筛筛余不得超过10%；初凝不得早于40min，终凝不得迟于10h。应用：1、用于紧急抢修工程和早期强度要求较高的特殊工程2、用于寒冷地区的冬季施工工程不宜应用：1、永久性、重要的工程及预应力混凝土工程2、大体积工程3、碱性溶液工程2.4.2快硬水泥2.4.2.1快硬硅酸盐水泥以适当组成的硅酸盐水泥熟料为基础，加入适量石膏，磨细而成的一种水硬性凝胶材料。特点：硬化快、早期强度高应用：早期强度高的工程，如抢修工程、冬季施工等工程；预制构件的生产等。2.4.2.2快硬快凝硅酸盐水泥以硅酸三钙、氟铝酸钙为主的熟料，与适量石膏，粒化高炉矿渣等共同磨细而成的一种凝结快、小时强