第3章-水泥--清华版土木工程材料

清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（第三章水泥）主讲人：陈德鹏安徽工业大学本科生课程清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS教学目标※掌握：普通硅酸盐水泥组成材料、熟料矿物基本特性，通用硅酸盐水泥的技术要求及选用原则。※熟悉：水泥的水化、凝结和硬化，水泥性能指标、水泥石的腐蚀及预防※了解：水泥的分类，其他品种水泥，新型胶凝材料。教学重点※通用硅酸盐水泥的矿物组成、性能及选用原则※水泥主要性能指标及检测方法※水泥石的腐蚀及预防本章主要教学内容与要求清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS水泥（Cement）水泥概述通用硅酸盐水泥※通用硅酸盐水泥的生产※水泥组成材料※水泥技术要求※水泥水化与凝结硬化※水泥石的腐蚀与预防※通用硅酸盐水泥的性能特点及选用其他品种硅酸盐水泥其他品种水泥新型胶凝材料及其在土木工程中的应用清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。水泥概述什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥、特性水泥和专用水泥。水泥的化学成分硅酸盐系水泥铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥磷酸盐系水泥硫铝酸钙硅酸钙铝酸钙磷酸钙,镁清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。水泥概述什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥、特性水泥和专用水泥。水泥的特性膨胀水泥快硬水泥低热水泥抗腐蚀水泥硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。水泥概述什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？按安用途和性能：通用水泥、特性水泥和专用水泥。水泥在土木工程中的重要作用※水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！※水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！※其性能和正确选用对土木工程功能与质量至关重要！清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS原料：硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)，占1/3钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占2/3调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3与SiO2制造工艺的“两磨一烧”工艺流程：硅酸盐水泥的生产硅质(粘土)钙质(石灰石)1450℃调节原料(铁质)石膏水泥生料熟料混合材粉磨煅烧粉磨清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS通用硅酸盐水泥的种类根据混合材料的用量和种类的不同，可得到不同种类的通用硅酸盐水泥硅酸盐水泥※PⅠ（无混合材）※PⅡ（≤5粒化高炉矿渣或石灰石粉）普通硅酸盐水泥※PO（6~20%混合材）大掺量混合材硅酸盐水泥※不同种类、较大用量混合材清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS掺大量混合材的硅酸盐水泥品种硅酸盐水泥熟料＋石膏＋＋＋＋20~70%矿渣矿渣硅酸盐水泥20~40%火山灰火山灰硅酸盐水泥20~40%粉煤灰粉煤灰硅酸盐水泥20~50%两种混合材复合硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥的凝结硬化和性能与所掺混合材的种类与掺量密切相关！清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS通用硅酸盐水泥的品种及代号清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS硅酸盐水泥的组成硅酸盐水泥熟料※主要胶凝物质，能水化硬化石膏※适量时，调节水泥的凝结时间（延缓）；※过量时，引起提价安定性不良；※天然石膏、工业副产石膏混合材料※调节水泥的强度等级；降低水泥成本※活性混合材：粉煤灰、粒化高炉矿渣、火山灰质材料※非活性混合材：石灰石等，活性未达标的活性混合材※窑灰：水泥回转窑窑尾废气中收集的粉尘助磨剂：水泥粉磨时加入，不超过水泥质量的0.5%必要组分熟料又是如何组成的呢？清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS矿物名称英文名称缩写分子式矿物式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaO·SiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaO·SiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaO·Al2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaO·Al2O3·Fe2O3含量(mass%)36~6015~377~1510~18化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成0102030405060C3SC2SC3AC4AF低高清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS通用硅酸盐水泥的技术要求化学指标※不溶物※烧失量※三氧化硫※氧化镁※氯离子碱含量（选择性指标）物理指标※凝结时间※体积安定性※强度※细度（选择性指标）耐腐蚀性软水侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀强碱腐蚀清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS1.化学指标清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS碱含量主要从水泥生产原材料，尤其是粘土中带入，碱含量高有可能产生碱-集料反应。水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示，按照《水泥化学分析方法》（GB/T176）进行试验检验。若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量应不大于0.60%或由买卖双方协商确定。2.碱含量清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS3.1物理指标——凝结时间概念：凝结时间—水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝：从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝：从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。测定方法：用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。国标要求：硅酸盐水泥：初凝≥45min；终凝＜390min。其它通用水泥：初凝≥45min；终凝时间＜600min。按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，试杆沉入净浆底座（61）mm时的水泥净浆的稠度为标准稠度。水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量称为标准稠度用水量，通常为水泥质量的24%~30%清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS试杆下降高度（341）水泥浆试杆400.2水泥标准稠度测定清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS水泥凝结时间的测定标准稠度水泥浆离底4±1mm为初凝，用分钟表示min园弧形压痕终凝0.5mm清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS答：水泥凝结时间的规定是为了有足够的时间进行施工操作和硬化的混凝土质量；初凝时间太短，来不及施工，水泥石结构疏松、性能差，水泥无使用价值；终凝时间太长，强度增长缓慢，也会影响施工。国标规定：凡初凝时间、终凝时间不符合规定的水泥为不合格品。为什么？清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS基本概念：水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。若水泥石的体积变化均匀适当，则体积安定性良好；若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。水泥体积安定性不良的原因：水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀。3.2物理指标——安定性清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS试饼法雷氏夹法合格标准：＜5mm。肉眼观察表面有无裂纹用直尺检查有无弯曲合格标准：无裂纹、无弯曲。试饼法用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹，用直尺检查没有弯曲，则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。雷氏夹法测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体积安定性不合格。检验方法（对于游离氧化钙引起的安定性不良）对于游离氧化镁引起的体积安定性不良，必须根据《水泥压蒸安定性试验方法》（GB/T750）用压蒸法检验其危害作用清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS3.3物理指标——强度检验方法——软练胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。试件尺寸：4040160mm棱柱体；胶砂配比：水泥:ISO标准砂:水=1:3:0.5；振动成型：在频率为2800~3000次/min，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间120s。试件养护：在20C1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中24h，然后脱模在20C1C的水中养护至测试龄期；——《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671）清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS100mm160mmP抗折强度试验PP抗压强度试验强度测量：将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600mm2。结果计算：抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平均值。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS根据3天和28天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级强度等级清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS3d28d时间（d）强度（MPa）水泥强度发展规律清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS答：水泥胶砂试件的强度与水泥的组成、试件的水灰比和砂灰比、水泥的水化程度，以及试件的大小有关，而水泥的水化程度与养护条件和养护时间有关；水泥强度检验目的是检验具有确定组成的水泥的强度，因此，为排除其它因素的影响，将这些因素统一规定，以便相互比较。为什么水泥强度检验方法要规定试件尺寸、试件配比、养护条件、养护时间等？清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS定义细度是指水泥粉体的粗细程度。测量方法筛析法：以80m或45m方孔筛的筛余量表示；比表面积法（勃氏法）：以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。国标要求硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg；其它通用硅酸盐水泥的80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%，或45m方孔筛的筛余量不得超过30.0%。为什么需要规定水泥的细度，是不是水泥越细越好？3.4物理指标——细度清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS答：水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。为什么需要规定水泥的细度，是不是水泥越细越好？清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS扩展介绍：水泥的水化热