水泥的技术性质

2.水泥水泥的特点水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成一种坚硬的石状体。水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位，而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位。水泥的分类按性能和用途分水泥通用水泥专用水泥特性水泥硅酸盐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、大坝水泥等如铝酸盐水泥、膨胀水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等一、硅酸盐水泥生产工艺硅酸盐水泥的原材料–生产硅酸盐水泥熟料的原材料•石灰质原料天然石灰石。也可采用白垩、石灰质凝灰岩等。主要提供CaO.•粘土质原料主要为粘土，其主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3和少量Fe2O3。•铁矿粉采用黄铁矿渣，化学成分为Fe2O3。硅酸盐水泥分为：Ⅰ型硅酸盐水泥（不掺混合材料）代号为P·Ⅰ和Ⅱ型硅酸盐水泥（掺不超过5%的粒化高炉矿渣或石灰石）,代号为P·Ⅱ。生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种.•石膏主要为天然石膏矿、无水硫酸钙等。•混合材料包括活性混合材料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料等）和非活性混合材料（石灰石粉、磨细石英砂等）。硅酸盐水泥生产流程示意图23CaOSiO22CaOSiO233CaOAlO石灰质原料粘土质原料校正原料生料按比例混合磨细煅烧熟料石膏石灰石或粒化高炉矿渣硅酸盐水泥由上图，硅酸盐水泥生产工艺可以概括为：“两磨一烧”（CaO）（SiO2、Al2O3、Fe2O3）（Fe2O3）Al2O3Fe2O3CaOSiO223234CaOAlOFeO磨细二、熟料的矿物组成及其特性熟料的矿物组成水泥熟料矿物硅酸二钙铁铝酸四钙铝酸三钙硅酸三钙2CaO•SiO2，C2S4CaO•Al2O3•Fe2O3，C4AF3CaO•Al2O3，C3A3CaO•SiO2，C3S水泥熟料主要矿物组成的性质C3S是主要成分，含量50%左右，水化速度快，水化热高，它对促进水泥的凝结硬化、以及水泥3-7天的早期强度和后期强度起主要作用。C2S含量15—37%，水化速度慢，水化热低，早期强度低，后期强度高，耐化学侵蚀性和干缩性较好。它不影响水泥的凝结，对水泥的后期强度起主要作用。C3A含量在15%以下，水化速度最快，水化热最高，耐化学侵蚀性差，干缩性大。铝酸三钙对水泥的凝结起主导作用，但其水化产物强度较低。C4AF含量10—18%，水化速度较快，水化热较低，强度较低，但对于抗折强度起重要作用，耐化学侵蚀性好，干缩性小。C3SC2SC3AC4AF与水反应速度快慢最快中强度早期高后期高早期低后期高低中水化热高最低最高中抗腐蚀性中好小最好干缩性中小大小水泥熟料主要矿物组成的性质比较熟料矿物成分，%生产厂Ｃ3SC2SC3ＡＣ4AF甲56181412乙4235716现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？由甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水化热均高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥．但耐腐蚀性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。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。三、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，浆体逐渐变稠失去流动性和可塑性而未具有强度的过程；硬化：水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。水泥石可塑性浆体水泥＋水凝结硬化水化反应硅酸三钙水水化硅酸钙氢氧化钙22222)(3336)3(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO22222)(33234)2(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO硅酸二钙水水化硅酸钙氢氧化钙OHOAlCaOOHOAlCaO2322326363OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374铝酸三钙水水化铝酸钙铁铝酸四钙水水化铝酸钙水化铁酸钙1.硅酸盐水泥的水化序号水化产物名称常用缩写含量1水化硅酸钙（凝胶体）C-S-H70%2氢氧化钙（晶体）CH20%3三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）(晶体)C3A3CS·H32（或AFt）7%4单硫型水化硫铝酸钙（单硫盐）(晶体)C3ACSH12（或AFm）5三硫型水化铁铝酸钙C3（AF）3CSH32小于3%6单硫型水化铁铝酸钙C3（AF）CSH12水泥加水拌合后的剧烈水化反应，一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少；另一方面，水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出，水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大，使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小，越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构。此时，水泥浆便开始慢慢失去可塑性，表现为水泥的初凝。由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。当掺入水泥的石膏消耗殆尽时，水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破，铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行，水泥颗粒间逐渐相互靠近，直至连接形成骨架。水泥浆的塑性逐渐消失，直到终凝。随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段。水化产物的进一步增加，水分的不断丧失，使水泥石的强度不断发展。A——凝胶体（C－S－H凝胶，水化铁酸钙凝胶）；B——晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C——孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D——未水化的水泥颗粒•水泥石的结构–水泥石主要由凝胶体、晶体、孔隙、水、空气和未水化的水泥颗粒等组成，存在固相、液相和气相。因此硬化后的水泥石是一种多相多孔体系。–水泥石的结构（水化产物的种类及相对含量、孔的结构）对其性能影响最大。DABC（１）孰料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。2.影响水泥凝结硬化的主要因素（２）水泥的细度在矿物组成相同的条件下，水泥的细度越细，则水化越快越完全。凝结硬化快，水化产物较多，强度高。（3）石膏掺量石膏起缓凝作用：阻碍铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。（4）环境温度和湿度环境温度高，水泥水化快，温度低，则水化反应减慢，强度增长变缓，当降到零度以下，水泥的水化反应停止。水的存在是水泥水化的必备条件，只有在潮湿环境中，水泥才能正常地凝结硬化。因此，在施工过程中，应十分注意保温保湿养护。（5）时间（龄期）水泥的强度随龄期增长而逐渐增长。硅酸盐水泥加水后3-7天内强度增长较快，约28天后显著放慢，保持适当的温度和湿度，水泥强度随龄期的增长而继续提高。（6）加水量加水量多，使得水泥的初期水化反应得以充分进行，但凝结时间变长，多余的水分蒸发后形成的孔隙较多，强度下降，干燥时收缩。若加水量太小，无法满足施工成型工艺要求。掺入减水剂可提高水泥强度。（7）外加剂的影响选择适当外加剂，如减水剂、早强剂、引气剂、膨胀剂等，可改善水泥的性能。例1.试说明生产硅酸盐水泥时为什么必须掺入适量石膏？•水泥熟料中的铝酸三钙遇水后，水化反应的速度最快，会使水泥发生瞬凝或急凝。为了延长凝结时间，方便施工，必须掺入适量石膏。•在有石膏存在的条件下，水泥水化时，石膏能很快与水化铝酸钙作用生成钙矾石，钙矾石很难溶解于水，它沉淀在水泥颗粒表面上形成保护膜，从而阻碍了铝酸三钙的水化反应，控制了水泥的水化反应速度，延缓了凝结时间。•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，也导致水泥石开裂。例2.影响硅酸盐水泥水化热的因素有那些？水化热的大小对水泥的应用有何影响？影响硅酸盐水泥水化热的因素主要有硅酸三钙Ｃ3S、铝酸三钙C3Ａ的含量及水泥的细度。硅酸三钙Ｃ3S、铝酸三钙C3Ａ的含量越高，水泥的水化热越高；水泥的细度越细，水化放热速度越快。水化热大的水泥不得在大体积混凝土工程中使用。在大体积混凝土工程中由于水化热积聚在内部不易散发而使混凝土的内部温度急剧升高，混凝土内外温差过大，以致造成明显的温度应力，使混凝土产生裂缝。严重降低混凝土的强度和其它性能。但水化热对冬季施工的混凝土工程较为有利，能加快早期强度增长，使抵御初期受冻的能力提高。四、硅酸盐水泥的技术性质和技术标准1.技术性质化学性质物理性质化学性质质量标准不溶物Ⅰ型：不溶物不得超过0.75％；Ⅱ型：不溶物不得超过1.50％烧失量Ⅰ型：烧失量不得大于3.0％；Ⅱ型：烧失量不得大于3.5％氧化镁含量水泥中氧化镁含量不宜超过5.0％。如果水泥经压蒸法检验安定性合格，则水泥中氧化镁含量可放宽至6.0％三氧化硫含量不大于3.5％氯离子不大于0.06%碱含量水泥中碱含量按Na2O＋0.658K2O计算值来表示。若使用活性集料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.60％或由供需双方商定物理性质1.细度细度是指水泥颗粒的粗细程度。一般，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。但水泥颗粒太细，在空气中的硬化收缩也较大，使混凝土发生裂缝的可能性增加。为充分发挥水泥熟料的活性，改善水泥性能，同时考虑能耗的节约，要合理控制水泥细度。标准规定：•硅酸盐水泥的细度为：其比表面积大于300m2/kg。•普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥在80μm方孔筛筛余量百分率不得超过10.0%)(勃氏透气法比表面积法负压筛法水筛法筛析法测定方法2.水泥净浆标准稠度为使水泥的凝结时间和体积安定性的测定结果具有可比性，必须用标准稠度的水泥净浆。国家标准规定，以标准试杆沉入净浆并距底板6mm1mm（标准法）或以水泥净浆稠度仪的试锥沉入深度为28mm2mm（代用法）时的净浆为“标准稠度”，此时所需的拌合用水量为该水泥标准稠度用水量。水泥的标准稠度用水量受水泥的细度、水泥矿物组成等因素影响，水泥越细，标准稠度用水量越大。矿物组成中，C3A需水量最大，C3S最小。标准法（试杆法）固定水量法调整水量法代用法（试锥法）测定方法水泥净浆搅拌机水泥标准稠度及凝结时间测定仪3.凝结时间凝结时间：分为初凝时间和终凝时间。初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间；终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性的时间。水泥的凝结时间是在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪以试针沉入标准稠度的水泥净浆至一定深度所需的时间表示。–初凝时间试针沉入距底板：4mm±1mm–终凝时间试针沉入试样：0.5mm国家标准GB175－2007规定：硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于6.5h；普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h。水泥混凝土的拌和、运输、浇灌、振捣等一系列工艺均要在水泥的初凝之前完成，故水泥初凝不能过早。混凝土成型后，为了不拖延工期，要求尽快硬化，产生结构强度，以利下一工序尽早进行，所以终