建筑材料课件第04章-水泥

第04章水泥第2页水泥的起源最早采用具有水硬性胶凝材料制备混凝土的是中国人，而不是多少年来一直误认为的古罗马人。据甘肃省考古研究所于1980年和1983年考察，在该省秦安县的大地湾（西安以西约600公里处）先后发掘出两个大型住宅遗址，该遗址的地坪系用混凝土建造，经测算距今已有5千年，相当于“新石器时代”。从大地湾发掘出的混凝土是用水硬性的水泥所制成。这种水泥以礓石——一种富含碳酸钙的粘土为原料煅烧而成。古罗马水泥：用含有一定比例粘土成分的石灰石煅烧而成，如古罗马“庞贝”城遗址。PortlandCement：1824年，英国泥瓦工约瑟夫.阿斯普丁（JosephAspdin）申报波特兰水泥专利：把粘土和焙烧过的石灰石混合，经煅烧至二氧化碳释放，将所得到的产物磨细成粉末。由于它硬化后外观象波特兰的石头，就起名为波特兰水泥。第3页庞贝遗址第4页第5页目前，世界上水泥的品种已达200多种。解放后，我国水泥产量快速上升，1985年我国水泥产量已跃居世界第一位，品种亦达70多种。现在已有100余种。我国水泥品种虽然很多，但大量使用的是五大品种水泥：硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥粉煤灰硅酸盐水泥4.1硅酸盐水泥第7页第8页4.1.1硅酸盐水泥的生产和基本组成1.硅酸盐水泥的定义与分类根据GB175－1999，凡是由硅酸盐水泥熟料、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：I型硅酸盐水泥：不掺混合材料，代号P•I。II型硅酸盐水泥：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，代号P•II。第9页2.硅酸盐水泥的原料和生产原料主要有：石灰质原料（如石灰石、白垩等，主要提供氧化钙）和粘土质原料（如粘土、页岩等，主要提供氧化硅及氧化铝与氧化铁），还有少量辅助原料，如铁矿石。第10页硅酸盐水泥的生产工艺概括起来就是“二磨一烧”，如图所示：第11页从窑内出来的水泥熟料经冷却后加入3～5％石膏(控制水泥中SO3≤3.5％)，在磨机内研细，制成硅酸盐水泥。加入石膏的目的是调节水泥的凝结时间，使之不发生急凝现象。水泥粉常用纸袋包装，但近年来已大量改用散装船、散装车输送，提高了装运效率，降低了成本。第12页3.硅酸盐水泥的化学和矿物组成熟料的化学成分见表4.2①硅酸三钙(简称C3S)——3CaO·SiO2，含量36～60%。②硅酸二钙(简称C2S)——2CaO·SiO2，含量15～37%。③铝酸三钙(简称C3A)——3CaO·Al2O3，含量7%～15%。④铁铝酸四钙(简称C4AF)——4CaO·Al2O3·Fe2O3，含量10%～18%。前两种矿物称硅酸盐矿物，一般占总量的75～82%。后两种矿物称溶剂矿物，一般占总量的18％～25％。还含有少量的游离氧化钙和游离氧化镁及少量的碱(氧化钠和氧化钾)。第13页4.1.2硅酸盐水泥的水化硬化1.硅酸盐水泥熟料矿物的水化(1)硅酸三钙硅酸三钙与水作用时，反应较快，水化放热量大，生成水化硅酸钙（C-S-H凝胶）及氢氧化钙：2C3S+6H2O=C3S2H3+3CH水化硅酸钙几乎不溶于水，而立即以胶体微粒析出，并逐渐凝聚而成为凝胶。氢氧化钙呈六方板状晶体析出。第14页14ConstructionMaterialsC-S-H水化硅酸钙凝胶CHCrystal氢氧化钙晶体电镜下的水泥水化产物图第15页(2)硅酸二钙硅酸二钙与水作用时，反应慢，水化放热小，生成水化硅酸钙，也有氢氧化钙析出：2C2S+4H2O=C3S2H3+CH所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别，故也称为C-S-H凝胶。但CH生成量比C3S的少，结晶却粗大些。第16页(3)铝酸三钙铝酸三钙与水作用时，反应极快，水化放热甚大，生成水化铝酸三钙（水石榴石）：C3A+6H2O=C3AH6水化铝酸三钙为立方晶体，它易溶于水。第17页(4)铁铝酸四钙铁铝酸四钙为水作用时，反应也较快，水化放热中等，生成水化铝酸三钙及水化铁酸钙：C4AF+7H2O=C3AH6+CFH为调节水泥凝结时间而掺入的少量石膏，与水化铝酸钙作用，生成水化硫铝酸钙，也称钙矾石：3CaO•Al2O3•6H2O+3(CaSO4•2H2O)+19H2O=3CaO•Al2O3•3CaSO4•+31H2O在有石膏的情况下，C3A水化的最终产物与石膏掺入量有关。最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用AFt表示。若石膏在C3A完全水化前耗尽，则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。第18页水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）C-S-H钙矾石第19页硅酸盐水泥主要水化产物有：水化硅酸钙凝胶、水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体、水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的水泥中：水化硅酸钙约占70%氢氧化钙约占20%水化铝酸钙约占3％钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7%第20页各种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早期高低低低后期高高低低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。第21页第22页矿物组成对早期强度及水化热的影响以下是A、B两种硅酸盐水泥熟料矿物组成百分比含量，请分析A、B两种硅酸盐水泥的早期强度及水化热的差别。矿物组成C3S/％C2S/％C3A/％C4AF/％A水泥6015169B水泥47281015A水泥的C3S及C3A含量高，而C3S及C3A的早期强度及水化热都较高，故A硅酸盐水泥的早期强度与水化热高于B水泥。第23页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％第24页第25页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。第26页5.硅酸盐水泥的凝结硬化硅酸盐水泥的凝结硬化过程可分为：初始反应期、潜伏期、凝结期、硬化期4个阶段。a.分散在水中未水化的水泥颗粒；b.在水泥颗粒表面形成水化物膜层；c.膜层长大并互相连接（凝结）；d.水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）；1－水泥颗粒；2－水份；3－凝胶；4－晶体；5－水泥颗粒的未水化内核；6－毛细孔第27页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。第28页4.影响凝结硬化的主要因素(1)水泥的熟料矿物组成及细度水泥熟料中各种矿物的凝结硬化特点不同，当水泥中个矿物的相对含量不同时，水泥的凝结硬化特点就不同。水泥磨得愈细，水化时与水的接触面大，水化速度快，凝结硬化快，早期强度就高。(2)石膏的掺量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。(3)水泥浆的水灰比水泥浆的水灰比是指水泥浆中水与水泥的质量之比。水灰比大，水泥的初期水化反应得以充分进行，但水泥浆凝结较慢，水泥石的强度低。第29页4.影响凝结硬化的主要因素(4)龄期（养护时间）一般在28天内强度发展最快，28天后显著减慢。(5)环境温度和湿度提高温度可加速硅酸盐水泥的早期水化，使早期强度能较快发展，但对后期强度反而可能有所降低。环境湿度大，水泥的水化及凝结硬化就能够保持足够的化学用水。如果环境干燥，当水份蒸发完后，水化作用将无法进行，硬化即行停止，还会在制品表面产生干缩裂缝。保持水泥浆温度和湿度的措施，称水泥的养护。第30页硅酸盐水泥的技术要求1.细度水泥的细度既可用筛析法和比表面积法检验。筛析法：采用边长为0.080mm的方孔筛对水泥试样进行筛析试验，用筛余百分数表示。筛析法有负压筛法、水筛法及干筛法。当试验结果发生争议时，以负压筛法为准。比表面积法：根据一定量空气通过一定空隙率和厚度的水泥层时所受阻力不同而引起流速的变化测定水泥的比表面积。比表面积即单位重量水泥颗粒的总表面积（m2/kg）。比表面积越大，表明水泥颗粒越细。国家标准（GB175—1999）规定，硅酸盐水泥细度以比表面积表示，其比表面积须大于300m2/kg；普通水泥细度用筛析法检验，要求在0.080毫米方孔筛余量不得超过10.0%。凡水泥细度不符合规定者为不合格品。第31页2.凝结时间水泥的凝结时间分初凝和终凝。初凝时间为自水泥加水拌合时起，到水泥浆（标准稠度）开始失去可塑性为止所需的时间。终凝时间为自水泥加水拌合时起，至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。初凝的时间不宜过快。终凝时间又不宜过迟。水泥凝结时间的测定，是以标准稠度的水泥净浆，在规定温度和温度条件下，用凝结时间测定仪进行。国家标准（GB175—1999）规定，硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45分钟，终凝时间不得迟于6.5小时。凡初凝时间不符合规定者为废品，终凝时间不符合规定者为不合格品。第32页凝结时间的测试仪第33页3.体积安定性水泥的体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。当水泥浆体硬化过程发生了不均匀的体积变化，会导致水泥石膨胀开裂、翘曲，即安定性不良。安定性不良的水泥会降低建筑物质量，甚至引起严重事故。水泥安定性不良的原因有三个：①熟料中游离氧化钙过多。②熟料中游离氧化镁过多。③石膏掺量过多。第34页安定性的测定方法安定性的测定方法可以用雷氏法和试饼法。当试饼法与雷氏法有争议时以雷氏法为准。第35页游离氧化钙引起的安定性不良，必须采用沸煮法检验。游离氧化镁引起的安定性不良，必须采用压蒸法才能检验出来，因为游离氧化镁的水化比游离氧化钙更缓慢。三氧化硫造成的安定性不良，则需长期浸在常温水中才能发现。国家标准规定：水泥中氧化镁含量不得超过5.0%，如果水泥经压蒸安定性试验合格，则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。三氧化硫含量不得超过3.5%。水泥安定性必须合格。安定性不良的水泥应作废品处理，不得用于工程中。第36页左边雷氏煮沸箱右边试饼法第37页4.强度将水泥、标准砂及水按规定比例拌制成塑性水泥胶砂，并按规定方法制成4×4×16cm的试件，在标准温度（20℃±1℃）的水中养护，测定其抗折及抗压强度。第38页硅酸盐水泥各龄期的强度要求各强度等级、各类型水泥的各龄期强度不得低于表中的数值，如有一项指标低于表中数值，则应降低强度等级使用。强度等级抗压强度MPa抗折强度MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0第39页5.碱含量水泥中碱含量按Na2O＋0.653K2O计算值来表示。当用户要求时，由供需双方协商，但指定低碱水泥时，标准规定碱含量不得大于0.6％。导致混凝土不均匀膨胀而破坏。第40页6.水化热每克硅酸盐水泥能放出达大约500J的热量。为了选择适于特定的目的最适宜的水泥，就需知道水泥的放热性能。对大体积混凝土工程，如大型基础、大坝、桥墩等，水化热大是不利的，常使内部温度高达50～60℃。冬季施工时，水化热有利于水泥的正常凝结硬化。第41页洞庭湖大桥第42页洞庭湖大桥桥梁的热裂缝第43页桥梁的热裂缝第44页水泥水化热几乎等于每种化合物分别水化时水化热的总量。伍茨（Woods）等提出，水化放热量可用下式大致估算：1克水泥的水化热量（卡）＝136（C3S）+6