同济大学-道路工程材料课件-第四章-水泥

2011/5/151第四章水泥通用硅酸盐水泥道路硅酸盐水泥1矿物组成及其特性技术性质2水泥—水硬性无机胶凝材料特性：与水混和后，经过一系列物理化学变化由可塑性浆体变成坚硬的石状体。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。水泥的分类3按照用途与性能：（1）通用硅酸盐水泥：土木工程通常采用的水泥硅酸盐水泥、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（2）专用水泥：专门用途的水泥油井水泥，道路硅酸盐水泥（3）特性水泥：某种性能比较突出的水泥快硬硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥4按照主要矿物分类：（1）硅酸盐水泥，即国外通称的波特兰水泥；（2）铝酸盐水泥；（3）硫铝酸盐水泥；（4）铁铝酸盐水泥；按照主要技术特性分类：（1）快硬性：分为快硬和特快硬两类；（2）水化热：分为中热和低热两类；（3）抗硫酸盐性：分中和高抗硫酸盐腐蚀两类；（4）膨胀性：分为膨胀和自应力两类；（5）耐高温性：铝酸盐水泥的耐高温性以水泥中氧化铝含量分级。第一节通用硅酸盐水泥的组成材料和生产工艺通用硅酸盐水泥的品种水泥原料与生产工艺简介硅酸盐水泥熟料混合材料56水泥的组成通用硅酸盐水泥：硅酸盐水泥熟料、适量的石膏、混合材料磨细而成的水硬性材料。道路硅酸盐水泥：道路硅酸盐水泥熟料、0~10%活性混合材料＋石膏2011/5/1527一、通用硅酸盐水泥定义与分类硅酸盐水泥PI/PII：水泥熟料＋0~5%混合材料＋石膏普通硅酸盐水泥PO：水泥熟料＋6~15%混合材料＋石膏矿渣水泥PS：水泥熟料＋20~70%粒化高炉矿渣＋石膏火山灰质水泥PP：水泥熟料＋20~50%火山灰质材料＋石膏粉煤灰水泥PF：水泥熟料＋20%~40%粉煤灰＋石膏复合硅酸盐水泥P.C：水泥熟料＋20~50%混合材料＋石膏8二、原料与生产工艺主要原料：石灰质原料和粘土质原料石灰质原料：石灰石、白垩等主要提供CaO成分粘土质原料：粘土、黄土、粘土质页岩等主要提供SiO2、Al2O3以及少量Fe2O3成分辅助原料：包括铁矿粉（黄铁矿）和矿化剂（萤石）9生产一吨水泥消耗原料（1）1.4～1.5吨石灰石（2）0.2～0.3吨粘土与少量铁矿（3）200kg煤我国石灰石矿储量500亿吨，按照可采50％计算，仅够水泥工业用40～50年。（《混凝土》2005年第4期）10水泥生产工艺水泥磨细使生料中含有适当比例的CaO—SiO2—Al2O3—Fe2O3调节水泥的凝结时间高温煅烧，生成适当比例的矿物。石灰石粘土铁矿粉配料、磨细1450℃生料熟料石膏混合材料11三、硅酸盐水泥熟料1.水泥熟料中的四种主要矿物硅酸三钙（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矿物比例（％）硅酸三钙C3S37～60硅酸二钙C2S15～37铝酸三钙C3A7～15铁铝酸四钙C4AF10～18122.四种矿物的技术特性比较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水化速率2011/5/15313水化释热量C3A＞C3S＞C4AF＞C2S14几种矿物强度发展特征早期强度：C3S＞C3A＞C4AF＞C2S后期强度：C3S~C2S＞C3A～C4AF15干缩性和耐化学腐蚀性干缩性：以C3A最大，其次为C3S、C4AF，C2S耐化学腐蚀性以C4AF最好，C3S、C2S，C3A最差16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17小结（1）硅酸三钙C3S水化速度较快，水化热较大，且主要在早期放出。水化产物早期强度高，且不断增长，是决定水泥强度的主要矿物。C3S含量高，强度高。（2）硅酸二钙C2S水化速度最慢，水化热最小，且主要在后期放出。水化产物早期强度不高，但是后期强度增长率较高，是保证水泥后期强度增长的主要矿物。C2S含量高，具有较好抗化学侵蚀和较小干缩性18小结（3）铝酸三钙C3A水化速度最快，水化热最大，且主要在早期放出。水化产物早期强度增长率很快，但是强度不高，而且后期几乎不增长。水化物体积收缩最大。（4）铁铝酸四钙C4AF水化速度介于C3A于C3S，水化热较C3A低。水化产物早期强度类似于C3A，但后期强度能增加，类似C3S。对抗折强度和抗冲击性能起到重要作用，水化产物耐化学侵蚀性好，干缩性小。2011/5/15419四、水泥中的其他材料成分1.石膏（CaSO4·2H2O）掺量：3～5％作用：缓凝、调节凝结速度202.活性混合材料活性：能与碱水溶液和硫酸盐溶液反应，生成水硬性化合物品种：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％）213.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：调节水泥强度、提高产量、降低水化热非活性：材料与水泥成分不起化学反应或化学反应很小。22水泥混合材料活性混合材料：粒化高炉矿渣、火山灰质材料、粉煤灰非活性混合材料：磨细石英砂、石灰石、粘土、慢冷矿渣掺加混合材料目的：改善水泥性质（降低水化热，提高防腐性能）调节水泥强度等级提高水泥产量（节约水泥原料）23第二节硅酸盐水泥的水化硬化过程水泥熟料与水发生反应，生成水化物，这些水化物形成紧密的、相互交结的水化物体系而凝聚产生强度。硬化的水泥石由水化物、未水化水泥熟料颗粒、水及孔隙所组成问题：水泥石的腐蚀火山灰反应24水泥-生料－熟料－水化－硬化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％)三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石）单硫型水化硫铝酸钙三硫型水化硫铁铝酸钙单硫型水化硫铁铝酸钙水化铝酸钙水化铁酸钙(～7%)2011/5/15525水化凝结硬化过程示意图四、通用硅酸盐水泥的特性硅酸盐水泥：强度高、耐久性好、水化热大适用于高强度混凝土、预应力混凝土不适用于大体积混凝土、或可能受腐蚀的环境中普通硅酸盐水泥：基本同硅酸盐水泥P.S/P.P/P.F：早期强度低、水化热小、耐腐蚀适用大体积混凝土、污水环境中不适用于早强要求较高的、寒冷且保温措施的混凝土2627第三节硅酸盐水泥的技术性质主要指标：细、凝、安、强，以强为主物理性质凝结时间安定性细度强度28一、物理性质要求：硅酸盐水泥初凝时间不小于45min终凝时间不大于390min（600min）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1.凝结时间292.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303.细度细度愈大，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、不宜保存评价指标：比表面积法（m2/kg）（通常要求硅酸盐水泥大于300m2/kg）筛析法（80μm方孔筛上的筛余量百分率）2011/5/15631水泥凝结时间测试示意图标准稠度的水泥浆在规定温度、湿度条件下用凝结时间测试仪测定。初凝：针贯入距板底4±1mm。终凝：针贯入0.5mm。3～5mm0.5mm32水泥细度与干缩率的关系33二、强度意义：是水泥的重要技术性质之一是划分水泥强度等级的主要依据是水泥混凝土配合比设计的主要参数强度试验方法：试验材料：水泥:标准砂＝1:3，水灰比＝0.5试件尺寸：4×4×16㎝小梁标准养护、测定3d与28d抗压强度与抗折强度342.水泥的强度等级①水泥的强度等级硅酸盐水泥—42.5、42.5R、52.5、52.6R、62.5、62.5R普通硅酸盐水泥—42.5、42.5R、52.5、52.5R熟料矿物C3S↑、C2S↑，强度↑细度大，水化反应快并充分，强度高②水泥的型号早强型R和普通型（根据3d强度）影响水泥强度等级因素？35硅酸盐水泥各龄期强度值（GB175-2007）强度等级抗压强度/MPa抗压强度/MPa3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.036第四节其它水泥—道路硅酸盐水泥◇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（抗渗、抗冻）耐磨性好2011/5/157371.水泥矿物组成的要求（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，避免早期强度过低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（碱－集料反应）抗折强度高：C3S↑、C4AF↑、C3A↓、f-CaO↓干缩性小（抗渗、抗冻）：C3A↓，C4AF↑耐磨性好：C4AF↑，C3S↑，C3A↓，强度高382.物理力学指标(1)干缩性（抗裂、抗渗、抗冻、抗腐蚀）——干缩率①熟料矿物：C3A↑干缩性↑C4AF↑收缩量↓（抗裂性好）②细度↑干缩性↑(2)耐磨性——磨损量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↑强度等级：32.5、42.5和52.539本章小结硅酸盐水泥的主要品种及其表示方法硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其对水泥性能的影响硅酸盐水泥的主要性能与影响因素对道路水泥矿物组成和技术性能的主要要求