土木工程材料(水泥)

土木工程材料第三章水泥cement水硬性无机矿物胶凝材料常用水泥（六种）：•硅酸盐水泥—代号P•Ι（不掺混合材料）、P•Π（掺5%混合材料）•普通硅酸盐水泥—代号P•O•矿渣硅酸盐水泥—代号P•S•火山灰硅酸盐水泥—代号P•P•粉煤灰硅酸盐水泥—代号P•F•复合硅酸盐水泥—代号P•C特种水泥:满足工程特殊要求的水泥3.1常用水泥常用水泥的生产★水泥熟料的矿物组成★水泥的水化水泥的凝结硬化★常用水泥的主要技术性质★水泥石的腐蚀与防止★常用水泥的特性与选用3.1.1常用水泥的生产3.1.1.1水泥熟料的烧成生产工艺流程磨细生料混合材料熟料水泥按比例混合、磨细石灰石粘土铁矿粉1450℃煅烧石膏原料：石灰质原料（提供氧化钙）粘土质原料（提供氧化硅、氧化铝、氧化铁）校正原料（不满足化学组成时，加相应铁质、硅质原料）生产过程：两磨一烧一磨：将几种原料按适当比例混合磨细，成生料。一烧：将生料入窑，经1450cº高温煅烧，成熟料。二磨：将水泥熟料、石膏、混合材料一起磨细成水泥制品3.1.1.2磨制水泥成品原材料:水泥熟料、石膏和混合材料石膏为二水石膏或无水石膏；混合材料：生产水泥时为改善水泥性能，调节水泥标号而加到水泥中的人工和天然矿物材料。分活性混合材料与非活性混合材料两种。活性混合材料：与石灰、石膏一起，加水拌合后能形成水硬性胶凝材料的混合材料。活性成分为活性氧化硅、活性氧化铝。非活性混合材料：不具活性成分或活性甚低的矿物质。加入水泥中起提高产量、降低水泥标号、减少水化热作用。将水泥熟料、适量石膏分别和不同种类、数量的混合材料混合在一起磨细即可形成六大常用水泥。活性混合材料在常温常压下，能与石灰作用，生成具有胶凝性的水化产物:xCa(OH)+SiO+mH2OxCaO·SiO2·nH2OxCa(OH)+Al2O3+mH2OxCaO·Al2O3·nH2O常用的活性混合材料有：粒化高炉矿渣火山灰质混合材料粉煤灰思考题1.生产过程中加入石膏的目的？为何严格控制掺量？（水泥质量的3%～5%，具体掺量通过试验确定）2.生产过程中根据需要加入适量混合材料，其目的？3.六种常用水泥的组成由何异同？解答2.生产过程中根据需要加入适量混合材料，其目的？答：混合材料为天然的和人工的矿物材料，又分为活性混合材料和非活性混合材料，主要是为了调节水泥强度等级，提高水泥产量，降低成本，同时也可改善水泥性能（如：提高抗腐蚀性能，降低水化热等）等作用。3.1.1.1主要矿物组成硅酸三钙C3S（45～60%）硅酸二钙C2S（15～30%）铝酸三钙C3A（2～13%）铁铝酸四钙C4AF（9～15%）0102030405060C3SC2SC3AC4AF低高C=CaOS=SiO2A=Al2O3F=Fe2O3H=H2OŜ=SO33.1.1硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性3.1.1.2硅酸盐水泥熟料主要矿物成份特性低名称代号含量范围凝结硬化速度水化放热量强度硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙C3SC2SC3AC4AF37％～60％15％～37％10％～18％快慢7％～15％快多少最多中高早期低、后期高低最快熟料中各矿物单独与水反应：2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2（水化硅酸钙）2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)23.1.2常用水泥的水化3.1.2.1硅酸盐水泥熟料的水化两种矿物均水化生成C-S-H凝胶，但反应速率相差悬殊，C3S水化很快，水化放热量大，对水泥硬化后强度贡献最大。C2S水化慢，放热量小，早强低，后期高。当Ca(OH)2达到饱和时在有石膏存在时4CaO·Al2O3·13H2O+3(CaSO4·2H2O)+14H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2（AFt)钙矾石、针状晶体O13HAlO4CaOO12HCa(OH)OAl3CaO222323CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O（水化铝酸三钙）C3A水化反应速度最快，水化放热最大，强度贡献低。水泥生产加入石膏的作用，生成钙矾石延缓水泥凝结时间,同时有利于水泥早期强度的发展，同时注意石膏掺多时有危害：水泥石膨胀开裂。体积增大1.5倍4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2OC4AF水化与C3A相似，但水化热较低，强度贡献低。小结【水化产物种类及含量】种类：凝胶体（两种）：C-S-H和CFH晶体（三种）：CH、C3AH6和AFt含量：主要C-S-H占70%，其次CH占20%，再次AFt占7%。【水化产物特性】：①C-S-H：凝胶体，胶凝性强，强度高，不溶于水；②CFH：凝胶体，胶凝性差，呈棉絮状，强度低，难溶于水；③CH：板状晶体，强度较高，易溶于水；④C3AH6：立方晶体，强度低，溶于水。⑤AFt：针状晶体，强度高，不溶于水，有利于提高水泥石早期强度。（何时产生有危害性？）熟料矿物的水化速度熟料矿物的强度增长【矿物组成对水泥性能的影响】：（改变各矿物成分含量比例及匹配，可生产各种工程所需性能特异的水泥）如：生产高强水泥——增加C3S：生产低热大坝水泥——减少C3S和C3A,增加C2S生产快硬水泥——增加C3S和C3A生产抗硫酸盐水泥——限制C3A＜5%生产高抗折强度的道路水泥——增加C4AF和C3S硅酸盐水泥的品种及矿物含量C3S48653142C2S24114034C3A138122C4AF991215水泥A水泥B水泥C水泥D普通早强低热抗硫酸盐3.1.2.2活性混合材料的二次水化（四种水泥中：P•F、P•S、P•P、P•C）χCa(OH)2+SiO2+mH2OχCaO•SiO2•(m+χ)H2OyCa(OH)2+Al2O3+nH2OyCaO•Al2O3•(n+y)H2O（有石膏时再水化成AFt）【二次水化反应概念】【二次水化反应特性】（用于分析四种水泥特性机理）①水化速度慢②对温度敏感，适于高温养护（蒸养）③水化放热慢，放热低3.1.3水泥的凝结硬化【宏观分析】水泥加水拌合成为塑性水泥浆开始失去塑性塑性消失开始产生强度强度增长(初凝、终凝的划分？)(d)后期（硬化期）(a)(b)早期（潜伏期）(c)中期（凝结期）(a)分散在水中未水化的水泥颗料；(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－水分；3－凝胶；4－晶体；5－水泥颗粒的未水化内核；6－毛细孔1234356【微观分析】骨料过渡区水泥石本体C-S-HCH钙矾石1.00.200.40.60.80.20.40.60.81.01.00.200.40.60.80.20.40.60.81.0水化程度毛细孔(毛细孔水)凝胶实体未水化水泥体积率毛细孔(毛细孔水)凝胶实体未水化水泥体积率水化程度【水泥硬化后水泥石的结构】固相水泥石结构组成气相液相（各组成含量相对变化随水化不断进行）【影响水泥水化凝结硬化的因素】1）矿物组成及其含量；2）水泥细度(影响水化、凝硬速度、干缩、水化热等）（7～200μm）；3）养护温度湿度；4）养护龄期；5)调凝外加剂；6）水灰比(拌合加水量）(主要影响硬化后强度）；7）受潮及久存。3.1.4水泥的腐蚀与防止1.软水腐蚀（溶出性腐蚀）——Ca(OH)2溶解流失继而引发其它水化产物的分解溶蚀思考：（1）软水指什么水？（2）软水为静水无压影响不大，而流水压力水会严重破坏水泥石？（3）遇硬度高的水（含重碳酸盐较多）不会受腐蚀？（4）防止可在空气中预先碳化，原因?RSO4R+++SO4--Ca(OH)2Ca+++2(OH-)Ca+++SO4--CaSO4+CAH3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O针状晶体体积膨胀1.5～2倍2.盐类腐蚀（海水、地下水、工业污水等）★⑴硫酸盐腐蚀（腐蚀机理？）因生成钙矾石（AFt)（水泥杆菌）体积膨胀导致水泥破坏•硫酸盐腐蚀（延迟产生钙矾石）钙矾石（AFt）(针状晶体）（2）镁盐(海水中)腐蚀（腐蚀机理？）MgSO4+Ca(OH)2+H2OCaSO4·2H2O+Mg(OH)2MgCl+Ca(OH)2CaCl2+Mg(OH)2进一步引起硫酸盐腐蚀（双重腐蚀）无胶结性溶解于水3.强酸强碱腐蚀2HCl+Ca(OH)2CaCl2+2H2OH2SO4+Ca(OH)2CaSO4·2H2O6NaOH+C3A3Na2O·Al2O3+Ca(OH)2溶解进一步引起硫酸盐腐蚀（双重腐蚀）溶解（强碱腐蚀主要针对铝酸盐含量高的水泥，如高铝水泥）4.碳酸腐蚀工业污水、地下水中溶有许多CO2，CO2浓度低时影响不大，浓度高时腐蚀增强，为什么？5.其它：糖、氨盐、动物脂肪、含环烷酸的石油产品等也对水泥石有腐蚀作用。总之：水泥受腐蚀为综合的物理化学作用，非单一作用。2.防止水泥腐蚀方法：⑴降低水泥石中Ca(OH)2含量，采用掺混合材水泥；⑵增加水泥石密实度，防止有害物质渗入；⑶混凝土外表用耐腐蚀材料做一保护层，如涂料等。★思考题？1.水泥石受腐蚀的原因（腐蚀机理）分析？⑴含有氢氧化钙和水化铝酸钙⑵本身不密实⑶腐蚀介质3.1.5常用水泥的特性及应用1.硅酸盐水泥和普通水泥（P•I，P•II)和（P•O）（混合材掺量少，熟料矿物多，特性主要取决于水泥熟料）【特性】1.凝结硬化速度6.耐热性2.强度(早强和后强）7.耐磨性3.水化热8.干缩性4.耐腐蚀性9.抗碳化性5.抗冻性（会分析原因）3.1.5常用水泥的特性及应用1.硅酸盐水泥和普通水泥（P•I，P•II)和（P•O）【工程应用】1.适用于重要结构的高强混凝土及预应力混凝土工程；2.适用于早期强度要求高的工程及冬季施工的工程；3.适用于严寒地区，遭受反复冻融的工程及干湿交替的部位；4.不能用于海水和有侵蚀性介质存在的工程；5.不能用于大体积混凝土工程；6.不能用于高温环境的工程。3.1.5常用水泥的特性及应用2.粉煤灰水泥、矿渣水泥和火山灰水泥（P•F、P•S和P•P）（水泥熟料较少，特性主要取决于混合材料的种类和掺量）【三者共性】（与硅酸盐水泥和普通水泥比较）1.凝结硬化速度慢；6.抗冻性差；2.强度：早强低后强高；7.抗碳化性差；3.对温、湿敏感，适于蒸养；8.耐热性较好。4.耐腐蚀性好；5.水化放热低；（会分析原因）3.1.5常用水泥的特性及应用2.粉煤灰水泥、矿渣水泥和火山灰水泥（P•F、P•S和P•P）【特性】（三者比较）1.P•S—优点：耐热性好；缺点：泌水大，保水差，干缩大、抗渗差。2.P•P—优点：抗渗性好；缺点：干缩较矿渣水泥显著。3.P•F—优点：干缩小，抗裂好。3.1.5常用水泥的特性及应用2.粉煤灰水泥、矿渣水泥和火山灰水泥（P•F、P•S和P•P）【工程应用】1.不适用于高强混凝土工程和要求快硬的工程；2.不适用于早期强度要求高的工程及冬季施工的工程；3.不适用于严寒地区，遭受反复冻融的工程及干湿交替的部位，不适用干燥环境工程；4.适用于水下、海水和有侵蚀性介质存在的工程；5.适用于大体积混凝土工程；6.适用于高温、高湿环境的工程。3.1.5常用水泥的特性及应用3.复合水泥（P•C）(组成?）（性能与所掺混合材料种类和掺量有关）【特性】早期强度比同强度等级的三种水泥（P•F、P•S、P•P）高，与普通水泥同。五种水泥的特性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主要成分用硅酸盐水泥熟料为主，不掺混合材料或掺不超过5％的石灰石或粒化高炉矿渣在硅酸盐水泥熟料中允许掺6％～15％的混合材料在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥重20％～70％的粒化高炉矿渣在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥重20％～50％的火山灰质混合材料在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥重20％～40％的粉煤灰特性1.硬化快，强度高2.水化热大3.耐冻性好4.耐腐蚀与耐软水侵蚀性差1.早期强度较高2.水化热较大3.耐冻性较好4.耐腐蚀与耐软水侵蚀性较差1.