教学课件：第三章-水泥资料.ppt

第 三 章,水 泥,中联水泥,自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基材料已成为当今世界最大宗的人造材料。至2010年我国水泥需求达到了13.5亿吨。,课外知识：波特兰水泥的发明,1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明，通过煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料，它制成砖块很像由波特兰半岛采下来的波特兰石，由此将这种胶凝材料命名“波特兰水泥”。,Portland Cement.,目 录,基本要求 简介 3.1 硅酸盐水泥 3.2 掺混合材的硅酸盐水泥 3.3 其他品种水泥,基本要求,内容 主要介绍水泥的分类、优点及生产。主要介绍硅酸盐水泥及掺加混合料的硅酸盐水泥，包括：定义、组成、水化、凝结与硬化、实验和技术性质、腐蚀与防护、特性和应用。简单介绍常用的其他品种水泥。重点6种硅酸盐水泥的定义硅酸盐水泥的矿物组成水泥水化、凝结与硬化机理技术性质及测试方法,基本要求,重点水泥的腐蚀及防护特性应用难点水泥水化、凝结和硬化机理各种水泥的异同点注意事项本章是整个课程的重点联系各种水泥进行学习 着重分析它们之间的差异及造成这些差异的原因,水泥的定义：水泥是一种水硬性的胶凝材料，呈粉末状，加水拌和后成浆体后，能胶结砂、石等散粒材料，并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。发展趋势：1）在水泥品种方面，将加速发展快硬、高强、低热等特种和多用途的水泥；2）大力发展水泥外加剂；3）大力发展高标号水泥；,简介,简介,水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。,Back,水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。通用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复合水泥,简介,专用水泥砌筑水泥油井水泥道路水泥,特性水泥快硬水泥膨胀水泥抗硫酸盐水泥中热水泥,水泥按化学成分可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。,硅酸盐水泥,一般工程,铝酸盐水泥,硫酸盐水泥,快硬、早强。主要用于紧急抢修工程、早强工程、冬季施工、抗蚀、抗冻等工程。,早强、膨胀。适用于抢修工 程、锚固和地下工程等。,Back,简介,混合材料0-5%,石膏,熟 料,磨细,硅酸盐水泥,P.P.,混合材料6-15%,石膏,熟 料,磨细,普通硅酸盐水泥,P.O,粒化高炉矿渣,石膏,熟 料,磨细,矿渣硅酸盐水泥,P.S,火山灰质混合材料,石膏,熟 料,磨细,火山灰质硅酸盐水泥,P.P,粉煤灰,石膏,熟 料,磨细,粉煤灰硅酸盐水泥,P.F,两种以上混合材料,石膏,熟 料,磨细,复合硅酸盐水泥,P.C,尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。,Back,简介,19,第一节 硅酸盐水泥,一、硅酸盐水泥生产工艺定义：凡由硅酸盐水泥熟料，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（国外通称波特兰水泥）。分类：,不掺混合材,型硅酸盐水泥（）,掺5%混合材料,型硅酸盐水泥（）,20,两磨一烧，其中最关键是烧,21,新型干法,22,生料磨系统,23,窑尾悬浮预热器及分解炉系统,24,回转窑,25,窑头,26,水泥磨,27,二、硅酸盐水泥基本组成,1.熟料矿物组成、岩相结构熟料主要矿物：硅酸三钙 3CaOSiO2，可简写为C3S；硅酸二钙 2CaOSiO2，可简写为C2S；铝酸三钙 3Ca0AI2O3,可简写为C3A;铁相固溶体 通常以铁铝酸四钙4CaOAI2O3Fe2O3作为代表式，可简写成C4AF。,熟料矿物的基本特性,29,2.石膏作用：调节凝结时间，提高早强，降低干缩，改善耐久性、抗渗性等；对掺混合材的水泥，石膏还起激发剂的作用。种类：二水石膏或无水石膏（避免“假凝”现象）掺量：与C3A含量及混合材种类有关,水泥浆通过水泥熟料矿物的水化反应、浆体的凝结硬化过程变成坚硬固体。,凝结水泥与水混合形成可塑浆体，随着时间推移、可塑性下降，但还不具备强度，此过程即为“凝结”；硬化随后浆体失去可塑性，强度逐渐增长，形成坚硬固体，这个过程即为“硬化”。,水泥浆体转变成坚硬固体的过程是一个复杂的物理化学变化过程。,三、硅酸盐水泥的水化、凝结硬化,31,各熟料矿物的水化过程：,硅酸盐水泥生成的主要水化产物有:C-H-S凝胶（水化硅酸钙）、氢氧化钙、水化铝（铁）酸钙和水化硫铝（铁）酸钙晶体。,32,水化硅酸钙形貌,33,C-S-H凝胶体和C4AH13晶体,34,氢氧化钙CH形貌,钙矾石显微形貌,36,水泥石的组成：未水化水泥颗粒+水化产物+孔隙,水泥石的内部孔隙率对其强度有很大影响。,影响水泥凝结硬化的因素,影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。,Back,38,四、硅酸盐水泥品质要求,1.凝结时间 初凝：开始失去塑性45分（13小时）终凝：完全失去塑性，并开始产生强度 硅酸盐水泥6小时30min，普通水泥10小时(一般57小时),39,测定：维卡仪,40,2.强度国家标准（GB/T17671-1999）规定：水泥的胶砂强度。将水泥和中国ISO标准砂按1:3，水灰比为0.5的比例，以规定的方法搅拌制成标准试件（尺寸为40mm40mm160mm），在标准条件下（20士3水中）养护至3d和28d，测定个龄期的抗压强度和抗折强度。强度等级：将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、625、62.5R等6个强度等级，其中带R的为早强型水泥。,41,水泥净浆搅拌机,水泥砂浆搅拌机,42,水泥胶砂模具,水泥净浆模具,振实台,43,标准养护箱,电动抗折试验机,44,SANS万能试验机,45,3.安定性定义：水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。安定性不良原因：f-CaO 过量 f-MgO过量 石膏过量（一般按国标要求控制）,沸煮箱,46,4.细度 定义：指粉体材料的粗细程度。国标规定：硅酸盐水泥：比表面积300m2/Kg。（比表面积仪）其他五类水泥：筛析法（水筛、干筛、负压筛）在80m标准筛的筛余量不得超过10%或45m标准筛的筛余量不得超过30%。,47,5.水化热 水泥矿物的水化热及放热速率比较 C3AC3SC4AFC2S 水泥水化放热量和放热速率还与水泥细度、混合材种类和数量有关.水泥水化热对施工工艺有多方面的影响，一般大体积混凝土选择低水化热的水泥。,48,6.水泥化学品质指标（1）不溶物 熟料中未参与矿物形成反应的粘土和结晶SiO2，国标规定：P0.75%P1.50%（2）烧失量 P3.0%P3.5%PO5.0%（3）氧化镁，小于5.0%。（注：方镁石晶体才有害）（4）SO3（石膏），除矿渣水泥，不超过3.5%。（5）碱含量 Na2O+0.658K2O，不宜大于0.6%，碱集料反应（活性集料）。（6）氯离子含量 各类硅酸盐水泥0.06%,49,7.产品质量评定 凝结时间、安定性、强度不合格品：终凝时间不合格；细度不合格；强度低于商品等级规定的指标。废品：初凝时间不合格；安定性试验不合格（即f-CaO）；SO3含量超标；MgO含量超标。,50,1.淡水（软水）原因：水泥石中的水化产物，都必须在一定浓度的石灰溶液（硬水）中才能稳定存在，若在流动的软水中，水化产物将被溶解或分解。若静水：Ca(OH)2饱和则不再溶解。流动水：Ca(OH)2不断溶解、流失。水泥中碱度，其他水化物分解CSHnC+S+nH该种侵蚀称为溶出性侵蚀，对于硅酸盐水泥尤其严重（因为硅酸盐水泥水化生成的Ca(OH)2较多），其他掺混和材的要好一些。,五、水泥石的腐蚀及防止,51,2.酸与酸性水（碳酸腐蚀）在雨水及某些泉水中，常溶解有一定量的二氧化碳，它对水泥石的腐蚀作用如下：Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2（可逆反应）生成的碳酸氢钙易溶于水。当水中含有较多的碳酸，并超过平衡浓度时，反应向右进行；或者在压力水作用下，生成的氢氧化钙将溶于水被水冲走。氢氧化钙浓度的降低还会导致水泥石中其他水泥水化物的分解，使腐蚀作用进一步加剧。,52,3.硫酸盐海水、地下水、工业污水中常常含有硫酸盐。如：钠盐Ca(OH)2+Na2SO410H2OCaSO42H2O+2NaOH+8H2O3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+19H2O 3CaOAl2O33CaSO431H2O（钙矾石）当水中硫酸盐浓度较高时，硫酸钙会在毛细孔中直接结晶成二水石膏，体积增大，引起水泥石的破坏。生成的高硫型水化硫铝酸钙体积增加了2.50倍，对水泥石的破坏作用很大。俗称“水泥杆菌”。,若为MgSO4，MgCl2“镁盐侵蚀（双重腐蚀）”,53,4.强碱侵蚀化学侵蚀反应、结晶侵蚀化学侵蚀反应：3CaOAl2O36H2O+2NaOH=3Ca(OH)2+Na2OAl2O3+4H2O结晶侵蚀：生成的铝酸钠会和空气中二氧化碳反应，生成碳酸钠，碳酸钠失水结晶膨胀，水泥石疏松开裂。,54,小结：,水泥石易腐蚀的根本原因：防止腐蚀的措施：,（1）硅酸盐水泥石中含有较多易受腐蚀的成分，氢氧化钙、水化铝酸钙等；（2）本身不密实，含有大量的毛细孔隙。,（1）根据工程所处的环境特点，选择合适 的水泥品种；（2）提高水泥石的密实程度；（3）表面防护处理。,55,六、硅酸盐水泥的特点及应用,凝结硬化快、强度高,配制高强砼、预应力砼、要求早期强度高的砼，冬季施工,抗冻性好，干缩较小,严寒地区遭受反复冻融的砼工程,抗碳化能力强,CO2浓度高的区域,耐磨性好,道路、地面工程（高强）,耐蚀性差,有腐蚀介质的环境,水化热大,大体积砼工程,长期受高温的环境（如工业窑炉）（氢氧化钙）,耐热性差,第二节 掺混合材的硅酸盐水泥,定义：是指由硅酸盐熟料，掺入适量的混合材料和石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料。品种：主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等。,一、水泥混合材料,定义：在水泥生产过程中，为了节约水泥熟料，提高水泥产量和扩大水泥品种，同时也改善水泥性能及调节水泥强度等级，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。可以充分利用工业废渣，提高经济效益，保护环境。分类：活性混合材料、非活性混合材料,1.非活性混合材料定义：常温下不能与氢氧化钙或水泥发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。常用：磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等作用：主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥强度等级、增加产量、降低水化热等作用。,2.活性混合材料,定义：常温下能与氢氧化钙或水泥发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。常用的活性混合材：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等。活性来源：能反应的SiO2、Al2O3，均可和氢氧化钙反应。,3.活性混合材的水化,碱性环境中：SiO2+nCa(OH)2+mH2OCnSH(m+n)Al2O3+nCa(OH)2+mH2OCnAH(m+n)硫酸盐激发剂（石膏）：Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO42H2O+22H2O3CaOAl2O33CaSO431H2O水化产物特点：发生二次水化，Ca(OH)2少，低碱性。,二、普通硅酸盐水泥,定义：凡由硅酸盐水泥熟料，6%-15%混合材料，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥PO）。其特性和硅酸盐水泥略有差别。组成：85%熟料+石膏94%6%活性混合材15%强度等级及其他品质要求：表3-6,61,三、矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥,1.组成 2070%粒化高炉矿渣-矿渣水泥熟料+石膏+2040%火山灰质混合材-火山灰水泥 2040%粉煤灰-粉煤灰水泥2.强度等级及其他品质要求见表3-7。,62,63,3.三种水泥的特点（1）三种水泥的共性 早期强度低、后期强度发展高。对温度敏感，适合蒸汽养护。耐腐蚀性好。水化热小。抗冻性较差。抗碳化性较差,64,（2）三种水泥的特性矿渣硅酸盐水泥：保水性差，且干缩较大；抗渗性差；耐热性较好（300400）。,矿渣在3.0K下的SEM照片,应用：可用于耐热工程；不宜用于抗渗工程。,65,火山灰质硅酸盐水泥：火山灰颗粒细，泌水性小，故抗渗性较好；需水量较大，干缩大，易干缩开裂。,应用：宜用于有抗渗性要求的混凝土工程；不宜用于干燥地区和受冻部位。,66,粉煤灰硅酸盐水泥：水化更慢，早强低；需水量小，可增加混凝土流动性；干缩较小，抗裂性好；耐磨性较差。,粉煤灰在3.0K下的SEM照片,应用：适合用于承载较晚的混凝土工程；不宜用于有耐磨性要求的混凝土工程。,四、复合硅酸盐水泥,定义：是由硅酸盐水泥、两种或两种以上混合材料和适量石膏组成。特性：取决于其所掺混合材料的种类、掺量及相对比例。适用范围：可根据其掺入的混合材料种类，参照其他混合材水泥适用范围选用。,67,68,第三节 其它品种水泥,一、铝酸盐水泥定义：以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥（CA）。分类：按Al2O3含量分为：,耐高温工程,CA-80 77%Al2O3,CA-50 50%Al2O360%,抢修、早强要求高的工程,CA-60 60%Al2O368%,早强要求高的及耐热工程,CA-70 68%Al2O377%,耐热工程,69,1、铝酸盐水泥的主要特性及相应的应用,（1）快硬早强。1d强度高，适用于紧急抢修工程。但适用于低温养护。（2）水化热大。放热量主要集中在早期，不宜用于大体积混凝土工程；但适用于寒冷地区冬季施工的混凝土工程。（3）抗侵蚀性好。适用于抗硫酸盐及海水侵蚀的工程。（4）耐热性好。可作为耐热砂浆或耐热混凝土的胶结材料，能耐13001400高温。,2、应用过程需要注意的问题,（1）不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出氢氧化钙的物质混合，否则将产生闪凝，且强度降低。（2）铝酸盐水泥混凝土后期强度下降较大，应以最低稳定强度设计。（3）铝酸盐水泥适合低温养护（5-10）。（4）不能与未硬化的硅酸盐水泥混凝土接触使用。,71,二、硫铝酸盐水泥,定义：将铝质原料（如矾土）、石灰质原料（如石灰石）和石膏适当配合，煅烧成以无水硫铝酸钙矿物为熟料，该熟料掺适量石膏共同磨细，即可制得硫铝酸盐水泥。主要品种有：快硬性硫铝酸盐水泥/低碱度硫铝酸盐水泥/膨胀硫铝酸盐水泥/自应力硫铝酸盐水泥。,1.硫铝酸盐水泥特性及应用（1）凝结速度较快；早期强度高，后期强度发展缓慢，但不倒缩。因此可用于抢修工程、冬季施工工程、地下工程、配制膨胀水泥和自应力水泥。（2）空气中收缩小，抗冻和抗渗性能良好，抗腐蚀性能很强。（3）碱度低，可用于配制玻璃纤维砂浆。,72,三、白色硅酸盐水泥,定义：凡以适当成分的生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分、氧化铁含量很少的白色硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料，称为白色硅酸盐水泥（简称白水泥）。性能：与硅酸盐水泥基本相同，所不同的是严格控制水泥原料的铁含量，并严防在生产过程中混入铁质。Fe2O3含量一般小于0.5%，尽可能除掉其他着色氧化物（MnO、TiO2等）。,73,四、彩色硅酸盐水泥,定义：凡由硅酸盐水泥熟料及适量石膏（或白色硅酸盐水泥）、混合材及着色剂磨细或混合制成的带有色彩的水硬性胶凝材料称为彩色硅酸盐水泥。行业标准彩色硅酸盐水泥（JC/T870-2000）规定：强度等级为27.5、32.5、42.5；基本色有红、黄、蓝、绿、棕、黑等。应用：建筑物的内外装饰工程。,74,【案例分析】,1.湖南某厂综合楼，五层砖混结构1573m2，施工至屋面天沟时突然倒塌。材料为矿渣硅酸盐水泥，平均气温6，其中雨雪天36天，5气候34天。（Why?),原因：矿渣硅酸盐水泥抗冻性能差，导致混凝土强度很低。,2.不同品种水泥的混用概况 某单位先用强度等级为32.5矿渣水泥施工正常，因某种原因，与后购进的42.5R普通水泥混合拌制混凝土使用，结果在现浇顶板时混凝土发生开裂。分析 不同品种等级的水泥，性能相差很大。如果将它们混合使用，将会由于水化热的不同在混凝土内部不同部位造成局部高温和低温的现象。这种温差会使混凝土产生不均匀的变形，导致裂缝产生、强度下降。,76,3.镶贴瓷砖空鼓脱落与水泥质量概况 某水泥厂在一段时间内由于煤的质量较差导致熟料烧成率降低，轻烧料较多，且熟料中Al2O3含量较高。为了保证生产42.5PO水泥的强度，所用13%混合材料由烧页岩改为活性较高的粒化高炉矿渣。经检验，各项指标均符合普通水泥的国家标准要求，其中水泥细度不变。但客户反映，在施工较规范的情况下使用该段时间生产的水泥镶贴瓷砖却出现较多的空鼓脱落现象。请分析原因。分析 矿渣的保水性差，泌水严重，干缩较大；熟料中Al2O3含量较高，及C3A含量相对较高，C3A的干缩相对较大。,77,4.某大体积的混凝土工程，浇筑2周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某水泥厂生产的42.5R型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下：,分析 该工程所用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥水化热高，且在浇筑时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，造成贯穿型的纵向裂缝。,5.现有甲、乙两水泥厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下：生产厂 C3S（%）C2S（%）C3A（%）C4AF（%）甲 54 20 10 16乙 45 28 7 20若用上述熟料分别制成硅酸盐水泥，试估计它们的强度发展速度、水化热、耐腐蚀性、28d龄期强度有何差异？,80,复习思考题：,1.硅酸盐水泥熟料主要矿物组分是什么？各矿物有 何特性？2.简述硅酸盐水泥水化过程与主要水化产物。3.试述我国通用的六大品种水泥的基本材料组成及范围，各自的特性及应用。4.侵蚀水泥石的环境因素有哪些？造成这些侵蚀的根本原因及水泥石防护的措施有哪些？5.铝酸盐水泥有哪些特性？如何正确使用？,