无机胶凝材料水泥.ppt
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1、第四章 无机胶凝材料 水泥,一、胶凝材料的定义(复习),1.气硬性胶凝材料 指在空气中硬化,也只能在空气中保持或继续发展其强度的胶凝材料。适合:地上和干燥环境。,2.水硬性胶凝材料 指不仅能在空气中硬化,而且能更好地在水中硬化,并保持和继续发展其强度的胶凝材料。适宜:既适宜于地上,也可用于地下和水中环境。,第一节 概述,1824年10月21日,英国利兹(Leeds)城的泥水匠阿斯普丁(J.Aspdin)获得英国第5022号“波特兰水泥”专利证书,从而一举成为流芳百世的水泥发明人。,1824年,英国石匠阿斯浦丁偶然发现粘土+石灰+水人造石(波特兰水泥)特点:强度高、耐久性好、防水、防火。,二、水
2、泥的发明,中国的第一个水泥厂,启新水泥股份有限公司龙马负太极图牌水泥,画面由骏马,海水,太极图,火焰,祥云和中英文对照的“启新洋灰有限公司”等字样组成。是中国最早的水泥商标之一,水泥:是一种多组分的人造矿物粉料,它与水拌和后成为塑性胶体,既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能将砂石等材料胶结成具有一定强度的整体。(水泥是水硬性胶凝材料。),三、水泥的定义,中华人民共和国国家标准GB1752007通用硅酸盐水泥(Common Porland Cement),水泥 硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 系列 硫铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥硅酸盐水泥系列是以硅酸钙为主要成分的水泥熟料、一定量的混合材料和适量石膏,经共
3、同磨细而成。,我是建筑业的粮食!,四、水泥的分类,硅酸盐水泥(05%)普通水泥(6%15%)矿渣水泥(2070%)火山灰水泥(2050%)粉煤灰水泥(2040%)复合水泥(1550%),专用水泥专门用于某些工程的水泥,如道 路水泥、中低热水泥、砌筑水 泥等。特性水泥某种性能较突出的水泥,如快硬 硅酸盐水泥、高铝水泥、彩色水 泥、膨胀水泥等。,硅酸盐水泥系列,通用水泥,上述百分含量为混合材料的掺量,硅酸盐系列水泥的分类,通用硅酸盐系列水泥的分类,彩色水泥,彩色水泥,彩色水泥,普通水泥,硅酸盐系列水泥的分类,第二节 硅酸盐水泥,1.定义:凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰石或粒化高炉矿渣、适量的石膏磨
4、细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥国外通称的波特兰水泥(Portlandcement)。2.类型及代号硅酸盐水泥 型硅酸盐水泥:不掺混合材料的,代号P。型硅酸盐水泥:粉磨时掺加不超过水泥重量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料,代号P。,硅酸盐水泥分42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R 六个强度等级(R代表早强型水泥),一、硅酸盐水泥的定义、类型及代号,硅酸盐水泥的强度要求(GB1752007),注:R早强型。,一、硅酸盐水泥的定义、类型及代号,二.硅酸盐水泥的生产工艺概述(1)生产工艺 两磨一烧生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个过程(2)生产原料,石灰石质原料石灰
5、石、白垩等粘土质原料粘土、页岩等,校正原料(少量)铁粉,CaO,SiO2、Al2O3、Fe2O3,Fe2O3,二、硅酸盐水泥的原材料和生产工艺,CaO:62%67%SiO2:20%24%Al2O3:4%7%Fe2O3:2.5%6.0%,硅酸盐水泥的生产工艺“两磨一烧”工艺,作用是调节水泥的凝结时间,使水泥不发生急凝现象,CaO,SiO2、Al2O3少量的 Fe2O3,校正SiO2,Fe2O3,硅酸盐水泥熟料中硅酸钙矿物不小于66%,氧化钙和氧化硅质量比不小于2.0.,1.主要成分:主要由四种矿物化学组成,三、硅酸盐水泥熟料的矿物组成,2硅酸盐水泥熟料矿物组成的反应特性,注 意,原因:,煅烧水泥
6、中反应:,危害:影响水泥体积安定性,石灰石质原料富含,潜在危害非常严重,其含量严格控制在水泥熟料的5%以内,增加PH值,保护钢筋,含量太高,产生碱骨料反应引起浆体的收缩和变形。,水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O表示,不应大于0.60%或由买卖双方确定。,道路水泥:抗折强度高,耐磨、抗冲击、抗冻和抗硫酸性好、干缩性小。C4AF、C2S含量高。适用于道路路面、机场道面、城市广场等工程。,大坝水泥:简称中热水泥低热矿渣水泥:加入矿渣,适用于大坝工程、大型构筑物、大型房屋的基础等大体积工程。,水化放热较低,C2S含量高,C3A含量低,实 例,快硬水泥:3d抗压强度高,熟料中C3A、C3S含量高
7、。适用于紧急抢修工程、军事工程、冬季施工工程,(一)硅酸盐水泥的水化,水泥和水拌合表面的熟料矿物立刻与水发生化学反应 各组分开始逐渐溶解 放出一定热量 固相体积也逐渐增加。其反应式如下:,四、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化,2(3CaOSiO2)+7H2O=3CaO2SiO24H2O+3Ca(OH)2 硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙2(2CaOSiO2)+4H2O=3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙3CaOAl2O3+3(CaOSO3)2H2O+26H2O=6CaOAl2O33SO2.32H2O铝酸三钙 钙矾石4CaOAl2O3Fe2O3+7H2O=3CaOA
8、l2O36H2O+CaOFe2O3H2O铁铝酸四钙 水化铝酸钙 水化铁酸钙,反应较快,反应较慢,反应极快,反应较慢,主要水化产物(在完全水化的水泥石中):,水化硅酸钙 70%(凝胶)氢氧化钙 20%(晶体)水化铝酸钙(晶体)水化硫铝酸钙晶体(也称钙矾石)7%,是水泥石形成强度的最主要化合物,硅酸盐水泥的水化产物,(二)硅酸盐水泥的凝结硬化,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,浆体逐渐变稠失去可塑性而成为水泥石的过程;硬化:水泥石强度逐渐发展的过程称为硬化。水泥的凝结过程和硬化过程是连续进行的。凝结过程较短暂,一般几个小时即可完成;硬化过程是一个长期的过程,在一定
9、温度和湿度下可持续几十年。,1.硅酸盐水泥的凝结和硬化过程,水化初期熟料矿物与水反应的速度较快,使水化产物不断地从液相中析出并聚集在水泥颗粒表面,形成以水化硅酸钙凝胶为主体的凝胶薄膜,大约在1h左右即在凝胶薄膜外侧及液相中形成粗短的针状钙矾石晶体。水化中期以水化硅酸钙(CSH)和氢氧化钙的快速形成为特征。水化后期由于新生成的水化产物的压力,水泥颗粒薄膜的凝胶薄膜破裂,使水进入未水化水泥颗粒的表面,水化反应继续进行。水化产物之间互相交叉连生,不断密实,固体之间的空隙不断减小,网状结构不断加强,结构逐渐紧密。,水泥石的结构A-未水化水泥颗粒;B-胶体粒子(C-S-H等);C-晶体粒子(Ca(OH)
10、2等);D-毛细孔(毛细孔水);E-凝胶孔,水泥石的组成:凝胶体(水化硅酸钙凝胶和氢氧 化钙晶体)未水化的水泥颗粒内核毛细孔及凝胶孔 它们在不同时期相对数量的变化,使水泥石的性质随之而改变。,2.水泥石的结构,水泥石的工程性质(强度和耐久性)决定于水泥石的结构组成,即 水化物的类型 水化物的相对含量(可用水化程度表示)孔的大小、形状等,水灰比即拌和时用水量与水泥用量之比表示(W/C),2.水泥石的结构,不同水化程度水泥石的组成(a)水灰比:0.4;(b)水灰比:0.7,1.水灰比相同时,水化程度愈高,则水化物愈多,而毛细孔和未水化水泥的量相对减少。水泥石结构密实、强度高、耐久性好。2.水化程度
11、相同而水灰比不同的水泥石结构,水灰比越大,毛细孔所占比例相对增加,水泥石的强度和耐久性下降。,3.影响水泥硬化的因素,湿度:水泥只有在潮湿、温暖的环境中硬化,若水泥石处于干燥的环境中,当水分蒸发完毕后,水化作用将无法进行,硬化停止,强度不在增长。,混凝土浇筑后23周必须浇水养护,温度:温度越高,水泥硬化越快;温度越低,水泥硬化越慢;温度低于0度时,水泥不在硬化。,混凝土冬季施工时采取保温措施,龄期:水泥石强度增长最快是在28天以前,以后较慢,三个月后更慢。但温度和湿度适宜的情况下,可以增长很多年。,以28天的混凝土立方体抗压强度作为强度评定指标。,细度:水泥颗粒的粗细直接影响水泥的硬化和强度。
12、水泥越细,水化作用快且充分,凝结硬化速度快,早期强度也越高。,小结,1、硅酸盐水泥 型硅酸盐水泥:不掺混合材料的,代号P。型硅酸盐水泥:粉磨时掺加不超过水泥重量5%的石灰石或粒化 高炉矿渣混合材料,代号P。2、硅酸盐水泥分42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R 六个强度等级(R代表早强型水泥)3、水泥生料中的主要成分是氧化钙、氧化硅、氧化铝、氧化铁等 水泥熟料中的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙4、水泥水化后生成的主要成分是水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸 钙(钙矾石)5、在水泥熟料中,掺加石膏的作用是调节水泥的硬化速度,防止水泥闪凝。6
13、、在水泥熟料中除了四种主要成分外,还有游离的钙和镁,他们对水泥的影响主要是水泥体积的不安定性。7、在水泥熟料中,决定水泥强度等级的是硅酸三钙含量;保证水泥后期强度增长的是硅酸二钙含量;影响水泥凝结时间是铝酸三钙的含量8、水泥石的组成:凝胶体(水化硅酸钙凝胶和氢氧 化钙晶体)、未水化的水泥颗粒内核、毛细孔及凝胶孔。9、影响水泥硬化的因素:水灰比、细度、温度、湿度、龄期、储存条件、矿物组成。,五、硅酸盐水泥的技术指标,国家标准GB1752007,对硅酸盐水泥的主要技术指标如下。,(一)密度与堆积表观密度,硅酸盐水泥的密度一般为3.13.2克/立方厘米;松散堆积密度一般为9001300公斤/立方米;
14、紧密堆积密度一般为14001700公斤/立方米,(一)密度与堆积表观密度,(三)细度(Fineness),(四)凝结时间(Setting time),(八)标准稠度用水量,(五)体积安定性,(六)强度,(九)水化热,(七)碱含量(Na2O+0.658K2O计算值表 示,低碱水泥不应大于0.60%或由买卖双方确定。),(二)化学指标,其中化学指标、凝结时间、体积安定性、强度、是强制性指标,细度是指水泥颗粒的粗细程度。影响水泥性能的重要指标鉴定水泥品质的主要项目之一。水泥细度通常采用筛分法或比表面积法(勃氏法)测定。(1)筛分法是以80m方孔筛的筛余量表示。水筛法:负压筛法(为准)普通水泥的细度用
15、筛余量表示,其筛余量不得超过10.0%。(2)比表面积法以1kg水泥所具有的比表面积(m2/kg)表示。硅酸盐水泥的细度用比表面积表示,应大于300m2/kg。,(二)细度(Fineness),.教学试验录像水泥试验水泥细度试验.flv,(二)细度(Fineness),例题:取某厂生产硅酸盐水泥进行细度试验,两次取样均为25g,两次80um负压筛的筛余量分别为1.98g、2.01g,则此水泥的细度是否合格?,凝结时间:是指水泥从开始加水到失去塑性,即从可 塑状态发展到固体状态所需的时间。分为初凝和终凝。1.初凝时间(Initial setting time)自开始加水拌和起,至水泥浆体塑性开始
16、降低所需时间,称为初凝时间。国家标准规定了通用硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min。2.终凝时间(Final setting time)自加水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称为终凝时间。国家标准规定了硅酸盐水泥的终凝时间不得迟于390min(6.5h)。其他通用水泥为不得迟于600min.,(三)凝结时间(Setting time),水泥凝结时间的测定要按国家标准规定的方法水泥稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB1346)进行。它是以标准稠度的水泥净浆,在规定温度和湿度下,用凝结时间测定仪来测定。,水泥净浆:水泥+水,水泥凝结时间在施工中具有重要意义。它直接决定混凝
17、土的凝结时间。但水泥的凝结时间不等于混凝土的凝结时间。凝结不宜过快,以便在凝结前完成混凝土各工序的施工操作;凝结不宜过迟,使混凝土在浇筑完毕后尽早凝结硬化,有利于下一步施工工序的进行。,凝结时间测定仪,圆模和试针,滑动部分总质量为300g1g,标准稠度用水量:是指水泥净浆达到规定稠度时所需的拌合水量,以占水泥重量的百分率表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水量,一般在24%30%之间。水泥熟料矿物成分不同时,其标准稠度用水量亦有所差别,磨得越细的水泥,标准稠度用水量越大。,(四)标准稠度用水量,标准稠度测定仪,试锥和锥模,标准稠度用水量的测定,(1)将称好的 500g水泥试样倒入搅拌锅内,用量筒量好拌
18、和用水。(2)拌和时,先将装有试样的锅放到搅拌机锅座上的搅拌位置,开动机器,同时徐徐加入拌和用水,慢速搅拌120s,停拌15s,接着快速搅拌120s后停机。,水泥净浆搅拌机,标准稠度用水量的测定,(4)拌和完毕,立即将净浆一次装入锥模中,用小刀插捣并振动数次刮去多余净浆,抹平后,迅速放到测定仪试锥下面的固定位置上。将试锥降至净浆表面,拧紧固定螺丝。将测定仪的刻度对零,然后突然放松固定螺丝让试锥沉入净浆中,直到停止下沉时,记录试锥下沉的深度S。以试杆沉入净浆并距底板6mm+-1mm的水泥净浆为标准稠度净浆,此时的用水量为标准稠度用水量。,水泥净浆达到标准稠度用水量越小越好。,(五)体积安定性,国
19、家标准规定,水泥中游离氧化镁含量不得超过5.0%,三氧化硫含量不得超过3.5%。,定义:水泥净浆在硬化过程中体积变化的均匀性。不安定现象:裂纹、翘曲、松脆、崩溃。原因:熟料中活性CaO、MgO,水泥中SO3存在(石膏)检测方法:试饼法及雷氏法两种 沸煮法测:CaO,将标准稠度的水泥净浆做成试饼经煮沸3h后,用肉眼观察未发现裂纹,用直尺检查没有弯曲现象,则称为安定性合格,反之为不合格。采用试饼尺寸:直径:7080mm,高10mm养护24h,加热至沸腾30min恒温3h。规定:不合格不能使用。,1.试饼法,试饼,测定水泥浆在雷氏夹中硬化沸煮后的膨胀值,当两个试件沸煮后的膨胀值的平均值不大于5mm时
20、,即判为该水泥安定性合格,反之为不合格;若两个试饼膨胀值的差值大于4.0mm,判定为不合格。,2.雷氏法,.教学试验录像水泥试验水泥标准用水量、凝结时间、体积安定性试验.flv,国家标准水泥胶砂强度试验方法(ISO法)(GB/T1767199),(六)强度,(1)水泥强度确定的条件及等级水泥的强度等级按规定龄期(3天,28天)、在标准条件下的水泥胶砂的抗压强度和抗折强度来划分。概述:GB规定用水泥胶砂试件测水泥强度配合比:水泥:标准砂=1:3(平潭)说明:试验采用水泥450g,标准砂1350g,水225g。,标准砂是统一检验水泥强度用的材料,是以福建省平潭县芦洋浦的天然石英海砂经筛洗等加工制成
21、。,方孔筛孔径,毫米,累计筛余量,,065,3,040,405,025,94,ISO法,标准砂,ISO法,标准尺寸:4040160(mm3)(一天后脱模)标准养护条件:温度201 相对湿度:90%以上,行星式水泥胶砂搅拌机主要用于水泥胶砂试件制备时的搅拌,水泥胶砂搅拌机,4040160mm水泥胶砂试模是国家标准水泥胶砂强度检验方法(ISO法)GB/T17671-1999中规定的统一设备。,水泥胶砂振实台主要用于水泥胶砂试件制备时的振实成型,水泥胶砂试模和振实台,水泥压力机专供测定水泥胶砂抗压强度之用,最大载荷200kN,水泥压力机,电动抗折机做水泥软练胶砂抗折强度检验用,并可作其他非金属脆性材
22、料的抗折强度检验。本试验机使用单杠杆时最大试验力为1000N,使用双杠杆时最大试验力为5000N,试验机标尺有专为水泥软练胶砂抗折强度与抗折力的换算刻度。,电动抗折机,水泥的强度等级,注:R早强型。,早强型优点:3d强度较普通型强度提高10%24%,3d强度可达普通型强度28天的50%。,硅酸盐水泥强度等级:(Mpa)42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R普通硅酸盐水泥强度等级:(Mpa)42.5、42.5R、52.5、52.5R。,几种通用水泥的强度等级,七、通用硅酸盐水泥的化学指标GB175-2007,GB175-2007通用硅酸盐水泥规定:通用硅酸盐水泥分为合格
23、品和不合格品。凡检验结果符合化学指标、凝结时间、安定性、强度技术要求的为合格品。凡检验结果不符合化学指标、凝结时间、安定性、强度技术要求的为不合格品。,合格水泥和不合格水泥,通用硅酸盐水泥的化学指标GB175-2007,(七)水泥的水化热,水泥在水化过程中所放出的热量,成为水泥的水化热(焦耳/公斤)。,水化热在水化的初期释放(7天前)较多,后期释放逐渐减少。,取决因素:水泥熟料的矿物组成,颗粒细度。,水泥强度等级越高,水化热越大,否则越低。,缓凝剂(早强剂)可以减缓(加速)水泥的水化反应,减缓(加速)放热速度,水泥的水化热对大体积混凝土(大坝混凝土)不利。导致内外温差,引起局部拉应力,混凝土产
24、生裂缝。一般大体积混凝土采用水化热低的水泥或加缓凝剂。,.教学试验录像水泥试验水泥胶砂强度试验.flv,复习,1、GB1752007通用硅酸盐水泥中规定的强制指标包括:化学指标、凝结时间、安定性、强度。2、水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算值表示。低碱水泥的碱含量不大于0.6%,或双方约定。3、水泥的细度用比表面积(不小于300平米/公斤)或80um筛余百分量(不大于10%)表示。4、取某厂生产硅酸盐水泥进行细度试验,两次取样均为25g,两次80um负压筛的筛余量分别为1.98g、2.01g,则此水泥的细度是否合格?5、凝结时间是指水泥从开始加水到失去塑性,即从可 塑状态发展到固体状
25、态所需的时间。分为初凝和终凝。6、经检测某种硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的初凝时间为54min,终凝时间490min,上述两种水泥是否为合格品?7、某种水泥的终凝时间为160min,则用此水泥拌制混凝土时,混凝土从搅拌到浇筑成型的最长时间是160min?8、水泥凝结时间、标准稠度用水量的测定使用水泥胶砂?水泥净浆?9、标准稠度用水量以标准维卡仪试杆沉入净浆并距底板6mm+-1mm的水泥净浆拌合用水。用百分比表示。10、水泥凝结时间的测定用维卡仪,当试针沉入距底板4mm+-1mm时,水泥达到初凝状态;当试针沉入试体0.5mm时,为水泥终凝状态。,11、相同品种的水泥,其中一个批次的比表面积是350
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