建筑材料5水泥

建筑材料第五章水泥水泥的定义和分类水泥是一种细磨成粉末状，加入适量水后成为可塑性的浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结成具有一定强度的整体的水硬性胶凝材料。按用途和性能分类用于一般土木建筑工程中的水泥，如硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥等具有专门用途水泥，如中、低热水泥，道路水泥等具有某种性能比较突出的水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥等按其化学成分类虽然水泥品种繁多，分类方法各异，但我国水泥产量的90%左右属以硅酸盐为主要水硬性矿物的硅酸盐水泥。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。我国水泥工业现状近年来我国水泥工业发展很快，无论是品种、产量、质量都有很大的突破，尤其是产量居世界前列。但同时也存在着严重的不足，主要表现为：能耗大、污染严重。我们来看一组统计数据：如何降低水泥能耗、减少污染物的排放量，将是今后应该研究的主要内容，绿色产业化是水泥工业的发展方向。水泥在土木工程中的重要作用•水泥是当今产量与用量最大的土木工程材料！•水泥及其砂浆、混凝土与纤维水泥等水泥基材料普遍用于各种土木工程和钢筋混凝土结构！•水泥的性能和正确选用对土木工程的功能与质量至关重要！多样性低成本可塑性工艺简单耐久性与钢筋粘结性好水硬性水泥的优点学习目的•学习硅酸盐水泥的矿物组成，及其与其他水泥的差别；水泥的生产过程及其对性质的影响。•掌握水泥凝结硬化机理和凝结硬化过程的影响因素；应用这些基本理论，说明水泥和混凝土的性质，指导合理选择与使用水泥，改善水泥基材料的性能。•熟悉水泥各种性质的含义和工程意义；水泥性质的影响因素及其规律；水泥性质的检验方法和评定标准。硅酸盐水泥主要内容•什么是硅酸盐水泥？•硅酸盐水泥是怎样制造？•硅酸盐水泥的组成？•水泥浆如何转变成坚硬固体？•水泥应满足哪些技术性质？•如何正确使用水泥？重点论述了硅酸盐系水泥的矿物组成、凝结硬化机理和基本性质及其检测方法，以及硅酸盐水泥的应用。凡由硅酸盐水泥熟料、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PortlandCement).硅酸盐水泥的生产及矿物组成现行国家标准GB175-2007定义：凡由硅酸盐水泥熟料、0～5％的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（国外统称为波特兰水泥）。硅酸盐水泥是怎样制造的？•原料：硅质：粘土，(SiO2、Al2O3)，占1/3钙质：石灰石、白垩等，(CaO)，占2/3调节原料：铁矿与砂，调节与补充Fe2O3与SiO2•制造工艺：原料经粉磨混合后得到水泥生料生料经窑内煅烧得到水泥熟料水泥熟料＋石膏(或再＋混合材）一起经粉磨混合后得到水泥“两磨一烧”硅质(粘土)钙质(石灰石)1450℃调节原料石膏石膏水泥生料熟料混合材水泥制造的“两磨一烧”工艺流程粉磨煅烧粉磨原料采掘原料磨细原料混合反应物＋产物＋中间产物预热器＋回转窑产物熟料冷却熟料储存硅酸盐水泥熟料制造工艺流程水泥制造厂全貌水泥的制造工艺全貌水泥生料煅烧回转窑回转窑尾1450~1500C•化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。•矿物组成：硅酸盐水泥熟料主要含有四种矿物：硅酸盐水泥熟料的组成矿物名称化学成分缩写符号含量硅酸三钙3CaO·SiO2C3S42％～61％硅酸二钙2CaO·SiO2C2S15％～32％铝酸三钙3CaO·Al2O3C3A4％～11％铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3C4AF10％～18％硅酸盐水泥熟料的矿物组成生料SiO2CaO化合反应800～1450℃800℃左右分解反应Al2O3Fe2O32CaO·SiO23CaO·SiO23CaO·Al2O34CaO·Al2O3·Fe2O3硅酸盐水泥的水化和凝结硬化水化水泥加水拌和后，水泥颗粒立即分散于水中并与水发生化学反应，生成各种水化物。硅酸三钙水化硅酸钙氢氧化钙硅酸二钙水化硅酸钙氢氧化钙铝酸三钙水化铝酸钙铁铝酸四钙水化铝酸钙水化铁酸钙22222)(33236)3(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO22222)(3234)2(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaOOHOAlCaOOHOAlCaO2322326363OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374•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。22222)(33236)3(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO(2)硅酸二钙•硅酸二钙与水作用时，反应极慢，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。22222)(3234)2(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO(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。OHOAlCaOOHOAlCaO2322326363(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+CFHOHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374•为调节水泥凝结时间而掺入的少量石膏（3%左右），与部分水化铝酸钙作用，生成难溶的水化硫铝酸钙，也称钙矾石，从而延缓了水泥的凝结时间。3CaO•Al2O3•6H2O+3(CaSO4•2H2O)+19H2O=3CaO•Al2O3•3CaSO4•+31H2O石膏的作用•避免水泥浆的闪凝和假凝现象。•调节水泥的凝结时间。•导致钙钒石和单硫型硫铝酸钙水化物的形成。石膏掺量的影响•石膏主要降低C3A的水化速度；•掺量太少，凝结较快；•掺量达到一定后，再增加，影响不大。过多，凝结硬化影响不大。•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%硅酸盐水泥熟料矿物的特性矿物名称硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙与水反应速度快慢最快快水化放热量大小最大中强度高早期低后期高低低矿物组成对水泥性能的影响以上是单个矿物组成的性能，水泥是几种熟料矿物的混合物，改变熟料矿物成分间的比例，水泥的性质即发生相应的变化。•硅酸三钙↑——高强水泥•铝酸三钙、硅酸三钙↓硅酸二钙↑•铁铝酸四钙↑——抗折强度↑——道路水泥—水化热↓——大坝水泥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。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％•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。•水泥熟料矿物的水化是放热反应，C3S和C3A放热最大，最快；而C2S放热最小，最慢。•水泥熟料矿物的水化速度：C3A＞C3A＋CaSO42H2O＞C3S~C4AF＞C2S•水泥的C3A和C3S含量越高，凝结硬化速度越快；•水泥的C3A和C3S含量越低，凝结硬化速度越慢；三、水泥浆如何转变成坚硬固体？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。水泥水溶解沉淀水泥浆的凝结硬化过程扩散•先在固－液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积；•早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应——进入潜伏期；•因渗透压或Ca(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行——进入水化的加速期；•随着水化的不断进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低——凝结；•由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度——硬化。水泥浆凝结硬化的物理过程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。•初凝：开始失去流动性和可塑性。不得早于45min。•终凝：完全失去可塑性，使水泥具有一定的强度。不得迟于6.5h。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•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。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。•(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。应用水泥凝结硬化机理分析与解答问题•水泥生产中为什么掺加石膏？C3A在水中溶解度大，反应很快，引起水泥浆闪凝；水泥的凝结速度取决于水泥浆体中水化物凝胶微粒的聚集，Al3＋对凝胶微粒聚集有促进作用；石膏与C3A反应形成难溶的硫铝酸钙水化物，反应速度减缓，并减少了溶液中的Al3＋浓度，延缓了水泥浆的凝结速度。•为什么水泥硬化后能产生强度？水泥浆体硬化后转变为越来越致密的固体；在浆体硬化过程