土木工程材料第三章水泥

第三章水泥3.水泥水泥是一种良好的矿物胶凝材料，它与石灰、石膏、水玻璃等气硬性胶凝材料不同，不仅能在空气中硬化，而且在水中能更好地硬化，并保持和发展其强度，因此，水泥是一种水硬性胶凝材料。水泥是制造各种形式的混凝土、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土构筑物的最基本的组成材料，广泛用于建筑、道路、水利和国防工程中，素有“建筑业的粮食”之称。水泥的品种很多，按化学成分可分为硅酸盐、铝酸盐、硫铝酸盐等多种系列水泥，本章主要介绍应用最广的硅酸盐系列水泥。硅酸盐系列水泥按其性能和用途.硅酸盐水泥普通水泥矿渣水泥常用水泥火山灰水泥粉煤灰水泥硅酸盐系列水泥复合水泥特种水泥3.1常用水泥3.1.1常用水泥的生产3.1.1.1水泥熟料的烧成烧制硅酸盐水泥熟料的原材料主要是提供CaO的石灰质原料，如石灰石、白垩等，及提供Si02、Al2O3和少量Fe2O3的粘土质原料，如粘土、页岩等。此外，有时还配入铁矿粉等辅助原料。将上述几种原材料按适当比例混合后在磨机中磨细，制成生料，再将生料入窑进行煅烧，便烧制成黑色球状的水泥熟料。硅酸盐水泥熟料主要由四种矿物组成，其名称、含量范围如下：硅酸三钙(3CaO·Si02，简写为C3S)，含量36％～60％；硅酸二钙(2CaO·Si02，简写为C2S)，含量15％～37％；铝酸三钙(3CaO·Al2O3，简写为C3A)，含量7％～15％；铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3，简写为C4AF)，含量10％～18％。前两种矿物称硅酸盐矿物，一般占总量的75％～82％。3.1.1.2磨制水泥成品磨制水泥成品时的原材料包括水泥熟料、石膏和混合材料。用于水泥中的石膏一般是二水石膏或无水石膏。用于水泥中的混合材料分为活性混合材料和非活性混合材料两大类。活性混合材料是指那些与石灰、石膏一起，加水拌和后能形成水硬性胶凝材料的混合材料。活性混合材料中的主要活性成分是活性氧化硅和活性氧化铝。水泥生产中常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等。非活性混合材料是指不具活性或活性甚低的人工或天然的矿物质，如石英砂、石灰石、粘土及不符合质量标准的活性混合材料等。它们掺入水泥中仅起调节水泥性质，降低水化热，降低强度等级和增加产量的作用。把水泥熟料、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，即可制成如下六大种常用水泥：(1)硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料，0～5％石灰石或粒化高炉矿渣及适量石膏组成。分成两种类型，不掺混合材料的为I型(P·I)，掺不超过水泥质量5％石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的为Ⅱ型(P·Ⅱ)。(2)普通硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料，6％～15％混合材料(活性混合材料的最大掺量不得超过159／5，其中允许用不超过水泥质量5％的窑灰或不超过水泥质量10％的非活性混合材料；掺非活性混合材料时，最大掺量不超过水泥质量的10％)，及适量石膏组成。(3)矿渣硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料，20％～70％的粒化高炉矿渣和适量石膏组成。(4)火山灰质硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料，20％～50％火山灰质混合材料和适量石膏组成。(5)粉煤灰硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料，20％～40％粉煤灰和适量石膏组成。(6)复合硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料，15％～50％的两种或两种以上混合材料和适量石膏组成。3.1.2常用水泥的特性3.1.2.1硅酸盐水泥硅酸盐水泥中即使有混合材料，掺量也很少，因此硅酸盐水泥的特性基本上为水泥熟料所确定。(1)水化凝结硬化快，强度高，尤其早期强度高硅酸盐水泥熟料中各矿物单独与水作用，将发生如下水化反应：水化硅酸钙氢氧化钙水化铝酸三钙水化铁酸钙22222)(3336)3(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaO22222)(33234)2(2OHCaOHSiOCaOOHSiOCaOOHOAlCaOOHOAlCaO2322326363OHOFeCaOOHOAlCaOOHOFeOAlCaO232232232326374水泥加水拌和后，分散在水中的水泥颗粒开始与水发生水化反应，在水泥颗粒表面逐渐形成水化物膜层，此阶段的水泥浆既有可塑性又有流动性。随着水化反应的发展，膜层长厚并互相连接，浆体逐渐失去流动性，产生“初凝”，继而完全失去可塑性，并开始产生结构强度，即为“终凝”。水化反应的进一步发展，水化产物不断填充毛细孔，水泥浆体逐渐转变为具有一定强度的水泥石固体，即为“硬化”。硅酸盐水泥熟料四种主要矿物中，C3A的水化、凝结和硬化很快。为了控制C3A的水化和凝结硬化速度，就必须在水泥中掺入适量石膏。C3A水化后的产物将与石膏反应，在水泥颗粒表面生成难溶于水的钙矾石(3CaO·SiO2·3CAS04·31H2O)，阻碍C3A水化，从而起到延缓水泥凝结的作用。不过，石膏掺量不能过多，否则会使水泥浆在硬化后继续生成过氧钙矾石而造成的水泥的体积安定性不良。硅酸盐水泥中C3S的含量高，有利于28d内的强度快速增长，同时较多的C3A也有益于水泥石1～3d或稍长时间内的强度增长。C2S的强度发挥有益于硅酸盐水泥后期强度的增长。因此，硅酸盐水泥适宜配制高强混凝土及适用于要求早期强度高的混凝土。(2)水化热大水泥的水化反应为放热反应，水化过程放出的热量称为水泥的水化热。硅酸盐水泥的C3S和C3A含量高，水化热大，放热周期长，一般水化3d的放热量约为总水化热的50％，7d为75％，3个月达90％。硅酸盐水泥不宜在大体积工程中应用。(3)耐腐蚀性差硅酸盐水泥硬化后，在一般使用条件下有较高的耐久性。可是，在淡水、酸与酸性水和硫酸盐溶液等有害的环境介质中，则会发生各种物理化学作用，导致性能改变，强度降低，甚至破坏。引起整个工程结构的破坏。如果水泥石长期处于流水或压力流水作用下，水泥石中的氢氧化钙就会不断溶出流失，氢氧化钙减少到一定程度，会促使水泥石碱度不断降低，其他水化产物将分解或被溶解，从而胶结能力降低，强度不断下降，最终使水泥石发生破坏。水泥石处于含有大量镁盐的海水或地下水中，镁盐会与水泥石中的氢氧化钙反应，生成松软无胶凝力的氢氧化镁，而且氢氧化镁溶液碱度低，导致水化产物不稳定而离解，严重时Mg2+还将置换水泥石水化硅酸钙中的Ca2+，使之胶凝性能极大地降低。又如，工业废水或地下水中的各类无机酸或有机酸，会与水泥石中的氢氧化钙发生反应，生成物溶于水使钙离子流失，水化产物稳定性下降。水泥石受侵蚀破坏的另一种典型现象，是水泥石中的氢氧化钙与环境介质中的硫酸盐发生反应，生成硫酸钙，硫酸钙将和水泥石中的水化铝酸钙反应生成钙矾石，钙矾石比原体积增加1.5倍以上，因此会对水泥石造成极大的膨胀破坏作用。产生水泥石腐蚀的根本原因：外部是存在侵蚀介质；内部是因为水泥石中存在易被腐蚀的氢氧化钙和水化铝酸钙，以及水泥石本身不密实，存在很多侵蚀性介质易于进入内部的毛细孔道。从而使Ca2+流失，水泥石受损，胶结力降低；或者有膨胀性产物形成，引起胀裂破坏现象。因此抗侵蚀性差，不宜在有腐蚀性介质的环境中使用。(4)抗冻性好，干缩小硅酸盐水泥中混合材料的含量或为零或极少，同样强度下所需水灰比较小，所以硅酸盐水泥硬化水泥石较致密，抗冻性优于其它常用水泥，干缩也较小。(5)耐热性差硅酸盐水泥硬化水泥石的主要水化产物在高温下会发生脱水和分解，使结构遭到破坏。所以，其耐高温性较其它几种水泥差。3.1.2.2普通水泥普通水泥中混合材料的掺加量较少，其矿物组成的比例仍与硅酸盐水泥相似，所以普通水泥的性能、应用范围与同强度等级的硅酸盐水泥相近。与硅酸盐水泥相比，普通水泥的早期凝结硬化速度略微慢些，3d强度稍低，其它如抗冻性及耐磨性等也稍差些。3.1.2.2矿渣水泥(1)矿渣水泥加水后的水化分两步进行：首先是水泥熟料颗粒水化，接着矿渣受熟料水化时析出的Ca(OH)2及外掺石膏的激发，其玻璃体中的活性氧化硅和活性氧化铝进入溶液，与Ca(OH)2反应生成新的水化硅酸钙和水化铝酸钙，因为石膏存在，还生成水化硫铝酸钙。由于矿渣水泥中熟料的含量相对减少，而且水化分两步进行，因此凝结硬化慢，早期(3d，7d)强度低。但二次反应后生成的水化硅酸钙凝胶逐渐增多，所以其后期(28d后)强度发展较快，将赶上甚至超过硅酸盐水泥。该水泥不宜用于早期强度要求较高的工程。(2)水化热小矿渣水泥中熟料的减少，使水化时发热量高的C3S和C3A含量相对减少，故水化热较低，可在大体积混凝土工程中优先选用。(3)抗碳化能力较差由于二次水化反应的发生，使水泥石中氢氧化物含量少，碱度低，抗碳化能力较差。一般不用于热处理车间的修建。(4)抗渗性差干缩性较大矿渣颗粒亲水性较小，故矿渣水泥保水性较差，泌水性较大，容易在水泥石内部形成毛细通道，增加水分蒸发。因此，矿渣水泥干缩性较大，抗渗性、抗冻性和抗干湿交替作用的性能均较差，不宜用于有抗渗要求的混凝土工程中。不宜用于严寒地区，尤其是严寒地区水位经常变动的部位。(5)耐热性好矿渣水泥的水化产物中氢氧化钙含量低，而且矿渣本身是水泥的耐火掺料，因此其耐热性较好；可用于高温环境及耐热混凝土工程中。(6)对环境的温度、湿度条件较为敏感矿渣水泥水化硬化过程中，对环境的温度、湿度条件较为敏感。故适于蒸汽养护的混凝土预制构件。3.1.2.4火山灰水泥由于火山灰水泥在硬化过程中的干缩较矿渣水泥更为显著，在干热环境中易产生干缩裂缝。因此，使用时须加强养护，使其在较长时间内保持潮湿状态。不宜用于长期处于干燥环境和水位变化区的混凝土工程。火山灰水泥颗粒较细，泌水性小，故具有较高抗渗性，宜用于有抗渗要求的混凝土工程中。3.1.2.5粉煤灰水泥粉煤灰水泥的主要特点是干缩性较小，甚至比硅酸盐水泥和普通水泥还小，因而抗裂性较好。尤其适用于大体积水工混凝土以及地下和海港工程。另外，粉煤灰颗粒较致密，故吸水少，且呈球形，所以粉媒灰水泥的需水量小，配制成的混凝土和易性较好。3.1.2.6复合水泥复合水泥中含有两种或两种以上规定的混合材料，因此复合水泥的特性与其所掺混合材料的种类、掺量及相对比例有密切关系。总体上其特性与矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥有不同程度的相似之处。3.1.3影响常用水泥性能的因素(1)水泥组成成分的影响水泥的组成成分及各组分的比例是影响六大常用水泥性能的最主要因素。例如，水泥中增加混合材料含量，减少熟料含量，将使水泥的抗侵蚀性提高，水化热降低，早期强度降低；水泥中提高C3S、C3A的含量，将使水泥的凝结硬化加快，早期强度高，同时水化热也大。(2)水泥细度的影响水泥颗粒越细，总表面积越大，与水的接触面积也大，因此水化迅速，凝结硬化也相应增快，早期强度也高。但水泥颗粒过细，会增加磨细的能耗和提高成本，且不宜久存，过细水泥硬化时还会产生较大收缩。(3)养护条件(温度、湿度)的影响水泥是水硬性胶凝材料，所以其水化、凝结硬化过程中必须有足够的水分，养护期间注意保持潮湿状态，有利其早期强度的发展。养护时温度升高，水泥的水化加快，早期强度发展也快。当环境温度接近或低于O℃，水结成冰后，会导致水泥石冻裂，水泥的水化停止。(4)龄期的影响水泥的强度是随龄期增长而增加的，实践证明，一般28d内强度发展较快，28d后显著减慢。(5)拌和用水量的影响水泥用量不变的情况下，增加拌和用水量，会增加硬化水泥石中的毛细孔，使之强度下降。另外，增加拌和用水量，会增加水泥的凝结时间。(6)贮存条件的影响贮存不当，会使水泥受潮，颗粒表面发生水化而结块，严重降低强度。即使良好的贮存，在空气中的水分和CO2的作用下，也会发生缓慢水化和碳化。所以水泥的有效贮存期为3个月，不宜久存。3.1.4常用水泥的选用根据上述六大常用水泥的特性，针对各类建筑工程的工程性质、结构部位、施工要求和使用环境条件等，可按照表3．3进行水泥的选用。3.1.5常用水泥的技术要求根据国家标准GBl75—1999，GBl344—1999和GBl2958—1999，对六大常用水泥的主要技术性质要求如下:3.1.5.1细度细度是指水泥颗粒的粗细程度，它对水泥的性质有较大影响。国家标准规定：硅酸盐水泥的