第二章—水泥

第二节硅酸盐水泥PortlandCement概述什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？水泥中的主要矿物硅酸盐系水泥铝酸盐系水泥硫铝酸盐系水泥磷酸盐系水泥硫铝酸钙硅酸钙铝酸钙磷酸钙镁根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。概述什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？水泥的特性膨胀水泥快硬水泥低热水泥抗腐蚀水泥根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。硬化时膨胀硬化速度快水化热低耐腐蚀性好根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。概述什么是水泥(cement)？水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的种类有哪些？硅酸盐系水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。硅酸盐系水泥品种硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥；掺混合材的硅酸盐水泥特性硅酸盐水泥硅酸盐水泥有PⅠ和PⅡ两类，后者含有混合材料。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！主要内容1、什么是硅酸盐水泥？2、硅酸盐水泥是怎样制造？3、硅酸盐水泥的组成？4、水泥浆如何转变成坚硬固体？5、水泥应满足哪些技术性质？6、如何正确使用水泥？重点论述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.一、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，(CaCO3)，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(或混合材）一起经粉磨混合后得到水泥“两磨一烧”水泥生料可以是：与水混合成浆体—湿法工艺加少量水制成料球—半干法工艺加稍多水制成湿球—半湿法工艺干粉混合物—干法工艺硅质(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生料煅烧回转窑回转窑尾1450~1500C二、硅酸盐水泥的组成硅酸盐水泥是由下列物质混合组成的水泥硅酸盐水泥熟料Clinkers石膏(CaSO42H2O)Gypsum混合材(矿渣或石灰石粉末)MineralAdditives各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时间；混合材：调节水泥的强度等级；必要组分矿物名称英文名称缩写分子式矿物式硅酸三钙AliteC3SCa3SiO53CaO·SiO2硅酸二钙BeliteC2SCa2SiO42CaO·SiO2铝酸三钙AluminateC3ACa3Al2O63CaO·Al2O3铁铝酸四钙FerriteC4AFCa2(Al,Fe)2O54CaO·Al2O3·Fe2O3含量(mass%)37~6015~377~1510~18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0102030405060C3SC2SC3AC4AF低高水泥颗粒宏观形貌水泥颗粒的结构水泥熟料颗粒细观形貌水泥熟料矿物微观结构三、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。为什么水泥能由浆体变成固体？水泥与水能发生化学反应——水化反应；水化反应将结合占水泥质量30％左右的拌和水；水化反应的产物——水化物能相互凝聚成三向网络结构；水化反应产物有很大的表面能，而且相互间有很强的次价键力。1.水泥熟料矿物的水化反应特征：水泥熟料颗粒中的四种主要矿物同时进行水化反应；其水化反应均是放热反应；水化反应是固－液异相反应。反应速度序列：半水石膏CaSO40.5H2O和游离氧化钙f-CaO的水化铝酸三钙C3A的水化铁铝酸四钙C4AF的水化硅酸三钙C3S的水化硅酸二钙-C2S的水化来自水泥粉磨过程中二水石膏的脱水分解：CaSO42H2OCaSO40.5H2O+1.5H2OSummary硅酸钙的水化2C3S+6HC3S2H3+3CH+120cal/g2C2S+4HC3S2H3+CH+62cal/g铝酸钙的水化C3A+6H2OC3AH6C3A+3CŜ·H2+26HC3A·3CŜ3·H32+300cal/g（钙钒石）C3A+C3A·3CŜ3·H32+4HC3A·CŜ3·H12铁铝酸钙的水化C4AF+7HC3AH6+CFH水泥的水化过程：当水泥颗粒分散在水中，石膏和熟料矿物溶解进入溶液中，液相被各种离子饱和；几分钟内，Ca2＋、SO4＋、Al3＋、OH－离子间反应，形成钙钒石；几小时后，Ca(OH)2晶体和硅酸钙水化物C-S-H开始填充原来由水占据并溶解熟料矿物的空间；几天后，因石膏量不足，钙钒石开始分解，单硫型硫铝酸钙水化物开始形成。此后，水化物不断形成，不断填充孔隙或空隙。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。水泥水溶解沉淀水泥浆的凝结硬化过程扩散2.水泥浆的凝结硬化——物理过程单一水泥颗粒在大量水中的水化过程模型新拌1小时后数小时后几天后几周后拌合水未水化的核水化物CSHCa(OH)2晶体硅酸盐水泥水化物理过程模型水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层——诱导期水化物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。水化物膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。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水泥浆水化放热过程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。水泥水化放热有明显的四个阶段：1.初始放热—水泥与水一接触，立即放热，放热速度dQ/dt很快，表明反应激烈。2.放热停滞期—放热很慢，接近停滞，表明反应停顿。3.放热加速期—放热速度逐渐加快，达到放热峰值，表明反应逐渐加快。4.放热减速期—放热达到峰值后，放热速度逐渐减慢，表明反应逐渐减速。3、硬化水泥浆体—水泥石的组成与结构水泥石的组成固相—水泥水化物与未水化的水泥颗粒胶体相：水化硅酸钙C-S-H凝胶和铁相凝胶等；晶体相：硫铝酸钙水化物、水化铝酸钙与氢氧化钙晶体等；气相—各种尺寸的孔隙与空隙凝胶孔毛细孔工艺空隙液相—水或孔溶液自由水吸附水凝胶水水泥石的组成随水泥水化度而变四、硅酸盐水泥应满足哪些技术性质密度与堆积密度细度标准稠度用水量凝结时间体积安定性强度水化热不溶物和烧失量碱含量耐腐蚀性软水侵蚀盐类侵蚀酸类腐蚀强碱腐蚀防腐措施1.细度定义细度是指水泥粉体的粗细程度。测量方法筛分析法以80m方孔筛的筛余量表示；比表面积法以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。国标要求硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。普通水泥80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%。细度不符合要求的水泥为不合格品！问题：为什么需要规定水泥的细度？解答：水泥颗粒细度影响水化活性和凝结硬化速度，水泥颗粒太粗，水化活性越低，不利于凝结硬化；虽然水泥越细，凝结硬化越快，早期强度会越高，但是水化放热速度也快，水泥收缩也越大，对水泥石性能不利；水泥越细，生产能耗越高，成本增加；水泥越细，对水泥的储存也不利，容易受潮结块，反而降低强度。2.凝结时间概念：凝结时间—水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝时间从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。测定方法：用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。国标要求：硅酸盐水泥初凝时间≥45min；终凝时间＜390min。水泥凝结时间的测定标准稠度水泥浆离底1～2mm为初凝园弧形压痕终凝3.体积安定性基本概念：水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。若水泥石的体积变化均匀适当，则水泥的体积安定性良好；若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。体积安定性不良的水泥为废品！为什么？水泥体积安定性不良的原因：水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。石膏量过多，在水泥凝结硬化后，会有钙钒石形成，产生膨胀。3.体积安定性4.强度检验方法——软练胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。试件尺寸：4040160mm棱柱体；胶砂配比：水泥:ISO标准砂:水=1:3:0.5；振动成型：在频率为2800~3000次/min，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间120s。试件养护：在20C1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中24h，然后脱模在20C1C的水中养护至测试龄期；100mm160mmP抗折强度试验PP抗压强度试验强度测量：将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600mm2。结果计算：抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平均值。强度等级：根据3天和28天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）水泥品种强度等级3天28天3天28天42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.423.052.54.07.052.5R27.052.55.07.062.528.062.55.07.0硅酸盐水泥62.5R32.062.55.58.032.511.032