扬州工业职业技术学院建筑材料教研室 情境三水泥性能与检测 掌握硅酸盐水泥熟料的矿物组成及其特性 掌握硅酸盐水泥的组成材料 凝结硬化过程 技术性质 质量检定方法及其应用 了解其他品种水泥的特性及应用 水泥的特点和适用范围 水泥的特点水泥是一种粉末状材料 加水后拌合均匀形成的浆体 不仅能够在干燥环境中凝结硬化 而且能更好地在水中硬化 保持或发展其强度 形成具有堆聚结构的人造石材 水泥适用范围不仅适合用于干燥环境中的工程部位 而且也适合用于潮湿环境及水中的工程部位 4 ConstructionMaterials 正在建设中的三峡大坝 挪威的海上石油钻井平台 水泥的分类 按性能和用途分 水泥 通用水泥 专用水泥 特性水泥 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥 石灰石硅酸盐水泥 如砌筑水泥 油井水泥 道路水泥 大坝水泥等 如白色硅酸盐水泥 快凝快硬硅酸盐水泥等 水泥的分类 按主要水硬性物质分 4 1通用水泥 一 硅酸盐水泥 一 硅酸盐水泥的原材料和生产工艺 1 硅酸盐水泥的原材料生产硅酸盐水泥熟料的原材料石灰质原料天然石灰石 也可采用与天然石灰石化学成分相似的材料如白垩等 粘土质原料主要为粘土 其主要化学成分为SiO2 其次为Al2O3和少量Fe2O3 铁矿粉采用赤铁矿 化学成分为Fe2O3 石膏主要为天然石膏矿 无水硫酸钙等 混合材料 包括活性混合材料 粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料等 和非活性混合材料 石灰石粉 磨细石英砂等 硅酸盐水泥的生产工艺 两磨一烧 工艺生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种 硅酸盐水泥分为 型硅酸盐水泥 不掺混合材料 和 型硅酸盐水泥 掺不超过5 混合材料 2 硅酸盐水泥的生产工艺 石灰石 粘土 铁矿粉 生料 石膏 硅酸盐水泥 混合材料 熟料 按比例混合 磨细 1350 1450 煅烧 磨细 3 熟料的矿物组成及其特性 熟料的矿物组成 水泥熟料矿物 硅酸二钙 铁铝酸四钙 游离氧化钙和氧化镁 铝酸三钙 硅酸三钙 碱类及杂质 2CaO SiO2 C2S 4CaO Al2O3 Fe2O3 C4AF f CaO和f MgO 3CaO Al2O3 C3A 3CaO SiO2 C3S 化学式及简写 水泥熟料矿物的主要特性 熟料矿物磨细加水 均能单独与水发生化学反应 其特点见上表 二 硅酸盐水泥的凝结和硬化 1 熟料矿物的水化反应硅酸三钙2 3CaO SiO2 6H2O 3CaO 2SiO2 3H2O 3Ca OH 2硅酸二钙2 2CaO SiO2 4H2O 3CaO 2SiO2 3H2O Ca OH 2铝酸三钙3CaO Al2O3 H2O 3CaO Al2O3 6H2O3CaO Al2O3 6H2O 3 CaSO4 2H2O 19H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O铁铝酸四钙4CaO Al2O3 Fe2O3 7H2O 3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 H2O 水泥水化产物 晶体 氢氧化钙20 25 水化铝酸钙水化硫铝酸钙 石膏作用下生成 胶体 水化硅酸钙 C S H 70 水化铁酸钙 17 ConstructionMaterials 钙钒石晶体 18 ConstructionMaterials C S H水化硅酸钙凝胶 CHCrystal氢氧化钙晶体 电镜下的水泥水化产物图 19 ConstructionMaterials 水泥浆扫描电镜照片 7d龄期 C S H 钙矾石 2 硅酸盐水泥的凝结和硬化 凝结硬化的概念水泥水化后 生成各种水化产物 随着时间推延 水泥浆的塑性逐渐失去 而成为具有一定强度的固体 这一过程称为水泥的凝结硬化 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 在一定温度和湿度下可持续几十年 初凝 水泥加水拌合后的剧烈水化反应 一方面使水泥浆中起润滑作用的自由水分逐渐减少 另一方面 水化产物在溶液中很快达饱和或过饱和状态而不断析出 水泥颗粒表面的新生物厚度逐渐增大 使水泥浆中固体颗粒间的间距逐渐减小 越来越多的颗粒相互连接形成了骨架结构 此时 水泥浆便开始慢慢失去可塑性 表现为水泥的初凝 终凝 当掺入水泥的石膏消耗殆尽时 水泥颗粒表面的钙矾石覆盖层一旦被水泥水化物的积聚物所胀破 铝酸三钙等矿物的再次快速水化得以继续进行 水泥颗粒间逐渐相互靠近 直至连接形成骨架 水泥浆的塑性逐渐消失 直到终凝 硬化 水泥凝结后产生明显的强度并逐渐变成坚硬的人造石 水泥石 这一过程称为水泥的 硬化 23 ConstructionMaterials 硬化前未水化水泥颗粒水C S H钙矾石石灰硬化后 水灰比 25 水化产物填充空隙并将水泥颗粒连接在一起 已水化的水泥浆里留下的孔隙 未水化水泥颗粒 三 硅酸盐水泥的主要技术性质 1 细度细度是指水泥颗粒的粗细程度 水泥颗粒的粗细 直接影响其水化反应速度 活性和强度 国家标准中规定 水泥的细度用筛析法和比表面积法来测定 硅酸盐水泥的细度为其比表面积大于300m2 kg 试验方法 1 筛析试验前 调节负压至4000 6000Pa范围内 2 称取试样25g 置于负压筛 筛析2min 3 筛毕 称量筛余物ms 4 结果计算 1 水泥试样筛余百分数 筛余结果的修正 C 修正系数 0 80 1 20 2 密度 堆积密度和各成分含量 注 表中百分数均为质量百分数 3 烧失量 水泥在一定的烧灼温度和时间内 烧失的量占原质量额百分数 4 标准稠度及其用水量稠度是水泥浆达到一定流动度时的需水量 国家标准规定检验水泥的凝结时间和体积安定性时需用 标准稠度 的水泥净浆 标准稠度 是人为规定的稠度 其用水量采用水泥标准稠度测定仪测定 硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在 之间 影响因素 矿物成分 细度 混合材及掺量 5 凝结时间 凝结时间分为初凝时间和终凝时间 初凝时间是从加水至水泥浆开始失去塑性的时间 终凝时间是从加水至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度的时间 凝结时间的工程意义 水泥的初凝时间不宜过早 以便在施工时有足够的时间完成混凝土或砂浆的搅拌 运输 浇注和砌筑等工作 水泥的终凝时间不宜过迟 以免延误施工工期 国家标准GB175 2006规定 硅酸盐水泥初凝不得早于45min 终凝不得迟于6 5h 凝结时间的测定 1 采用凝结时间测定仪 维卡仪 2 采用水泥标准稠度净浆 水泥标准稠度净浆 1 目的 试验结果具有可比性 用于测定凝结时间和安定性 2 测定 试验仪器 维卡仪试验方法 标准法 调整水量法 3 标准稠度净浆标准 试杆距底板距离为6mm 1mm 4 标准稠度用水量 达到标准稠度净浆时的用水量 初凝时间 试杆距底板距离为4mm 1mm 终凝时间 当试针沉入试体0 5mm时 即环形附件开始不能在试体留下痕迹时 凝结时间测定 6 体积安定性 体积安定性是指水泥浆体硬化后体积变化的稳定性 水泥在硬化过程中体积变化不稳定 即为体积安定性不良 水泥安定性不良的原因 熟料中含有过量的游离氧化钙 f CaO 或含有过量的游离氧化镁 f MgO 生产水泥时掺入的石膏过量 国家标准GB175 2006规定 硅酸盐水泥的安定性用沸煮法检验必须合格 体积安定性不良的水泥严禁用于工程中 雷氏法 1 雷氏夹试件的成型 标准稠度水泥净浆 2 测量A取下试件 测量雷氏夹指针尖端间的距离A 3 沸煮 4 测量C沸煮后 冷却 取出试件测量雷氏夹指针尖端的距离C 5 结果判定当两个试件煮后增加距离C A平均值 5 0mm时 安定性合格 当两个试件C A值相差超过4 0mm时 应重做一次试验 再如此 则认为该水泥安定性不合格 雷氏夹 7 强度及强度等级 1 胶砂强度国家标准 规定 水泥和标准砂按1 3 0质量比混合 加入规定量的水 水灰比为0 50 经标准试验方法搅拌成型 制成40mm 40mm 160mm的标准试件 在标准条件 1d温度为20 1 相对湿度90 以上的空气中带模养护 1d以后拆模 放入20 1 的水中养护 下养护 根据水泥品种不同 分别测定3d 28d的抗折强度和抗压强度 即为水泥的胶砂强度 检验方法 ISO法 水泥 标准砂 水 1 3 0 5 制成40mm 40mm 160mm棱柱体试件 标准养护3d 28d 分别测定抗折强度 抗压强度 2 强度等级根据水泥的胶砂强度划分的级别称为强度等级 硅酸盐水泥的强度等级划分为42 5 42 5R 52 5 52 5R 62 5 62 5R共六个等级 P40表5 2 3 的规定 注 R型为早强型 主要是3d强度较高 8 水化热 水泥的水化热是指在水化过程中的放热量 单位为kJ kg 影响因素 熟料的矿物组成 铝酸三钙 硅酸三钙的水化热高 而铁铝酸四钙 硅酸二钙的水化热较低 因此要降低水化热 可适当减少铝酸三钙和硅酸三钙的含量 水泥的细度 越细 放热速度越快 水泥的标号 越高 放热速度越快 越大 外加剂 掺加缓凝剂可降低早期水化水化热主要对大体积混凝土工程有影响 水化热对工程的影响 对大体积混凝土 高层基础 大坝等 由于混凝土是热的不良导体 水化热在混凝土内的聚集造成内外温差过大 可达50 70 内胀外缩的结果在混凝土产生拉应力 使混凝土产生热裂缝 所以对于大体积混凝土工程 应选择水化热较低的水泥 或者采取特殊措施降低水化热的危害 冬季混凝土施工 水化热有利于水泥的水化和混凝土早期强度的发展 大坝水泥 ConstructionMaterials 洞庭湖大桥 洞庭湖大桥 桥梁的热裂缝 42 ConstructionMaterials 大坝 四 硅酸盐水泥的特性及应用 凝结硬化快 早期及后期强度均高 适用于有早强要求的工程 抗冻性好 适合水工混凝土和抗冻性要求高的工程 耐腐蚀性差 因水化后氢氧化钙和水化铝酸钙的含量较多 水化热高 不宜用于大体积混凝土工程 但有利于低温季节蓄热法施工 抗碳化性好 因水化后氢氧化钙含量较多 故水泥石的碱度不易降低 对钢筋的保护作用强 适用于空气中二氧化碳浓度高的环境 耐热性差 因水化后氢氧化钙含量高 不适用于承受高温作用的混凝土工程 耐磨性好 适用于高速公路 道路和地面工程 硅酸盐水泥的应用 常用于 重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程 要求凝结快的现场浇注的混凝土工程 冬季施工及严寒地区遭受反复冻融的工程 不宜用于 受流动的软水和有水压作用的工程 受海水和矿物水作用的工程 大体积工程 耐热 耐酸工程 二 掺混合材料的硅酸盐水泥 凡在硅酸盐水泥熟料中 掺入一定量的混合材料和适量的石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料 均属掺混合材的硅酸盐水泥 掺入目的 改善水泥的性能 增加品种 提高产量 节约熟料 降低成本掺混合材硅酸盐水泥的品种 普通硅酸盐水泥 熟料 6 15 混合材 石膏矿渣硅酸盐水泥 熟料 20 70 矿渣 石膏火山灰水泥 熟料 20 50 火山灰 石膏粉煤灰硅酸盐水泥 熟料 20 40 粉煤灰 石膏复合硅酸盐水泥 熟料 两种或以上混合材料 石膏 混合材料 在水泥生产过程中 为改善水泥性能 调节水泥标号 扩大使用范围而掺入的天然或人工的矿质原料称为混合材料 活性混合材料具有潜在水硬性或火山灰特性 或者兼具有潜在水硬性和火山灰特性的混合材料 如粒化高炉矿渣 粉煤灰 火山灰质混合材料非活性混合材料不具有潜在水硬性或质量活性指标不能达到规定要求的混合材料 如磨细石灰石粉 磨细石英砂等 火山灰活性 混合材料磨成细粉并与石灰或石膏混合均匀 用水拌和后 在常温下可生成具有水硬性的水化物 这种性质称为混合材料的火山灰活性 潜在水硬性 指该类矿物质材料只需在少量外加剂的激发下 即可利用自身溶出的化学成分 生成具有水硬性的化合物 1 普通硅酸盐水泥 代号P O 定义硅酸盐水泥熟料 6 1 的混合材料 适量石膏技术性质要求 与硅酸盐水泥相比 相同点MgO含量 SiO2含量 初凝时间 安定性的技术要求相同 不同点细度 80 m方孔筛筛余量不超过10 0 终凝时间 不迟于10h 烧失量