,第三章 水泥,自1824年波特兰水泥问世以来，水泥和水泥基 材料已成为当今世界最大宗的人造材料。至2005 年，我国水泥总需求量达到了7亿吨左右，占世界 水泥用量的1/3,水泥混凝土的总需求量也达到了 50亿吨。,课外知识：波特兰水泥的发明,1824年由英国建筑工人阿斯普丁发明,通过 煅烧石灰石与粘土的混合料得出一种胶凝材料, 它制成砖块很像由波特兰半岛采下来的波特兰石, 由此将这种胶凝材料命名波特兰水泥,Portland Cement.,2,砂浆、混凝土,课外知识：水泥基材料的发展历程：,3,目 录,基本要求 简介 3.1 硅酸盐水泥 3.2 掺混合材的硅酸盐水泥 3.3 其他品种水泥,4,基本要求,内容 主要介绍水泥的分类、优点及生产。 主要介绍硅酸盐水泥及掺加混合料的硅酸盐水泥，包括：定义、组成、水化、凝结与硬化、实验和技术性质、腐蚀与防护、特性和应用。 简单介绍常用的其他品种水泥。 重点 6种硅酸盐水泥的定义 硅酸盐水泥的矿物组成 水泥水化、凝结与硬化机理 技术性质及测试方法,5,基本要求,重点 水泥的腐蚀及防护 特性 应用 难点 水泥水化、凝结和硬化机理 各种水泥的异同点 注意事项 本章是整个课程的重点 联系各种水泥进行学习 着重分析它们之间的差异及造成这些差异的原因,6,水泥的定义： 水泥是一种水硬性的胶凝材料，呈粉末状，加水拌和后成浆体后，能胶结砂、石等散粒材料，并能在空气和水中硬化并保持、发展其强度。 发展趋势： 1）在水泥品种方面，将加速发展快硬、高强、低热等特种和多用途的水泥； 2）大力发展水泥外加剂； 3）大力发展高标号水泥；,简介,7,简介,水泥具有以下优点，因此，在土木工程领域得到广泛的应用。,8,水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和 特性水泥。 通用水泥 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合水泥,简介,专用水泥 砌筑水泥 油井水泥,特性水泥 快硬水泥 膨胀水泥 抗硫酸盐水泥 中热水泥,9,水泥按化学成分可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。,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。,简介,10,尽管水泥的品种很多，但是，工程中90%以上使用的是硅酸盐水泥。所以，在学习这一章的内容时，以硅酸盐水泥的内容为基础，主要学习硅酸盐水泥的组成、技术性质及应用等知识。在此基础上，再学习其它掺混合材料的硅酸盐水泥等内容。,简介,11,一、水泥混合材料,定义：在水泥生产过程中，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。 作用：在水泥生产过程中节约能源，利用废料，降低成本，改善水泥的性能，减少污染。 分类：活性混合材料、非活性混合材料,12,1.非活性混合材料 定义：常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。 常用：磨细石英砂、石灰石、慢冷矿渣等 作用：主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥强度等级、增加产量、降低水化热等作用。,13,2. 活性混合材料,定义：常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。 常用的活性混合材：粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料、粉煤灰等。 活性来源：可反应的SiO2、Al2O3,14,混合材料 0-5%,石膏,熟 料,磨细,硅酸盐水泥,P.P.,15,混合材料 6-15%,石膏,熟 料,磨细,普通硅酸盐水泥,P.O,16,粒化高炉 矿渣,石膏,熟 料,磨细,矿渣硅酸盐水泥,P.S,17,火山灰质 混合材料,石膏,熟 料,磨细,火山灰质硅酸盐水泥,P.P,18,粉煤灰,石膏,熟 料,磨细,粉煤灰硅酸盐水泥,P.F,19,两种以上 混合材料,石膏,熟 料,磨细,复合硅酸盐水泥,P.C,20,两磨一烧，其中最关键是烧,通用硅酸盐水泥的生产流程,21,硅酸盐水泥生料的配制,原料 石灰质原料（如石灰石、贝壳等，提供CaO） 粘土质原料（如粘土、页岩等，主要提供SiO2、Al2O3、Fe2O3） 校正原料（如铁矿粉、砂岩，前者是补充原料中不足的氧化铁，后者是补充原料中不足的SiO2） 矿化剂 (如萤石、石膏等） 工艺 干法 湿法,22,硅酸盐水泥的煅烧,窑型 立窑 回转窑 煅烧过程,23,邢台中联水泥,24,25,新型干法,窑外分解干法工艺流程,物料流,气流,燃料,26,水泥煅烧过程,排气,原料入口,气体温度,进料温度,50oC,450oC,600oC,800oC,1000oC,1200oC,1350oC,1350oC,1450oC,1550oC,1,2,3,4,5,6,1. 失去自由水,4. 初化合物形成,6. C3S初形成,2. 粘土分解,5. C2S初形成,3. 石灰岩分解,27,生料磨系统,28,29,窑尾悬浮预热器及分解炉系统,30,回转窑,31,窑头,32,水泥磨,两磨一烧，其中最关键是烧,通用硅酸盐水泥的生产流程,33,第一节 硅酸盐水泥,一、硅酸盐水泥生产工艺 定义：凡由硅酸盐水泥熟料，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（国外通称波特兰水泥）。 分类：,不掺混合材,型硅酸盐水泥（）,掺5%混合材料,型硅酸盐水泥（ ）,35,二、硅酸盐水泥基本组成,1. 熟料矿物组成、岩相结构 水泥厂常用各种元素的氧化物来表示。 熟料主要矿物： 硅酸三钙 3CaOSiO2，可简写为C3S； 硅酸二钙 2CaOSiO2，可简写为C2S； 铝酸三钙 3Ca0AI2O3,可简写为C3A; 铁相固溶体 通常以铁铝酸四钙4CaOAI2O3Fe2O3作为代表式，可简写成C4AF。,熟料矿物的基本特性,37,2.石膏 作用：调节凝结时间，提高早强，降低干缩，改善耐久性、抗渗性等；对掺混合材的水泥，石膏还起激发剂的作用。 种类：二水石膏或无水石膏 掺量：与C3A含量及混合材种类有关,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。,硅酸盐水泥的凝结和硬化,水泥的水化过程可分为五个阶段,40,各熟料矿物的水化过程：, 硅酸盐水泥生成的主要水化产物有: 水化硅酸钙C-H-S凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。,41,水化硅酸钙形貌,42,氢氧化钙CH形貌,钙矾石显微形貌,43,水泥水化过程,1. 初拌水泥浆,2. 7天,3. 28天,4. 90天,日期,44,影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素：,熟料矿物组成 水泥细度的影响 拌合用水量的影响 养护湿度、温度的影响 养护龄期的影响 储存条件的影响,45,46,四、硅酸盐水泥品质要求,1. 凝结时间 初凝：开始失去塑性45分 （13小时） 终凝：完全失去塑性，并开始产生强度 硅酸盐水泥6小时30min， 普通水泥10小时(一般57小时),47,2. 强度 国家标准（GB/T17671-1999）规定：水泥的胶砂强度。 将水泥和中国ISO标准砂按1:3，水灰比为0.5的比例，以规定的方法搅拌制成标准试件（尺寸为40mm40mm160mm），在标准条件下（20士1水中）养护至3d和28d，测定个龄期的抗折强度和抗压强度。 强度等级：将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、625、62.5R等6个强度等级，其中带R的为早强型水泥。,48,水泥净浆搅拌机,水泥砂浆搅拌机,49,水泥胶砂模具,水泥净浆模具,振实台,水泥净浆模具,振实台,水泥净浆模具,振实台,50,标准养护箱,电动抗折试验机,51,SANS万能试验机,52,3. 安定性 定义：水泥在凝结硬化过程中，体积变化的均匀性。 安定性不良原因： f-CaO 过量 f-MgO过量 石膏过量,沸煮法：试饼法、雷氏夹法,沸煮箱,53,4. 细度 定义：指粉体材料的粗细程度。 国标规定： 硅酸盐水泥 ： 比表面积300m2/Kg。（比表面积仪） 其他五类水泥：筛析法（水筛、干筛、负压筛）在80m标准筛的筛余量不得超过10%。,54,5. 水化热 水泥矿物的水化热及放热速率比较 C3AC3SC4AFC2S 水泥水化放热量和放热速率还与水泥细度、混合材种类和数量有关.,55,6. 水泥化学品质指标 （1）不溶物 熟料中未参与矿物形成反应得粘土和结晶SiO2，国标规定： P0.75% P1.50% （2）烧失量 P3.0% P3.5% PO5.0% （3）氧化镁 （4）SO3 （5）碱含量 Na2O+0.658K2O，碱集料反应 （6）氯离子含量 各类硅酸盐水泥0.06%,56,7. 产品质量评定 凝结时间、安定性、强度 不合格品：终凝时间不合格；细度不合格；强度低于商品等级规定的指标。 废品： 初凝时间不合格；安定性试验不合格（即f-CaO）；SO3含量超标；MgO含量超标。,57,1. 淡水（软水） 原因：水的流动、压力作用使CH流失。 若静水：CH饱和则不再溶解。 流动水：CH不断溶解、流失。 水泥中碱度， 其他水化物分解 C3SHnC2SHnCSHnC+S+nH 各主要水化产物稳定存在时所必需的极限石灰浓度如下： 氢氧化钙约为1.3gCaO/L； 水化硅酸三钙稍大于1.2gCaO/L； 水化铁铝酸四钙约为1.06gCaO/L； 水化硫铝酸钙约为0.045gCaO/L。 当环境水的水质较硬，环境水中重碳酸盐能与水泥石中的Ca(OH)2起作用，生成几乎不溶于水的CaCO3。 Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O,五、抗蚀性,58,2.酸与酸性水（碳酸腐蚀） 在工业污水、地下水中，常溶解有一定量的二氧化碳，它对水泥石的腐蚀作用如下： Ca(OH)2+CO2+H2O=CaCO3+2H2O CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 （可逆反应） 生成的碳酸氢钙易溶于水。当水中含有较多的碳酸，并超过平衡浓度时，反应向右进行。氢氧化钙浓度的降低还会导致水泥石中其他水泥水化物的分解，使腐蚀作用进一步加剧。,59,3.硫酸盐 海水、地下水、工业污水中常常含有硫酸盐。如：Na2SO410H2O Ca(OH)2+Na2SO410H2OCaSO42H2O+2NaOH+8H2O 3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+19H2O 3CaOAl2O33CaSO431H2O 简写：C3AH6+3CSH2+19HC6AS3H31 生成的高硫型水化硫铝酸钙体积增加了1.50倍，对水泥石的破坏作用很大。俗称“水泥杆菌”。 当水中硫酸盐浓度较高时，硫酸钙会在毛细孔中直接结晶成二水石膏，体积增大，引起水泥石的破坏。,若为MgSO4，“镁盐侵蚀”,60,4.含碱溶液 化学侵蚀反应、结晶侵蚀 化学侵蚀反应： 2CaOSiO2nH2O+2NaOH=2Ca(OH)2+Na2SiO3+(n-1)H2O 3CaOAl2O36H2O+2NaOH=3Ca(OH)2+Na2OAl2O3+4H2O 结晶侵蚀：碱液渗入浆体孔隙，然后蒸发结晶析出，产生结晶应力引起的胀裂。,61,小结：,水泥石易腐蚀的基本原因：（1）硅酸盐水泥石中含有较多易受腐蚀的成分，氢氧化钙、水化铝酸钙等；（2）本身不密实，含有大量的毛细孔隙。 防止腐蚀的措施：（1）根据工程所处的环境特点，选择合适 的水泥品种；（2）提高水泥石的密实程度；（3）表面防护处理。,62,六、硅酸盐水泥的应用特性,凝结硬化快、强度高,配制高强砼、预应力砼、要求早期强度高的砼，冬季施工,抗冻性好，干缩较小,严寒地区遭受反复冻融的砼