土木工程概论建筑材料 水泥
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水灰比(拌和时的用水 量和水泥用量之比 ) 结论:1. 水灰比相同时,水化程度愈高,则水泥石结构中水化 物 愈多,而毛细孔和未水化水泥的量相对减少。水泥石结构密 实、强度高、耐久性好。 2.水化程度相同而水灰比不同的水泥石结构,水灰比越大, 毛细孔所占比例相对增加,因此该水泥石的强度和耐久性下降。
(三)影响硅酸盐水泥凝结硬化的主要因素
量表示,其筛余量不得超过10.0%。
(2)比表面积法以1kg水泥所具有的比表面积(m2/kg)表示。硅酸盐
水泥的细度用比表面积表示,应大于300m2/kg。 颗粒愈细,与水接触的比表面积愈大,因而水化速度加快,水 泥石的早期强度高,但硬化收缩较大,水泥易受潮而降低活性。 因此水泥细度应适当,凡水泥细度不符合规定者为不合格品。
5. 养护龄期的影响 水泥水化硬化是一个较长时期不断进行的过程。 随着龄期的增长——水泥石的强度逐渐提高。 水泥在3~14d内强度增长较快,28d后增长缓慢。 养护到 28d 。 7. 水泥受潮与久存的影响 水泥也不可储存过久 三个月后其强度降低约10 ~ 20% 半年后降低约15 ~ 30% 一年后降低约25 ~ 40% 受潮水泥颗粒——重磨可使其暴露出新鲜表面 而恢复部分活性。 对于微结块的水泥,强度约降低10~20%——适 当方式压碎后用于次要工程。
•标准稠度用水量:是指水泥净浆达到规定稠度时所需的拌合水量, 以水与水泥质量之比的百分数表示。
•硅酸盐水泥的标准稠度用水量,一般在24 %~ 30%之间。
•水泥熟料矿物成分不同时,其标准稠度用水量亦有所差别,磨得越 细的水泥,标准稠度用水量越大。
(三)体积安定性(Soundness)
1.水泥的体积安定性:是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。 2.产生安定性的原因
主要水化产物(在完全水化的水泥石中 ): 水化硅酸钙 70%(凝胶)是水泥石形成强度的最主要化合物 氢氧化钙 20%(晶体) 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙晶体(也称钙矾石)7%
水化反应为放热反应, 其放出的热量称为水化热。 其水化热大,放热的周期 也较长,但大部分(50% 以上)热量是在3天以内。 特别是在水泥浆发生凝结、 硬化的初期放出。
二、硅酸盐水泥的生产
1.原料 (1)石灰质原料:主要提供CaO。采用石灰岩、凝灰岩 和贝壳等。 (2)粘土质原料:主要提供SiO2、Al2O3及Fe2O3。采用 粘 土、黄土、页岩、泥岩、粉砂岩 及 河泥等。
(3)调节原料(辅助原料):石膏等,为满足成分要求 用。如:铁矿粉的铁质原料补充氧化铁的含量。 砂岩的硅质原料增加二氧化硅的成分等。
五、硅酸盐水泥的技术性质
•国家标准GB175—92,对硅酸盐水泥的主要技术性质如下要求。
(一)细度(Fineness)
•细度是指水泥颗粒的粗细程度。
影响水泥性能的重要指标——鉴定水泥品质的主要项目之一。
•水泥细度通常采用筛分法或比表面积法(勃氏法)测定。
(1)筛分法是以80µ m方孔筛的筛余量表示。普通水泥的细度用筛余
(二)凝结时间(Setting time)
•凝结时间:是指水泥从开始加水到失去塑性,即从可塑状态发 展到固体状态所需的时间。分为初凝和终凝。 1.初凝时间(Initial setting time) •自开始加水拌和起,至水泥浆开始失去可塑性与流动性所需的 时间,称为初凝时间。
•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、浇筑和砌筑等操作。国家标准规定了硅酸 盐水泥的初凝时间不得早于45min。
通用水泥
硅酸盐水泥系列
硅酸盐水泥(0~5%) 普通水泥(6%~15%) 矿渣水泥 火山灰水泥 (>20%) 粉煤灰水泥 复合水泥
专用水泥——专门用于某些工程的水泥,如 道路水泥、中低热水泥、砌 筑水泥等。 特性水泥——某种性能较突出的水泥,如 快硬硅酸盐水泥、高铝水泥、 彩色水泥、膨胀水泥等。
标注:上述百分含量为混合材料的掺量
三、硅酸盐水泥熟料的矿物组成
1.主要成分:主要由四种矿物化学组成
分子式 3CaO· SiO2 2CaO· SiO2 简称 C3S C2S 含量(%) 36~60 15~37
组 成 矿物 名 称 硅酸盐 硅酸三钙 矿 物 硅酸二钙
铝酸三钙
熔剂矿物 铁铝酸四钙 游离氧化钙 次要成分 游离氧化镁
3CaO· Al2O3
(二)硅酸盐水泥的凝结硬化过程
分为:早、中、晚 三个时期 1.水化早期,初始反应期(凝胶膜的生成期) 20℃,3h
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2.水化中期,凝结 • 20 ~ 30h,30%的水泥已 经水化 ——包裹膜——增厚 凝结:水泥加水拌和初期形 成具有可塑性的浆体,然后 逐渐变稠并失去可塑性的过 程。分为初凝和终凝。 •初凝:水泥加水拌和至水泥 浆开始失去可塑性的阶段。 •终凝:水泥加水拌和至水泥 浆完全失去可塑性并开始产 生强度的阶段。
硅酸盐水泥
一、硅酸盐水泥的定义、类型及代号 1.定义:凡由硅酸盐水泥熟料、0~5%石灰石或粒化高炉矿渣、
适量的石膏磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥[国外 通称的波特兰水泥(Portland cement)]。
2.类型及代号
硅酸盐水泥 Ⅰ型硅酸盐水泥:不掺混合材料的,代号P· Ⅰ。 Ⅱ型硅酸盐水泥:粉磨时掺加不超过水泥重量5% 的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料,代号P· Ⅱ。 硅酸盐水泥分42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R、72.5R(R代表 早强型水泥)
(一)硅酸盐水泥的水化
水泥和水拌合——表面的熟料矿物立刻与水发生化学反应 —— 各组分开始逐渐溶解 ——放出一定热量——固相体积也逐渐增 加。其反应式如下: 2(3CaO· SiO2)+6H2O 3CaO· 2SiO2· 3H2O+3Ca(OH)2 硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 2(2CaO· SiO2)+4H2O 3CaO· 2SiO2· 3H2O+Ca(OH)2 硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 3CaO· Al2O3+6H2O 3CaO· Al2O3· 6H2O 铝酸三钙 水化铝酸三钙 4CaO· Al2O3· Fe2O3+7H2O 3CaO· Al2O3· 6H2O+CaO· Fe2O3· H2O 铁铝酸四钙 水化铁酸一钙 3CaO· Al2O3· 6H2O + CaSO4 3CaO· Al2O3· 3CaSO4· 31H2O 水化铝酸钙 石膏 或3CaO· Al2O3· CaSO4· 12H2O 水化硫铝酸钙或单硫型水化硫铝酸钙
2.终凝时间(Final setting time) •自加水时起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时 间称为终凝时间。
•水泥的终凝时间不宜过迟,以免拖延工期。国家标准规定了硅 酸盐水泥的终凝时间不得迟于6.5h。
•凡初凝时间不符合规定者为废品,终凝时间不符合规定者为不合格 品。
•水泥凝结时间的测定要按国家标准规定的方法《水泥稠度用水量、 凝结时间、安定性检验方法》(GB1346)进行。 •它是以标准稠度的水泥净浆(水泥+水),在规定温度和湿度下, 用凝结时间测定仪来测定。 •3.标准稠度用水量 •标准稠度是为测定水泥的凝结时间、体积安定性等性能时,对水泥 净浆以标准方法拌制、测试并达到规定的可塑性程度时的稠度。
水泥
水泥(Cement):是一种多组分的人造矿物粉料,它
与水拌和后成为塑性胶体,既能在空气中硬化,又能在水 中硬化,并能将砂石等材料胶结成具有一定强度的整体。 (水泥是水硬性胶凝材料。)
水泥
硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥
系列
硅酸盐水泥系列——是以硅酸钙为主要成分的水泥熟料、 一定量的混合材料和适量石膏,经共同磨细而成。
1.熟料矿物组成的影响 硅酸盐水泥熟料矿物组成,是影响水泥的水化速度、凝结硬化过 程及产生强度等的主要因素。
硅酸三钙(C3S):Tricalcium sillicate; 硅酸二钙( C2S):Dicalcium sillicate 铝酸三钙( C3A): Tricalcium aluminate; 铝酸四钙 (C4AF ):Tetriacalcium aluminoferrie
四种主要熟料矿物中,C3A是决定性因素。
硅酸盐水泥熟料矿物的水化、凝结硬化特性 性能指标 水化速率 凝结硬化速率 28d水化热 强度 早期 后期 耐化学腐蚀性 熟 料 矿 物 C3S 快 快 高 高 高 中 C2S 慢 慢 低 低 高 稍大 C3A 最快 最快 最高 高 低 小 C4AF 快 快 中 低 中 大
2.生产过程 两磨一烧:制备生料(一磨) 1450 ℃ 煅烧熟料(一烧) 加入 石膏 粉磨水泥(二磨)
3.生料 CaO: 62% ~ 67% SiO2 : 20% ~ 24% Al2O3 : 4% ~ 7%
石灰石 煅烧 石膏 磨细 粘土 按比例混合—生料进窑————熟料 ———水泥成品 辅助原料 磨细 1450℃ 生料在窑内经历: 干燥——预热——分解——烧成——冷却
•熟料矿物中含有过多的游离氧化钙或游离氧化镁,以及水泥粉磨时所掺石膏超量
•——水化反应——反应物体积膨胀而使水泥石开裂。
•CaO+H2O=Ca(OH)2 MgO+H2O=Mg(OH)2 水化铝酸钙+石膏 水化硫铝酸钙 •体积安全性不合格的水泥应作废品处理。 国家标准规定,水泥中游离氧化镁
含量不得超过5.0%,三氧化硫含量不得超过3.5%。
干缩性
中
小
大
小
改变熟料中矿物组成的相对含量,即可配制成具有不 同特性的硅酸盐水泥。 快硬高强水泥 提高C3S的含量
减少C3A和C3S的含量 提高C2S的含量 降低C3A的含量
低热水泥
抗硫酸盐侵蚀水泥
2. 水泥细度的影响 直接影响:水化,凝结硬化,强度,干缩及水化热。
越细:凝结速度越快,早期强度越高。 但过细——易与空气中的水分及二氧化碳反应,并且硬化时收缩也较 大,且成本高。 一般水泥颗粒:小于40µ m 时就具有较高的活性 大于100µ m活性较小 通常水泥颗粒的粒径在7 ~ 200µ m(0.007~0.2mm)范围内 。
3. 拌合加水量的影响 影响硬化水泥石强度的主要因素。
拌合加入水量越大,硬化水泥石中毛细孔就越多。水泥石的强度随其 毛细孔隙率的增加呈线性关系下降,从而强度低。
4. 养护湿度和温度的影响 (1)湿度——应该保持潮湿状态 ,混凝土在浇筑后两到三周 内必须加强洒水养护。 (2)温度——提高温度也可以加速水化反应。如采用蒸汽养 护和蒸压养护。冬季施工时,须采取保温措施。
4CaO· Al2O3· Fe2O3 CaO MgO
C3A
C4AF
7~15
10~18
含碱矿物及玻璃 体
2.其它成分
游离CaO、MgO 及SO 3,其含量过高将造成水泥安定性不良。 碱矿物及玻璃体等,其中的Na2O和K2O含量较高时,遇到活 性骨料时,易产生碱——骨料反应,影响混凝土的质量。
3.石膏
3.水化后期,硬化 •更长时间 •水化反应减慢——水化产物 填充由水占据的空间——晶 体相互搭接——整体——水 泥石——硬化 •硬化:浆体的强度逐渐提高 并变成坚硬的石状固体—— 水泥石
水泥石的组成:凝胶体(C—S—H) 未水化的水泥颗粒内核 多相(固、液、气) 毛细孔和凝胶孔 多孔体系 晶体粒子(Ca(OH)2) 水泥石的工程性质决定于水泥石的结构组成,即决定于 水泥的品种 水化物的类型 取决于 水化物的相对含量 孔的大小、形状和分布状态 水化程度
3.检验
由游离氧化钙引起的水泥安定性不良可以采用试饼法或雷氏法检验。 (1)试饼法:将标准稠度的水泥净浆做成试饼经煮沸3h后,用肉眼观察未
发现裂纹,用直尺检查没有弯曲现象,则称为安定性合格,反之为不合格。
(2)雷氏法:测定水泥浆在雷氏夹中硬化沸煮后的膨胀值,当两个试件沸
熟料+石膏 水泥 石膏:辅助作用—主要作用是减缓水泥的水化速度。 凝结最快的铝酸三钙和石膏反应生成硫铝酸钙沉淀包 围水泥,延缓水泥的凝结时间。掺量:2~5%,过多会引起 强度下降或产生瞬凝,安定性不合格。
四、硅酸盐水泥的水化与凝结硬化
拌合 水泥+水 具 流动性 可塑性 水泥浆 水化 凝结 水化 硬化 (水泥石)