硅酸盐工艺学课件：第八章 掺混合材的水泥

1、第八章 掺混合材的水泥混合材料的种类及其活性检定（掌握）火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥水化、硬化过程、性质及其用途（了解）提高掺混合材硅酸盐水泥早期强度的措施（了解）8.1 混合材料的分类按照它的性质分为活性和非活性两大类 凡是天然的或人工的矿物质材料，磨成细粉，加水后本身不硬化(或有潜在水硬活性)，但与激发剂混合并加水拌和后，不但能在空气中而且能在水中继续硬化者，称为活性混合材料. 按照成分和特性的不同，活性混合材料可分为三大类：（1）各种工业炉渣(粒化高炉矿渣、钢渣、化铁炉渣、磷渣等) （2）火山灰质混合材料（3）粉煤灰 活性混合材常用的激发剂碱性激发剂：硅酸盐水泥

2、熟料和石灰硫酸盐激发剂：各类天然石膏或以CaSO4为主要成分的化工副产品，如氟石膏、磷石膏等。非活性混合材是指活性指标达不到活性混合材要求的矿渣、火山灰材料、粉煤灰以及石灰石、砂岩、生页岩等材料。对水泥性能无害；有些非活性混合材不仅仅起填充作用，可与水泥的矿物发生反应，提高早期强度，但是对后期强度无益。返回生产水泥使用混合材：增产水泥、降低成本、又可改善水泥的性能。8.1.1 火山灰质混合材定义：凡以SiO2、Al2O3为主要成分的矿物质原料，磨成细粉拌水后本身并不硬化，但与石灰混合，加水拌和成胶泥状后，既能在空气中硬化又能在水中硬化者，称为火山灰质混合材。火山灰质混合材的分类天然：火山灰、凝

3、灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土和硅藻石、蛋白石人工：工业副产品或废渣，如烧页岩、煤矸石、烧粘土、煤渣、硅灰火山灰质混合材料的化学组成：以SiO2、Al2O3为主，其含量占70%左右，CaO含量低，多在5%以下。矿物组成：波动大，玻璃体含量一般在40%-50%。物理性能：比表面积大，需水量大，制品干缩性大。火山灰质混合材料的性能：化学法：化学方法是将含30火山灰的水泥20g与100ml水制成混浊液，于40土1的条件下养护7d或14d，到养护龄期时，将溶液过滤，滴定溶液中的CaO、OH的浓度(以mol/L表示)。以CaO为纵坐标，OH为横坐标，在火山灰活性图(图191)上面的点。火山灰质混合材的活性评

4、价：当试验点落在曲线下方时，说明该试验材料能与熟料水化析出的Ca(OH)2作用，即具有火山灰性。反应试验点落在曲线上方，说明该材料不与Ca(OH)2反应，不具有火山灰性。物理法：即强度对比试验法。最常用最能直接衡量混合材活性的是水泥胶砂强度试验法，以火山灰材料抗压强度比来衡量。其含义是：R比=（掺30%火山灰的水泥28d抗压强度）/（硅酸盐水泥28d抗压强度）按国家标准GB28472005规定，其比值R值应大于65此外，对人工火山灰质混合材，其烧失量不得超过10，SO3不得超过3.5。8.1.2 粉煤灰定义：系火力发电厂煤粉锅炉收尘器所补集的烟气中的微细粉尘。粉煤灰具有一定活性的火山灰质混合材

5、。粉煤灰的形貌粉煤灰的化学组成 粉煤灰的化学成分及波动范围SiO2 35%-60%Al2O3 13%-40%CaO 2%-5%Fe2O3 2%-12%未燃尽炭(以烧失量表示)约1-24玻璃体含量为50-80晶体部分主要是莫来石(3 Al2O3 2SiO2)、石英(-SiO2)，还有赤铁矿、磁铁矿1）从物理相结构上看，主要来自低铁玻璃体，含量越高，活性也越高；石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿不具有活性，含量多则活性下降；粉煤灰的活性来源2）从化学成分上看，活性主要来自SiO2和Al2O3 ，含量越高，活性也越高；3）粉煤灰越细，表面能越大，化学反应面积越大，活性也越高；4）颗粒形状对活性也有影响，细

6、小密实球形玻璃体含量越高，标准稠度需水量低，活性也高。不规则的多孔玻璃体含量多，粉煤灰标准稠度需水量增多，活性下降。未燃碳粒增多、需水量增多，由其制成的粉煤灰水泥强度也低。由于粉煤灰经高温熔融，结构非常致密，因此水化速度比较慢。粉煤灰颗粒经过一年时间大约只有三分之一水化，在28d以前，粉煤灰活性发挥稍低于沸石、页岩渣等火山灰材料，但三个月以后的长龄期，与一般火山灰材料相当。说明粉煤灰颗粒外层的致密熔壳，在Ca(OH)2不断作用下，需三个月的时间逐步地受到侵蚀，将内部表面暴露出来，积极地参与水化作用。掺30粉煤灰的水泥3个月抗压强度增进率才相当硅酸盐水泥28d的增进率，也说明粉煤灰活性此时才明显

7、地发挥出来 。粉煤灰的水化水泥抗压强度增进率/%水泥28天3月6月1年硅酸盐水泥88.898.299.3100掺30%粉煤灰的水泥63.481.893.6100掺30%沸石的水泥67.081.990.5100掺30%页岩渣的水泥69.787.194.5100粉煤灰的活性指数H28=(R/R0) 100%H28 活性指数，单位为百分数（%）R 试验胶砂28d抗压强度，单位为MPaR0 对比胶砂28d抗压强度，单位为MPa8.1.3 粒化高炉矿渣 高炉矿渣是冶炼生铁的废渣。高炉炼铁生产时，除了铁矿石和燃料(焦炭)之外，为了降低冶炼温度，还要加入相当数量的石灰石和白云石作为熔剂。密度为2.32.8g

8、cm3颗粒形状：经水或空气急冷处理便成粒状颗粒，多呈疏松多孔结构化学组成：含有SiO2、Al203、CaO、MgO等氧化物，其中前三者占90以上。另外还含有少量的MgO、FeO和一些硫化物，如CaS、MnS、FeS等。在个别情况下，还可能含有TiO2、P205和氟化物等。矿物组成：铝方柱石（2CaO Al2O3 SiO2）、钙长石（CaO Al2O3 2SiO2 ）、硅酸二钙（ 2CaO SiO2 ）、硅酸一钙(CaO SiO2)，MgO含量多时还有镁方柱石（ 2CaO MgO 2SiO2 ）、镁橄榄石（ 2MgO SiO2 ） 物理性质：体积密度只有800kgm3，其玻璃体含量一般在85以上

9、，粒化高护矿渣单独水化时具有微弱的水硬性，但与水泥、石灰、石膏在一起水化时却有很大的水硬性。粒化高炉矿渣的活性评价质量系数K=（CaO%+MgO%+Al2O3%）/（SiO2%+MnO%+TiO2%）1.2CaO含量高，矿渣活性高Al2O3含量高，矿渣活性高MgO含量高，降低矿渣溶液的粘度，有利于矿渣活性提高SiO2含量高，粘度大，形成低碱性硅酸钙。MnO使得矿渣形成锰的硅酸盐和铝硅酸盐，活性比硅酸盐活性低。TiO2与CaO形成无活性的CaO TiO2粒化高炉矿渣的活性矿渣的活性主要取决于化学成分和成粒质量化学成分有关矿渣的熔融温度冷却速度：反玻璃化现象（900左右玻璃体转变成晶体称反玻璃化）

10、，失去活性。8.2 掺混合材的硅酸盐水泥掺混合材硅酸盐水泥的基本组成材科是硅酸盐水泥熟料并掺加各种混合材料，国家标准对各种水泥的混合材料的品种和掺加量作了严格的规定，为了确保工程混凝土的质量，凡国标中没规定的混合材科品种，水泥厂严格禁止使用。返回8.2.1 火山灰硅酸盐水泥定义：凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰混合材料加入适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥，简称火山灰水泥，代号P P，掺量 20%，且 40%。 火山灰水泥的强度等级：32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R火山灰水泥的配制：火山灰水泥中混合材的掺加量，是根据水泥熟料的质量、混合材料的活性

11、和要求生产水泥强度等级等因素综合考虑。水泥熟料矿物水化：生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙和氢氧化钙、及水化硫铝酸盐产物，水化后产物与纯硅酸盐水泥水化时是相同的；火山灰水泥的水化硬化过程：火山灰反应：熟料矿物水化过程中释放出来的Ca(OH)2与混合材料中的活性组分（玻璃体所含的硅氧、铝氧组分，在碱的作用下使其崩溃、溶解）发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，加速水泥熟料的水化。火山灰反应水化产物的组成和结构，与熟料矿物水化所析出的Ca(OH)2数量有关，火山灰水泥的两种反应是相互制约和互为条件的。火山灰水泥的性质火山灰水泥的密度比硅酸盐水泥小，一般为2.7-2.9g/cm3火山灰水泥的需

12、水量与混合材料的种类和掺入量有关，如用硅藻土、硅藻石作为混合材，水泥的需水量增加。火山灰水泥的强度发展较慢，尤其是早期强度，后期强度往往能够赶上甚至超过硅酸盐水泥的强度。水泥品种抗压强度/%3天7天28天3月6月1年硅酸盐水泥4973100119126130火山灰水泥4358100158171173火山灰水泥和硅酸盐水泥的强度增进率火山灰水泥的水化热比硅酸盐水泥低，如硅酸盐水泥的3d、7d、28d水化热分别为260、320、360J/g时，掺入40%火山灰混合材后，水化热降低为190、225、270J/g。火山灰水泥对养护温度比较敏感，温度低时，凝结硬化显著变慢，不能冬季施工。采用蒸汽养护水热

13、处理，可以加速硬化。与硅酸盐水泥相比，其抗渗性和抗淡水溶析的性能较好。抗大气性能较硅酸盐水泥差，水泥石液相碱度低，抗冻性也低于硅酸盐水泥，干缩率一般大于硅酸盐水泥。火山灰水泥的用途：一般与普通硅酸盐水泥相类似，但更适用于地下、水中、潮湿环境工程。8.2.2 粉煤灰硅酸盐水泥定义：凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，简称粉煤灰水泥，代号P F，粉煤灰掺量 20%，且 40%。 粉煤灰水泥的强度等级：32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R粉煤灰水泥的生产：粉煤灰水泥中混合材的掺加量，是根据水泥熟料的质量、混合材料的活性和要求

14、生产水泥强度等级等因素综合考虑，主要由强度试验结果来决定。粉煤灰掺入量/%细度/%抗折强度/MPa抗压强度/MPa3d7d28d3d7d28d06.06.37.07.232.141.555.5255.64.75.76.523.129.144.0355.64.25.36.418.524.942.2粉煤灰掺入量对水泥强度的影响水泥熟料矿物水化：生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙和氢氧化钙及水化硫铝酸盐产物，水化后产物与纯硅酸盐水泥水化时是相同的；粉煤灰水泥的水化硬化过程：火山灰反应：熟料矿物水化过程中释放出来的Ca(OH)2与混合材料中的活性组分(SiO2和Al2O3) 发生反应，生成水化硅

15、酸钙和水化铝酸钙，加速水泥熟料的水化。在水泥水化7d后的粉煤灰颗粒表面，几乎没有变化，直至28d，刚能见到表面开始初步水化，略有凝胶状的水化物出现。在水化90d后，粉煤灰颗粒表面才开始生成大量的水化硅酸钙凝胶体，相互交叉连接，形成很好的粘结强度。粉煤灰水泥的性能与其他水泥相比，结构比较致密，有很多球状颗粒，所以需水量较低，干缩性小，抗裂性好。水化热低，抗蚀性也较好。粉煤灰水泥用途：可用于一般的工业和民用建筑，尤其适用于大体积水工混凝土以及地下和海港工程等。定义：凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥，简称矿渣水泥，代号P S A，掺量 20%，且

16、50%；P S B，掺量 50%，且 70%。8.2.3 矿渣硅酸盐水泥矿渣水泥的强度等级：32.5，32.5R，42.5，42.5R，52.5，52.5R矿渣水泥的生产：粒化高炉矿渣烘干后与硅酸盐水泥熟料、石膏按一定比例送入磨内共同粉磨。根据水泥熟料、矿渣的质量，改变熟料和矿渣的配合比及水泥的粉磨细度，生产出不同强度等级的水泥。水泥熟料矿物水化：生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙和氢氧化钙及水化硫铝酸盐产物，水化后产物与纯硅酸盐水泥水化时是相同的；矿渣水泥的水化硬化过程：矿渣玻璃体结构参与反应：水泥熟料水化生成的产物氢氧化钙是矿渣的碱性激发剂，能够解离矿渣的玻璃体结构，使玻璃体中Ca2

17、+、Al3+、AlO45-、SiO44-离子进入溶液，造成矿渣的分散和溶解；同时Ca(OH)2与SiO2、Al2O3生成水化硅酸盐、水化铝酸钙；上述反应在石膏存在下，还会生成水化硫铝（铁）酸钙，还可能生成水化铝硅酸钙（C2ASH8）。矿渣水泥的水化硬化特点矿渣水泥的早期硬化较慢，水泥3d、7d强度偏低；环境条件对矿渣水泥的硬化速度影响显著。如施工温度低，对水泥的早期强度影响显著；采用湿热处理，可很大程度加速矿渣水泥的硬化速度，强度显著提高。水泥品种养护条件抗压强度（MPa）3d7d28d普通水泥2028821007d前0-1，然后20103771矿渣水泥2033721007d前0-1，然后20

18、73057矿渣水泥的性质矿渣水泥的颜色比硅酸盐水泥淡（浅），密度较硅酸盐水泥小，为2.8-3.0g/cm3。矿渣水泥的凝结时间一般比硅酸盐水泥要长，初凝一般为2-5小时，终凝5-9小时。矿渣水泥标稠与普通水泥相近。矿渣水泥的安定性良好矿渣水泥的早期强度较普通水泥低，但后期强度可以超过普通水泥。矿渣水泥的水化热较硅酸盐水泥小，矿渣水泥的耐水性和抗碳酸盐性与硅酸盐水泥相近，在淡水和硫酸盐水中的稳定性优于硅酸盐水泥，耐热性较好，与钢筋的粘结力也很好。和易性较差，泌水量大。抗大气性及抗冻性不及硅酸盐水泥，过早干燥及干湿交替对矿渣水泥的强度发展不利。温度对矿渣水泥强度的发展较硅酸盐水泥敏感，不宜于冬季露

19、天施工。矿渣水泥的用途可用于代替硅酸盐水泥广泛使用于地面及地下建筑物，制造各种混凝土和钢筋混凝土制品构件；由于抗蚀性较好，可用于水工及海工建筑；由于水化热较低，可用于大体积混凝土工程；由于耐热性较好，可用于高温车间（如轧钢、锻造、热处理、铸造）的建筑物，温度达300-400的热气体通道等；由于抗冻性较硅酸盐水泥差，故不宜用于有冻融循环及干湿交替条件下使用的建筑工程。8.3 提高掺混合材硅酸盐水泥早期强度的措施适当提高熟料中硅酸三钙和铝酸三钙的含量熟料中矿物含量/%水泥中矿渣含量/%抗压强度/MPaC3SC3A3d7d28d558506.911.825.955105010.023.034.955

20、125015.021.035.0熟料矿物组成对矿渣水泥抗压强度的影响控制混合材的质量和掺入量：矿渣掺入量/%细度/%抗压强度/MPa3d7d28d05.221.031.847.1205.018.531.852.2405.513.627.348.3605.77.716.141.7矿渣掺入量对矿渣水泥抗压强度的影响矿渣水泥：矿渣的矿物组成为C2S，玻璃体含量多，水泥的早期和后期强度都较高。火山灰水泥：火山灰中玻璃体含量高，活性SiO2和Al2O3含量高者，水泥的早期强度可提高一些。提高水泥的粉磨细度：对水泥的早期强度影响显著。矿渣掺入量/%比表面积cm2/g抗压强度/MPa3d7d28d0280014.824.433.150350010.419.426.550450016.124.436.550550023.431.146.9粉磨细度对矿渣水泥抗压强度的影响适当增加石膏掺入量：适当增加石膏掺入量可提高水泥的早期强度，特别是熟料中硅酸三钙和混合材中Al2O3含量高、水泥细度较细的情况下，有利于早期形成钙矾石。以SO3计，一般为2.0-3.0%。在熟料中C3A含量和矿渣Al2O3含量高的矿渣水泥中，加入适量石灰石代替矿渣，也可提高其早期强度，形成水化产物水化碳铝酸钙。加入早强剂或减水剂8.4 不同混合材的技术要求用于水泥中火山灰质混合材料的技术要求，G