土木工程材料第3章水泥.ppt

1、第三章 水 泥 Cement,内容提要： 重点介绍硅酸盐水泥的矿物组成、水化硬化机理、影响水化因素；硅酸盐水泥主要技术性质；水泥石的腐蚀和防止；同时介绍了其它掺混合材的水泥、特种水泥；达到正确的选择和使用水泥。,水泥素有“建筑业的粮食”之称。 土木工程基本建设的四大材料： 水泥 钢材 木材 塑料,水泥是水硬性无机胶凝材料，是目前建筑工程中用量最大、最重要的建筑材料之一。,1824年英国人约瑟夫阿斯普丁（Joseph Aspdin）取得了波特兰水泥（即硅酸盐水泥）的发明专利。硅酸盐水泥的首批大规模使用是在18251843年修建泰晤士河隧道。我国第一个水泥厂是清政府在“洋务运动”中于1889年于开

2、平矿务局创办的唐山细棉土厂。,水泥的英文是cement。但cement这个词在波特兰水泥发明之前就已存在，源于罗马语caementum，原指一种能在水中硬化的、消石灰与火山灰的混合物，文献中称为罗马水泥(Roman cement)。,水泥的生产和使用在世界上已有180多年的历史。目前，世界上水泥的品种已达200多种。解放后，我国水泥产量快速上升，1985年我国水泥产量已跃居世界第一位，品种亦达70多种。现在已有100余种。 目前我国水泥品种虽然很多，但大量使用的是六大品种水泥：,硅酸盐水泥：P.、P.；(portland cement),普通硅酸盐水泥：P.O；(ordinary portla

3、nd cement),矿渣硅酸盐水泥：P.S.A、P.S.B；(slag portland cement),粉煤灰硅酸盐水泥：P.F；(fly ash portland cement),复合硅酸盐水泥：P.C；(composite portland cement),火山灰质硅酸盐水泥：P.P；(pozzolanic portland cement),输水管,内 径 6.6m 外 径7.5m,巴西Itaipu坝,正在建设中的三峡大坝,三峡大坝,美国加州引水渠,挪威的海上石油钻井平台,加拿大Montreal体育馆,水泥分类,按组成，水泥分为：硅酸盐（又称波特兰水泥）、铝酸盐（又称高铝水泥、矾土水泥

4、）、硫铝酸盐三大系列水泥，其中硅酸盐系列水泥应用最广。,按性能和用途，水泥分为：通用水泥（应用最多，产量最大，属硅酸盐系列水泥）、专用水泥（专门用于某些工程的水泥，如砌筑水泥(masonry cement)、道路水泥、油井水泥、防射线水泥等。）、特种水泥(special cement)（某种性能较突出的水泥，如白色及彩色水泥、低热水泥、膨胀水泥、快硬水泥、抗硫酸盐水泥等。）。,3.1 硅酸盐水泥,由硅酸盐水泥熟料、05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。 分类： 型硅酸盐水泥( P.)不掺混合材 型硅酸盐水泥( P. )掺小于5的混合材 依GB175-200

5、7: 42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个等级,一、硅酸盐水泥的生产,水泥生产可概括为“两磨一烧”：将钙质原料（石灰石、白垩、泥灰岩、贝壳等）和硅质原料（粘土、页岩等）按比例配合，在磨机中磨成生料(raw meal)（生料制备方法分为湿法、干法。湿法是将原料加水在磨机中磨成生料浆。干法是将原料先烘干、再入磨机磨成生料粉），生料入窑（煅烧窑分为立窑、回转窑）煅烧（煅烧温度1450）成熟料(clinker)，熟料配以适量石膏、混合材(blended material)磨细成为水泥成品。,水泥厂照片,二、硅酸盐水泥熟料的矿物组成,硅酸三钙（3CaO.SiO2）C3S

6、3760 硅酸二钙（2CaO.SiO2）C2S 1537 铝酸三钙（3CaO.AlO3）C3A 715 铁铝酸四钙（4CaO.AlO2.Fe2O3）C4AF 1018 除四种主要成分外，水泥中尚含有少量游离CaO、MgO、SO3、及碱（K2O、Na2O）这些均为有害成分，国家标准中有严格限制.,三、水泥的水化、凝结、硬化,水化物质由无水状态变为有水状态，由低含水变为高含水，统称为水化。 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称为凝结。 硬化浆体的强度逐渐提高并变成坚硬的石状固体（水泥石），这一过程称为硬化。 水泥水（流体）可塑性浆体（塑性体）固体,水泥水化反应

7、,2(3CaOSiO2)+6H2O3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2,2(2CaO.SiO2)+4H2O3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2,3CaO.Al2O3+6H2O3CaO. Al2O3.6H2O 4CaO.AlO3.Fe2O3+7H2O3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O,晶体 胶体,水泥加水后，石膏迅速溶解于水，C3A极快速（13天）水化生成水化铝酸三钙（C3AH6），C4AF快速水化生成水化铝酸三钙和水化铁酸一钙，C3S快速（4周）水化生成水化硅酸钙（C-S-H）和氢氧化钙，C2S缓慢（1年）水化生成水化硅酸钙和氢氧化钙。 部分水化铝

8、酸钙与石膏反应生成高硫型水化硫铝酸钙（AFt，称为钙矾石(ettringite)），石膏消耗完后，部分高硫型水化硫铝酸钙与C3A、C4AF反应生成低硫型水化硫铝酸钙（AFm）。在充分水化的水泥石中，C-S-H凝胶约占70%，氢氧化钙约占20%，AFt和Afm约占7%。,水泥的水化硬化会延续数年，但前3个月即完成约70%。水泥石结构(structure of hardened cement paste)是由未水化的水泥颗粒、水化产物、水、孔隙组成。示意如下。,水泥水化产物,晶体氢氧化钙 2025 水化铝酸钙 水化硫铝酸钙（为了调节水泥的凝结时间，在 熟料粉磨时掺入适量35石膏。在石膏作用下生成）

9、 胶体水化硅酸钙（C-S-H） 70 水化铁酸钙 C-S-H尺度为1.0100nm,1nm=10-9m,水泥浆扫描电镜照片（7d龄期）,C-S-H,钙矾石,C-S-H 水化硅酸钙凝胶,CH Crystal 氢氧化钙晶体,电镜下的水泥水化产物图,熟料矿物对水泥性质的影响,现象：某大体积的混凝土工程，浇注两周后拆模，发现挡墙有多道贯穿型的纵向裂缝。该工程使用某立窑水泥厂生产42.5型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下： C3S C2S C3AC4AF 61 14 1411 原因分析：由于该工程所使用的水泥C3A和C3S含量高，导致该水泥的水化热高，且在浇注混凝土中，混凝土的整体温度高，以后混凝土温度随

10、环境温度下降，混凝土产生冷缩，造成混凝土贯穿型的纵向裂缝。 防治措施：首先，对大体积的混凝土工程宜选用低水化热，即C3A和C3S的含量较低的水泥。其次，水泥用量及水灰比也需适当控制。,工程实例分析,水泥石的结构,水泥石的组成： 未水化水泥颗粒 水化产物晶体、胶体 毛细孔、毛细水 水泥石是多相（固相、液相、气相）多孔体系，水泥石的工程性质取决于水泥石的结构组成，即决定于水化物的类型和相对含量、内部孔的大小、形状和分布状态。 毛细孔未被水化产物所填充的原充水空间 凝胶孔C-S-H内部的结构孔 28,新拌水泥浆,硬化水泥浆,硬化水泥浆结构图,硬化水泥浆体空隙中水分存在形式,硬化水泥浆体空隙中水分存在

11、形式,四、硅酸盐水泥的技术性质,1、细度 密度：3.053.20g/cm3，一般取3.1 g/cm3 堆积密度：1.3 g/cm3 细度指水泥颗粒的粗细程度，用筛余率或比表面积表示，影响水泥的水化速度、收缩等性质 粒径： 40 m 水化非常缓慢，接近惰性。 GB1752007规定，硅酸盐水泥以比表面积表示，不小于 300m2/kg。,2、凝结时间,初凝时间（t初）水泥开始加水拌和至水泥浆开始失去可塑性所需的时间。 终凝时间（t终） 水泥开始加水拌和至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。 GB175-2007规定： 硅酸盐水泥初凝不小于45min,终凝不大于390min。,凝结时间的工

12、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。 异常情况闪凝无石膏 假凝温度过高、石膏少 缓凝温度过低、有机质,3、体积安定性,定义是水泥硬化后因体积膨胀而产生不均匀变形的性质。体积安定性不良的水泥为不合格品，不得在工程中使用。 原因： 熟料中含游离氧化钙（f-CaO）过多 熟料中含游离氧化镁（f-MgO）过多 掺入石膏过多,游离氧化钙、镁膨胀原因,熟料中f-CaO、f-MgO都是过烧的，结构致密，水化很慢； 水泥硬化后才吸收孔隙中水分熟化： CaO+H2O=Ca(OH)2 MgO+H2O=M

13、g(OH)2 体积膨胀97以上，从而引起不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。,体积安定性不良的检验,国家标准（GB/T1346）规定采用： 雷氏法（平均膨胀值不大于5.0mm) 试饼沸煮法（合格） 压蒸法 MgO引起的（不超过5.0） 长期浸水法石膏引起的(so3不超过3.5）,f-CaO引起的,4、强度,水泥强度是表征水泥力学性能的重要指标。影响强度的因素主要有水泥的矿物组成、水泥细度、水灰比、龄期、环境温度等。 强度等级依水泥胶砂强度检验方法 (Method of testing cement-Determination of strenght)（GB/T 17671-1999）规定，水泥强度用

14、胶砂试件检验，将水泥和中国ISO标准砂试件（尺寸为40mm 40mm 160mm )，在标准条件下（201）的水中养护至3d和28d，测定两个龄期的抗折和抗压强度。根据测定结果将硅酸盐水泥分为:42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级。,硅酸盐水泥各龄期强度要求(GB175-2007),5、水化热,定义水泥水化时放出的热量。以J/kg示。主要集中在水化初期（7d） 主要考虑：放热总量与放热速度 影响因素： 熟料的矿物组成如C3A 水泥的细度越细，放热速度越快 水泥的强度等级越高，放热速度越快、越大 外加剂掺加缓凝剂可降低早期水化热,水化热对工程的影响,对大体

15、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5070），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； 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。,洞庭湖大桥,大坝,五、水泥石的腐蚀,定义水泥石在外界侵蚀性介质（软水、含酸、含盐、含碱等）的作用下结构受到破坏，强度降低的现象称为水泥石的腐蚀。,碱骨料反应引起混凝土的自由变形产生网状裂缝,膨胀裂缝,膨胀开裂,水泥石腐蚀的原因,内因水泥石存在不稳定的Ca(OH)2和介稳的水化硫铝 酸钙； 外因环境中有害介质（软水、酸、盐等）的存在； 联系水泥石中的孔缝系统，产生有害介质

16、的侵蚀、交 换作用。 长期性、后期加剧性,1、软水的腐蚀,软水重碳酸盐含量比较低的水（如雨水、雪水、内陆河水、湖水） 腐蚀机理： 1、长期饱水水泥石中Ca(OH)2晶体逐渐溶出； 2、在静水、无水压下溶液饱和溶解作用停止； 3、在有压、流动的软水下 Ca(OH)2不断溶出并带走并引起在一定碱度下稳定的C-S-H的分解溶出水泥石崩溃； 4、在硬水下重碳酸盐与 Ca(OH)2反应生成不溶的碳酸钙堵塞毛细孔阻止腐蚀的进行。 Ca(OH)2Ca(HCO3)22CaCO3+2H2O,2、盐类的腐蚀,硫酸盐腐蚀膨胀腐蚀 水泥杆菌 镁盐腐蚀双重腐蚀 MgSO4+Ca(OH)2CaSO4.2H2O+Mg(OH

17、)2 MgCl2+ Ca(OH)2CaCl2+Mg(OH)2,3、酸类腐蚀,碳酸腐蚀工业污水、地下水 Ca(OH)2+CO2+H2OCaCO3+2H2O CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2 一般酸的腐蚀工业建筑 HCl+ Ca(OH)2CaCl2+2H2O H2SO4+ Ca(OH)2CaSO42H2O,水泥石腐蚀的防止,措施： 根据侵蚀环境特点，合理选用水泥品种； 提高水泥石的密实度； 加作保护层石材、陶瓷、沥青,六、硅酸盐水泥的特性,1.硬化快 2.耐冻性、耐磨性好 3.水化过程放热量大 4.耐腐蚀差 5.耐热性差 6.抗碳化性好，干缩小,七、硅酸盐水泥的应用,常用于： 重要结构

18、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,硅酸盐水泥的储存,存放地点：防潮、防水 堆放高度：袋装一般不超过10袋 存放时间： 一般不超过三个月 超过六个月必须进行检验 先到先用，后到后用,3.2 掺混合材的硅酸盐水泥,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：

19、 熟料(5%且20）混合材石膏 矿渣硅酸盐水泥： 熟料 (20%且 70%)矿渣石膏 火山灰硅酸盐水泥： 熟料 (20且 40%)火山灰石膏 粉煤灰硅酸盐水泥 熟料 (20且 40%)粉煤灰石膏 复合硅酸盐水泥 熟料 (20且 50%) 混合材料石膏,一、混合材料,定义在水泥生产过程中，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。 分类： 活性混合材具有火山灰性或潜在水硬性的材料，如矿渣、粉煤灰等。 非活性混合材不具有潜在水硬性的材料，如石灰石粉、慢冷矿渣等,1、粒化高炉矿渣,定义是高炉炼铁时所排出的以硅酸钙和铝酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的产品。

20、 主要化学成分：CaO、SiO2、Al2O3 活性来源： 玻璃体矿渣融体在淬冷成粒时，阻止了融体向结晶结构的转变而形成亚稳的玻璃体，因此具有潜在水硬性。,2、粉煤灰,定义火力发电厂煤粉燃烧后从烟道中收集的粉状物，又称飞灰（Fly Ash）. 粒径150微米，呈玻璃质的空心或空心球状颗粒。 化学成分：SiO2、Al2O3,球状玻璃体,3、火山灰混合材,定义是具有火山灰性的天然的或人工的矿质物料。 包括： 天然的火山灰、凝灰岩、浮石、硅藻土； 人工的烧粘土、烧矸石。 主要化学成分： SiO2、Al2O3,4、非活性混合材,这类材料本身不具有潜在的水硬性或火山灰性，与水泥矿物组成不起化学作用。 掺入

21、目的：扩展水泥标号、降低水化热 常用的有：磨细的石英砂、石灰石粉 磨细的高炉矿渣、尾矿粉,二、掺混合材的硅酸盐水泥,1、普通硅酸盐水泥代号PO Ordinary Portland Cement 硅酸盐水泥熟料 (5%且20）混合材石膏 强度等级（GB175-2007） 42.5、42.5R、52.5、52.5R 性质：同硅酸盐水泥相近,技术要求： （1）细度。比表面积不小于300m2/kg。 （2）凝结时间。初凝时间不得早于45min，终凝时间不大于600min。 （3）强度。强度等级按照3d和28d龄期的抗压强度和抗折强度来划分，共分为42.5、42.5R、52.5、52.5R四个强度等级。

22、 （4）体积安定性。沸煮法合格。氧化镁含量、三氧化硫含量、碱含量要求等同硅酸盐水泥，烧失量不得大于5.0。,2、矿渣硅酸盐水泥,Portland blast-furnace slag（代号PS） 组成： 水泥熟料 (20%且 70%)矿渣石膏 分PSA型（矿渣掺量20%且 50%) PSB型（矿渣掺量50%且 70%) 强度等级（GB175-2007） ： 32.5、 32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R,3、火山灰质硅酸盐水泥,Portland pozzolan cement（代号PP） 由硅酸盐水泥熟料，火山灰质混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。 熟料 (20且

23、 40%)火山灰石膏 强度等级（GB175-2007） ： 32.5、 32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R,4、粉煤灰硅酸盐水泥,Portland fly-ash cement（代号PF） 熟料 (20且 40%)粉煤灰石膏 强度等级（GB175-2007） ： 32.5、 32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R,5、复合硅酸盐水泥,熟料 (20且 50%) 两种或两种以上混合材料石膏（代号PC） 强度等级（GB175-2007） ： 32.5、 32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R,技术要求 （1）氧化镁。熟料中的氧化镁的含量6.0时，需

24、进行水泥压蒸安定性试验并合格。 （2）三氧化硫。矿渣水泥的三氧化硫的含量不得超过4.0；火山灰水泥和粉煤灰水泥的三氧化硫的含量不得超过3.5。 （3）细度。80m方孔筛筛余不得超过10或45m方孔筛筛余不大于30。 。 （4）凝结时间、体积安定性、碱含量要求等同普通硅酸盐水泥。 （4）强度。强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，共分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。,掺混合材水泥的技术特点,凝结硬化速度慢，早期强度低，后期强度高； 水化放热速度慢，放热量低； 对温度敏感性高，温度低时影响强度发展； 抗软水、SO42+的腐蚀性好；矿渣水泥耐热

25、性好 适于水下、大体积混凝土结构和蒸养的混凝土构件； 不适于抗冻、干燥地区的混凝土工程。,普通硅酸盐水泥各龄期强度要求(GB1752007),其他掺混合材水泥各龄期强度要求(GB1752007),五种常用水泥的主要性能,3.3 特性水泥及专用水泥,特性水泥为了满足紧急抢修工程、冬季施工、加固结构、建筑装饰、海工和地下工程的特殊要求，所生产的具有某种比较突出性能的水泥，称特性水泥。如快硬水泥、抗硫酸盐水泥、膨胀水泥、高铝水泥等。 专用水泥适应专门用途的水泥，如道路水泥、低热大坝水泥、油井水泥、砌筑水泥等。,一、快硬硅酸盐水泥Rapid-hardening Portland Cement,定义凡以

26、硅酸盐水泥熟料和适量的石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料称为 快硬水泥各标号强度指标（GB199-90）,快硬硅酸盐水泥,特点： 凝结硬化快，早期强度增进较快通过增加熟料中C3S、C3A的含量。 适于： 要求早期强度高的工程、紧急抢修工程、冬季施工的工程等。 注意： 快硬水泥易受潮变质，运输和储存中特别注意防潮。从出厂起应在一个月内使用。,二、快凝快硬硅酸盐水泥 Repid-seatimeing and Repid-hardening Portland Cement,定义以硅酸三钙、氟铝酸钙为主的熟料，加入适量的硬石膏、粒化高炉矿渣、无水硫酸钠，经过磨细制成的一种凝结快、小

27、时强度增长快的水硬性胶凝材料。 双快水泥各龄期的强度（JC314-82）,凝结时间： t初10min t终60min 特点；凝结很快，常温下只需几分钟 应用： 军事工程、机场跑道、桥梁、隧道和涵洞等紧急抢修工程，以及冬季施工、堵漏等工程,三、铝酸盐水泥(GB201-2000)Aluminate cement,定义凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨制的水硬性胶凝材料，称为铝酸盐水泥。代号CA。 分类（铝酸盐水泥按Al2O3含量百分数分为四类）： CA-50 50% Al2O3 60% CA-60 60% Al2O3 68% CA-70 68% Al2O3 77% CA-80 77% Al2O3,

28、熟料矿物组成： 铝酸一钙(CaO.Al2O3简写为CA)70 二铝酸一钙（ CaO.2Al2O3简写为CA2 ） 硅酸二钙C2S-少量,高铝水泥强度的产生,水化产物CAH10 、C2AH8为针状或板状晶体，能相互交织成坚固的结晶合生体，使水泥石获得很高的强度； 析出的氢氧化铝凝胶难溶于水，填充于晶体骨架的空隙中，形成致密的结构。 经57d后，水化产物基本反应完毕，因此，高铝水泥的早期强度增长很快，强度很高，但后期强度增加不明显。,晶体的转化,CAH10 、C2AH8 C3AH6 转化过程随着温度的升高而加速。转化结果使水泥石内析出游离水，增大了孔隙体积，同时由于C3AH6晶体本身缺陷多、强度较

29、低、晶体间的结合较差，因而明显降低水泥石的强度。 结晶水含量的比较 CAH10 1CaO 10H2O C2AH8 2CaO 8H2O C3AH6 3CaO 6H2O,高铝水泥各龄期的强度,依据国家标准铝酸盐水泥（GB2012000）规定,高铝水泥的应用,适于： 紧急抢修的工程，临时军事工事； 冬季施工的工程水化放热量大且集中； 有抗硫酸盐腐蚀要求的工程f-CaO极少 耐高温（13001400）的工程高温时，烧结结合代替了水化结合。 不适于于： 长期承重的结构工程晶体转变引起的强度倒缩； 大体积工程温度过高引起强度倒缩。 于硅酸盐水泥混用,四、白色及彩色硅酸盐水泥White and Colored Portland Cement,白色硅酸盐水泥由白色硅酸盐水泥熟料加入适量的石膏，磨细制成的水硬性胶凝材料称为 水泥颜色的来源： Fe2O3、MnO、CrO2、TiO2 如当水泥中Fe2O3的含量从34降低为0.35-0.4%时，硅酸盐水泥