土木工程材料04水泥.pptx

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1、介绍水硬性胶凝材料-水泥的生产、矿物组成、凝结和硬化原理及主要技术性质等。本次课主要内容本次课主要内容二、水泥的凝结和硬化原理；三、水泥的主要技术性质；（重点）一、水泥的生产及矿物成分；四、水泥强度的主要影响因素。第1页/共37页？水水泥泥一、水泥的生产及矿物成分水泥的生产适量铁粉、萤石等改善煅烧条件补充铁质石灰石灰质（石灰石）粘土粘土质（粘土、页岩）原料第2页/共37页水水泥泥先将原材料破碎并按其化学成分配料后，在球磨机中研磨为生料。然后入窑锻烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，配以石膏及混合材料在球磨机中研磨至一定细度，即得到硅酸盐水泥。水泥的生产生产水泥的基本工序：生产水泥的

2、基本工序：“两磨一烧两磨一烧两磨一烧两磨一烧”。磨烧磨产品一、水泥的生产及矿物成分第3页/共37页水水泥泥矿物组成矿物矿物组成组成化学化学成分成分含含量量与水与水反应反应水化水化热热早期早期强度强度贡献贡献硅酸三钙硅酸三钙硅酸三钙硅酸三钙3CaOSiO236%36%60%60%很快很快较多较多较多较多较大较大较大较大硅酸二钙硅酸二钙硅酸二钙硅酸二钙2CaOSiO215%15%37%37%较慢较慢较低较低较低较低小小小小铝酸三钙铝酸三钙铝酸三钙铝酸三钙3CaOAl2O37%7%15%15%极快极快较多较多较多较多很大很大很大很大铁铝酸四钙铁铝酸四钙铁铝酸四钙铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3

3、10%10%18%18%很快很快较低较低较低较低小小小小一、水泥的生产及矿物成分C3S和C2S称为硅酸盐矿物，C3和4AF称为溶剂矿物。第4页/共37页水水泥泥矿物组成由表中所述可知，几种矿物成分的性质是不同的，当其相对含量发生改变时，水泥的技术性质也随之改变。例如，要使水泥具有快硬高强的性质，就必须适当提高熟料中C3S和C3的含量；若要求水泥发热量较低，就必须适当提高C2S及4AF的含量。此外，硅酸盐水泥生产中加入石膏，原因是石膏在水泥水化硬化过程中起缓凝作用。可以调节石膏的添加量来调节水化硬化的时间。一、水泥的生产及矿物成分第5页/共37页水水泥泥二、水泥的凝结和硬化原理凝结和硬化原理：水

4、泥水硬化（物理反应）水化（化学反应）水泥石放热、硅酸盐水泥的水化反应硅酸盐水泥加水后，水泥中的矿物成分C3S、C2S、C3、4AF等经水化水解后，生成五种主要水化物。水化硅酸钙(50%)、氢氧化钙(25%)、水化铝酸钙、水化铁酸钙及水化硫铝酸钙。这些新生矿物的结晶程度较好。第6页/共37页水水泥泥凝结和硬化硅酸三钙水水化硅酸钙 氢氧化钙硅酸二钙水水化硅酸钙 氢氧化钙铝酸三钙水水化铝酸三钙 铁铝酸四钙水水化铝酸三钙 水化铁酸钙二、水泥的凝结和硬化原理第7页/共37页水水泥泥凝结和硬化水泥中的石膏也很快与水化铝酸钙反应生成难溶的水化硫铝酸钙针状结晶体，也称为钙矾石钙矾石晶体：、硅酸盐水泥的“凝结”

5、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。二、水泥的凝结和硬化原理第8页/共37页水水泥泥凝结和硬化由于铝酸三钙水化极快，会使水泥很快凝结，为使工程使用时有足够的操作时间，水泥中加入了适量的石膏。水泥加入石膏后，一旦铝酸三钙开始水化，石膏会与水化铝酸三钙反应生成针状的钙矾石。钙矾石很难溶解于水，可以形成一层保护膜覆盖在水泥颗粒的表面，从而阻碍了

6、铝酸三钙的水化，阻止了水泥颗粒表面水化产物的向外扩散，降低了水泥的水化速度，使水泥的初凝时间得以延缓。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。二、水泥的凝结和硬化原理第9页/共37页水水泥泥凝结和硬化、硅酸盐水泥的硬化随着水化产物的不断增加，水泥颗粒之间的毛细孔不断被填实，加之水化产物中的氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体不断贯穿于水化硅酸钙等凝胶体之中，逐渐形成了具有一定强度的水泥石，从而进入了硬化阶段并逐渐变成坚硬的人造石水泥石，这一过

7、程称为水泥的“硬化”。实际上，水泥的水化过程很慢，较粗水泥颗粒的内部很难完全水化。因此，硬化后的水泥石是由晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔晶体、胶体、未完全水化颗粒、游离水及气孔等组成的不均质体。二、水泥的凝结和硬化原理第10页/共37页水水泥泥凝结和硬化当然，凝结与硬化没有截然的界限，上述过程是为了便于理解，人为划分的几个阶段，工程中常用初凝时间和终凝时间。一般地：初凝时间：小时；终凝时间：小时。过程：终凝水泥水水泥石水泥浆水解水化流变状态水解水化水解水化塑性状态水解水化失去塑性水解水化溶解阶段初凝硬化二、水泥的凝结和硬化原理第11页/共37页水水泥泥凝结和硬化水泥凝结硬化过程示意图

8、a分散在水中未水化的水泥颗粒；b在水泥颗粒表面形成水化物膜层c膜层长大并相互连接（凝结）；d水化物进一步发展，填充毛细孔（硬化）1-水泥颗粒；2-水分；3-凝胶；4-晶体；5-水泥颗粒的未水化内核；6-毛细孔二、水泥的凝结和硬化原理第12页/共37页水水泥泥、水泥强度的增长规律水泥石的强度随着硬化龄期增长而逐渐增长，早期增长很快，往后逐渐减慢。硅酸盐水泥和普通水泥在加水后天内强度发展很快，大约天后便显著减慢。因此，水泥标准中一般以、天为测定水泥强度的标准龄期，以天的强度评定水泥的标号。凝结和硬化二、水泥的凝结和硬化原理第13页/共37页水水泥泥技术性质水泥的主要技术性质有：（重点）、细度；、标

9、准稠度用水量；、凝结时间；、体积安定性；、强度及标号；、碱含量。三、水泥的主要技术性质第14页/共37页水水泥泥技术性质、水泥的细度水泥颗粒的粗细程度对水泥的使用有重要影响。水泥颗粒粒径一般在7200 m范围内。国标GB175-1999规定，水泥的细度可用比表面积或0.08 mm方孔筛的筛余量（未通过部分占试样总量的百分率）来表示。其筛余量不得超过规定的限值。比表面积是指单位质量的水泥粉末所具有的表面积的总和（cm2/g 或 m2/kg）。一般常为317350m2/kg。三、水泥的主要技术性质第15页/共37页水水泥泥技术性质三、水泥的主要技术性质水泥细度实验录象第16页/共37页水水泥泥技术

10、性质、标准稠度用水量稠度用水量是水泥浆达到一定流动度时的需水量。国标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。标准稠度用水量在一定程度上影响混凝土的性能。标准稠度用水量较大的水泥，拌制同样稠度的混凝土，加水量也较多，故硬化时收缩较大，硬化后的强度及密实性也较差。因此，当其它条件相同时，标准稠度用水量越小越好。三、水泥的主要技术性质第17页/共37页水水泥泥技术性质三、水泥的主要技术性质第18页/共37页水水泥泥技术性质、凝结时间水泥从加水开始到失去其流动性，即从液体状态

11、发展到较致密的固体状态的过程称为水泥的凝结过程。这个过程所需要的时间称为凝结时间。凝结时间分初凝时间和终凝时间。初凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性所需的时间。终凝时间为水泥加水拌和至标准稠度的净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。国标规定，水泥的凝结时间是以标准稠度的水泥净浆，在规定温度及湿度环境下用水泥净浆凝结时间测定仪测定。硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h30min。凡初凝时间不符合规定的，为废品；终凝时间不符合规定的，为不合格品。三、水泥的主要技术性质第19页/共37页水水泥泥技术性质、体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性称为

12、水泥的体积安定性。即水泥硬化浆体能保持一定形状，不开裂，不变形，不溃散的性质。体积安定性不良的水泥应作废品处理，不得应用于工程中，否则将导致严重后果。导致水泥安定性不良的主要原因一般是由于熟料中的游离氧化钙、游离氧化镁或掺入石膏过多等原因造成的，其中游离氧化钙是一种最为常见，影响也是最严重的因素。熟料中所含游离氧化钙或氧化镁都是过烧的，结构致密，水化很慢。加之被熟料中其它成分所包裹，使得其在水泥已经硬化后才进行熟化，生三、水泥的主要技术性质第20页/共37页水水泥泥技术性质成六方板状的Ca（OH）2晶体，这时体积膨胀以上，从而导致不均匀体积膨胀，使水泥石开裂。此外，当石膏掺量过多时，在水泥硬化

13、后，残余石膏与水化铝酸钙继续反应生成钙矾石，体积增大约1.5倍，从而导致水泥石开裂。国家标准规定：水泥的体积安定性用沸煮法（包括雷氏法和试饼法）检验，当两者检测不一致时，以雷氏法为准。三、水泥的主要技术性质第21页/共37页水水泥泥技术性质三、水泥的主要技术性质第22页/共37页水水泥泥技术性质、强度及标号（强度等级）强度是评价硅酸盐水泥质量的又一个重要指标。水泥的强度是按照GB/T17961-1999水泥胶砂强度检验方法（ISO）法的标准方法制作的水泥胶砂试件，在201温度的水中，养护到规定龄期时检测的强度值。标准试件尺寸为4cm4cm16cm，胶砂中水泥与标准砂之比为 1：3（W/C=0.

14、5），标准试验龄期分别为d和28d分别检验其抗压强度和抗折强度。按照测定结果，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。三、水泥的主要技术性质第23页/共37页水水泥泥技术性质、强度及标号（强度等级）三、水泥的主要技术性质水泥胶砂强度标准试验成型 破型 第24页/共37页水水泥泥技术性质表3-1硅酸盐水泥在不同龄期的强度要求(GB175-1999)强度等级抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）3d28d3d28d42.517.042.53.56.542.5R22.042.54.06.552.523.052.54.07.052.5R27.052.

15、55.07.062.528.062.55.08.062.5R32.062.55.58.0注：表中表示早强型，其它为普通型。注：表中表示早强型，其它为普通型。三、水泥的主要技术性质第25页/共37页水水泥泥技术性质、碱含量水泥中含有较多的强碱物Na2O或 K2O时，容易发生不良反应对结构造成危害。因而国标规定，水泥中的含碱量（按Na2O+0.658K2O计算）不得大于0.6%。国标还规定：凡氧化镁、三氧化硫、初凝时间、安定性中的任何一项不符合标准规定时，均为废品。凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中的任何一项不符合标准规定或混合材料掺加量超过最大限度和强度低于商品标号规定的指标时称为不合格品。废废

16、品品水水泥泥在在工工程程中中严严禁禁使使用。用。三、水泥的主要技术性质第26页/共37页水水泥泥水泥硬度的主要影响因素水泥硬度的主要影响因素A、矿物成分：C3S、C2S含量越高，强度越高。B、水灰比：用水量越少，水泥浆越稠，强度越高，但不能过少。C、石膏掺量：控制水化反应速度，延缓凝结时间。D、水泥细度：水泥磨得越细，早期强度越高。E、养护条件（温度和湿度）：温度高，早期强度高。F、外加剂：促凝剂、缓凝剂、早强剂、减水剂等。G、龄期：水泥的凝结硬化是随时间延长而渐进的过程，只要温度、湿度适宜，水泥强度的增长可持续若干年。凝结和硬化影响因素四、水泥强度的主要影响因素第27页/共37页 思考题 第

17、28页/共37页3-1 3-1 现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐水泥，生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐水泥，请加以鉴别（化学分析除外）。请加以鉴别（化学分析除外）。思考题 取相同质量的四种粉末，分别加入适量的水拌合为同一稠度的浆体。放热量最大且有大量水蒸气产生的为生石灰粉；在分钟内凝结硬化并具有一定强度的为建筑石膏；在分钟到小时内凝结硬化的为白色水泥；加水后没有任何反应和变化的为白色石灰石粉。第29页/共37页3-1 3-1 现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、现有四种白色粉末，已知其为建筑石膏、生石灰粉、白色石灰石粉

18、和白色硅酸盐水泥，生石灰粉、白色石灰石粉和白色硅酸盐水泥，请加以鉴别（化学分析除外）。请加以鉴别（化学分析除外）。思考题 【评注】鉴别这四种白色粉末的方法很多，主要根据四者的特性来区分：生石灰加水，消解为消石灰氢氧化钙，同时放出大量的热。建筑石膏与适量水拌合形成可塑性良好的浆体，随着石膏与水的反应，浆体可塑性很快消失而凝结并硬化。一般石膏的初凝时间为10min左右，终凝时间不超过30min。白色硅酸盐水泥的性能和硅酸盐水泥基本项同，其初凝时间不早于45min，终凝时间不超过6h30min。石灰石粉与水不发生任何反应。第30页/共37页3-2 3-2 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其现有甲

19、、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？硅酸盐水泥的性能有何差异？思考题 生产厂生产厂家家熟料成分（熟料成分（%）C3SC2SC3AC3AF甲厂甲厂56171215乙厂乙厂4235716第31页/共37页3-2 3-2 现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其现有甲、乙两厂生产的硅酸盐水泥熟料，其矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的矿物成分如下表，试估计和比较这两厂所生产的硅酸盐水泥的性能有何差异？硅酸盐水泥的性能有何差异？思考题 甲厂硅酸盐水泥熟料中的3S、C3的含量均高于乙厂硅酸盐水泥

20、熟料，而乙厂硅酸盐水泥熟料中C2S含量高于甲厂硅酸盐水泥熟料。因此，甲厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥的强度发展速度、水化热、28d时的强度，均高于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥但耐腐蚀性则低于由乙厂硅酸盐水泥熟料配制的硅酸盐水泥。熟料矿物成分含量的不同是造成上述差异的主要原因。第32页/共37页3-3 3-3 某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙含某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙含量较高，加水拌和后初凝时间仅量较高，加水拌和后初凝时间仅40 min40 min，本属于，本属于废品。但后放置废品。但后放置1 1个月，凝结时间又恢复正常，个月，凝结时间又恢复正常，而强度下降，请分析原因

21、。而强度下降，请分析原因。思考题 该立窑水泥厂的普通硅酸盐水泥泥游离氧化钙含量较高，该氧化钙相当部分的煅烧温度较低。加水拌和后，水与氧化钙迅速反应生成氢氧化钙，并放出水化热，使浆体的温度升高，加速了其它熟料矿物的水化速度。从而产生了较多的水化产物，形成了凝聚结晶网结构，所以短时间凝结。第33页/共37页 思考题 水泥放置一段时间后，吸收了空气中的水汽，大部分氧化钙生成氢氧化钙，或进一步与空气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙。故此时加入拌和水后，不会再出现原来的水泥浆体温度升高、水化速度过快、凝结时间过短的现象。但其它水泥熟料矿物也会和空气中的水汽反应，部分产生结团、结块，使强度下降。3-3 3-3

22、 某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙含某立窑水泥厂生产的普通水泥游离氧化钙含量较高，加水拌和后初凝时间仅量较高，加水拌和后初凝时间仅40 min40 min，本属于，本属于废品。但后放置废品。但后放置1 1个月，凝结时间又恢复正常，个月，凝结时间又恢复正常，而强度下降，请分析原因。而强度下降，请分析原因。第34页/共37页3-4 3-4 某国防工程中大体积混凝土浇注两周后拆模，某国防工程中大体积混凝土浇注两周后拆模，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某立窑水泥厂生产42.542.5型硅酸盐水泥，其熟料型硅酸盐水泥，其熟料矿物组

23、成如下，试分析原因？矿物组成如下，试分析原因？思考题 熟料成分（熟料成分（%）C3SC2SC3AC3AF61141411第35页/共37页3-4 3-4 某国防工程中大体积混凝土浇注两周后拆模，某国防工程中大体积混凝土浇注两周后拆模，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某立窑水泥厂生产42.542.5型硅酸盐水泥，其熟料型硅酸盐水泥，其熟料矿物组成如下，试分析原因？矿物组成如下，试分析原因？思考题 【原因】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。【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。另外，采取其他工程措施。第36页/共37页感谢您的观看。第37页/共37页