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第五章,水 泥,目 录,基本要求 1 简介 2 硅酸盐水泥 3 掺混合材料的硅酸盐水泥 4 特种水泥 5 石棉水泥制品,基本要求,本章课时：课时 5，实验 2 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。 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,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,第三章 水泥,§1 简介,Back,硅酸盐水泥兴起于19世纪。 它已经成为现在最为重要的一种建筑材料。 它的化学成成分复杂，但主要的胶结成分是水化硅酸钙。 普通硅酸盐水泥强度高、能抗硫酸盐腐蚀、水化热，也可用于制备砂浆。 为了建筑需要，水泥可做成白色、黑色或其他各种颜色。,简介,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。,Back,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,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。,Back,简介,混合材料 0-5%,石膏,熟 料,磨细,硅酸盐水泥,P.P.,混合材料 6-15%,石膏,熟 料,磨细,普通硅酸盐水泥,P.O,粒化高炉 矿渣,石膏,熟 料,磨细,矿渣硅酸盐水泥,P.S,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,粉煤灰,石膏,熟 料,磨细,粉煤灰硅酸盐水泥,P.F,两种以上 混合材料,石膏,熟 料,磨细,复合硅酸盐水泥,P.C,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。,Back,简介,硅酸盐水泥的生产简述及其矿物组成 硅酸盐水泥的凝结和硬化 硅酸盐水泥的技术性质 硅酸盐水泥的腐蚀与防护 硅酸盐水泥的特性与应用,§2 硅酸盐水泥,Back,何为硅酸盐水泥？,凡由硅酸盐水泥熟料、05%石灰或熟化高炉矿渣、适量石膏共同磨细制的水硬性胶凝材料。 硅酸盐水泥代号P、P P表示不掺混合材料的硅酸盐水泥 P表示混合材料掺量不超过5%的硅酸盐水泥,Clinker,Portland Cement,Back,硅酸盐水泥的生产简述及其矿物组成,图3.2.1 硅酸盐水泥的生产过程,硅酸盐水泥的矿物组成及特性,硅酸盐水泥的主要矿物组成包括： 硅酸三钙 硅酸二钙 铝酸三钙 铁铝酸四钙 矿物组成的技术特性见表3.2.1,表3.2.1 硅酸盐水泥的矿物组成,表3.2.2 矿物组成性质,Back,水化 水化机理 石膏调节凝结时间的原理 水化产物 凝结与硬化 何为凝结、硬化？ 凝结硬化过程 影响因素,硅酸盐水泥的水化、凝结与硬化,Back,水 化 机 理,水泥颗粒与水接触时，其表面的熟料矿物立即与水发生水解或水化作用，生成新的水化产物并放出一定热量的过程。 硅酸三钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。 该水化反应的速度快，形成早期强度并生成早期水化热。,硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体。 该水化反应的速度慢，对后期龄期混凝土强度的发展起关键作用。水化热释放缓慢。 产物中氢氧化钙的含量减少时，可以生成更多的水化产物。,水 化 机 理,铝酸三钙水化生成水化铝酸钙晶体。 该水化反应速度极快，并且释放出大量的热量。 如果不控制铝酸三钙的反应速度，将产生闪凝现象，水泥将无法正常使用。 通常通过在水泥中掺有适量石膏，可以避免上述问题的发生。,水 化 机 理,硅酸二钙水化生成水化铝酸钙晶体和水化铁酸钙凝胶 该水化反应的速度和水化放热量均属中等。,石膏与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙针状晶体（钙矾石）。 该晶体难溶，包裹在水泥熟料的表面上，形成保护膜，阻碍水分进入水泥内部，使水化反应延缓下来，从而避免了纯水泥熟料水化产生闪凝现象。 所以，石膏在水泥中起调节凝结时间的作用。 为什么石膏用量不能过多？这个问题将通过水泥石腐蚀的学习得到答案。,石膏调节凝结时间的原理,Back,水化硅酸钙(70%) 氢氧化钙 (20%) 水化铝酸钙 水化铁酸钙 水化硫铝酸钙,水化产物,水泥熟料水化后的主要水化产物有：,图3.2.2 水化程度与水泥石组成,Back,何为凝结？ 水泥加水拌和形成具有一定流动性和可塑性的浆体，经过自身的物理化学变化逐渐变 稠失去可塑性的过程。 何为硬化？ 失去可塑性的浆体随着时间的增长产生明显的强度，并逐渐发展成为坚硬的水泥石的过程。 水泥的凝结与硬化过程由以下四个过程组成。,凝结与硬化,Back,凝结硬化过程,凝结硬化过程,Back,影响水泥凝结硬化的因素,影响水泥凝结硬化的主要因素有：水泥的种类和细度、石膏掺合料、龄期、温度和湿度等。,图3.2.3 影响水泥凝结硬化的因素,Back,硅酸盐水泥的技术性质,细度 凝结时间 体积安定性 强度 其他性质,Back,水泥的细度指水泥的磨细程度或分散度。细度决定了水泥与水接触的表面积。从而影响水泥的水化和凝结速度和性质。,表3.2.3 水泥的细度和性质,细 度,比表面积,硅酸盐水泥的细度用比表面积表示 按照 GB175-1999的规定 硅酸盐水泥的比表面积 300 m²/kg 比表面积可采用比表面积仪测定（图3.2.4） 用比表面积测定仪测试颗粒粒径分布情况。 测量一定量空气通过水泥石时，流速变化.,图3.2.4 比表面积测定仪,细 度,Back,凝结时间,标准稠度及标准稠度用水量 凝结时间测定 初凝时间 终凝时间,标准稠度 试锥下沉深度为28±2mm时的稠度 标准稠度用水量P(%) 按一定的方法将水泥调制成具有标准稠度的净浆所需的水量。P%=水量ml/水泥1g。 标准稠度用水量测试方法有不变(固定)水量法和调整水量法2种。 初学者多用前者，有争议时以后者为准。,标准稠度及标准稠度用水量,不变(固定)水量法,固定水量法采用以下方法配制标准稠度净浆 称取500g水泥 加入500×P%ml水 采用标准稠度测定仪（图3.2.5） 测量 P%,不变(固定)水量法,图3.2.5 标准稠度测定仪,通过水泥净浆凝结时间测定仪测定标准稠度水泥净浆的凝结时间。,测定方法,图3.2.6 凝结时间测定仪,水泥凝结时间测定录像,凝结时间测定,概念 从水泥加水拌和起至标准稠度的水泥净浆开始失去可塑性所需的时间 标准要求45min 国产水泥一般为1-3h 实验 测试时以试针距底板4±1mm为准。 工程意义 水泥的初凝时间不宜过早，以便施工时有充分的时间搅拌、运输、浇捣和砌筑等操作。,初始凝结时间,终凝时间,概念 从水泥加水拌和起至水泥净浆完全失去可塑性并开始产生强度所需的时间。 标准要求390min 国产水泥一般为5-6h 实验 测试时以试针下沉0.5mm为准。 工程意义 终凝时间不宜过迟，以便施工完毕后更快硬化，达到一定的强度，以利于下一步施工工艺的进行。,Back,定义 指水泥硬化过程中体积变化小且均匀的性能。 体积安定性不良 水泥硬化后产生不均匀的体积变化（裂纹后弯曲）。 使建筑质量下降，甚至引起严重的建筑事故。 体积安定性不良的原因 过量游离的CaO 过量游离的MgO 过量石膏,硅酸盐水泥的体积安定性,Back,水泥中的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的它们的水速度慢，在水泥硬化后才开始水化，使已经硬化的水泥石膨胀开裂。 当石膏掺量过多时，在水泥硬化后，它还能继续与水化铝酸钙反应，生成高硫型水化硫铝酸钙，体积增大1.5倍，引起水泥石开裂。此时，水化 硫铝酸钙被称为水泥杆菌。,体积安定性不良的原因,煮沸法-加速实验法 测量体积安定性的两种方法： 饼法 观察水泥净试饼在沸煮后的外形变化 雷氏夹法 测量水泥石饼沸煮后的膨胀值,体积安定性的测定,水泥安定性的测定,图3.2.8 煮沸法测定仪,图3.2.7 体积安定性不良,体积安定性的测定,图3.2.9 雷氏夹法体积安定性测定仪,限制,上述测试方法仅能测出游离CaO是否过量。 游离MgO和石膏不能通过加速实验的方法检测 所以它们必须在生产工艺中严格控制，避免过量。 标准规定： MgO5%、石膏SO33.5%。,体积安定性的测定,Back,C:S:W=1:3:0.5,Standard specimen 40 × 40×160,Compressive strength,Cured under the standard condition,Bending strength,test,C:S:W=1:3:0.5的比例混合，制成标准尺寸的试件（40×40×160mm），在标准条件下养护，测试抗压强度和抗折强度。,强度试验,Back,图3.2.10 强度测定仪,bending strength instrument,图3.2.10 强度测定仪,Compressive strength instrument,实验录像,强度等级,根据 3天和28天抗压强度 3天和28天抗折强度 硅酸盐水泥可分为6个等级：42.5，42.5R, 52.5，52.5R, 62.5, 62.5R 各龄期的强度不低于GB175-99表中的规定。 按早期强度不同分为两种类型，早强型(用R表示)和普通型。,表3.2.4硅酸盐水泥各龄期的强度要求 （GB175-99）,技术性质分析,水泥在出厂和使用前必须检验的技术指标有四项：细度、凝结时间、强度和体积安定性。这四项指标中，除强度外，其它任何一项指标不合格，则水泥不能使用；反之，若仅强度一项指标不合格，而其它三项指标合格，则水泥可降等级使用。,If only the strength is unqualified,Cement of the lower grade,Back,其他性质,密度:3.1-3.2g/cm3, 通常3.1g/cm3 堆积密度:松散时900-1300kg/m3 ，紧密1400-1700kg/m3 碱含量 以Na2O+0.658K2O计算值表示，以防止碱-骨料反应的发生。 低碱水泥含碱量0.6%，或由供需双方商定。 水化热 大部分的水化热在水化反应的初期释放出来，它的数量决定于水泥的化学成分和细度、矿物掺合料以及酸的侵蚀。 C3S，C3A越高，颗粒越细，水化热越大，对冬季施工有利，但对大体积混凝土工程有害。,Back,水泥石的腐蚀和防止,简介 腐蚀类型 腐蚀原因 防止措施,Back,简 介,水泥石硬化后，在正常的使用条件下，即在潮湿环境中或水中，仍可以逐渐硬化并不断增长期强度。 水泥石的腐蚀 在一些腐蚀性介质中，水泥石的结构会遭到破坏，强度和耐久性降低，甚至完全破坏的现象。 腐蚀类型 软水侵蚀，硫酸盐腐蚀，镁盐腐蚀，碳酸盐的腐蚀，酸的腐蚀，碱的腐蚀,Back,软水侵蚀和碳酸腐蚀,特点 介质软水（含HCO3少的水，如雨水、雪水和蒸馏水）；氢氧化钙溶解于水中引起的腐蚀。 过程 当水泥石与软水接触时，最先溶出的成分是氢氧化钙。当水泥使处于流水或是有压力的水中时，氢氧化钙不断溶解流失，水泥石的密实度下降，强度和耐久性也降低；而且，由于氢氧化钙浓度的下降，还引起了水泥石中的其它水化产物的分解,酸的腐蚀,特点 以酸性介质为主的工业环境等 酸与水泥石中的成分反应，生成易溶于水、结晶膨胀的产物，破坏水泥石 腐蚀过程举例：,碳酸腐蚀,Ca(OH)2+CO2