1、第六章 水 泥,內(nèi) 容,水泥的定義和分類 水泥的生產(chǎn) 水泥的基本組成 水泥的水化硬化 水泥的品質(zhì)要求 常用水泥的基本特征與用途 特種水泥的組成與主要性能,一、水泥的定義和分類,定義：凡細(xì)磨成粉末狀，加入適量水后成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等散粒或纖維材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料，統(tǒng)稱為水泥。 硅酸鹽水泥定義：以硅酸鹽水泥熟料、適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料。 按組成分類： 常用水泥硅酸鹽水泥（以硅酸鹽水泥熟料為主要組分） 如：硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥等 特種水泥（以非硅酸鹽類水泥熟料為主要組分） 如：高鋁水泥、硫鋁酸鹽水泥等,組分材料

2、： (1)硅酸鹽水泥熟料：適當(dāng)成分的生料燒至部分熔融，所得以硅酸鈣為主要成分的產(chǎn)物 (2)石膏：天然石膏或工業(yè)副產(chǎn)石膏（工業(yè)生產(chǎn)中以硫酸鈣為主要成分的副產(chǎn)品），摻量2 (3)活性混合材：具有火山灰性或潛在水硬性的混合材料，如粒化高爐礦渣、粉煤灰等 (4)非活性混合材：活性指標(biāo)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的潛在水硬性或火山灰性混合材料以及砂巖和石灰石 (5)窯灰：從水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾廢氣中收集下的粉塵 (6)助磨劑：在水泥粉磨時起助磨作用而不損害水泥性能的一種外加劑，加入量1%,常用水泥品種,二、水泥的生產(chǎn),原材料： （）石灰石質(zhì)原料（主要成份為碳酸鈣，提供氧化鈣），如石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白堊、貝殼等 （）粘土質(zhì)原料

3、（提供氧化硅和氧化鋁及部分氧化鐵），如黃土、粘土、頁巖、泥巖、粉砂巖及河泥等 （）少量校正原料（鐵質(zhì)校正原料和硅質(zhì)校正原料，提供氧化鐵和氧化硅），鐵質(zhì)校正原料如低品位鐵礦石、煉鐵廠尾礦以及硫酸廠工業(yè)廢渣硫酸渣（硫鐵礦渣）等；硅質(zhì)校正原料如砂巖、河砂、粉砂巖等。,生產(chǎn)工藝：“兩磨一燒” 生料制備：石灰質(zhì)原料，粘土質(zhì)原料與少量校正原料經(jīng)破碎后，按一定比例配合、磨細(xì)，并配合為成分合適，質(zhì)量均勻的生料 熟料煅燒：生料在水泥窯內(nèi)煅燒至部分熔融所得以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料 水泥粉磨：熟料加適量石膏，有時還加適量混合材料或外加劑共同磨細(xì)為水泥,用窯外分解窯干法生產(chǎn)的工藝流程,水泥窯系統(tǒng)中發(fā)生的化學(xué)

4、反應(yīng),(1)干燥與脫水 100，脫去物料中的自由水和粘土礦物的層間水 400600 ，脫去粘土礦物的配位水 (2)碳酸鹽分解 碳酸鈣與碳酸鎂在煅燒過程中分解放出二氧化碳 590，MgCO3MgO+CO2-10471214J/g 890，CaCO3CaO+CO2-1645J/g,水泥窯系統(tǒng)中發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)過程,(3)固相反應(yīng) 800，CaOAl2O3（CA）、CaOFe2O3（CF）與2CaOSiO2（C2S）開始形成。 800900，開始形成12CaO7Al2O3（C12A7）。 9001100，2CaOAl2O3SiO2（C2AS）形成后又分解。開始形成3CaOAl2O3（C3A）和4C

5、aOAl2O3Fe2O3（C4AF）。所有碳酸鈣均分解，游離氧化鈣達(dá)最高值。 11001200，大量形成C3A和C4AF，C2S含量達(dá)最大值。,(4)液相和熟料的燒結(jié) 到達(dá)最低共熔溫度（1250）后，開始出現(xiàn)液相。硅酸二鈣與游離氧化鈣都逐步溶解于液相中，反應(yīng)生成硅酸鹽水泥的主要礦物硅酸三鈣 CaOSiO2（CS） 。在高溫液相作用下，水泥熟料逐漸燒結(jié)。 C2S+CaO C3S,液相,三、水泥的基本組成,（1）硅酸鹽水泥熟料 氧化物組成 CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3 95% MgO、 SO3、TiO2、P2O5、K2O和Na2O等 5% 主要氧化物含量波動范圍： CaO 6267%；

6、 SiO2 2024%；Al2O3 47%； Fe2O3 2.56.0%。,礦物組成 經(jīng)高溫煅燒后，兩種或兩種以上的氧化物反應(yīng)生成多種礦物集合體，結(jié)晶細(xì)小（3060m）。 四種主要礦物： 硅酸三鈣 3CaOSiO2，可簡寫為C3S； 硅酸二鈣 2CaOSiO2，可簡寫為C2S； 鋁酸三鈣 3CaOAl2O3，可簡寫為C3A； 鐵相固溶體4CaOAl2O3Fe2O3作為代表式，可簡寫為C4AF。 另外，還含有少量的游離氧化鈣（f-CaO）、方鎂石（結(jié)晶氧化鎂）、含堿礦物以及玻璃體等。,硅酸鹽礦物，75%,溶劑礦物，22%,熟料礦物的基本特性,礦物組成的計算 鮑格（Bogue）法： C3S=4.0

7、7C-7.60S-6.72A-1.43F-2.86SO3； C2S=8.60S+5.07A+1.07F+2.15SO3-3.07C =2.87S-0.754C3S； C3A=2.65A-1.69F； C4AF=3.04F； CaSO4=1.70SO3 式中CCaO；SSiO2；AAl2O3；FFe2O3 百分含量。,（2）混合材 活性混合材 混合材磨細(xì)后與石灰和石膏拌合，加水后既能在水中又能在空氣中硬化的稱為活性混合材。 ?；郀t礦渣：煉鐵高爐的熔融礦渣經(jīng)水淬急冷形成，物相組成大部分為玻璃體，具有較高的化學(xué)潛能，在激發(fā)劑的作用下具有水硬性。 化學(xué)成分：CaO、Al2O3、SiO2 90% Mg

8、O、MnO、Fe2O3、CaS、FeS、TiO2等 質(zhì)量系數(shù)=（CaO+MgO+Al2O3）/（SiO2+MnO） 活性礦渣質(zhì)量系數(shù)1.2，非活性礦渣質(zhì)量系數(shù)1.2 ?；郀t礦渣粉的活性指數(shù)（A）=R/R0100% 粒化高爐礦渣粉級別（28d的A）：S105，S95，S75,火山灰質(zhì)混合材 凡天然的及人工的以氧化硅、氧化鋁為主要成分的礦物質(zhì)原料，磨成細(xì)粉加水后并不硬化，但與石灰混合后再加水拌和，則不但能在空氣中硬化，而且能在水中繼續(xù)硬化者稱為火山灰質(zhì)混合材。 天然：火山灰、火山凝灰?guī)r、浮石、硅藻土、硅藻石、蛋白石等 人工：燒粘土、活性硅質(zhì)渣、粉煤灰、燒頁巖等。,粉煤灰 燃煤發(fā)電廠電收塵器收集的

9、細(xì)灰 主要化學(xué)成分：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 物相組成：玻璃體6085%；結(jié)晶化合物1030%；未燃盡碳約5%。,非活性混合材 與水泥成分不起化學(xué)作用或化學(xué)作用很小的稱為非活性混合材。 磨細(xì)石英砂、石灰石、慢冷礦渣等 作用：提高水泥產(chǎn)量，減少水化熱，降低水泥標(biāo)號。,（3）石膏 天然石膏或工業(yè)副產(chǎn)石膏（CaSO4，CaSO42H2O） 作用：調(diào)節(jié)凝結(jié)時間，提高早期強(qiáng)度，降低干縮變形，改善耐久性、抗?jié)B性等性能，對混合材起活性激發(fā)作用。 最佳摻量：C3A含量，混合材 以水泥中SO3含量作為石膏摻量的控制指標(biāo) 過少，不能合適地調(diào)節(jié)水泥正常凝結(jié)時間 過多，可能導(dǎo)致水泥體積安定性不良,四、

10、水泥的水化硬化,定義：水泥與水接觸時，水泥中的各組分與水的反應(yīng)稱為水化。,水泥 cement,水泥漿 Cement paste,+水,凝結(jié)、硬化,水泥石 Hardened cement paste,硅酸鹽水泥的水化硬化 水化過程,主要水化產(chǎn)物：,Ca-Al,C-S-H凝膠,CH,水化鋁（鐵）酸鈣,水化硫鋁（鐵）酸鈣,硬化漿體結(jié)構(gòu)： 未水化的水泥顆粒、水化產(chǎn)物、孔隙 影響強(qiáng)度的因素： C-S-H生成量，孔隙（氣孔和毛細(xì)孔）,礦渣硅酸鹽水泥的水化硬化 熟料礦物+水 水化產(chǎn)物 堿性激發(fā)劑：CH（+SiO2+Al2O3） 硫酸鹽激發(fā)劑：石膏（+SiO2+Al2O3 ） 火山灰水泥的水化硬化 熟料礦物+

11、水 水化產(chǎn)物 二次反應(yīng) CH（+SiO2+Al2O3）,水化硅酸鈣 水化鋁酸鈣,水化硫鋁（鐵）酸鈣,水化硅酸鈣 水化鋁酸鈣,五、水泥的品質(zhì)要求,凝結(jié)時間工程施工 初凝：水泥加水拌和開始至標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿開始失去可塑性所經(jīng)歷的時間。45min 終凝：漿體完全失去可塑性并開始產(chǎn)生強(qiáng)度所經(jīng)歷的時間。 硅酸鹽水泥6.5h 其他品種水泥10h（2008年實施GB175-2007） 測定：維卡儀 影響因素：水泥品種、水灰比、環(huán)境溫度,強(qiáng)度水泥質(zhì)量 確定水泥強(qiáng)度等級； 設(shè)計混凝土和砂漿配合比的強(qiáng)度依據(jù),膠砂（水泥1+中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂3+水0.5）,棱柱體試件（40mm40mm160mm）,脫模,201濕氣,24

12、h,201水中,預(yù)定齡期（3d、28d）,測定抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,水泥強(qiáng)度等級按照28d抗壓強(qiáng)度值劃分（2008年實施GB175-2007） 硅酸鹽水泥：42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六個等級 普通水泥：42.5、42.5R、52.5、52.5R四個等級 礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥： 32.5、32.5R 、42.5、42.5R、52.5、52.5R六個等級,體積安定性 體積安定性不良是指已硬化水泥石產(chǎn)生不均勻的體積變化現(xiàn)象。 引起體積安定性不良的原因： （1）f-CaO過量 CaO+H2O=Ca(OH)2 （2）f-MgO過量 MgO+

13、H2O=Mg(OH)2 （3）石膏摻量過多 石膏+C-A-H AFt,細(xì)度 影響水泥安定性、需水量、凝結(jié)時間及強(qiáng)度 國標(biāo)： 硅酸鹽水泥比表面積300m2/kg 透氣式比表面積儀 其他水泥80m標(biāo)準(zhǔn)篩上篩余量10% 篩析法,水化熱 水泥水化放出的熱稱為水泥的水化熱。,硅酸鹽水泥的水化放熱曲線,水泥的水化放熱量大部分在37d內(nèi)放出，以后逐漸減少 大體積混凝土，冬季混凝土施工 水泥水化放熱量與水泥細(xì)度、混合材種類和數(shù)量有關(guān) 中熱硅酸鹽水泥和低熱硅酸鹽水泥，適用于水化熱較低的大壩和大體積混凝土工程。,水泥化學(xué)品質(zhì)指標(biāo) （1）不溶物：熟料中未參與礦物形成反應(yīng)的粘土和結(jié)晶SiO2 ，是煅燒不均勻，化學(xué)反應(yīng)

14、不完全的標(biāo)志。 （2）燒矢量：反映熟料的燒成質(zhì)量，混合材摻量是否適當(dāng)以及水泥風(fēng)化的情況。 （3）氧化鎂：以方鎂石晶體存在的MgO導(dǎo)致水泥長期安定性不良。 （4）SO3：造成水泥體積安定性不良，通過控制石膏摻量控制。 （5）堿含量（Na2O+0.658K2O）：與活性骨料發(fā)生堿骨料反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土不均勻膨脹破壞。,抗蝕性（耐久性） （1）淡水（溶蝕）：流動水，水壓，混凝土滲透性較大 （2）酸與酸性水（溶析和化學(xué)溶解）：碳酸 （3）硫酸鹽（侵蝕）：除硫酸鋇以外的硫酸鹽，“鎂鹽侵蝕” （4）含堿溶液（化學(xué)侵蝕和結(jié)晶侵蝕）,六、常用水泥的基本特征與用途,硅酸鹽水泥與普通水泥,礦渣水泥,火山灰水泥,粉煤

15、灰水泥,復(fù)合水泥 特性取決于所摻混合材的種類、摻量及相對比例 白色硅酸鹽水泥 325、425、525、625四個強(qiáng)度等級 白度分為特級、一、二、三級 彩色硅酸鹽水泥 27.5、32.5、42.5三個強(qiáng)度等級 基本色有紅色、黃色、藍(lán)色、綠色、棕色、黑色等,七、特種水泥的組成與主要性能,鋁酸鹽水泥 以釩土和石灰石為原料，按適當(dāng)比例配合進(jìn)行燒結(jié)或熔融，再經(jīng)粉磨而成，代號CA。 按Al2O3百分?jǐn)?shù)分為四類： CA-50 50%Al2O360% CA-60 60% Al2O368% CA-70 68% Al2O377% CA-80 77% Al2O3,組成 化學(xué)組成 CaO 3242% SiO2 0.5

16、8.0% Al2O3 50% Fe2O3+FeO 0.52.5% 礦物組成 鋁酸一鈣（CA） 70% 凝結(jié)緩慢，硬化快 二鋁酸一鈣（CA2） 水化硬化較慢，早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度不斷增高，耐熱性高 七鋁酸十二鈣（C12A7）水化速度快，凝結(jié)迅速，強(qiáng)度不高，含量10%使水泥快凝 鋁方柱石（C2AS）和-C2S SiO2 5%，形成-C2S， SiO2含量較高時形成C2AS ，水化速度慢，影響早強(qiáng)，配料中嚴(yán)格限制SiO2含量,特性 （1）水化硬化過程 30 ，水化產(chǎn)物主要是C3AH6、AH3 轉(zhuǎn)晶反應(yīng)（CAH10和C2AH8 C3AH6），隨溫度提高而加速，水泥石強(qiáng)度倒縮,（2）水泥基本性能 細(xì)度：比表面積300m2/kg或0.045mm方孔篩篩余20% 凝結(jié)時間：CA-50