1、3.2 硅 酸 盐 水 泥 Portland Cement,水泥的生产硅酸盐水泥的水化及凝结硬化硅酸盐水泥的技术性质水泥石的腐蚀与防止硅酸盐水泥的应用与存放,概述,水泥的定义：水泥是以水化活性矿物为主要成分的水硬性胶凝材料。水泥的特点：水泥是一种粉末状材料，加水后拌合均匀形成的浆体，不仅能够在干燥环境中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持或发展其强度，形成具有堆聚结构的人造石材。,水泥中的主要矿物,硅酸盐系水泥,铝酸盐系水泥,硫铝酸盐系水泥,磷酸盐系水泥,硫铝酸钙,硅酸钙,铝酸钙,磷酸钙,镁,根据水泥的主要矿物成分，有：硅酸盐系水泥、铝酸盐系水泥、硫铝酸盐系水泥、磷酸盐系水泥等。,水泥的分类
2、：,水泥的特性,膨胀水泥,快 硬 水 泥,低 热 水 泥,抗腐蚀水泥,硬化时膨胀,硬化速度快,水化热低,耐腐蚀性好,根据水泥的特性，有：膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥等。,根据性能和用途分：,水 泥,通用水泥,专用水泥,特性水泥,硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥,复合硅酸盐水泥,如砌筑水泥、油井水泥、道路水泥、大坝水泥等,如白色硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥等,3.2.1 硅酸盐水泥的生产及矿物组成,凡由硅酸盐水泥熟料、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(即国外通称的Portland Cemen
3、t).硅酸盐水泥分为：型硅酸盐水泥（不掺混合材料）和型硅酸盐水泥（掺不超过5%混合材料）。,硅酸盐水泥的生产工艺“两磨一烧”工艺生产水泥的方法主要有干法立窑生产和湿法回转窑生产两种；各物质的作用熟料：主要胶凝物质，能水化硬化；石膏：调节水泥的凝结时间；混合材：调节水泥的强度等级；,石灰石,粘 土,铁矿粉,生 料,石 膏,硅酸盐水泥,混合材料,熟 料,按比例混合,磨细,13501450,煅烧,磨细,熟料的矿物组成,水泥熟料矿物,硅酸二钙,铁铝酸四钙,游离氧化钙和氧化镁,铝酸三钙,硅酸三钙,碱类及杂质,2CaOSiO2，C2S,4CaOAl2O3Fe2O3，C4AF,fCaO和fMgO,3CaOA
4、l2O3，C3A,3CaOSiO2，C3S,化学式及简写,返回,1.硅酸盐水泥的水化2.水泥浆的凝结硬化3.水泥浆凝结硬化的影响因素,返回,3.2.2 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化,C-S-H 凝胶,氢氧化钙晶体,水化铝酸钙晶体,水化铁酸一钙 凝胶,钙钒石AFt 晶体,AFm,熟料矿物的水化反应,硅酸三钙,2（3CaOSiO2）6H2O=3CaO2SiO23H2O3Ca（OH）2,硅酸二钙,2（2CaOSiO2）4H2O=3CaO2SiO23H2OCa（OH）2,铝酸三钙,3CaOAl2O3H2O=3CaOAl2O36H2O,3CaOAl2O36H2O 3（CaSO42H2O）19H2O=3Ca
5、OAl2O33CaSO431H2O,铁铝酸四钙,4CaOAl2O3Fe2O37H2O=3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O,3CaOAl2O36H2OCaSO42H2O4H2O=3CaOAl2O3CaSO412H2O,石膏,各种水泥熟料与水作用时表现的特性,水泥熟料矿物的主要特性 熟料矿物磨细加水，均能单独与水发生化学反应，其特点见上表。,返回,2、凝结硬化 setting and hardening 影响因素：,温度、湿度、养护时间,水泥颗粒,水,水泥颗粒分散在水中形成水泥浆体,硅酸盐水泥水化物理过程模型,水泥水化物膜层,水泥颗粒的水化从表面开始，在表面形成水化物膜层诱导期,水化
6、物膜层随水化时间向内不断增厚，进入潜伏期。,水化物膜层随水化时间向内不断增厚，水泥颗粒粒径缩小,在渗透压的作用下，膜层破裂、扩展，占据原来被水占据的空间，进入凝结期。,凝结期：水化物不断填充被水占据的空间，成为连续相，拌和水不断减少，并被水化物分割成非连续相。,随着水泥颗粒的不断水化，水化物不断填充毛细孔和水所占据的空间，固体相成为连续相，并具有一定强度。进入硬化期。,先在固液界面发生，水化物围绕每颗水泥颗粒未水化的内核区域沉积；早期水化物在颗粒上形成表面膜层，阻碍了进一步反应进入潜伏期；因渗透压或Ca(OH)2的结晶或二者，水化物膜层破裂，导致水化继续迅速进行进入水化的加速期；随着水化的不断
7、进行，水占据的空间越来越少，水化物越来越多，水化物颗粒逐渐接近，构成较疏松的空间网状结构，水泥浆失去流动性，可塑性降低凝结；由于水泥内核的继续水化，水化物不断填充结构网中的毛细孔隙，使之越来越致密，空隙越来越少，水化物颗粒间作用增强，导致浆体完全失去可塑性，并产生强度硬化。,水泥浆凝结硬化的物理过程,返回,A凝胶体（CSH凝胶，水化硅酸钙凝胶）；B晶体（氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙）；C孔隙（毛细孔、凝胶孔、气孔等）；D未水化的水泥颗粒,水泥石的结构,水化产物未水化熟料颗粒孔隙,水泥石主要由,水化产物组成(充分水化时),C-S-HCa(OH)2水化(硫)铝酸钙 70%20%7,孔隙组成,
8、凝胶孔毛细孔气孔,（1）水泥矿物组成：C3S、C3A含量多，凝结硬化快，反之亦然。（2）水泥细度：细度越小，水化反应越快，凝结硬化越快。（3）养护条件（温度、湿度）与时间：提高温度，加快水泥的凝结硬化；保持足够的水分有利于水泥的凝结硬化（4）拌合用水量：水灰比越大，浆体需填充的孔隙越多，凝结硬化速度越慢。（5）水泥中的混合材：掺加混合材，熟料减少，凝结硬化速度减慢。（6）水泥外加剂：有些化合物可以使水泥浆体促凝或缓凝。,3.水泥凝结硬化的主要影响因素,水泥浆的凝结硬化取决于水泥的水化，水泥水化速度是矿物组成及其含量、粉磨细度、温度和水灰比的函数：R(t)=f(C3S)f(细度)f(T)f(W/
9、C),返回,3.2.3 硅酸盐水泥的技术性质,密度与堆积密度细度标准稠度用水量凝结时间体积安定性强度水化热不溶物和烧失量碱含量,1.密度与堆积密度,密度 3.053.20，混凝土配合比计算时，一般取3.10。堆积密度 10001600kg/m3，在工地计算水泥仓库时，一般取1300 kg/m3。密度的测量方法 排液法，用煤油作为测量液体。,2.细 度,定义 细度是指水泥粉体的粗细程度。测量方法筛分析法 以80m方孔筛的筛余量表示；比表面积法 以1kg水泥颗粒所具有的总表面积来表示。国标要求硅酸盐水泥的比表面积应大于300m2/kg。普通水泥80m方孔筛的筛余量不得超过10.0%。细度不符合要求
10、的水泥为不合格品！,3.标准稠度用水量,标准稠度：按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，试锥下沉（282）mm时的水泥净浆的稠度。标准稠度用水量：是指水泥净浆达到标准稠度时所需要的水量，用水与水泥质量的比来表示。硅酸盐水泥的标准稠度用水泥量一般在21%28%。,4.凝结时间,概念：凝结时间水泥加水开始到水泥浆失去流动性，即从可塑性发展到固体状态所需要的时间。初凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆开始失去可塑性所需的时间；终凝时间 从水泥加水拌和到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度所需的时间。测定方法：用标准稠度的水泥净浆，在规定的温湿度下，用凝结时间测定仪来测定。国标要求：硅酸盐水泥
11、初凝时间45min；终凝时间390min。,水泥凝结时间的测定,标准稠度水泥浆,离底12mm为初凝,园弧形压痕,终凝,5.体积安定性,基本概念：水泥凝结硬化过程中，体积变化是否均匀适当的性质称为体积安定性。若水泥石的体积变化均匀适当，则水泥的体积安定性良好；若水泥石发生不均匀体积变化：翘曲、开裂等，则水泥的体积安定性不良。,水泥体积安定性不良的原因：水泥熟料中含有过多的游离CaO、MgO和石膏。因为水泥熟料中的游离CaO、MgO都是过烧的。水化速度很慢。在已硬化的水化石中继续与水反应，其固体体积增大1.98%和2.48倍。产生不均匀体积变化，造成水泥石开裂、翘曲。石膏量过多，在水泥凝结硬化后，
12、会有钙钒石形成，产生膨胀。,试饼法,雷氏夹法,合格标准：5mm。,肉眼观察表面有无裂纹,用直尺检查有无弯曲,合格标准：无裂纹、无弯曲。,试饼法 用标准稠度的水泥净浆做成试饼，在水中经恒沸3h后，用肉眼观察没有裂纹，用直尺检查没有弯曲，则体积安定合格，反之，体积安定性不合格。,雷氏夹法 测量雷氏夹中的水泥净浆，经沸煮3h后的膨胀值。该值不大于5.0mm时，则体积安定性合格，否则，为体积安定性不合格。,检测方法：,6.强 度,检验方法软练胶砂法，分别测量抗压强度和抗折强度。试件尺寸：4040160mm棱柱体；胶砂配比：水泥:ISO标准砂:水=1:3:0.5；振动成型：在频率为28003000次/m
13、in，振幅0.75mm的振实台上成型。振动时间120s。试件养护：在20 C 1C，相对湿度不低于90%的雾室或养护箱中24h，然后脱模在20C 1 C的水中养护至测试龄期；,100mm,160mm,P,抗折强度试验,P,P,抗压强度试验,强度测量：将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。受压面积为4040=1600mm2。结果计算：抗折强度以三个试件的平均值，抗压强度以六个试件的平均值。,强度等级：根据3天和28天强度测试结果，将水泥强度划分若干个强度等级,3d,28d,时间（d）,强度（MPa）,水泥强度发展规律,早期增长快，随后逐渐减慢；28天，基本达到极限强
14、度的80以上；在合适的温湿度条件下，强度增长可以持续几十天 乃至几十年。,水泥石强度的影响因素,影响孔隙率的因素均影响水泥石的强度水灰比 水灰比越大，孔隙率越大，强度越低水泥组成：熟料矿物、混合材养护条件：温度、湿度、龄期水泥细度：水泥颗粒越细，强度发展越快,7.水化热,概念：水泥的水化是放热反应，放出的热量就是水化热。放热特征：水泥放热过程可持续很长时间，但大部分在3d内释放。水化热的益处与危害：水化热有利于水泥的快硬，尤其是在冬天施工，但如果水化热发散不均匀，容易在混凝土中引起裂缝，尤其是大体积混凝土，更是如此。水化热和放热速度的影响因素：水泥矿物组成水泥细度,水泥质量的判定,返回,3.2
15、.4 水泥的腐蚀与防止,基本概念：在使用环境中，硅酸盐水泥石受某些腐蚀性介质的作用，其组成和结构会逐渐发生变化或受到损害，导致性能改变、强度下降等。水泥石抵抗这种作用、而保持不变的能力称为其耐腐蚀性。,水泥石腐蚀的方式（1）软水侵蚀（溶出性侵蚀）（2）酸的腐蚀（溶解性化学腐蚀）一般酸的腐蚀碳酸水的腐蚀（3）硫酸盐腐蚀（膨胀性化学腐蚀）（4）强碱腐蚀,导致水泥石腐蚀性破坏的原因,外因：环境中的腐蚀性介质，如：软水；酸、碱、盐的水溶液等。内因：水泥石内存在原始裂缝和孔隙，为腐蚀性介质侵入提供了通道；水泥石内有在某些腐蚀性介质下不稳定的组分，如：Ca(OH)2，水化铝酸钙等；腐蚀与毛细孔通道的共同作
16、用 加剧水泥石结构的破坏。,软水侵蚀（溶出性侵蚀）,机理：当水泥石处在软水中，软水能使水泥石中的Ca(OH)2溶解，并溶出水泥石，留下孔隙；另一方面，水泥石中游离的钙离子的减少，使钙离子的浓度低于水化物的溶度积，导致水化物分解、溶失和转变，产生大量孔隙。尤其是处于压力水或流水条件下，腐蚀越快。破坏形式：水化物的分解、溶失，造成水泥石密实度下降，孔缝增多、强度降低，直至整体破坏。,酸类腐蚀,腐蚀机理：水泥石中的水化物都是碱性化合物，与碳酸、盐酸、硫酸、醋酸、蚁酸等酸反应生成可溶性盐。另一方面，氢氧化钙浓度的降低，会导致水泥石中其它水化物的分解，使腐蚀作用加剧。破坏形式：溶失性破坏，组成与结构发生
17、很大改变。,水泥石受酸腐蚀后，表面溶失、脱落,盐类腐蚀,硫酸盐的腐蚀 腐蚀机理：硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙反应，生成硫酸钙。硫酸钙再与水泥石中未水化的铝酸钙反应，生成钙矾石，其体积增加2.22倍，引起水泥石的破坏。当硫酸钙浓度高时，他们可直接结晶，造成膨胀压力，引起破坏。镁盐的腐蚀 腐蚀机理：主要是硫酸镁和氯化镁，他们与氢氧化钙反应，生成氢氧化镁和硫酸钙或氯化钙，造成双重腐蚀作用。,钙矾石,水泥石受硫酸盐侵蚀后，内部形成膨胀性结晶产物,水泥石受硫酸盐侵蚀后，因膨胀性结晶产物引起的开裂,强碱腐蚀,腐蚀机理：氢氧化钠、氢氧化钾等强碱可与水泥石中的铝酸钙矿物或水化物反应，生成可溶性铝酸盐。当介质中强碱浓度较高时，会造成水泥石的严重破坏。,防止水泥石腐蚀的措施,主要针对引起腐蚀破坏的内因采取措施，根据使用环境条件，选用水泥品种，降低水泥石中不稳定组分的含量；提高水泥石的密实度，减少腐蚀性介质的通道，如降低水灰比、掺加外加剂等；表面防护处理，堵塞通道如：防腐涂层。,返回,1凝结硬化快，强度高，尤其早期强度高2水化热大3耐腐蚀性差4抗冻性好，干缩小5耐热性差6抗碳化性能好（抗中性化）,适宜_快硬、高强、抗渗、耐磨混凝土、冬季施工 不宜_大体积混凝土 不宜_海工混凝土 适宜_严寒地区 不宜_高温环境 适宜_CO2浓度高的工业区,3.2.5 硅酸盐水泥的特点和应用,返回,
