水泥与混凝土基本知识之一——混凝土的定义及水泥.

水泥与混凝土基本知识内容什么是混凝土？为什么混凝土会变硬？混凝土中的骨料混凝土外加剂混凝土的性能特征什么是混凝土？混凝土的概念定义：以胶凝材料、水和骨料按适当比例配合拌制成拌和物，经硬化后得到的人工石材。最常见的混凝土：以水泥为胶凝材料、砂石为骨料的混凝土（水泥混凝土）。新拌混凝土硬化混凝土混凝土结构各成分的作用砂、石在混凝土中起骨架作用，并抑制水泥的收缩；水泥和水形成水泥浆，包裹在粗细骨料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面并填充骨料间的空隙。水泥颗粒在硬化前起润滑作用，使混凝土拌合物具有良好的工作性能，硬化后将骨料胶结在一起，形成坚固的整体。混凝土中各成分的作用1—石子2—砂子3—水泥石4—气孔混凝土的发展古代即有混凝土：以粘土、石灰、石膏、火山灰等为胶凝材料，用水拌合，凝结硬化而成混凝土的第一次革命：1924年，英国出现Portland水泥，促进了世界 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 材料重大变革。特别是钢筋混凝土的诞生，极大地扩展了混凝土的使用范围，被誉为混凝土技术的第一次革命。混凝土技术的第二次革命：20世纪30年代发明的预应力钢筋混凝土。混凝土的发展在混凝土结构或构件承受使用荷载前，通过施加外力，使得构件产生的拉应力减小，甚至处于压应力状态下的混凝土构件。混凝土技术的第三次革命：20世纪60～70年代以来，混凝土高效减水剂出现，推动了高强、高性能混凝土的工程应用。被公认为混凝土发展史上的第三次革命。水胶比0.5水胶比0.3<0.2强度大幅提高密实度大幅提升流动性显著优化帝国大厦上海环球金融中心迪拜塔胶凝材料+骨料+水+外加剂为什么混凝土会变硬？(水泥混凝土的水化硬化）水泥如何获得？水泥是如何变硬的？水泥的性能指标要求？水泥有哪些性能特征？水泥如何获得？水泥胶凝材料：通过自身的物理化学作用，在由可塑性浆体变为坚硬石状体的过程中，能将散粒或块状材料粘结成为整体的材料，亦称胶结材料。石膏、石灰、镁质胶凝材料、水玻璃为气硬性胶凝材料。水泥是水硬性胶凝材料：不仅能在空气中硬化，而且能更好地在水中硬化，保持并继续提高其强度。水泥的胶凝特性组成混凝土的重要前提。水泥的分类全世界水泥品种已达100多种，按性能和用途可分为通用硅酸盐水泥（简称通用水泥）和特种水泥两大类。六大通用硅酸盐水泥水泥的分类通用硅酸盐水泥的组分(GB175-2007)水泥的生产石灰质原料粘土质原料校正原料生料煅烧（1450℃）熟料石膏混合材粉磨水泥煅烧是水泥生产的关键环节，生产窑型：回转窑、立窑。熟料煅烧后主要成分为硅酸钙。生料制备熟料煅烧水泥粉磨“两磨一烧”水泥的生产工艺过程熟料煅烧过程水泥窑中的化学反应水泥熟料煅烧过程生料至熟料大致过程：干燥、预热、分解、固相反应、熟料烧成和冷却。100~200℃：生料中的自由水逐渐蒸发而干燥。200~500℃：生料被预热。500~800℃：生料中的粘土矿物脱水并分解。如以高岭土为主要粘土矿物，粘土脱水后变成无定形的Al2O3和SiO2，反应式：600~800℃：碳酸钙开始少量分解，生成CaO和放出CO2，反应式：800~1000℃：900℃时碳酸钙进行大量分解，1000℃其分解基本完毕800~1200℃：CaO与Al2O3、Fe2O3、SiO2通过质点的相互扩散发生固相反应。800~900℃：900~1000℃：1000~1200℃：水泥熟料煅烧过程1300℃左右：3CaO·Al2O3与4CaO·Al2O3·Fe2O3熔融，物料中出现液相。部分2CaO·SiO2和游离CaO溶解于液相中。1350~1450℃：在液相中，2CaO·SiO2吸收游离CaO化合成3CaO·Si02，反应式为煅烧水泥熟料的关键，必须达到足够的温度和停留足够的时间，使生成的3CaO·SiO2的反应尽可能完全，以保证水泥的质量。煅烧完成，快速冷却，得水泥熟料块。硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙为水泥熟料中主要矿物。水泥熟料煅烧过程水泥熟料矿物组成化学组成：主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)，Al2O3(=A)，Fe2O3(=F)少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。硅酸盐水泥熟料四种主要矿物：水泥颗粒宏观形貌水泥颗粒的形貌水泥熟料颗粒形貌水泥熟料矿物岩相水泥是如何变硬的？水泥变硬过程水泥用适量的水拌和后，形成能粘结砂石集料的可塑性泥浆，随后逐渐失去塑性而凝结硬化为具有一定强度的石状体。伴有水化放热、体积膨胀和强度增加。水泥水可塑性浆体（塑性体）固体水化－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－此后，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。硅酸三钙的水化常温下水化反应式:3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2简写为：C3S+nH=C-S-H+(3-x)CH式中：x--表示钙硅比（C/S），n--表示结合水量；C-S-H为水化硅酸钙凝胶，CH为氢氧化钙。水化时的C/S和H/S摩尔比在较大范围内变化。熟料矿物的水化C-S-H(Ⅰ)：C/S=0.8~1.5薄片状结构C-S-H(Ⅱ)：C/S=1.5~2.0纤维状结构C-S-H结晶度极差，接近于无定形，尺寸很小，接近于胶体范畴，一般称为硅酸凝胶。诱导前期：初始水解，离子进入溶液诱导期：继续溶解，早期C-S-H形成加速期：水化产物形成与生长衰减期：水化产物继续生长，微结构发展稳定期：微结构逐渐密实熟料矿物的水化硅酸三钙的水化过程硅酸三钙的水化过程水化放热速率－时间曲线为五个阶段：熟料矿物的水化Ⅰ：诱导前期Ⅱ：诱导期Ⅲ：加速期Ⅳ：衰减期Ⅴ：稳定期β－C2S的水化与C3S相似，但水化速度慢。常温下水化反应式:2CaO·SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH2)简写为：C2S+mH=C-S-H+(2-x)CH形成的水化硅酸钙在C/S和形貌与C3S水化产物都无大的区别。硅酸二钙的水化熟料矿物的水化铝酸三钙的水化迅速，放热快。常温下水化反应式:2(3CaO·Al2O3)+27H2O=4CaO·Al2O3·19H2O+2CaO·Al2O3·8H2O简写为：2C3A+27H=C4AH19+C2AH8C4AH19在低于85％相对湿度下会失去6个结晶水成C4AH13。铝酸三钙的水化熟料矿物的水化C4AH19C4AH13C2AH8C3AH6为最初产物，六方晶系、不稳定。最终产物，立方晶系，稳定转化在液相CaO浓度达到饱和时，C3A水化生成水化铝酸四钙：3CaO·Al2O3+Ca(OH)2+12H2O=4CaO·Al2O3·13H2O产生的C4AH13足以阻碍颗粒的相对移动，一般认为这是使浆体产生瞬时凝结的一个主要原因。因此，在水泥粉磨时，需加入适量的石膏以调整其凝结时间。在石膏和氢氧化钙同时存在时，C3A开始水化生成的水化铝酸四钙会立即与石膏反应，生成的三硫型水化硫铝酸钙，又称钙矾石（以AFt表示）：AFt是难溶于水的针状晶体，在水泥颗粒表面很快形成一层“保护膜”，阻碍水分子及离子的渗透与溶解，延缓水化。铝酸三钙的水化熟料矿物的水化当石膏耗尽，而水泥中还有未完全水化的C3A时，C3A的水化产物水化铝酸四钙又能与钙矾石反应生成单硫型水化硫铝酸钙，即：硫型水化硫铝酸钙为六方板状晶体，以AFm表示。C3A的水化产物熟料矿物的水化铁相固溶体，以C4AF为代表，水化较C3A略慢，水化热较少，单独水化时不会引起快凝。C4AF单独与水反应时，生成水化铝酸三钙晶体和水化铁酸一钙凝胶：在有氢氧化钙存在下，C4AF按下式水化形成水化铁铝酸四钙：氢氧化钙和石膏同时存在下：铁相固溶体（C4AF）的水化熟料矿物的水化C4AF的水化产物与C3A的水化产物相比，其主要差别是部分Al2O3被Fe2O3所代替，其他规律大体相当。薄片状C-S-HC3S水化2周，W/C=0.8薄片C-S-H及其周围生长的CH晶体薄片状与纤维状C-S-H氢氧化钙与针状钙矾石水化产物的微观形貌熟料矿物的水化熟料矿物的基本特性熟料矿物的水化硅酸盐水泥由多种熟料矿物和石膏组成，加水后石膏要溶解于水，水泥粒子立即与水反应发生溶解，使纯水立即变为含有多种离子的溶液。※水泥的主要水化产物是氢氧化钙、C-S-H凝胶、水化硫铝酸钙、水化硫铝（铁）酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等。※水泥水化过程简单分为三个阶段：钙矾石形成期、C3S水化期和结构形成和发展期。硅酸盐水泥的水化钙矾石形成期C3S水化期结构形成和发展期硅酸盐水泥的水化过程硅酸盐水泥的水化过程水化产物的基本特征硅酸盐水泥的水化产物a:C3Sb:C2S水灰比0.55的水泥浆水化9个月I,：C-S-H内产物相;A：铁相/CH;B：水化belite;白色箭头指示完全水化物壳层水灰比0.55的水泥浆水化1天黑色箭头指示部分水化物壳层；白色箭头指示完全水化物壳层。硅酸盐水泥的水化产物水泥浆中氢氧化钙的生长3天7天28天365天硅酸盐水泥的水化产物红色：未反应的水泥颗粒蓝色：氢氧化钙CH黄色：C-S-H黑色：孔隙左上：水化度0％；右上：水化度20％；左下：水化度50％；右下：水化度87％。水化度0%水化度20%水化度50%水化度87%硅酸盐水泥的水化过程模拟（1）熟料的矿物组成四种矿物的水化速率顺序为：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S（2）水灰比水灰比大则水泥颗粒能高度分散，水与水泥接触面大，水化率快。但水灰比大，占空间大，水泥凝结慢，强度低。（3）细度水泥越细，与水接触面大水化快。细度细，晶格缺陷多利于水化。过细，早期强度提高，对后期强度没益处。认为粒径小于40μm，水化活性较高，技术经济合理。影响硅酸盐水化的因素硅酸盐水泥的水化（4）养护温度水泥水化反应也遵循一般的化学反应规律。温度提高，水化加快，特别对水泥早期水化速率影响更大，但水化程度的差别到后期逐渐减小。（5）外加剂常用调控水化速率的外加剂(admixture)有促凝剂、促硬剂、延缓剂。绝大多数无机电解质都有促进水泥水化的作用。如CaCl2增加Ca2+浓度，加快氢氧化钙结晶，缩短诱导期。大多数有机外加剂对水化有延缓作用，最常使用的是各种木质素磺酸盐。硅酸盐水泥的水化影响硅酸盐水化的因素水泥有哪些性能特征?水泥的基本技术性能通用硅酸盐水泥的化学指标(GB175—2007)细度水泥的选择性指标，是指水泥颗粒的粗细程度。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以比表面积表示，不小于300m2/kg。矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥以筛余表示，80μm方孔筛筛余不大于10%或45μm方孔筛筛余不大于30%。适宜细度的选择水泥颗粒越细，粉磨过程中的能耗大，水泥成本就高；颗粒过细，早期水化快，硬化水泥浆体开裂；水泥颗粒越粗，越不利于水泥活性的发挥。水泥的基本技术性能标准稠度用水水泥浆达到特定塑性状态（标准稠度）时所需的用水量（以占水泥的质量百分数表示），也称需水量。水泥颗粒刚刚被拌合水包裹时的用水量。硅酸盐水泥的标准稠度需水量一般为24%~30%，其大小主要与矿物组成和细度有关。熟料矿物C3A的需水量较大，C3S的需水量较小。水泥粉磨细度越细，需水量也越大。维卡仪测定水泥的基本技术性能硬化水泥浆体是一个非均质的多相体系，由各种水化产物和残存熟料所构成的固体，以及存在于孔隙中的水和空气所组成，是固－液－气三相多孔体。具有一定的机械强度和孔隙率，外观和其它性能与天然石材相似，所以通常称作水泥石。水泥石（hardenedcementpaste)硬化后水泥的性能特征水泥石为多相多孔体系，有大大小小、无数个连通或不连通的孔。孔与水泥石强度、渗透性、收缩等性能密切相关。水泥石的性能水泥石中的孔水泥石的性能凝结时间强度体积变化及水化热耐久性水泥从拌水开始到失去流动性，即从可塑性状态发展到固体状态所需要的时间。初凝时间：从加水拌和起，到水泥浆体开始失去可塑性所需时间。终凝时间：从加水拌和起，到水泥浆体完全失去可塑性并开始产生强度所需时间。凝结时间的测定：国家规定用维卡仪测定初凝和终凝时间。水泥石的性能——凝结时间凝结时间加水开始失去可塑性完全失去可塑性初凝时间终凝时间硬化浆体强度增长硬化凝结与硬化是同一过程中的不同阶段：凝结标志着水泥浆失去流动性而具有一定的塑性强度；硬化表示水泥浆体固化后所建立的结构，具有一定的机械强度。水泥石的性能——凝结时间凝结时间的重要意义：初凝时间太短，往往来不及进行施工，水泥浆体就已变硬。若终凝时间太长，未产生足够大的强度，则影响施工的速度。凝结时间的选择：应有足够长的时间来保证混凝土的搅拌、输送、浇注、成型等操作的顺利完成；应尽可能短的时间加快脱模及施工进度，以保证工程的进展。越长越好越短越好相互矛盾。寻找平衡点。水泥石的性能——凝结时间凝结时间我国硅酸盐水泥国家标准GB175—2007规定：初凝不得早于45min（≥45min）终凝不的迟于390min（≤6.5h）凝结时间的影响因素：凡是影响水化速度的各种因素，基本上也同样影响水泥的凝结速度。但水化和凝结又有一定的差异。影响水泥凝结速度的主要因素，有熟料矿物组成、水泥细度、水灰比、养护温度和外加剂等。水泥石的性能——凝结时间影响凝结时间的因素—矿物组成熟料矿物28天的水化速度大小顺序为：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S水泥的凝结速度既与熟料矿物水化难易有关，又与各矿物的含量有关。决定凝结速度的主要矿物为C3A和C3S，快凝是由C3A造成的，正常凝结则受C3S制约。影响凝结时间的因素—水泥细度水泥粉磨越细，其比表面积就越大，晶体产生扭曲、错位等缺陷越多，水化速度越快，凝结越迅速反之凝结越慢水泥石的性能——凝结时间影响凝结时间的因素—水灰比（W/C）水灰比越大，水化越快，凝结反而变慢。加水量过多，颗粒间距增大，水泥浆体结构不易紧密，网络结构难以形成的缘故。水灰比过大，会使水泥石结构中孔隙太多，降低其强度，故水灰比不宜太大。水泥石的性能——凝结时间影响凝结时间的因素—养护温度温度升高，水化加快，凝结时间缩短，反之，凝结时间延长。影响凝结时间的因素—外加剂缓凝剂：延长凝结时间促凝剂：缩短凝结时间影响水泥的凝结快慢因素是多方面的，最主要是C3A，因此在水泥生产中通常是掺入适量外加剂来控制水泥的凝结时间。石膏是常用的一种缓凝剂。有时，根据需要也掺入其他调凝外加剂。石膏石膏的作用控制水泥的水化速度、调节水泥的凝结时间。（主要作用）改善水泥的性能。如提高早期强度，降低干缩变形，改善耐久性。水泥石的性能——凝结时间石膏的缓凝机理水泥中掺加适宜石膏，C3A在石膏--石灰的饱和溶液中生成溶解度极低的三硫型水化硫铝酸钙（AFt），又称钙矾石。棱柱状的小晶体生长在水泥颗粒表面，形成覆盖层或薄膜，阻滞水分子及离子的扩散，降低了水化速度，延长凝结时间，防止快凝现象发生。C3A含量较高或石膏等缓凝剂掺量过少时，C3A迅速反应，很快生成大量片状的水化铝酸钙（C4AH13），并相互连接形成松散的网状结构，出现不可逆的固化现象，又称为“速凝”或“闪凝”。石膏最佳掺量的确定式中，Sc——水泥中最佳SO3掺量，%；Sg——石膏中SO3含量，%。水泥中最佳SO3掺量是指在凝结时间正常区域内，各龄期抗压强度为最高值，其他性能也为良好时的SO3掺量。水泥石的性能——凝结时间假凝现象假凝是指水泥加水拌和后，在几分钟内即迅速凝结变硬，经剧烈搅拌后，又重新恢复塑性的现象。水泥石的性能——凝结区分假凝与快凝假凝的原因：水泥在粉磨时受到高温，其中二水石膏脱水形成半水石膏甚至可溶性无水石膏。假凝的预防措施：使用无水硫酸钙含量较高的石膏，以避免粉磨时石膏脱水；水泥粉磨时采取一定的措施降温，避免石膏脱水。在建筑施工中，延长搅拌时间，消除假凝现象。水泥石的性能——凝结强度的产生和发展水泥加水拌和，熟料矿物迅速水化，生成大量C-S-H凝胶，并生成Ca(OH)2及钙钒石(AFt)晶体；经过一定时间，C-S-H以长纤维晶体从熟料颗粒上长出，同时钙钒石晶体逐渐长大，在水泥浆体中相互交织联结，形成网状结构，从而产生强度。随着水化进行，水化产物数量不断增加，晶体尺寸不断长大，从而使硬化浆体结构更为致密，强度逐渐提高。水泥石的性能——强度影响水泥强度的因素水泥细度<1um：搅拌中就完全水化，对强度无益；增加需水量，降低浇筑性能。1～3um：可提高3d强度，但增加需水量。3～32um：决定28d强度，含量越高越好；强度富余大，可增加混合材掺量。32～65um：对强度有贡献，但贡献率低。>65um：只起骨架作用；含量增加，泌水性增大。要求：水泥细度合适，级配合理泌水性：水泥浆体所含的水分从浆体中析出的难易程度。水泥石的性能——强度施工条件在施工过程中，水灰比，骨料级配，搅拌振捣的程度，养护温度及是否采用外加剂等对强度有很大影响。游离氧化钙方镁石结晶过多所掺石膏超量硬化浆体必然有一定的体积变化：化学收缩湿胀干缩碳化收缩水泥石的性能——体积变化水泥的体积安定性水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。化学收缩水泥在水化硬化过程中，无水的熟料矿物转变为水化产物，固相体积大大增加，而水泥浆体的总体积却在不断缩小，由于这种体积收缩是化学反应所致，故称化学减缩。以C3S水化为例：2（3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·SiO2·3H2O+3Ca(OH)2密度g/cm33.141.002.442.23物质量mol228.3318.02342.4674.10摩尔体积cm3/mol72.7218.02140.3533.23体系中所占cm3145.44108.12140.3599.69体系总体积cm345.44+108.12=253.56140.35+99.69=240.04体积变化－5.33%固相体积变化＋65.04%水泥石的性能——体积变化湿胀干缩硬化水泥浆体结构含水量增加，凝胶粒子由于分子吸附作用而分开，体积膨胀；含水量减少，使体积收缩。湿胀和干缩大部分是可逆的。水泥石的性能——体积变化碳化收缩在一定的相对湿度下，硬化水泥浆体中的水化产物如Ca(OH)2、C-S-H等会空气中的CO2作用，生成CaCO3和H2O，造成硬化浆体的体积减少，出现不可塑的收缩现象，成为碳化收缩。水泥的水化热是由各种熟料矿物与水作用时产生的。对水泥浆体的影响：冬季施工中，提高浆体温度，有利于水泥凝结。大体积混凝土中，聚集在混凝土内部不易散失，导致内外温差较大，产生裂缝。水化热与矿物组成有关：四种单矿物28d以前的水化速度为：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S。要降低水泥的水化热，应该增大熟料中C2S和C4AF，相应降低C3A和C3S的含量。水泥石的性能——水化热水化热小结了解水泥的生产过程掌握水泥的矿物组成及不同矿物的水化特性了解水化产物的组成及形貌特点掌握水泥石的主要性能特征。谢谢！